Контрольная работа: Циркулярні насоси
Рисунок 7 - Блок механічного ущільнення фірми «Хайворд Тайлер» для ГЦН АЕС «Ловіза» (Фінляндія)
Недоліком розглянутої конструкції є те, що у ступенях гідростатичного ущільнення аксіальні рухомі поршні центруються по двох гумових ущільнювальних кільцях та не можуть достатньою мірою компенсувати перекоси контактних поверхонь, а у торцевій щілині відсутні умови для виникнення відновного моменту. Крім того, в схемі міститься багато регулюючих автоматичних пристроїв, які знижують надійність роботи блоку ущільнення, що виявилося в ході пуско-налагоджувальних робіт на АЕС «Ловіза-1». У результаті в ГЦН були встановлені простіші ущільнення фірми «Чемплейн» (Канада), подібні до ущільненням, які показані на рисунку 4. У них ступені гідростатичного ущільнень мають на робочій поверхні замкнуті камери, що поєднуються через дроселі з ущільнюваною порожниною.
Останнім часом з'явилися конструкції ГЦН для реакторів РБМК та ВВЕР, у яких повний перепад тиску спрацьовує на одній ступені гідростатичного ущільнення, а зовнішня герметичність забезпечується механічним ущільненням торцевого типу [20]. При цьому спрощуються системи подачі запірної води та охолоджування і підвищується надійність насосних агрегатів.
Фірмою «Вортінгтон» (Великобританія) розроблене гідростатичне ущільнення (рис. 8) з постійними за величиною витоками. Ущільнення складається з диска 1 , розташованого на валу 12 , та аксіальна рухома втулка 11, яка встановлена в корпусній проставці 4 . На торцевої поверхні диска виконано гладкий ущільнювальний поясок 10 та опорні подушки 9 . З боку камери 7 низького тиску на втулці 11 закріплений поршень 5 . На лінії відведення організованих витоків розміщений дросель 6 . Камера, утворена між поршнем 5 та корпусною проставкою 4 , з'єднується з атмосферою каналом 3 . Зовнішні витоки по валу обмежуються допоміжним ступенем торцевого ущільнення 8 . Принцип роботи ущільнення базується на тому, що при обертанні між диском та аксіально рухомою втулкою утворюється осьовий зазор, по якому організовані витоки надходять з порожнини 2 високого тиску в камеру 7 . За рахунок опору дроселя 6 у камері 7 встановлюється певний тиск, який діє на поршень 5 та втулку 11 , прагне зменшити осьовий зазор у робочій щілині, а отже, і витоки. Із зменшенням витоків тиск у камері 7 трохи знижується, та відбувається зворотний процес. Шляхом вибору відповідних геометричних розмірів основних елементів ущільнення можна забезпечити постійні за величиною витоки, які автоматично підтримуватимуться гідравлічною силою, що діє з боку низького тиску [21].
Рисунок 8 - Гідростатичне ущільнення з постійними витоками
Ущільнення за принципом роботи аналогічне до клапана, що підтримує постійність витрати при зміні тиску. Простота конструкції у відсутності зовнішніх насосів, що робить дане ущільнення перспективним для застосування в ГЦН, проте через великі габарити воно більш чутливе до температурних деформацій.
На рисунку 9 показані гідростатичні ущільнення, на робочих поверхнях яких виконана сходинка Релея, конфузорність або їх комбінація. Такі конструкції дозволяють автоматично підтримувати певний зазор між робочими поверхнями за рахунок зміни епюри тиску залежно від зміни величини осьового зазору. Принцип роботи, особливості конструкцій та область їх застосування розглянуті у роботах [13, 14]. Ущільнення прості за конструкцією, не вимагають додаткових систем. Їх недоліки: відсутність вирівнюючого моменту та підвищена чутливість до зносу, оскільки сходинка та скіс мають розміри порядку декількох десятків мікрометрів.
У гідростатичних ущільненнях витоки через осьовий зазор майже не залежать від відносного обертання ущільнювальних кілець, а визначаються перепадом тиску. Тому під час стоянки витоки залишаються таким же, як і при роботі насоса. Для ущільнення вала при зупнці доводиться встановлювати послідовно з основним додаткові стоянкові ущільнення, що ускладнює та здорожчує конструкцію, її експлуатацію та ремонт.
Рисунок 9 - Гідростатичне ущільнення:
а - з мікросходинкою; б - зі скосом; в - зі скосом та мікросходинкою
Для безконтактної роботи гідростатичні ущільнення вимагають певного перепаду тиску, при якому утворюється гарантований осьовий зазор. Інакше кільця знаходяться у контакті та схильні до зносу під час роботи. Так, наприклад, фірма «Чемплейн» для гідростатичного ущільнення (подібне зображене на рис. 6 а) допускаєзапуск в роботу при перепаді тиску не менше 2 МПа . Тільки при такому перепаді гарантується безконтактна робота ущільнення.
У ВНДІАЕН розроблений новий тип імпульсного гідростатичного торцевого ущільнення з автоматично регульованим зазором (рис. 10), яке одночасно виконує роль стояночного [3]. На валу 1 нерухомо закріплене ущільнювальне кільце 2 , що обертається. Контактуючаз ним аксіальна рухома втулка 3 встановлена у кришці 4 , ущільнена гумовим кільцем 5 та притиснута до кільця 2 пружинами 6 . Наробочій поверхні втулки по колу розміщені замкнуті камери 7 . У ущільнювальному кільці, що обертається, виконано декілька живильних каналів 8 , які зв’язують ущільнювальну порожнину В зкамерами 7 . Число каналів менше числа камер, тому при будь-якому відносному положенні кільця та втулки вони можуть сполучати з порожниною В лише частину камер.
Рисунок 10 - Імпульсне гідростатичне ущільнення з саморегульованим зазором
Особливість роботи даного ущільнення полягає у тому, що при обертанні вала камери періодично сполучаються з ущільнювальною порожниною через живильні канали. Періодичність визначається частотою обертання вала та числом підвідних каналів. У міру підвищення тиску р2 у камерах виникає надмірна осьова сила, яка прагне розкрити стик між ущільнювальними поверхнями. Збільшення осьового зазору приводить до зниження тиску в камерах та відповідно до зменшення розклинюючої сили з боку шпарини. Під дією постійної гідравлічної сили на тильний бік аксіальна рухома втулка та зусилля від пружин ущільнення знову прагне закритися. Шляхом вибору відповідних розмірів ущільнювальних елементів можна забезпечити рівновагу аксіально рухомої втулки при певному осьовому зазорі між ущільнювальними поверхнями. Під час роботи тиск у камерах періодично змінюється від найбільшого значення, що приблизно дорівнює тиску в порожнині з ущільнювальною рідиною, до найменшого відповідного тиску між ущільнювальними поверхнями, позбавленими камер. Середній тиск у камерах, що визначає гідростатичну силу, буде нижчим за тиск у порожнині з ущільнювальною рідиною, що забезпечує перепад тиску між ними, необхідний для саморегулювання осьового зазору. В результаті відпадає необхідність виконувати живильні канали капілярними.
У розглянутому ущільненні число живильних каналів та камер взяте таким, щоб за відсутності відносного обертання ущільнювальних кілець лише частина камер могла збігатися з живильними каналами. Тому під час зупинки гідростатичні сили, що діють на поверхню камер, виявляються малими та не можуть врівноважити сил тиску, що притискають ущільнювальні кільця одне до одного. Таким чином, при зупиненні забезпечується щільний контакт між ущільнювальними поверхнями, що виключає витоки через ущільнення, та відпадає необхідність у додаткових стоянкових ущільненнях.
Через пульсуючу зміну тиску в камерах на аксіально рухому втулку діє високочастотна (але з малою амплітудою) осьова сила, що надає втулці безпечні високочастотні коливання та тим самим запобігає втраті її рухомості щодо гумового ущільнювального кільця.
У результаті експериментальних досліджень, проведених у ВНДІАЕН, розроблена для ГЦН стосовно блоку ВВЕР потужністю 1000 МВт система ущільнення валу (рис. 11), до складу якої входять внутрішнє та зовнішнє ущіл?