НАСОС ПОГРУЖНОГО ТИПА ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ

Решение относится к конструкции насосов и может быть использовано, например, в реакторных установках с жидкометаллическим охлаждением или в цветной металлургии.
Известен насос погружного типа для перекачки жидких металлов, содержащий корпус, в котором на верхнем подшипнике качения, расположенном выше уровня жидкого металла, и нижнем подшипнике скольжения, расположенном под уровнем жидкого металла, установлен вал с закрепленным на нем рабочим колесом (см. Главные циркуляционные насосы АЭС / Ф.М.Митенков, Э.Г.Новинский, В.М.Будов; Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.217) - прототип.
Недостатками данного технического решения является возможность забивания камер гидростатического подшипника или каналов сложной геометрии и малого диаметра, соединяющих камеры подшипника с напорной камерой насоса, дисперсными частицами, содержащимися в теплоносителе. При применении гидродинамического нижнего подшипника возможно попадание дисперсных частиц в его рабочий зазор с последующими задирами рабочих поверхностей. При применении обоих типов подшипников общий КПД жидкометаллических насосов уменьшается за счет протечек теплоносителя через зазор между верхним диском рабочего колеса и корпусом и через рабочий зазор подшипника в объем между нижним подшипником и свободным уровнем теплоносителя. При наличии несоосности осей положения верхних подшипников качения и нижнего подшипника скольжения происходит износ либо вала, либо втулки подшипника. Это снижает ресурс насоса, его надежность и КПД.
Задачи, решаемые изобретением - увеличение ресурса насоса, повышение его надежности.
Технический результат - исключение износа тела втулки вала и втулки подшипника и исключение поступления дисперсных частиц в зазор между втулкой вала и втулкой подшипника.
Этот результат достигается тем, что в насосе погружного типа для перекачки жидких металлов, содержащем корпус, в котором на верхнем подшипнике качения, расположенном выше уровня жидкого металла и нижнем подшипнике скольжения, расположенном под уровнем жидкого металла, установлен вал с закрепленным на нем
рабочим колесом, нижний подшипник скольжения выполнен в виде двух последовательно установленных и разделенных камерой втулок вала с криволинейными каналами на их цилиндрических поверхностях, направление закрутки одной поверхности втулки вала совпадает с направлением вращения вала, а второй - противоположно ему, и сопряженных с втулками двух последовательно установленных и разделенных камерой втулок подшипника с криволинейными каналами на их внутренней цилиндрической поверхности с направлением закрутки, противоположным направлению закрутки каналов на сопряженных противолежащих поверхностях втулок вала и закрепленных в корпусе соосно с валом.
Каждая пара втулка вала - втулка подшипника скольжения с криволинейными каналами, на сопряженных противолежащих поверхностях, направление закрутки которых противоположно, являются, по сути, рабочими органами лабиринтно-винтового насоса. Предлагаемый подшипник скольжения работает в жидкостном режиме трения, но в отличие от известных гидростатических подшипников не требует подачи в него рабочей среды со значительным избыточным давлением и системы разветвленных каналов с дросселями подачи рабочей среды в камеры гидростатического подшипника. Применение гидростатического подшипника в осевом или другом малонапорном насосе невозможно без дополнительного высоконапорного насоса.
Создание гидродинамического подшипника, работающего на рабочей среде -жидком металле, например свинце, невозможно по следующим основным причинам: 1. На поверхности сталей в рабочих условиях насосов (T=400°-600°С) образуются оксидные покрытия, которые не смачиваются жидким металлом. При несмачивании жидкостью поверхностей втулки вала и втулки подшипника создание гидродинамического клина невозможно в принципе, т.к. силы трения на границе между твердой поверхностью и жидкостью минимальны; 2. Вязкость жидких металлов при указанных условиях мала (меньше вязкости воды) и величина зазоров между валом и подшипником, определяемые расчетом по методике расчета гидродинамических подшипников, настолько мала, что техническая реализация такой конструкции невозможна.
Предлагаемый подшипник работает как гидростатодинамический. Центрирование вала в подшипнике аналогично работе гидростатического подшипника, а создание давления рабочей среды между валом и втулкой подшипника достигается за счет турбулентной вязкости в потоке жидкости при вращении вала во втулке.
В предлагаемой конструкции насоса на валу насоса устанавливаются два таких подшипника, работающих по принципу лабиринтно-винтового насоса одновременно создающих одинаковые напоры в противоположных направлениях, создающие
повышенное давление в камере, установленной между ними. За счет этого минимизируется протечка рабочей среды через подшипниковый узел, и соответственно затраты мощности привода, и увеличивается его несущая способность.
На фиг представлена схема предлагаемого насоса погружного типа для перекачки жидких металлов.
В корпусе 1 на верхнем подшипнике качения 2, расположенном выше уровня жидкого металла 3, и нижнем подшипнике скольжения 4, расположенном под уровнем жидкого металла 3, установлен вал 5 с закрепленным на нем рабочим колесом 6. Нижний подшипник скольжения 4 выполнен в виде двух последовательно установленных втулок вала - верхней 7 и нижней 8. Между ними установлена напорная камера 9, сообщенная с криволинейными каналами втулок 7 и 8 вала, на их цилиндрических поверхностях направление закрутки каналов одной поверхности втулки совпадает с направлением вращения вала 5, а второй - противоположно ему. С втулками 7 и 8 вала сопряженно установлены втулки подшипника размещенные последовательно - верхняя 10 и нижняя 11, разделенные напорной камерой 9. Камера 9 сообщена с криволинейными каналами втулок 10 и 11 подшипника. Направление закрутки каналов на цилиндрических поверхностях каждой из втулок 10 и 11 подшипника противоположно направлению закрутки каналов на цилиндрических поверхностях каждой из сопряженных втулок 7 и 8 вала соответственно. Втулки 10 и 11 подшипника закреплены в корпусе соосно с валом 5.
Работа насоса осуществляется следующим образом.
При вращении вала 5 с номинальной частотой верхняя и нижняя части подшипника скольжения, разделенные напорной камерой 9, работают в режиме гидростатического подшипника. Это достигается тем, что при смещении вала 5 в радиальном направлении на стороне смещения уменьшается радиальный зазор между нижними цилиндрическими поверхностями выступов между канавками втулок 7 и 8 вала и внутренними цилиндрическими поверхностями выступов между канавками втулок 10 и 11 подшипника. В то же время, на стороне, противоположной смещению вала 5, увеличивается радиальный зазор между внешними цилиндрическими поверхностями, выступов между канавками втулок 7 и 8 вала и внутренними цилиндрическими поверхностями выступов между канавками втулок 10 и 11 подшипника. Таким образом, возникает разность давлений, и, соответственно, сила, действующая на вал 5 в направлении, противоположном направлению смещения, возвращающая вал в положение соосное втулкам подшипника.
Наличие двух установленных последовательно на валу подшипников скольжения, работающих в режиме либиринтно-винтового насоса и создающих напор и направление
движения жидкости противоположного знака, увеличивает давление в напорной камере 9 и минимизирует расход жидкометаллического теплоносителя через подшипник скольжения. Минимизация расхода жидкого металла уменьшает затраты мощности привода насоса на прокачку жидкого металла через подшипник.
Наряду с этим наличие двух участков подшипника скольжения, работающих на общую напорную камеру 9, увеличивает несущую способность подшипника и уменьшает величину удельной нагрузки на подшипник.
Надежность работы нижнего подшипника скольжения 4 обеспечивается отсутствием каналов сложной формы малого сечения, присутствующими в гидростатических подшипниках, которые могут забиваться дисперсными частицами примесей, присутствующими в теплоносителе.
При наличии несоосности между осями расположения верхних подшипников качения 2 и нижнего подшипника скольжения 4 возможен только незначительный износ винтовых поверхностей между каналами втулок вала и подшипника, а тело втулки вала и втулки подшипника изнашиваться не будет.
Применение предлагаемого технического решения позволяет увеличить ресурс работы насоса и его надежность за счет уменьшения удельной нагрузки на подшипник скольжения, обеспечения жидкостной смазки подшипника за счет турбулентного трения жидкости в объеме между втулками вала и подшипника, увеличить надежность работы насоса путем исключения забивания дисперсными частицами каналов подшипника скольжения, увеличить КПД насоса за счет уменьшения мощности его привода, а также увеличить ресурс насоса за счет исключения износа тела втулок вала и подшипника.