НАСОС ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
PUMP FOR TRANSFER OF MOLTEN METAL

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а более конкретно к конструкции насоса, обеспечивающего циркуляцию жидкометаллического теплоносителя в первом контуре ядерных энергетических установок.
Известен насос для перекачки расплавленного металла (см. патент RU 68077, МПК F04D 7/00, F04D 7/06, F04D 29/00, F04D 29/04, опубликован 10.11.2007), содержащий корпус, рабочее колесо, закрепленное на валу, соединенном с приводом и установленном в корпусе посредством верхнего и нижнего подшипников, причем нижний радиальный подшипник скольжения выполнен из конструкционной керамики, устойчивой к температурному и коррозионному воздействию расплавленного металла, в частности, из самосвязанного карбида или нитрида кремния или оксидной керамики на основе электрокорунда.
Известный насос имеет повышенный ресурс работы проточной части в условиях температурного и коррозионного воздействия со стороны расплавленного металла, однако выполнение нижнего радиального подшипника скольжения из конструкционной керамики технологически чрезвычайно сложно осуществить.
Известен насос для перекачки расплавленного металла (см. патент US 4475866, МПК F01D 25/14, F04D 7/00, F04D 7/06, F04D 29/04, F04D 29/047, опубликован 09.10.1984), включающий цилиндрический корпус, соединенный с приводом вал, вертикально проходящий по оси корпуса, гидростатический подшипник скольжения, поддерживающий нижнюю часть вала с рабочим колесом. Подшипник скольжения включает роторную часть в виде закрепленной на валу цилиндрической муфты и статорную часть в виде цилиндрической втулки с радиальными отверстиями, предназначенными для подачи жидкого металла к скользящим поверхностям подшипника. Роторная и статорная части подшипника выполнены из нержавеющей стали, при этом скользящие поверхности выполнены из стеллита (кобальтохромовольфрамового сплава).
Недостатком известного насоса является возможность задира сопряженных поверхностей при работе насоса на нестационарных режимах.
Известен насос для перекачки расплавленного металла (см. патент US 5685701, МПК F04D 29/04, F04D 7/00, F04D 7/06, опубликован 11.11.1997), содержащий насосную камеру, соединенный с приводом вал из огнеупорного материала, включающего графит, с радиальной опорной поверхностью, лопастное колесо, закрепленное на конце вала. Вал установлен в насосной камере посредством верхнего и нижнего подшипников. Нижний радиальный подшипник скольжения выполнен в виде размещенных в корпусе двух колец прямоугольного поперечного сечения, выполненных из карбида кремния. Насос предназначен для перекачки жидкого цинка и алюминия.
Недостатком известного насоса является сложность изготовления сопряженных колец, выполненных из карбида кремния.
Известен насос для перекачки расплавленного металла (см. патент RU 73924, МПК F04D 1/00, МПК F04D 3/00, опубликован 10.06.2008). Насос содержит 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, образующих лабиринтно-винтовой насос. Направление закрутки каналов одной поверхности втулки вала совпадает с направлением вращения вала, а второй - противоположно ему. С втулками вала сопряжены две последовательно установленные втулки подшипника, закрепленные в корпусе соосно с валом. Втулки подшипника снабжены криволинейными каналами на их внутренней цилиндрической поверхности с направлением закрутки, противоположным направлению закрутки каналов на сопряженных противолежащих поверхностях втулок вала.
Недостатком известного насоса является сложность изготовления втулок вала и втулок подшипника с криволинейными каналами на поверхности, а также износ винтовых поверхностей между каналами втулок вала и подшипника при наличии несоосности между осями расположения верхнего подшипника и нижнего подшипника скольжения.
Известен насос для перекачки расплавленного металла (см. заявка US 2013068412, МПК B22D 23/00, B22D 39/02, F04D 3/00, опубликована 21.03.2013), совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Известный насос-прототип включает корпус, рабочее колесо, закрепленное на валу, соединенном с приводом и установленном в корпусе посредством верхнего и нижнего подшипников. Нижний радиальный подшипник скольжения включает статорную часть и роторную часть. Статорная часть нижнего радиального подшипника скольжения выполнена в виде двух втулок, разнесенных вдоль оси вала и закрепленных в корпусе соосно с валом, а роторная часть нижнего радиального подшипника скольжения выполнена в виде закрепленных на валу двух втулок, противолежащих втулкам статорной части. Втулки статорной и роторной частей нижнего радиального подшипника выполнены из керамики на основе карбида кремния.
Недостатком известного насоса является сложность изготовления сопряженных втулок из керамики на основе карбида кремния, а также возможность задира материала втулок из керамики на основе карбида кремния в периоды пуска и работы насоса на малых оборотах.
Задачей настоящего решения являлось создание такого насоса для перекачки расплавленного металла, который бы имел более простую в изготовлении конструкцию нижнего радиального подшипника и исключал в нем задиры, что, в свою очередь, обеспечивало бы повышенную надежность насоса в эксплуатации.
Техническими результатами, достигаемыми при использовании предлагаемого изобретения, являются, в частности, исключение задиров в нижнем радиальном подшипнике и обеспечение повышенной надежности насоса в эксплуатации.
Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией насоса для перекачки расплавленного металла.
Влияние на достижение каждого из заявленных технических результатов оказывают следующие признаки заявляемого изобретения. Насос для перекачки расплавленного металла содержит корпус, в котором на верхнем подшипнике и нижнем радиальном подшипнике скольжения установлен вал с закрепленным на нем рабочим колесом. Нижний радиальный подшипник скольжения включает роторную часть и статорную часть. Роторная часть выполнена в виде двух втулок, закрепленных на валу, а статорная часть выполнена в виде двух втулок, закрепленных в обойме соосно с валом. Втулки роторной и статорной частей зафиксированы плоскими кольцами. Втулки роторной и статорной частей имеют сопряженные поверхности скольжения и выполнены из керамики на основе карбида кремния. Новым в насосе является выполнение над нижним радиальным подшипником скольжения в противолежащих участках поверхности вала и корпуса многозаходных противоположно направленных винтовых канавок, образующих лабиринтно-винтовой насос, а также выполнение втулок роторной и статорной частей разрезными и составленными из эквидистантно расположенных по окружности сегментов цилиндра, размещенных соответственно в цилиндрическом углублении вала и в цилиндрическом углублении обоймы и закрепленных в радиальном направлении конусными прижимными кольцами, а в осевом направлении пружинными кольцами, создающими осевое усилие сжатия.
Роторная часть нижнего радиального подшипника скольжения может быть выполнена с самоустанавливающимися сегментами, для чего каждый из сегментов подпружинен ленточной пружиной, размещенной в углублении тыльной поверхности сегмента и в противолежащем углублении вала.
Образованный над нижним радиальным подшипником скольжения лабиринтно-винтовой насос обеспечивает надежный жидкостной режим трения противолежащих поверхностей роторной и статорной частей подшипника, втулки которых выполнены из расположенных по окружности сегментов цилиндра, и исключает задир материала сегментов втулок из керамики на основе карбида кремния. Выполнение втулок разрезными и составленными из эквидистантно расположенных по окружности сегментов цилиндра значительно облегчает их изготовление из керамики, например, на основе карбида кремния.
Настоящий насос для перекачки расплавленного металла поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематически изображен в продольном разрезе общий вид насоса для перекачки расплавленного металла;
на фиг. 2 показан в поперечном разрезе нижний радиальный подшипник скольжения в сборе (узел I, указанный на фиг. 1);
на фиг. 3 изображен поперечный разрез по А-А нижнего радиального подшипника скольжения в сборе;
на фиг. 4 показана в аксонометрии статорная часть нижнего радиального подшипника скольжения;
на фиг. 5 изображена в аксонометрии роторная часть нижнего радиального подшипника скольжения в сборе с валом.
Насос для перекачки расплавленного металла (см. фиг. 1), предназначенный для обеспечения циркуляции жидкометаллического теплоносителя (например, эвтектического сплава свинца и висмута) в первом контуре ядерной реакторной установки, содержит корпус 1, в котором на верхнем радиально-опорном подшипнике 2 на водяной смазке и нижнем радиальном подшипнике 3 скольжения в среде жидкометаллического теплоносителя установлен вал 4 с закрепленным на валу 4 рабочим колесом 5 осевого типа. Выше рабочего колеса 5 в корпусе 1 сформирован входной направляющий аппарат 6. Ниже рабочего колеса 5 размещен выходной направляющий аппарат 7 с дефлектором 8 для стабилизации потока жидкометаллического теплоносителя, выходящего из насоса. Над нижним радиальным подшипником 3 скольжения расположен жидкометаллический теплоноситель, образованный многозаходными противоположно направленными винтовыми канавками, выполненными противолежащих участках поверхности вала 4 и корпуса 1. В лабиринтно-винтовой насос 9 жидкометаллический теплоноситель поступает через канал 10. Выше вдоль вала 4 в корпусе 1 расположены: тепловые экраны 11, блок 12 тепловой защиты, холодильник 13 вала 4 и магнитно-жидкостное уплотнение 14. Верхний конец вала посредством, например, соединительной муфты с торсионом соединяют с приводом (на чертеже не показаны). В качестве привода может быть использован, например, газогерметичный электродвигатель в пожаровзрывобезопасном исполнении. Нижний радиальный подшипник 3 скольжения включает роторную часть 15 (см. фиг. 2) и статорную часть 16 (см. фиг. 4). Роторная часть 15 выполнена в виде двух разрезных втулок 17, закрепленных на валу 4, а статорная часть 16 выполнена в виде двух разрезных втулок 18, закрепленных в обойме 19 соосно с валом 4. Разрезные втулки 17 роторной части 15 (см. фиг. 5) составлены из эквидистантно расположенных по окружности сегментов 20 цилиндра (на фиг. 3 показано 7 сегментов 20), размещенных в цилиндрическом углублении 21 вала 4 (см. фиг. 2) и закрепленных в радиальном направлении конусными прижимными кольцами 22, а в осевом направлении пружинным кольцом 23, создающими осевое усилие сжатия. Между разрезными втулками 17 роторной части 15 размещено плоское кольцо 24 для фиксации втулок 17 с сегментами 20. Сегменты 20 роторной части 15 могут быть выполнены самоустанавливающимися. В этом варианте выполнения каждый из сегментов 20 может быть подпружинен ленточной пружиной 25, размещенной в углублении 26 тыльной поверхности сегмента 20 и в противолежащем углублении 27 вала 4. Такая конструкция обеспечивает компенсацию различия термического расширения деталей, изготовленных из стали и из керамики. Разрезные втулки 18 статорной части 16 (см. фиг. 4) выполнены разрезными и составлены из эквидистантно расположенных по окружности сегментов 28 цилиндра (на фиг. 3 показано 11 сегментов 28), размещенных в цилиндрическом углублении 29 обоймы 19 и закрепленных в радиальном направлении конусными прижимными кольцами 30, а в осевом направлении пружинным кольцом 31, поджатым верхней втулкой 32. Между разрезными втулками 18 статорной части 16 для фиксации сегментов 28 размещено плоское кольцо 33 со сквозными радиальными прорезями 34 для обеспечения смазки сегментов 28 в момент пуска насоса. Сегменты 20, 28 разрезных втулок 17, 18 роторной и статорной частей 15, 16 имеют сопряженные поверхности скольжения и выполнены из керамики на основе карбида кремния.
Настоящий насос для перекачки расплавленного металла работает следующим образом. Разогревают реакторный моноблок перед заполнением жидкометаллическим теплоносителем. Затем первый контур реакторного моноблока заполняют жидкометаллическим теплоносителем и дренируют его. Подают химически обессоленную воду с температурой 15-40°C в холодильник 13 и в верхний радиально-опорный подшипник 2, включают привод вала 4. Под действием рабочего колеса 5 жидкометаллический теплоноситель поступает во входной направляющий аппарат 6 и далее нагнетается рабочим колесом 5 в выходной направляющий аппарат 7 с дефлектором 8. Одновременно жидкометаллический теплоноситель, поступающий через канал 10, подается лабиринтно-винтовым насосом 9 в торец нижнего радиального подшипника 3 скольжения, обеспечивая надежный жидкостной режим трения противолежащих поверхностей сегментов 20, 28 разрезных втулок 17, 18 роторной и статорной частей 15, 16 подшипника 3 и беззадирную эксплуатацию подшипника.