ГЛАВНЫЙ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
MAIN CIRCULATING PUMP UNIT

Предлагаемое техническое решение относится к насосам необъемного вытеснения для жидкостей с вращательным движением рабочих органов и может быть преимущественно использовано на атомных электростанциях (АЭС) в главных циркуляционных насосных агрегатах (ГЦНА), предназначенных для контура теплоносителя ядерной энергетической установки (ЯЭУ), проходящего через активную зону реактора.
Основной составляющей надежности ГЦНА является:
- срок службы пар трения подшипников ГЦНА,
- его ремонтопригодность в процессе эксплуатации на АЭС, позволяющая производить ревизию, ремонт и замену отдельных узлов и деталей при минимально возможных затратах труда и времени. При этом ремонтопригодность ГЦНА в значительной степени определяет хорошая ремонтопригодность радиально-осевого подшипника насосной части. Желательным является уменьшение времени пребывания обслуживающего персонала вблизи штатного места установки на АЭС ремонтируемого агрегата, а также уменьшение необходимого объема дезактивации при монтажно-демонтажных работах.
Известен насосный агрегат ГЦНА-1391, применяемый на блоках АЭС с реакторами ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200. ГЦНА-1391 относится к вертикальным водяным насосным агрегатам с механическим уплотнением вала. Насосный агрегат состоит из двух независимых частей - насосной части и электродвигателя. Вал насосной части соединен с валом электродвигателя посредством гибкой пластинчатой муфты, передающей на вал насосной части крутящий момент вала электродвигателя. Вал насосной части вращается в двух независимых подшипниках. Вал электродвигателя вращается в двух независимых радиальных подшипниках и упорном подшипнике, воспринимающем вес ротора электродвигателя. Нижний радиальный подшипник насосной части смазывается и охлаждается водой рабочей средой. Радиально-осевой подшипник насосной части расположен между нижним радиальным подшипником и гибкой муфтой. Радиально-осевой подшипник насосной части охлаждается водой и состоит из: радиального подшипника, который состоит из металлической роторной втулки и статорной втулки из антифрикционного материала, и осевого подшипника, имеющего антифрикционные накладки из силицированного графита.
Осевой подшипник воспринимает результирующую осевую силу, состоящую из: выталкивающей силы, направленной вверх и обусловленной давлением рабочей среды в гидравлическом корпусе, гидродинамической силы на рабочем колесе и веса ротора насосной части. Выталкивающая сила, направленная вверх, значительно превышает направленную вниз гидродинамическую силу на рабочем колесе и вес ротора вала насосной части. Ввиду того что осевые нагрузки на подшипник значительно превышают радиальные нагрузки, ремонт и ревизия осевых антифрикционных накладок ГЦНА проводится по крайней мере в 2 раза чаще, чем антифрикционных втулок радиальных подшипников. Для ревизии и ремонта радиально-осевого подшипника необходимо: разъединить соединительную муфту, демонтировать электродвигатель, демонтировать корпус радиально-осевого подшипника вместе с элементами радиально-осевого подшипника с последующей транспортировкой в ремонтную зону.
Таким образом, недостатками данной конструкции ГЦНА являются:
- недостаточно скомпенсированная другими силами действующая на ротор насоса выталкивающая сила, действующая на осевой подшипник;
- необходимость демонтажа электродвигателя для ревизии и замены наиболее изнашиваемых элементов подшипников, в частности антифрикционных накладок радиально-осевого подшипника.
Известны также насосные агрегаты с жестким соединением валов АЭС [Митенков Ф.М., Новинский Э.Г., Будов В.М. Главные циркуляционные насосы АЭС. - 2-е изд. Перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 32-34 (Рис. 2.5)].
По этой схеме валы насоса и электродвигателя соединены между собой жесткой муфтой и агрегат имеет три радиальных подшипника, два из которых расположены в двигателе и один в насосе. Подшипник в насосе смазывается рабочей средой. По такой схеме разработан главный циркуляционный насосный агрегат для АЭС «Loviisa» [там же с. 192-194 (Рис. 2.5)]. В данном главном циркуляционном насосном агрегате использован осевой подшипник, который смазывается маслом.
Недостатком данной конструкции является наличие маслосистемы, которая снижает пожаробезопасность блока АЭС.
Задача изобретения состояла в снижении при работе ГЦНА нагрузки на осевой подшипник за счет установки его не в насосной части, а в верхней камере электродвигателя, и перенесении на него веса ротора электродвигателя и маховика для компенсации выталкивающей осевой силы и обеспечения смазки осевого и радиальных подшипников электродвигателя водой. Дополнительной задачей является улучшение ремонтопригодности ГЦНА.
При использовании данного изобретения могут проявиться, в частности, следующие технические результаты:
- во-первых, снижение нагрузки на осевой подшипник;
- во-вторых, увеличение надежности;
- в-третьих, снижение времени на ремонт и замену осевого подшипника.
Как решение задачи, позволяющее достигнуть эффекта с указанными характеристиками, предлагается главный циркуляционный насосный агрегат, преимущественно для энергоблоков с легководяным теплоносителем атомных электростанций, содержащий:
вертикальный лопастной одноступенчатый консольный насос,
электродвигатель, содержащий радиально-осевой подшипник, который установлен в верхней камере и воспринимает все осевые нагрузки, воздействующие на ротор агрегата, в том числе нагрузку от давления воды первого контура АЭС, встроенный винтовой насос, который установлен на верхнем торце гребня радиально-осевого подшипника, нижний радиальный подшипник, установленный в нижней камере,
маховик, который располагается в нижней части ротора электродвигателя,
вал электродвигателя, который соединен с валом насоса жесткой муфтой.
Радиально-осевой подшипник, установленный в верхней камере электродвигателя, предлагается выполнить из двух основных элементов:
радиального подшипника, выполненного в виде роторной металлической втулки, установленной на цилиндрической части гребня, установленного на валу двигателя посредством конусной посадки и закрепленного при помощи болтов и нажимного фланца на верхнем торце вала, и статорной втулки из антифрикционного материала,
и осевого подшипника, состоящего из двух статорных упорных колец, содержащих рычажную балансирную систему с накладками из антифрикционного материала и роторных накладок из антифрикционного материала, установленных на плоской части гребня.
Снижение времени на ремонт и замену осевого подшипника достигается тем, что верхняя камера электродвигателя выполнена в виде легкосъемного герметичного бака из нержавеющей стали, открывающего доступ к радиально-осевому подшипнику.
Следовательно, для ревизии и ремонта радиально-осевого подшипника отсутствует необходимость проведения операции демонтажа электродвигателя ГЦНА.
Вода для смазки подшипников, поступающая в верхнюю камеру, получает прирост напора от винтового насоса, состоящего из втулок с винтовой нарезкой, установленного на верхней части гребня, прокачивается через радиально-осевой подшипник и далее через отводящий патрубок поступает в радиальный подшипник, установленный в нижней камере электродвигателя.
Предлагаемое устройство (в частном исполнении) поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Общий вид ГЦНА
Фиг. 2 - Верхняя камера электродвигателя
Фиг. 3 - Нижняя камера электродвигателя
Вертикальный лопастной одноступенчатый консольный насос (Фиг. 1) с нижним расположением рабочего колеса 1, в котором вал насосной части 2 с нижним радиальным подшипником 3, который охлаждается рабочей средой, соединен с валом электродвигателя 4 с помощью муфты 5, которая передает между валами крутящий момент и результирующую осевую силу. В верхней камере электродвигателя установлен радиально-осевой подшипник 6, воспринимающий все осевые нагрузки, воздействующие на ротор агрегата. В нижней камере электродвигателя установлен радиальный подшипник электродвигателя 7. Маховик 8 установлен под нижним радиальным подшипником электродвигателя.
В главном циркуляционном насосном агрегате смазывающая вода подается от выносного охладителя системы АЭС по трубопроводу 9 в верхнюю камеру 10 электродвигателя. Трубопровод 9 соединяется с верхней камерой фланцевым разъемом 11. Верхняя камера 10 представляет собой герметичную конструкцию из нержавеющей стали, выполненную в виде цилиндра. Камера 10 состоит из корпуса 12 (Фиг. 2), на который при помощи болтовых соединений установлены статорные элементы радиально-осевого подшипника и бак 13, выполненный в виде закрытого в верней части цилиндра с фланцевым разъемом внизу. Бак выполнен съемным, крепится на корпус 12 посредством болтов 14.
Гребень 15 радиально-осевого подшипника установлен на валу двигателя посредством конусной посадки. Крепление гребня 15 осуществляется при помощи болтов 16 и нажимного фланца 17 к верхнему торцу вала. На плоской части гребня 15 подшипника установлены антифрикционные опорные накладки 18. На цилиндрической части гребня 15 установлена металлическая втулка 19 верхнего радиального подшипника. На верхней части гребня установлена металлическая втулка 20 с винтовой нарезкой. Вместе с ответной винтовой втулкой 21, закрепленной неподвижно на статорной части радиально-осевого подшипника, образуется винтовой насос для циркуляции охлаждающей жидкости при работе насосного агрегата. Корпус 22 радиального подшипника при помощи болтового соединения установлен на корпус 12. Между корпусом радиального подшипника 22 и гребнем 15 установлено верхнее статорное упорное кольцо 23, состоящее из рычажно-балансирной системы и накладок из антифрикционного материала. Нижнее упорное кольцо аналогичной конструкции установлено между гребнем 15 и дном корпуса 12.
В нижней части верхней камеры установлено торцевое уплотнение 24 для предотвращения попадания воды в полость статора двигателя. Протечка в уплотнении поступает в отводящий трубопровод 25, который через фланцевое соединение 26 соединен с коллектором сбора протечек 27 (Фиг. 1).
В нижнюю часть корпуса 12 вварен отводящий патрубок 28, который при помощи фланцевого соединения 29 соединен с переходным трубопроводом 30, который представляет собой трубу, жестко закрепленную на наружной стенке двигателя.
Вода для смазки подшипников, поступающая в верхнюю камеру, получает прирост напора от винтового насоса, образованного втулками с винтовой нарезкой, и прокачивается через радиально-осевой подшипник и далее через отводящий патрубок поступает в переходный трубопровод. Переходный трубопровод посредством фланцевого соединения 31 соединен с приемным патрубком 32 (Фиг. 3), вваренным в корпус нижней камеры 33. Корпус нижней камеры представляет собой герметичную цилиндрическую конструкцию из нержавеющей стали, в которой установлен радиальный подшипник 7 двигателя. Сверху корпуса установлено верхнее торцовое уплотнение 34 для предотвращения протечки в полость статора. На нижний торец корпуса установлено торцовое уплотнение 35 для предотвращения протечки в полость под двигателем. Нижний радиальный подшипник двигателя представляет собой стальную втулку 36, закрепленную на валу двигателя, и статорную втулку из антифрикционного материала 37, закрепленную на корпусе подшипника 38, который, в свою очередь, при помощи болтового соединения закреплен на корпусе нижней камеры 33. Под действием напора винтового насоса вода, поступающая в приемный патрубок нижней камеры, смазывает нижний радиальный подшипник и отводится из нижней камеры по вваренному отводящему патрубку 39 (Фиг. 1) в отводящий трубопровод 40, который соединен с отводящим патрубком при помощи фланцевого соединения 41. По отводящему трубопроводу вода поступает к выносному охладителю АЭС.
Для ревизии и ремонта радиально-осевого подшипника достаточно развинтить болты 14 и демонтировать бак 13, развинтить и демонтировать корпус радиального подшипника 22; открутить болты 16, демонтировать прижимной фланец 17, демонтировать гребень 15 и статорные упорные кольца радиально-осевого подшипника 23.
Таким образом, задача увеличения надежности в данном изобретении достигается за счет установки радиально-осевого подшипника, смазываемого водой не в насосной части, а в верхней камере электродвигателя и применения жесткой муфты, передающей осевую силу и крутящий момент. Это позволяет использовать вес ротора двигателя с маховиком для компенсации выталкивающей силы и снижения результирующей силы, а следовательно, нагрузки на подшипник.