Устройство для предотвращения повреждения торцовых уплотнений главного циркуляционного насосного агрегата
DEVICE FOR DAMAGE PREVENTION OF END SEALS OF MAIN CIRCULATING PUMP UNIT

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам, отвечающим за безопасность 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.
Основой безопасности АЭС является отсутствие протечек радиоактивной среды за пределы границ первого контура реактора. ГЦНА является частью первого контура реактора и отсутствие протечки радиоактивной среды по валу обеспечивается блоком торцовых уплотнений ГЦНА.
Надежность работы блока торцовых уплотнений обеспечивается отсутствием повреждений уплотнительных колец торцовых уплотнений из антифрикционного материала, например, силицированного графита.
Желательно уменьшение времени ремонта ГЦНА. Снижение времени ремонта ГЦНА обеспечивается в том числе быстротой демонтажа приводного электродвигателя. Быстрота демонтажа определяется в том числе интервалом времени между остановкой блока и возможностью разуплотнения первого контура реактора. Быстрый демонтаж двигателя возможно осуществить без разуплотнения первого контура реактора.
Известен ГЦНА (патент RU №2615039 F04D 13/06, F04D 29/047, F04D 29/58, G21D 1/04, G21C 15/243, опубликован 03.04.2017 Бюл. №10), который применяется на блоках АЭС с реакторами ВВЭР-1200. ГЦНА по патенту RU №2615039 (прототип) 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 жесткой муфтой, в состав которой входит полумуфта, передающей на вал насосной части крутящий момент вала электродвигателя и передающей осевую силу между валами. Вал насосной части вращается в одном радиальном подшипнике. Вал электродвигателя вращается в двух независимых радиальных подшипниках и упорном подшипнике. Блок торцовых уплотнений вала состоит из четырех пар торцовых уплотнений, установленных в едином корпусе, в которых уплотняющим элементом являются кольца из антифрикционного материала. Для компенсации осевого перемещения ротора ГЦНА, неподвижные (статорные элементы) уплотнений могут конструктивно перемещаться в осевом направлении. В полностью собранном ГЦНА, при затянутой жесткой муфте, осевой подшипник двигателя 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 ГЦНА. Выталкивающая сила, направленная вверх, значительно превышает направленную вниз гидродинамическую силу на рабочем колесе и вес ротора ГЦНА. В случае неисправности или ослабления соединительной муфты, осевой подшипник двигателя перестает воспринимать выталкивающую силу, направленную вверх, при этом вал насосной части, вращающийся в одном радиальном подшипнике, переместится вверх, при этом произойдет жесткое смыкание ступеней уплотнения с корпусом уплотнения, и при этом выталкивающую силу будут воспринимать кольца торцовых уплотнений, выполненные из антифрикционного материала.
В этом случае, указанные кольца торцовых уплотнений не предназначены для восприятия осевой нагрузки и, следовательно, будут повреждены или разрушены. При остановке энергоблока АЭС для ремонта некоторое время сохраняется давление в первом контуре реактора после остановки всех ГЦНА.
Таким образом, недостатками известной конструкции ГЦНА с жесткой муфтой являются:
- риск протечки воды первого контура в реакторное отделение из блока торцовых уплотнений при эксплуатации ГЦНА из-за неисправности муфты и последующего повреждения или разрушения двух, или трех верхних ступеней торцового уплотнения;
- при осуществлении способа ремонта на остановленном ГЦНА, при наличии давления в первом контуре, отсутствует возможность разъединить муфту и демонтировать двигатель из-за риска протечки воды первого контура в реакторное отделение из-за повреждения или разрушения ступеней торцового уплотнения.
Задача изобретения состоит в увеличении надежности работы блока торцовых уплотнений ГЦНА за счет исключении риска повреждения ступеней уплотнения при неисправности соединительной жесткой муфты.
Дополнительными задачами являются: улучшение ремонтопригодности ГЦНА за счет уменьшения сроков ремонта при возможности демонтажа двигателя при наличии давления в первом контуре реактора и возможность фиксации вала насоса при транспортировке без дополнительных приспособлений.
Как решение задачи, позволяющее достигнуть эффекта с указанными техническими характеристиками, предлагается конструкторское решение - устройство для предотвращения повреждения торцовых уплотнений насосного агрегата.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-2:
фиг. 1 - общий вид устройства;
фиг. 2 - определение высоты дистанционирующего кольца.
Конструкция ГЦНА с предлагаемым устройством, в отличие от прототипа имеет следующую особенность - на внешней цилиндрической стороне полумуфты 1 выполнена кольцевая конусная поверхность 2 (фиг. 1).
Над конусной поверхностью 2 полумуфты 1 установлено кольцо 3, которое имеет внутреннюю конусную поверхность 4, совпадающую по углу конуса с конусом на кольцевой конусной поверхности 2 полумуфты 1 таким образом, что между двумя конусными поверхностями образован конструктивный зазор «А». В кольце 3 выполнены отверстия 5 для крепежных элементов, например, болтов 6 которые через дистанционирующее кольцо 7 крепят кольцо 3 к корпусу 8 и центрующий поясок 9 который служит для установки кольца 3 с равномерным зазором относительно конусной поверхности 2 полумуфты 1. Дистанционирующее кольцо 7 служит для выставления конструктивного зазора «А» и является деталью в которой обрабатывается одна из торцовых поверхностей при операции по сборке насоса.
На фиг. 2 поясняется определение высоты дистанционирующего кольца 7. Для вычисления высоты дистанционирующего кольца 7, перед обработкой его торцовой поверхности 10 (фиг. 1), вал насоса 11 устанавливают в номинальное положение, при котором роторные элементы 12 торцового уплотнения занимают среднее номинальное положение, а именно находятся в середине своего хода. На конусную поверхность 2 полумуфты 1 без зазора устанавливается кольцо 3 и производится замер фактического зазора «Б» между кольцом 3 и корпусом 8. Высота дистанционирующего кольца 7 дорабатывается на величину Б+1,5 мм. Таким образом в номинальном положении вала насоса между конусной поверхностью 2 полумуфты 1 и внутренней конусной поверхностью 4 кольца 3 существует гарантированный конструктивный зазор «А» (фиг. 1). Наличие зазора «А» обеспечивает работу насоса при номинальном положении вала 11, а в случае неисправности соединительной жесткой муфты или осевого подшипника происходит смыкание конструктивного зазора «А» (фиг. 2), при котором нагрузка от осевой выталкивающей силы распределяется на конусные поверхности 2 и 4 соответственно полумуфты 1 и кольца 3, при этом не происходит сжатия корпусных роторных 12 и статорных 13 деталей уплотнения торцового и разрушения колец 14 из антифрикционного материала торцового уплотнения, что сохраняет работоспособность уплотнения торцового и предотвращает утечку теплоносителя первого контура в герметичный объем реакторного отделения.
При ремонте насосного агрегата становится возможным произвести расцепление полумуфты насоса 1 от вала двигателя 15 при наличии давления в первом контуре реактора, в этом случае нагрузка от осевой выталкивающей силы воспринимается не осевым подшипником в двигателе, а распределяется на конусные поверхности 2 и 4 соответственно полумуфты 1 и кольца 3, при этом предохраняются от повреждения и разрушения кольца 14 из антифрикционного материала торцового уплотнения.
Реализована возможность фиксации вала насоса при транспортировке без дополнительных приспособлений, а именно при помощи крепежных элементов, например, болтов 16 вал 11 с полумуфтой 1 поднимается вверх до соединения конусных поверхностей 2 и 4. Таким образом вал фиксируется в однозначном положении, что предотвращает его от перемещений и повреждений.
Таким образом, решение задачи увеличения надежности работы, блока торцовых уплотнений ГЦНА достигнуто за счет установки полумуфты 1 с конусной поверхностью 2, кольца 3 с внутренней конусной поверхностью 4, крепежных элементов 6, дистанционирующего кольца 7 и корпуса 8. Это позволяет предотвратить повреждения и разрушения колец 14 торцового уплотнения и утечку теплоносителя первого контура реактора.
Дополнительно решена задача улучшение ремонтопригодности ГЦНА за счет уменьшения сроков ремонта при возможности демонтажа двигателя при наличии давления в первом контуре реактора и реализована возможность фиксации вала насоса при транспортировке без дополнительных приспособлений.