Насос погружного типа для перекачки тяжелых жидкометаллических теплоносителей

Предлагаемая полезная модель относится к ядерной технике, в частности к насосному оборудованию, и может быть использована в реакторных установках с жидкометаллическим охлаждением.
Известен насос погружного типа для перекачки тяжелых жидкометаллических теплоносителей ядерных реакторов, содержащий корпус, в котором на верхнем подшипнике качения, расположенном выше уровня жидкого металла на элементе крышки насоса и нижнем подшипнике скольжения, расположенном под уровнем жидкого металла, установлен вал с закрепленным на нем рабочим колесом, в корпусе нижнего подшипника скольжения выполнена прилегающая к валу продольная камера, сообщенная посредством каналов в верхней части с входной и в нижней части с входной кольцевыми камерами, на выходе из которых расположены кольцевые выточки, а выше выходной кольцевой камеры выполнена несущая камера, также сообщенная с выходной кольцевой камерой и продольной камерой: на элементы нижнего радиального подшипника нанесены антифрикционные оксидные покрытия. (Полезная модель РФ. RU 153798, опубл. 10.08.2015 г. Бюл. №22).
Недостатком данного технического решения, применительно к реакторным установкам с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, являет возможность аварийного поступления («заброса») теплоносителя в зазор между валом насоса и элементом его крышки, на которой закреплен верхний подшипник качения. Такое аварийное поступление радиоактивного свинец-висмутового теплоносителя из реакторного контура через указанный зазор в окружающее помещение имело место на отечественной транспортной установки, а также неоднократно происходило в циркуляционных насосах стендов со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителем. Аварийное поступление жидкометаллического теплоносителя в зазор между валом насоса и элементом его крышки может происходить в случае аварийного локального возрастания свободного уровня теплоносителя в районе вала, например в аварийных ситуациях с поступлением воды, пара в реакторный контур в парогенераторе. При барботаже газа через слой теплоносителя при дегазации и технологических обработках контура теплоносителя и др.
При аварийных поступлениях теплоносителя в этот зазор он в нем застывает. Поэтому прекращение вращения вала насоса существенно затруднено или делается невозможным последующий запуск насоса. В случае поступления теплоносителя в зазор требуется длительные, потенциально опасные и дорогостоящие работы для удаления застывшего теплоносителя из этого кольцевого зазора размером порядка миллиметров.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решаемая задача - повышение безопасности насоса и контура жидкометаллического теплоносителя в целом и упрощение их эксплуатации в аварийных ситуациях.
Технический результат – исключение или существенное уменьшение вероятности аварийного поступления («заброса») свинцового или свинец-висмутового теплоносителя в зазор между валом циркуляционного насоса и элементом его крышки.
Технический результат достигается тем, что в насосе погружного типа для перекачки тяжелых жидкометаллических теплоносителей ядерных реакторов, содержащем корпус, в котором на верхнем подшипнике качения, расположенном выше уровня жидкого металла, на элементе крышки насоса и нижнем подшипнике скольжения, расположенном под уровнем жидкого металла, установлен вал с закрепленным на нем рабочим колесом, на верхнем участке вала под крышкой, содержащей зазор между валом и элементом крышки - стаканом, установлен отбойник теплоносителя с радиальными лопатками.
Предлагаемое решение приведено на чертеже(фиг. 1 и 2).
В корпусе 1 насоса наружного типа выше свободного уровня жидкого металла 2 располагается газовая камера 3. Под уровнем 2 находился перекачиваемый тяжелый жидкометаллический теплоноситель 4. В корпусе установлен вал 5 с закрепленным на нем, на нижнем участке рабочим колесом (условно не показано). Сверху корпус насоса закрыт крышкой 6 со стаканом 7. Между валом 5 и стаканом 7 расположен кольцевой зазор 8, заполненный защитным газом. На валу 5 в газовой камере 3 под крышкой 6 установлены верхний и нижний отбойники теплоносителя 9 и 10 с радиальными лопатками. Отбойник 11 выполнен их двух половин, установленных и фиксируемых на валу болтами с гайками.
Работа осуществляется следующим образом. При нормальной работе реакторной установки насос перекачивает тяжелый жидкометаллический теплоноситель по реакторному контуру. Вал 5 с установленным на нем рабочим колесом вращается и обеспечивает подачу и напор насоса.
В случае аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора», поступающие в объем тяжелого теплоносителя вода и пар, вытесняют часть объема теплоносителя, находящегося в контуре, при этом происходит подъем свободного уровня теплоносителя, а также возможен разрыв газовых пузырей на свободной поверхности теплоносителя 2.
Подъем свободного уровня теплоносителя или разрыв газовых пузырей в районе вала насоса возможен также при технологических обработках контура и теплоносителя с вводом в объем теплоносителя газовых и газопаровых смесей. Поднимающийся уровень теплоносителя и поднимающиеся в газовый объем локальные объемы теплоносителя вступают в силовой контакт с лопатками верхнего и нижнего отбойников 11. Локальные объемы теплоносителя отбрасываются к стенкам корпуса 1, исключая или существенно уменьшая вероятность поступления жидкометаллического теплоносителя в зазор 8 с последующим его замерзанием в этом зазоре. Удаление застывшего в зазоре 8 теплоносителя является сложной, трудоемкой, длительной и дорогостоящей операцией.
В процессе локализации аварийной ситуации, вызывающей подъем свободного уровня теплоносителя в контуре и последующее опускание, он выходит из силового контакта с отбойником. Работа насоса возвращается в исходное состояние.
Таблица зависимостей характеристик насоса от числа лопаток рабочего колеса (t=450°С, n=1100 об/мин)
Число лопаток (n, шт.)
Угол установки лопатки (оптимальный, градус)
Напор насоса Н (м.ст. Pb)
Расход свинцового теплоносителя G (м<sup>3</sup>/ч)
КПД насоса Ƞ (%)
3
22
0,9
173
25,0
4
28
1,2
190
17,0
6
28
0,8
176
12,0
8
22
1,0
196
24,0
Применение предлагаемого технического решения позволит:
– исключить или существенно уменьшить вероятность с замедлением поступления жидкометаллического теплоносителя в газовый зазор между элементами крышки насоса и вращающегося вала;
– исключить сложные, трудоемкие, длительные и дорогостоящие операции по удалению застывшего теплоносителя из газового зазора между валом и элементами крышки насоса.
Анализ аналогов показывает, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна». Проведение испытания на опытном образце насоса, перекачивающего свинцовый теплоноситель, подтверждает его промышленную применяемость.