Экспериментальные исследования характеристик проточной части осевых насосов в обоснование проектных решений насосов реакторных установок со свинцовым теплоносителем


Безносов А.В., Боков П.А., Львов А.В., Волков Н.С., Бокова Т.А., Маров А.Р. (НГТУ им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, Россия)

 

Введение

В настоящее время отсутствует опыт проектирования и эксплуатации осевых насосов для проектируемых реакторных установок с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями (ТЖМТ).

В НГТУ, наряду с использованием традиционных методов проектирования динамических насосов, проводится комплекс экспериментальных исследований, который отражает специфику работы проточных частей насосов в ТЖМТ применительно к условиям реакторных установок со свинцовым и свинцововисмутовым теплоносителями.

На первом этапе были исследованы кавитационные характеристики ТЖМТ в насосах. Независимыми методами экспериментально подтверждено отсутствие в условиях реакторных контуров традиционной паровой кавитации, определены условия ее возникновения и характеристики развития и протекания [1]. Исследовано состояние и влияние газа и газопаровых смесей в потоке ТЖМТ на работу проточных частей лопастных насосов [1]. На следующих этапах были проведены экспериментальные исследования зависимостей характеристик осевых насосов (напора, подачи, КПД) от параметров элементов конструкций проточной части насосов, основные результаты которых приводятся ниже.

 

1. Методика экспериментов и основные результаты

Все экспериментальные исследования выполнялись применительно к условиям установок малой и средней мощности с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемых свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителями с горизонтальными парогенераторами (БРС ГПГ), прорабатываемыми в НГТУ [2]. Эксперименты проводились на стендах НГТУ со свинцовым теплоносителем при температуре  440–550 °С. Элементы проточной части, включая лопатки рабочих колес толщиной 4,0 мм, выполнялись их стали типа 08Х18Н10Т. Диаметр лопаток рабочих колес и выправляющих аппаратов, кроме особо оговоренных, составлял около 200 мм, диаметр втулки рабочего колеса 82 мм (рис. 1). Скорости вращения вала насоса  НСО-01 НГТУ с неподвижными лопатками на рабочем колесе (3–8 шт.) и НСО-02 НГТУ с поворотными лопатками (4 шт.) изменялась ступенями по 100 об/мин в диапазоне от 600 об/мин до 1100 об/мин. Расход свинцового теплоносителя в контуре циркуляции при открытой регулирующей задвижке на трассе контура циркуляции при скоростях вращения вала насоса около 1100 об/мин составлял около 2000 т/час.

На поверхностях конструкционных материалов проточной части насосов формировались и поддерживались оксидные защитные покрытия системой регулирования кислорода в свинцовом теплоносителе, обеспечивающей поддержание в свинце термодинамически активного кислорода от 10-5 до 100.

Суть последовательно проводимых исследовательских испытаний состояла в экспериментальном определении характеристик осевого циркуляционного насоса стенда (подача, напор, КПД) от сменных элементов конструкций проточной части, состав и геометрия которых оговаривались особо.

Экспериментальные исследования характеристик проточной части осевых насосов в обоснование проектных решений насосов реакторных установок со свинцовым теплоносителем

Рис. 1. Выемная часть насоса НСО-02 НГТУ

 

1.1 Экспериментальные исследования зависимостей характеристик осевых насосов, перекачивающих ТЖМТ от параметров выправляющего аппарата на выходе и на входе в насос при трех вариантах модификации конструкции

Во всех вариантах конструкций угол выхода абсолютной скорости потока свинца в выправляющий аппарат находился в диапазоне 26–28°. В конструкциях выправляющих аппаратов, последовательно устанавливаемых после рабочего колеса, вход потока в межлопаточное пространство аппарата выполнялся с углами 22°, 24°, 28° с числом лопаток 5 штук. Результаты исследований (рис. 2) показали, что подача насоса, как и его напор при изменении конструкции аппарата практически не изменяются.


Экспериментальные исследования характеристик проточной части осевых насосов в обоснование проектных решений насосов реакторных установок со свинцовым теплоносителемЭкспериментальные исследования характеристик проточной части осевых насосов в обоснование проектных решений насосов реакторных установок со свинцовым теплоносителем

Рис. 2. Зависимость подачи (а)и напора (б) насоса от скорости вращения вала при варьируемых конструкциях выправляющих аппаратов насоса

 

Ожидалось существенно большее расхождение результатов при варьируемых конструкциях. Возможной причиной полученного результата может быть существенно большая степень реактивности проточной части насоса, по сравнению с ожидаемой.

Исследования, проведенные при демонтированном выправляющем аппарате после рабочего колеса, показали заметное улучшение (увеличение) характеристик насоса, по сравнению, с его наличием.

 1.2 Экспериментальные исследования влияния закрутки потока на входе в рабочее колесо насоса относительно направления вращения рабочего колеса насоса

Согласно литературным данным на характеристики насоса существенно влияет степень реактивности рабочего колеса. Эта величина зависит от окружных входных и выходных скоростей потока в рабочем колесе, в том числе от их направления на входе в межлопаточные каналы рабочего колеса. Исследования влияния закрутки потока проводились со сменными участками, устанавливаемыми на входе в насос с углами закрутки входного потока –18°, 0°, +18°. Результаты исследований показали, что подача насоса консервативна по отношению испытанным вариантам изменению углов закрутки потока. Напор насоса при установке всех вариантов устройств закрутки примерно одинаков и заметно меньше, чем напор насоса при демонтированном устройстве закрутки потока.

 1.3 Экспериментальные исследования зависимостей характеристик осевых насосов (напора, подачи, КПД) перекачивающих свинцовый теплоноситель от параметров решетки профилей рабочего колеса [3]

 Основными параметрами решетки профилей, наряду с формой профиля лопатки являются: α – угол установки лопатки в профиле; Z – число лопаток рабочего колеса;  l/t – густота решетки [5, 6, 7]. Экспериментальное определение оптимальных значений этих параметров для условий реакторных контуров с ТЖМТ поможет созданию оптимальных конструкций насосов.

При проведении исследований число лопаток последовательно устанавливаемых на рабочие колеса: 3, 4, 6, 8; углы установки каждого набора лопаток: 9°, 15°, 22°, 32°, 38°, 41°, 46°. Переменная густота решеток достигалась изменением длин хорды лопаток (0,8–1,2) с изменением площади каждой лопатки Sл. Исследования проводились при трех положениях клина регулирующей задвижки с соответствующим изменением сопротивления трассы циркуляции.

Установлено, что при увеличении скорости вращения рабочих колес в диапазоне 600 – 1000 об/мин независимо от прочих равных условий подача и напор насоса монотонно увеличиваются. Зависимости подачи и напора насоса, от угла установки лопаток в решетке профилей имеют три характерных участка (рис. 3). Максимальный напор насоса при n = 1100 об/мин фиксируется при четырех лопатках и угле установки 28°, а также при восьми лопатках и угле установки лопаток 22°. Максимальное значение КПД насоса (27,4 %) в процессе исследований зафиксировано при установленном на валу рабочем колесе с тремя лопатками при угле установки лопаток около 22° и скорости вращения вала 1100 об/мин. Графические зависимости напора и подачи насоса от густоты решетки показывают наличие экстремума в районе l/t ≈ 1,0. Полученные результаты рекомендуется использовать при проектировании осевых насосов РУ с ТЖМТ.


Экспериментальные исследования характеристик проточной части осевых насосов в обоснование проектных решений насосов реакторных установок со свинцовым теплоносителем

Рис. 3. Зависимость характеристик насоса от параметров решетки профилей рабочего колеса с четырьмя лопатками при n = 1000 об/мин

 

 

1.4 Экспериментальные исследования зависимостей характеристик осевых насосов перекачивающих свинцовый теплоноситель от геометрии угла отгиба входного участка лопатки решетки профилей рабочего колеса [4]

На вал насоса последовательно устанавливались три варианта конструкций рабочего колеса с четырьмя плоскими (непрофилированными) лопатками из листа  δ= 4,0 мм. Во всех конструкциях на передней по ходу потока одной трети длины хорды лопатки каждая лопатка была отогнута в сторону уменьшения угла установки лопаток: в варианте а) на β = 4° (α – 4°); в варианте б) на β = 8° (α – 8°); в варианте в) отгиб отсутствовал (β = 0°). Хорды лопаток оставались прямыми. Угол установки лопаток в рабочем колесе при испытаниях составлял: 16°, 20°, 24°, 28° для каждого варианта отгиба лопаток (β = 4°, β = 8°, β = 0°); скорость вращения вала: n = 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 об/мин.

Эксперименты показали существенное изменение характеристик насоса от угла отгиба передней трети хорды при одном и том же угле установки лопаток (рис. 4).  При лопатках без отгиба (β = 0°) при угле установки лопаток α = 20° подача и напор насоса при n = 1100 об/мин составили 1425 т/час и 0,798 м. ст. Pb, тогда как при угле отгиба β = 4° (α – 4°) подача и напор насоса составили 1860 т/час и 1,12 м. ст. Pb соответственно.

Экспериментальные исследования характеристик проточной части осевых насосов в обоснование проектных решений насосов реакторных установок со свинцовым теплоносителем

 Рис. 4.  Зависимость характеристик насоса от угла установки лопаток (α) при угле отгиба входной трети хорды лопаток (β)


 

1.5 Экспериментальное исследование зависимостей характеристик осевых насосов от геометрии выходного участка лопаток решеток профилей рабочего колеса [8]

На вал насоса последовательно устанавливались рабочие лопатки с углами установки 16°, 20°, 28°. При каждом угле установки лопаток угол отгиба одной трети выходного участка лопаток составил –8°, –4°, 0°, +4°, +8° относительно прямой плоской лопатки (рис. 5).

Экспериментальные исследования характеристик проточной части осевых насосов в обоснование проектных решений насосов реакторных установок со свинцовым теплоносителем

Рис. 5. Схема установки лопатки

 

Эксперименты показали наличие зависимостей характеристик насоса (подачи, напора, КПД) от угла отгиба рабочих лопаток [8]. При скорости вращения вала насоса 1000 об/мин наибольшие значения подачи, напора и КПД при прочих равных условиях имеют лопатки установленные под углом 20° и 24° при углах отгиба лопаток +4° и +8°.

 1.6 Экспериментальные исследования зависимостей характеристик осевых насосов, перекачивающих свинцовый теплоноситель от втулочного отношения рабочего колеса

Согласно литературным данным [7] для традиционных осевых насосов рекомендуется принимать на стадии проектирования насоса втулочное отношение dвт/Dр.к. = 0,4 – 0,6. В НГТУ проведены экспериментальные исследования зависимостей характеристик осевого насоса с наружным диаметром лопаток рабочего колеса  213 мм и четырьмя втулками с диаметрами:  82 мм,  96,5 мм,  109 мм,  120 мм с плоскими лопатками (δ = 4,0 мм) рабочего колеса.

Из рисунка 6 следует, что при скорости вращения вала 1000 об/мин максимальные значения подачи и напора насоса составили 1650 т/час и 0,86 м соответственно, плавно уменьшались с увеличением диаметра втулки. Эти результаты несколько расходятся с литературными рекомендациями.

Экспериментальные исследования характеристик проточной части осевых насосов в обоснование проектных решений насосов реакторных установок со свинцовым теплоносителем Экспериментальные исследования характеристик проточной части осевых насосов в обоснование проектных решений насосов реакторных установок со свинцовым теплоносителем

Рис. 6. Зависимость напора (а) и подачи (б) насоса от скорости вращения вала  при варьируемого втулочного отношения рабочего колеса.

 

 

Заключение

Полученные экспериментальные данные учитывают специфику воздействия ТЖМТ на элементы проточной части насоса и рекомендуются использовать в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях по обоснованию проектных решений главных циркуляционных насосов с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями.

 

 Список литературы

  1. Боков, П. А. Исследование условий возникновения и характеристик кавитации в главных циркуляционных насосах реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ: дис. на соис. уч. ст. канд. техн. н. : 05.14.03 / Боков Павел Андреевич; [Место защиты: АО ОКБ «Гидропресс»]. – Нижний Новгород, 2015. – 177 с.
  2. Безносов, А.В. Специфические решения реакторного контура установок БС-ГПГ малой и средней мощности со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями / А.В. Безносов, Т.А. Бокова, П.А. Боков, Н.С. Волков, А.А. Карбышев // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика ядерных реакторов. – 2018 г. – Вып. 2. – C. 28–34.
  3. Безносов, А.В. Экспериментальные исследования зависимостей характеристик осевых насосов, перекачивающих свинцовый теплоноситель, от параметров решеток профилей рабочих колес / А.В. Безносов, А.В. Львов, П.А. Боков, Т.А. Бокова, В.А. Разин // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2017. – № 1. – C. 138–146.
  4. Безносов, А.В. Экспериментальные исследования зависимостей характеристик осевых насосов, перекачивающих свинцовый теплоноситель, от направления потока на входе в межлопаточные каналы рабочего колеса / А.В. Безносов, А.В. Львов, Н.С. Волков, Н.С. Лукичев, П.А. Боков, Т.А. Бокова, Э.Г. Новинский // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2018. – № 4 (123). – C. 76–82.
  5. Пфлейдерер, К. Лопаточные машины для жидкости и газа / К. Пфлейдерер; пер. инж. А.Д Ладогина; под ред. д-ра техн. наук, проф. В.И. Поликовского – М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1960. – 685 с.
  6. Ломакин, А.А. Центробежные и осевые насосы / А.А. Ломакин. – Л.: Ленинградское отделение издательства «Машиностроение», 1966. – 366 с.
  7. Папир, А.Н. Водометные движители малых судов / А.Н. Папир. – Л.: Издательство «Судостроение», 1970. – 256 с.
  8. Безносов, А.В. Экспериментальные исследования зависимостей характеристик осевых насосов, перекачивающих свинцовый теплоноситель, от геометрии выходного участка лопаток решеток профилей рабочего колеса / А.В. Безносов, А.В. Львов, Н.С. Волков, Н.С. Лукичев, К.В. Менская, П.А. Боков, Т.А. Бокова, Э.Г. Новинский, А.Р. Маров // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2019. – № 1 (124).

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об энергетике, электротехнике и электронике
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: