Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ условий контактного взаимодействия элементов конструкций в среде свинцового и свинец-висмутового теплоносителей 13
1.1 Общие положения 13
1.2 Узлы механизмов с контактным взаимодействием твердых поверхностей при их относительном движении в контурах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями 15
1.3 Характеристики качества поверхности 19
1.4 Физико-химические свойства поверхности контактных пар 22
1.5 Пленки (покрытия) на поверхностях конструкционных материалов 24
1.6 Контакт и взаимное внедрение поверхностей 30
Глава 2. Особенности трения и изнашивания элементов конструкций в среде свинцового и свинец-висмутового теплоносителей 33
2.1 Общие положения 33
2.2 Механизм изнашивания металлических поверхностей 36
2.3 Сухое трение 47
2.4 Контактно-гидродинамическая смазка тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями 49
2.5 Жидкостная смазка свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями 51
2.6 Виды изнашивания рабочих поверхностей 53
2.6.1 Водородное изнашивание 53
2.6.2 Абразивное изнашивание 56
2.6.3 Окислительное изнашивание, изнашивание вследствие деформации, диспергирования и выкрашивания 61
2.6.4 Коррозионно-механическое изнашивание, коррозия, кавитационное и эрозионное изнашивание 66
2.6.5 Схватывание и заедание поверхностей при трении 73
2.6.6 Изнашивание при фреттинг-коррозии 76
Глава 3. Подшипниковые узлы в свинцовом, свинец-висмутовом и свинец литиевом теплоносителях высокотемпературных энергетических контуров 78
3.1 Общие положения 78
3.2 Гидростатические подшипники 79
3.2.1 Принцип работы гидростатических подшипников 79
3.2.2 Особенности эксплуатации гидростатических подшипников циркуляционных насосов работающих в тяжелых жидких металлах 82
3.3 Подшипники сухого трения 86
3.3.1 Условия работы гидродинамических подшипников и обоснование невозможности обеспечения этих условий в свинцовом и свинец-висмутовом теплоносителях энергетических контуров 86
3.3.2 Экспериментальные исследования характеристик подшипников сухого трения в тяжелых жидкометаллических теплоносителях 94
3.4 Гидростатодинамические (лабиринтно-винтовые) подшипники 114
3.4.1 Конструктивная схема и материалы 116
3.4.2 Экспериментальные исследования характеристик гидростатодинамических (лабиринтно-винтовых) подшипников в свинцовом теплоносителе 117
3.4.2.1 Условия испытаний 117
3.4.2.2 Характеристики изнашивания подшипника 118
3.4.2.3 Условия проведения исследований вибрационных характеристик насоса 121
3.4.2.4 Характеристики вибрации насоса НЦС - 04 с гидростатодинамическим подшипником 122
Глава 4. Экспериментальные исследования характеристик изнашивания контактных пар в зубчатых зацеплениях в среде свинца 127
4.1 Общие положения 127
4.2 Цели и задачи исследований 128
4.3 Описание экспериментального стенда Р - ФТ 2003 129
4.4 Методика исследований 134
4.5 Этапы испытаний и основные результаты 135
4.6 Характеристики изнашивания элементов зацепления 149
4.7 Выводы 162
Глава 5. Экспериментальные исследования напорных, расходных характеристик и изнашивания контактных поверхностей лабиринтно-винтового насоса в высокотемпературном РЬ - В і теплоносителе 163
5.1 Общие положения 163
5.2 Описание экспериментального стенда ФТ-ЛВН 164
5.3 Методика исследований 178
5.4 Условия испытаний 179
5.5 Характеристики изнашивания винта и втулки насоса 179
5.6 Характеристики изнашивания лабиринтного уплотнения напорной камеры насоса 184
5.7 Вибрационные характеристики насоса 192
5.8 Экспериментальные зависимости напора от подачи лабиринтно-винтового жидкометаллического электронасоса НЛВ - 01 198
5.9 Выводы 205
Заключение 206
Список использованных источников 207
Приложение А 214
- Узлы механизмов с контактным взаимодействием твердых поверхностей при их относительном движении в контурах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями
- Окислительное изнашивание, изнашивание вследствие деформации, диспергирования и выкрашивания
- Характеристики вибрации насоса НЦС - 04 с гидростатодинамическим подшипником
- Экспериментальные зависимости напора от подачи лабиринтно-винтового жидкометаллического электронасоса НЛВ - 01
Введение к работе
Актуальность темы
Наша страна обладает значительным положительным опытом создания и эксплуатации механизмов с контактными стальными поверхностями, работающими в среде свинец-висмутового теплоносителя при температуре до 300 … 330 С. К ним относятся элементы гидростатических подшипников (ГСП) главных и вспомогательных насосов реакторных контуров атомных подводных лодок проектов 645, 705 и 705К. В составе паропроизводящей установки (ППУ) ОК - 550 имелось два вспомогательных и три главных циркуляционных насосов; в состав установки ППУ БМ-40А входило два вспомогательных и два главных насоса реакторного контура. К подшипниковым узлам насосов в процессе эксплуатации серий реакторных установок, каких либо замечаний или претензий не имелось.
В системах управления и защиты реакторов этих типов стержни регулирования перемещались в чехловых трубах заполненных эвтектикой свинец-висмут. Вследствие вибрации происходит контактное взаимодействие хвостовиков тепловыделяющих сборок (ТВС) и трубок парогенератора в среде сплава свинец-висмут.
При конструировании указанных насосов, ввиду сжатых сроков их создания, проблемам триботехники контактных пар, работающих в среде свинец-висмутового теплоносителя, внимания практически не уделялось. Путем оценочных расчетов по методикам, созданным для принципиально других сред, разрабатывались опытные конструкции подшипниковых узлов, работающих в ТЖМТ.
Разрабатываемые реакторные установки (РУ) с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями (ТЖМТ) (БРЕСТ, STAR и др.) имеют баковую компоновку и значительно меньшее гидравлическое сопротивление реакторного контура, чем петлевые РУ транспортных установок. В установках с баковой компоновкой такого типа циркуляция жидкометаллического теплоносителя осуществляется главными циркуляционными насосами осевого типа, имеющими существенно меньший напор, и отсутствуют вспомогательные насосы. В РУ баковой компоновки отсутствуют циркуляторы, которые могли бы обеспечить работу подшипников осевых насосов.
В реакторных контурах с ТЖМТ возможны механизмы с контактным взаимодействием в среде жидкого металла в механизмах систем перезагрузки ядерного топлива.
Поэтому, исследование условий эксплуатации контактных элементов механизмов, работающих в среде высокотемпературных ТЖМТ и разработка рекомендаций по их конструктивному исполнению, является актуальной задачей.
Цель работы
Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по конструктивному исполнению и оптимальным условиям эксплуатации контактных элементов механизмов, работающих в среде высокотемпературных ТЖМТ (подшипниковых опор скольжения, зубчатых зацеплений и др.).
Задачи работы:
- проведение анализа информационного материала накопленного в исследуемой области;
- разработка и создание высокотемпературных стендов со свинцовым, свинец-висмутовым и свинец-литиевым теплоносителями с температурой до 550 оС;
- разработка, создание и внедрение средств циркуляции;
- разработка и отработка методов измерения и компьютерной обработки сигналов от датчиков температуры, термодинамической активности кислорода в свинце и эвтектике свинец-висмут, вибрации элементов насосных агрегатов и трубопроводов, методики контроля изменения геометрии рабочих поверхностей контактных пар;
- оценка влияния примесей в ТЖМТ на ресурсную работоспособность узлов механизмов с контактным взаимодействием поверхностей в среде теплоносителя, анализ механизмов разрушения контактных поверхностей в среде ТЖМТ и факторов их обуславливающих;
- анализ и экспериментальная проверка методик снижения интенсивности изнашивания, основанных на выборе режимов эксплуатации и материалов пар трения, применительно к рабочим поверхностям зубчатых зацеплений, подшипниковых опор скольжения, лабиринтно-винтовых уплотнений и насосов работающих в ТЖМТ.
На защиту выносятся следующие положения:
- Методология исследований трибологических характеристик подшипников скольжения, лабиринтно-винтовых уплотнений, насосов и зубчатых зацеплений в высокотемпературных тяжелых жидкометаллических теплоносителях с контролем и регулированием в них содержания примеси кислорода.
- Массив экспериментальных результатов испытаний характеристик процессов изнашивания стальных и чугунных подшипниковых опор скольжения вертикальных валов (насосов и зацеплений), работающих в среде свинца, эвтектических сплавов свинец-висмут и свинец-литий при температуре до 510 C при содержании термодинамически активного кислорода в жидком металле от 10-4 до 100 и при наличии твердой фазы оксидов теплоносителя.
- Массив экспериментальных результатов испытаний характеристик процессов изнашивания стальных и чугунных зубчатых зацеплений, в зависимости от условий их эксплуатации, работающих в среде свинца с температурой 450 oC и содержании термодинамически активного кислорода в жидком металле на линии насыщения и при наличии твердой фазы оксидов теплоносителя.
- Конструкция и результаты исследования характеристик малогабаритного лабиринтно-винтового насоса в эвтектике свинец-висмут при температуре до 480 oC и контролируемом, регулируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе.
Научная новизна
Научная новизна заключается в том, что впервые изучены вопросы ресурсной работоспособности контактных поверхностей конструкционных материалов при их относительном движении в среде жидкого металла (свинца, свинец-висмута и свинец-лития). В ходе выполненных исследований учитывалось влияние содержания примесей в теплоносителе, рабочей температуры, режимов эксплуатации. В дополнение к ранее опубликованным работам теоретически и экспериментально доказано, что необходимым условием ресурсной работоспособности контактных элементов механизмов в среде высокотемпературных ТЖМТ является формирование и поддержание оксидных покрытий на поверхностях контактных пар. Предложена новая, конструкция подшипникового узла, обладающего рядом преимуществ по сравнению с другими подшипниками скольжения, работающими в среде ТЖМТ, теоретически и экспериментально, доказана ее работоспособность в лимитируемых диапазонах износа, на протяжении тысяч часов.
Практическая значимость
Подтверждена и обоснована работоспособность в среде высокотемпературных свинцового и свинец-висмутового теплоносителей предложенных гидростатодинамических (лабиринтно-винтовых) подшипников, зубчатых зацеплений и лабиринтно-винтовых насосов. Подтверждена работоспособность подшипников сухого трения в указанных условиях.
Личный вклад автора
Все расчетные, теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых приведены в настоящей работе, а так же, проектирование монтаж и отладка оборудования и экспериментальных контуров с ТЖМТ, выполнены автором или при его непосредственном участии.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Теплофизика-2002» в г. Обнинске, на Российском научно-техническом форуме «Ядерные реакторы на быстрых нейтронах» г. Обнинск, 2003г., на Шестой международной научной конференции «Полярное сияние» г. С.Петербург, 2003г., на Второй Курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2004г., на Российской межотраслевой тематической конференции «Теплогидравлические аспекты безопасности ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах» г. Обнинск, 2005г., на Третьей Курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2005г., на Четвертой Курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2006г.
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в двух статьях в реферируемом журнале «Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика», в трёх патентах на изобретение и в одном свидетельстве на полезную модель, восемнадцати докладах на научных конференциях, трёх зарегистрированных научно-технических отчетах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения. Объем работы составляет 230 страниц, 90 рисунков, 1 таблицы, список использованных источников из 60 наименований.
Узлы механизмов с контактным взаимодействием твердых поверхностей при их относительном движении в контурах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями
Единицей оборудования, обязательно входящей в состав каждого контура являются циркуляционные насосы, обеспечивающие прокачку жидкометаллического теплоносителя через оборудование контура. В проектах перспективных реакторных установок баковой компоновки со свинцовым теплоносителем типа БРЕСТ, STAR применены главные циркуляционные насосы осевые, погружные с приводом от электродвигателя. В проектах перспективных реакторных установок петлевой компоновки применены центробежные насосы либо погружные, либо со щелевым уплотнением вала насоса с электроприводом. Во всех случаях электродвигатель (или турбопривод) насоса располагается на крышке реакторного контура, включающей несущие элементы и биологическую защиту. Рабочее колесо насоса заглублено в объем теплоносителя под его свободный уровень. Между этим уровнем и крышкой насоса располагается объем системы защитного газа. Длина вала насоса между приводом и рабочим колесом складывается из высот крышки насоса, газового объема и величины заглубления рабочего колеса под свободный уровень теплоносителя. В зависимости от мощности реакторной установки и типа компоновки длина вала главного циркуляционного насоса составляет от нескольких метров до десяти метров и более. Аналогичную конструктивную схему имеют циркуляционные насосы мишенного контура с свинец-висмутовым теплоносителем и контура охлаждения бланкета термоядерного реактора токамака тяжелым жидким металлом.
Работоспособность такого насоса возможна только при наличии в его конструкции нижнего радиального подшипника центрирующего нижний конец вала с рабочим колесом. Этот подшипниковый узел находится под свободным уровнем жидкого металла. В опытных и серийных реакторных контурах отечественных атомных подводных лодок со свинец-висмутовым теплоносителем применялись насосы с нижними радиальными гидростатическими подшипниками (или консольным расположением колеса). В них работа контактных пар вала и втулки подшипникового узла насоса осуществлялась через слой жидкого металла, подаваемого с напора центробежного насоса. В целом такие подшипники показали удовлетворительную работу, однако, зафиксированы случаи забивания каналов гидростатических подшипников отложениями дисперсных частиц примесей.
В реакторных контурах с баковой компоновкой целесообразно использование насосов осевого типа - малонапорных, т.к. гидравлическое сопротивление в трактах таких установок невелико. В осевых наосах реализовать гидростатический подшипник, работающий за счет собственного напора невозможно.
Альтернативным вариантом подшипникового узла, работающего в высокотемпературном жидком металле исследовательских стендов, может являться подшипник сухого трения. В нем работа контактной пары втулки вала и втулки подшипникового узла насоса осуществляется при выдавленном слое жидкого металла из зазора между втулкой и валом, образование гидродинамического клина в среде ТЖМ невозможно. Имеется опыт работы таких узлов в свинцовом, свинец-висмутовом и свинец-литиевом теплоносителях экспериментальных стендов с небольшими расходами - от 0,1 до 10м3/час. Зафиксированы повышенный износ и надиры на вал и па втулке гидродинамических подшипников, работавших десятки и сотни часов в указанных средах,
Из изложенного следует необходимость исследования условий работы контактных пар гидродинамических подшипников в свинце и эвтектике свинец-висмут при температурах 450... 550С, выработка рекомендации по оптимальным конструкциям таких узлов и методам их расчета.
В реакторах деления тяжелых ядер традиционная перезарядка ядерного топлива - извлечение отработавших ТВС, установка новых ТВС при необходимости доворот ТВС на 180 осуществляется под уровнем жидкометаллического теплоносителя. При эксплуатации реакторной установки БН-350 с натриевым теплоносителем имел место случай отказа механизмов перегрузки, потребовавший извлечения из реакторного блока и замену элеватора. В вариантах проработок конструкций устройств перезарядки реакторов со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями присутствуют узлы с контактными парами вращения, возвратно-поступательного движения, зубчатыми зацеплениями, работающими в среде жидкого металла. Экспериментальное подтверждение работоспособности таких контактных пар в среде свинца при рабочих условиях контура, включая эксплуатационное содержание примесей, отсутствует. Процессы, сопровождающие работу указанных контактных пар, не исследованы, диапазон нагрузок, скоростей и др. при которых такие контактные пары работоспособны в среде свинца и эвтектики свинец-висмут не определены. Неизвестна работоспособность материалов, оптимальных для элементов механизмов в рассматриваемых условиях.
Традиционные варианты конструкций исполнительных механизмов СУЗ требуют размещения этих устройств на крышке реакторного блока. При этом неизбежно наличие протяженных, в том числе и многометровых, штанг, соединяющих механизмы, установленные на крышке реактора, на поворотных пробках, и элементы (стержни поглотители), расположенные глубоко под уровнем жидкого металла. При операциях перезарядки ядерного топлива и работы поворотных пробок неизбежны операции рассоединения механизмов СУЗ и установки каждого стержня-поглотителя в крайнее нижнее положение. После перезарядки ядерного топлива необходимо выполнение операции стыковки стержней-поглотителей и механизмов СУЗ. Эти операции потенциально опасны, сложны, достаточно продолжительны и снижают экономическую эффективность и безопасность энергоблока.
Представляет интерес проработка альтернативной инновационной технологии, при которой перемещение стержней-поглотителей осуществляется гидроприводами, расположенными в корпусе реактора под свободным уровнем теплоносителя. Осуществление такой концепции потребует решения ряда достаточно сложных проблем. Одной из этих проблем является создание работоспособных высоконапорных и малорасходных насосов подачи жидкометаллического теплоносителя и гидроприводов - исполнительных механизмов. В таких устройствах необходимо обеспечить работу контактных пар в среде свинцового и свинец-висмутового теплоносителей. Необходимо исследование условий их работы, определить оптимальные конструкционные материалы и решить ряд других задач.
В процессе длительной эксплуатации энергетического контура со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями в теплоноситель и в контур поступают и накапливаются примеси. Необходима периодическая очистка теплопередающих поверхностей активной зоны, парогенератора и др. от возможных отложений этих примесей. Для реализации ряда известных методов очистки необходимо создание малорасходных высоконапорных насосов для перекачки высокотемпературных свинцового и свинец-висмутового теплоносителей. В качестве таких насосов могут быть шестеренчатые, лабиринтно-винтовые или другие насосы объемного типа. Основными элементами таких насосов являются контактные пары, работающие в среде жидкого металла. Необходимы исследования характеристик работы таких механизмов, определение оптимальных вариантов конструкций, конструкционных материалов, оптимальных режимов их эксплуатации.
Проведенный анализ показывает, что для повышения эффективности традиционных механизмов, работающих в среде тяжелых жидких металлов, а также для создания альтернативных инновационных технологий требуется экспериментальные исследования и проработка конструкций с контактными парами, включая механические передачи, работающие в свинцовом и свинец-висмутовом теплоносителях реакторных установок.
Окислительное изнашивание, изнашивание вследствие деформации, диспергирования и выкрашивания
Для окислительного изнашивания характерно постоянное или периодическое разрушение пленок окислов на поверхностях трения, которые в процессе трения разрушаются и вновь образуются. Материал продуктов изнашивания - оксиды компонентов материалов поверхностей. От других видов коррозионно-механического изнашивания в общей триботехнике этот вид изнашивания отличается тем, что он протекает при трении без смазочного материала или при его недостаточном количестве. Поверхности трения сохраняют малую шероховатость, вырывы металла, кратеры и налипание металла с одной поверхности на другую отсутствуют. Это объясняется тем, что формирующиеся окислы препятствуют схватыванию поверхностей.
Необходимым условием окислительного изнашивания трущихся поверхностей в условиях высокотемпературного жидкометаллического контура является непрерывный подвод кислорода, необходимого для окисления сталей. Этот процесс возможен только за счет подвода к трущимся поверхностям свинцового или свинец-висмутового теплоносителя, содержащего примесь кислорода со значением термодинамической активности 10 4 и более или частиц оксидов теплоносителя.
Для реализации этого вида изнашивания необходимо, чтобы промежуток времени между последовательными разрушениями пленки был достаточен для образования новой пленки достаточно большой толщины, что также определяется скоростью подвода кислорода к поверхности, т.к. кинетические характеристики самого процесса окисления на начальной стадии высокие. В случае циклического разрушения оксидов высокой твердости достаточной толщины изнашивание будет носить характер абразивного. Процесс окислительного изнашивания, наблюдался на рабочих поверхностях зубчатых зацеплений изготовленных из стали 40X13, на начальных этапах экспериментальных исследований характеристик изнашивания контактных пар в зубчатых зацеплениях в среде свинца (рис. 2.2).
Методика проведения исследований, условия испытаний, результаты подробно описаны в четвертой главе диссертации.
Изнашивание вследствие пластической деформации. При этом виде изнашивания (смятии) происходит изменение размеров или формы детали в результате пластической деформации ее микрообъемов.
В условиях контуров с ТЖМТ смятие является характерным видом повреждения контактных поверхностей шпонок и шпоночных пазов, шлицевых соединений, резьбовых соединений и других, работающих в среде высокотемпературного свинцового или свинец-висмутового теплоносителей. Смятие характерно также для деталей, входящих в контакт с ударом, например, для зубчатых зацеплений при нарушении межосевого расстояния и др. Пластическая деформация вызывается либо чрезмерными напряжениями, либо нерасчетными перегрузками.
Этот вид изнашивания более характерен для пластичных сталей (например, 08Х18Н10Т) и менее характерен для сталей валов типа 40Х или чугуна.
Смятие рабочей поверхности подшипника сухого трения наблюдалось на втулке подшипника вала колеса редуктора (рис 2.7) и одного из зубчатых зацеплений (рис. 2.8) экспериментального стенда Р-ФТ2003 [11]. Методика проведения исследований, условия испытаний, результаты подробно описаны в подпункте 3.3.2.4 (подшипник сухого трения) и пункте 4.5.1 (зубчатое зацепление).
Изнашивание вследствие диспергирования. При этом виде процесс изнашивания осуществляется следующим образом. На площадках фактического контакта сопряженных поверхностей материал подвергается многократной упругой и пластической деформации. Это приводит в отдельных местах к разупрочнению, разрыхлению структуры металла с последующим отделением небольших блоков. Согласно [33] в этом случае процесс разрыхления подобен процессу зарождения и развития усталостной трещины детали под действием циклических нагрузок. Поверхностная пластическая деформация приводит также к охрупчиванию материалов на отдельных микроучастках и его выкрашиванию. Возможны повреждения, связанные с взаимным внедрением микроучастков без разрушения оксидной пленки.
В традиционных условиях этот вид изнашивания характерен для условий жидкостной и граничной смазки и диапазона температур вплоть до умеренного. Интенсивность этого вида изнашивания не высока, а шероховатость поверхностей мала.
Для условий высокотемпературных контуров со свинцовым или свинец-висмутовым теплоносителем изнашивание вследствие диспергирования может быть характерно для гидростатических подшипников с жидкостной смазкой теплоносителем (см. ниже). Сопряженные поверхности при вращении при переходе из ненагруженной зоны в нагруженную испытывают переменное давление и, соответственно, циклы напряжений изгиба или других. При высокой частоте вращения и длительной работе суммарное число циклов может исчисляться десятками миллионов. При этом возможно накопление субмикростатических дефектов даже при малых напряжениях, что, в совокупности с адсорбционно-раскисляющим эффектом воздействия жидкого металла, приводит к износу поверхностей при малой интенсивности изнашивания.
Изнашивание в результате выкрашивания вновь образуемых структур. В традиционных условиях при значительных нагружениях на поверхностях трения могут происходить физико-химические превращения отдельных участков. Эти изменения происходят в результате пластического деформирования, повышения температуры слоев металла, прилегающих к зоне контакта, последующего быстрого охлаждения и химического действия окружающей среды. Образовавшиеся новые структуры изменяют вид взаимодействия и характер разрушения поверхностей. На поверхностях трения стальных и чугунных деталей могут образовываться блестящие белые пятна или полосы. В зависимость от условий образования они могут состоять из мартенсита, смеси аустенита и мартенсита, цементита и феррита, или из других сочетаний структур. На одной детали могут быть различные по структуре белые слои, образующиеся в результате быстро протекающих термических либо химико-термических процессов.
Одновременно с образованием белого слоя возникают внутренние напряжения, которые совместно с рабочими напряжениями вызывают растрескивание слоя и выкрашивание его отдельных частиц. Продукты изнашивания, попадая в зазоры между поверхностями сопряженных деталей вызывают интенсивное изнашивание, доходящее до катастрофического.
Информация о таком виде изнашивания в среде свинцового или свинец-висмутового теплоносителей отсутствует.
Характеристики вибрации насоса НЦС - 04 с гидростатодинамическим подшипником
Амплитудно-частотный спектр ускорения узлов, элементов насоса и стенда на всех исследуемых скоростях вращения вала (800, 1000, 1200 об/мин) и не зависимо от времени проведения замеров вибрации можно условно разделить на три диапазона частот в зависимости от амплитуды ускорения: 0 ... 500 Гц, 500 ... 900 Гц, 900 Гц и выше. Первый и третий диапазоны характеризуются относительно невысокими амплитудами ускорений и их основная доля находится в интервале 0,01 ... 0,015 м/с с максимальными значениями около 0,025 м/с , амплитуды ускорений практически не зависят от частоты вращения вала. Для второго диапазона (500 ... 900 Гц) частот характерно изменение ускорения от 0 до 0,85 м/с (21.12.06, 750 часов, 1200 об/мин), при возрастании частоты вращения вала наблюдается увеличение среднего значения амплитуд ускорений (0,03 м/с - 800 об/мин, 0,04 м/с -1000 об/мин, 0,05 м/с - 1200 об/мин), рост их максимальных значений и увеличение дисперсии спектра.
Основной вклад в вибрацию в диапазоне 500 ... 900 Гц вносят колебания на собственных частотах корпуса насоса, стакана электродвигателя, электродвигателя.
Фон вибрации в лаборатории не дает ощутимо заметного вклада в спектры во всем диапазоне исследуемых частот за исключением частот кратных 50 Гц, что объясняется электрическими наводками энергетического оборудования и кабелей электропитания.
Насос НЦС - 04 разрабатывался для работы в составе циркуляционного стенда ФТ-2 исходя из ресурса 30000 часов, за исключением нижней подшипниковой опоры. Замеры вибрации проводились на временной базе 220 часов, ревизия насоса не обнаружила, каких либо заметных изменений его узлов кроме износа нижней подшипниковой опоры - опоры скольжения.
Характер износа нижней подшипниковой опоры насоса НЦС - 04 после проведения эксперимента схематично представлен на рис. 3.27.
Детектируемый рост амплитуд ускорений вибрации насоса от времени при полностью идентичных условиях проведения замеров может объясняться изменением геометрии нижней подшипниковой опоры.
Диапазон исследуемых частот был сужен до интервала от 0 до E-Z Гц, где Е-частота вращения вала в герцах (800 об/мин - 13.3 Гц, 1000 об/мин -16.7 Гц, 1200 об/мин - 20 Гц), z-количество заходов резьбы подшипника (восемь). Характер износа подшипниковой опоры свидетельствует о том, что рост уровня вибрации должен наблюдаться на частоте вращения вала є и на некоторых частотах кратных Е - s-i (і=2,3,4,...к). Для сравнительного анализа были выбраны гармоники с частотой: є, є-2, є-3, є-4, є-z. Гармоника с частотой s-z является аналогом лопаточной частоты центробежного колеса, где z количество лопаток.
Необходимо отметить, что колебания на рассматриваемых частотах могут описывать не только состояние нижней подшипниковой опоры, однако изменение амплитуды колебаний характерны для изменения геометрии подшипника.
Изменение скорости вращения вала насоса производилось при помощи частотного регулирования скорости вращения асинхронного электродвигателя, посредством преобразователя частоты переменного тока. Диапазон истинной частоты вращения вала насоса на заданной частоте, определяемый погрешностью преобразователя частоты, составляет от (е - 1,4) до (е + 1,4) Гц.
На всех исследуемых частотах в основном зафиксировано увеличение амплитуд ускорений от продолжительности времени работы насоса, за исключением замеров: 530 часов - 1000 об/мин, 670 часов - 1000 об/мин, на частоте є; 530 часов - 1200 об/мин, 670 часов - 1200 об/мин. Так же, в целом, наблюдается рост значений амплитуд ускорений на всех исследуемых частотах с увеличением скорости вращения вала.
Зафиксированное в некоторых случаях уменьшение амплитуд ускорений с увеличением времени эксплуатации насоса, а также их уменьшение с увеличением частоты вращения вала на рассматриваемых частотах, может объясняться, разницей в пространственной ориентации датчика вибрации (акселерометра) относительно вала (рис. 3.28), а также различной жесткостью установки датчика, так как каждый раз после проведения серии замеров вибрации акселерометр демонтировался с корпуса насоса.
Изучение спектра показало:
- рост ускорений на частоте є с увеличением времени эксплуатации составил от 15% начального значения при скорости вращения вала 800 об/мин, до 80 ... 100% при 1000 об/мин и 1200 об/мин;
- рост ускорений на частоте е-2 с увеличением времени эксплуатации составил от 10% начального значения при скорости вращения вала 800 об/мин, до 50% при 1000 об/мин, 1200 об/мин;
- не зафиксировано изменения спектра на частотах е-3, уровень сигнала определяется фоновыми значениями;
- изменение ускорения на частотах є-А зафиксировано лишь для скоростей 1000 об/мин, 1200 об/мин и составило 50% и 100% соответственно;
- на частотах e-z зафиксирован рост амплитуд ускорений на 30%, 50%» от фоновых значений в начальный момент на скоростях 800 об/мин, 1000 об/мин соответственно.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать предварительный вывод о том, что возможно создание гидростатодинамических (лабиринтно-винтовых) подшипников скольжения, работающих в свинцовом и свинец-висмутовом теплоносителе с температурой до 510 С с ресурсом работы, удовлетворяющим требованиям экспериментальных и полупромышленных стендов и, возможно, условиям реакторных контуров с ТЖМТ.
Экспериментальные зависимости напора от подачи лабиринтно-винтового жидкометаллического электронасоса НЛВ - 01
На рис. 5.22 представлены H-Q характеристики лабиринтно-винтового жидкометаллического электронасоса НЛВ-01 в зависимости от частоты вращения вала насоса (винта) и температуры теплоносителя. Замеры H-Q характеристик соответствующих температурам 480, 300, 200 С проводились через 30, 50,100 часов после начала эксперимента соответственно.
На рис. 5.23 представлены H-Q характеристики лабиринтно-винтового жидкометаллического электронасоса НЛВ - 01 при температуре теплоносителя 480 С в зависимости от времени его эксплуатации и частоты вращения вала.
Относительная погрешность измерения расхода и напора во всем диапазоне значений находилась в приделах от 9 до 12% и от 2 до 13% соответственно, меньшие значения погрешности соответствуют меньшим значениям измеряемых параметров.
Анализ H-Q характеристик лабиринтно-винтового жидкометаллического электронасоса НЛВ-01 (рис. 5.22, 5.23, 5,24) показывает:
- в составе экспериментального стенда ФТ-ЛВН лабиринтно-винтовой насос обеспечивал расход теплоносителя по основной трассе циркуляции в диапазоне от 0 до 0,285 м3/ч, напор от 0,21 до 1,85 м, в зависимости от частоты вращения вала и гидравлического сопротивления трассы;
- при частоте вращения вала 1000 об/мин изменение подачи и напора насоса происходило в пределах от 0 до 0,139 м/ч и от 0,21 до 0,51м соответственно;
- при частоте вращения вала 1500 об/мин изменение подачи и напора насоса происходило в пределах от 0 до 0,232 м3/ч и от 0,34 до 1,23 м соответственно;
- при частоте вращения вала 2000 об/мин изменение подачи и напора насоса происходило в пределах от 0 до 0,29 м/ч и от 0,56 до 1,85м соответственно;
Учитывая точность определения напора и подачи сравнение H-Q характеристик лабиринтно-винтового насоса измеренных через 30, 70 и 120 часов после начала эксперимента не выявило существенных отличий в характере их изменения. Исходя из экспериментальных и теоретически данных изложенных А.И. Голубевым в работе [49], а также Ф.М. Митенковым, Э.Г. Новинским и В.М Будовым в работе [43] увеличение диаметрального зазора между рабочими органами лабиринтно-винтовых насосов и уплотнений, уменьшение высоты нарезок приводит к существенному снижению величины развиваемого напора, из-за уменьшения напряжений турбулентного трения жидкости в его рабочем пространстве. Изменение диаметрального зазора между винтом и втулкой с профилем аналогичным исследуемому в этой работе с 0,5 до 0,7 мм и уменьшение высоты нарезок с 3,95 до 3.9 мм привело к снижению напора насоса на 40 ... 50%, при расходе воды от 0 до 5,4 м /ч, частоте вращения вала 2500 об/мин, диаметре винта и втулки 100 мм, длине винта 93 мм, заходов резьбы 25 [49].
Отсутствие изменения H-Q характеристик во время проведения эксперимента, объясняется относительно небольшим изменением диаметрального зазора 0,52 ... 0.58 мм между винтом и втулкой на 75 ... 85 % площади рабочих поверхностей. Максимальный диаметральный зазор около 0,78 мм, обусловленный перекосом винта во втулке во время эксплуатации, наблюдается в сечениях ближних к напору насоса на 15 ... 25 % площади рабочих поверхностей. В работе [49] изменение диаметрального зазора обеспечивалось срезанием металла с рабочих поверхностей винта и втулки на токарном станке, то есть зазор по длине рабочих органов оставался постоянным. Необходимо так же отметить что описанное изменение геометрии рабочих органов произошло в течении всего времени проведения эксперимента (150 часов) а замер H-Q характеристик производился через 30, 70, 120 часов от начала эксплуатации, то есть на максимальной временной базе 90 часов.
Зафиксированный износ рабочих поверхностей винта и втулки может являться следствием режимов работы не обеспечивающих гарантированное разделение теплоносителем поверхностей рабочих органов одним из таких режимов является пуск насоса. Гидростатодинамические (лабиринтно-винтовые) подшипники обладают недостатками гидродинамических опор связанными с зависимостью грузоподъемности подшипника от частоты вращения вала, в начальные моменты пуска происходит прямой контакт поверхностей подшипника, следствием которого является их износ. На протяжении всего времени проведения эксперимента пуск и останов насоса осуществлялся около 12 раз. Целью проведения данных экспериментов не являлся поиск режимов эксплуатации насоса, соответствующих минимальным значениям интенсивности изнашивания рабочих органов.
А.И. Голубевым [49] для исследования влияния вязкости на характеристики лабиринтных насосов в качестве перекачиваемой среды было выбрано веретенное масло. Кинематическую вязкость масла изменяли в пределах от 1-Ю" до 57-10" м/с путем его нагревания, параметры рабочих органов, были аналогичны соответствующим параметрам при исследовании влияния величины зазора между винтом и втулкой на Н- Q характеристики насоса. С увеличением кинематической вязкости напор, мощность и КПД насоса уменьшались. Это объясняется ослаблением интенсивности вихреобразования в рабочем пространстве насоса и увеличением потерь на гидравлическое трение под влиянием вязкости жидкости. Так изменение кинематической вязкости от 1-Ю до 57-10" м /с приводит к уменьшению КПД на 18%, при подаче 4,3 м /ч, и к снижению КПД на 5 %, при подаче 2,9 м /ч.
При проведении экспериментальных исследований влияния вязкости РЬ-Bi на H-Q характеристики вихревого насоса (рис. 5.22) вязкость теплоносителя изменяли путем изменения его температуры. Влияния вязкости теплоносителя на характеристики насоса не обнаружено, изменение H-Q характеристик находится на грани погрешности измеряемых величин. Изменение потребляемой насосом мощности в зависимости от вязкости теплоносителя не обнаружено. По мнению автора, эти факты можно объяснить относительно небольшим изменением вязкости Pb-Ві от 13,47-10" (480 С) до 24,85-10" м/с (200 С) и малыми значениями подач от 0 до 0,285 м/ч, по сравнению с экспериментами А.И. Голубева. Уменьшение вязкости при малых подачах менее значительно сказывается на изменении КПД по сравнению с большими расходами [49].
Экспериментальных данных свидетельствующих о сохранении закономерностей изменения характеристик лабиринтных насосов при переходе от вязкости 1-Ю"6... 57-Ю"6м2/с к вязкости 13,47-10"8... 24,85-10"8м2/с в литературе не найдено.
