Узел крепления рабочего колеса насоса на валу
Изобретение относится к конструктивным узлам вертикальных лопастных насосов и может быть преимущественно использовано на АЭС в главных циркуляционных насосных агрегатах первого контура теплоносителя. Узел крепления содержит обтекатель (О) с гладким отверстием для центрального винта (ЦВ), замыкающего поверхность О. Торец О, на котором выполнен фиксирующий кольцевой выступ, и торец ведущего диска рабочего колеса, в котором выполнено аксиальное углубление, сопрягаются с возможностью их относительного осевого смещения. Резьбовое отверстие для ЦВ, головка которого замыкает поверхность ведущего диска, выполнено в торце вала насоса. Узел снабжен фланцем (Ф), охватывающим ЦВ и сопрягаемым с торцом вала насоса с помощью винтового соединения, у которого резьбовые отверстия выполнены в торце вала насоса, а гладкие - в указанном Ф. На стержне ЦВ под его головкой выполнен радиальный выступ с возможностью осевого упругого взаимодействия с Ф. Изобретение обеспечивает предотвращение влияния нагрузок, обусловленных колебаниями рабочего колеса, а также температурным расширением элементов насоса надежность установки О и облегчение его координирования при сборке узла крепления. 3 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к насосам необъемного вытеснения для жидкостей с вращательным движением рабочих органов (более конкретно, к конструктивным узлам лопастных насосов). Изобретение может быть преимущественно использовано на атомных электростанциях (АЭС) в насосах большой мощности, которые входят в состав главных циркуляционных насосных агрегатов (ГЦНА), предназначенных для обеспечения циркуляции теплоносителя через активную зону ядерного реактора.
ГЦНА типовой структурной схемы, применяемые на АЭС [Митенков Ф.М., Новинский Э.Г., Будов В.М. Главные циркуляционные насосы АЭС, - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1990: С.8 (Рис.В.5)], включают лопастной насос с вертикальным валом, на нижнем конце которого консольно закреплено рабочее колесо. Узел крепления рабочего колеса на валу насоса, вообще говоря, включает обтекатель, закрывающий остальные элементы узла и замыкающий поверхность ведущего диска рабочего колеса. Обтекатель предохраняет элементы узла крепления от воздействия динамического потока перекачиваемой жидкости и участвует в формировании динамических характеристик течения по межлопастным каналам.
Условия эксплуатации на АЭС с водоохлаждаемыми реакторами (перекачивание радиоактивной и химически агрессивной жидкости в контуре с высокой температурой под большим давлением при неоднократном и периодическом полном дренировании насоса) характеризуются работой указанных элементов при больших величинах градиента температуры, а также высоких знакопеременных силовых нагрузках. После дренирования в полостях насоса остается боросодержащая вода, при испарении которой (из-за высокой температуры элементов насоса) в зазорах выделяется кристаллический бор, что является одной из причин образования первичных надиров на взаимодвижущихся при разборке элементах из кислотостойких вязких сталей (в частности, узла крепления рабочего колеса). Условия изготовления крупногабаритных насосов большой мощности требуют значительных полей допусков элементов, входящих в состав узла крепления рабочего колеса, и выполнение обтекателя, являющегося концевой частью размерной цепи, должно обеспечивать компенсацию всех полей допусков. При этом крепление обтекателя должно быть максимально надежным, так как после его разрушения возможен подъем обтекателя потоком перекачиваемой жидкости в рабочее колесо, что резко увеличивает неуравновешенность (дисбаланс) вала насоса в сборе и т.д.
Известен узел крепления консольного рабочего колеса на валу [А.с. 1722094 СССР, МПК5 F 04 D 29/20. - Опубл. 30.03.1994, Бюл. №6], включающий винтовое соединение обтекателя и рабочего колеса, у которого резьбовые отверстия для винтов (ввертных болтов) выполнены в рабочем колесе, а гладкие - в предназначенном для сопряжения с ведущим диском последнего торце обтекателя, причем в тех его частях, которые ограничивают радиальные пазы на внешней, омываемой жидкостью поверхности обтекателя.
Недостатком этого устройства является закусывание винтов при отворачивании вследствие возникновения в винтовом соединении значительных циклических напряжений, обусловленных колебаниями рабочего колеса, а также из-за применения материалов с разными коэффициентами линейного расширения.
Наличие радиальных пазов на внешней, омываемой перекачиваемой жидкостью поверхности обтекателя влияет на гидродинамические характеристики потока жидкости на входе в рабочее колесо и, как следствие, на КПД последнего, снижая его.
Кроме того, затруднено координирование элементов этого узла крепления при сборке (в частности, возможна несоосность обтекателя и вала насоса) и, как следствие, возможно увеличение неуравновешенности (дисбаланса) вала насоса в сборе.
Известен узел крепления рабочего колеса насоса [А.с. 1054577 СССР, МПК5 F 04 D 29/20. - Опубл. 15.11.1983, Бюл. №42], включающий обтекатель, на торце которого, предназначенном для взаимодействия со ступицей ведущего диска рабочего колеса, выполнен фиксирующий кольцевой выступ, наружная радиальная поверхность которого контактирует с ответной поверхностью стенки выполненного в ступице углубления. Соосно валу насоса в обтекателе выполнено гладкое отверстие для винта, предназначенного для поджатия обтекателя к ведущему диску рабочего колеса, при этом головка винта замыкает поверхность ведущего диска, а резьбовое отверстие для винта выполнено в навинчиваемой на вал насоса гайке, предназначенной для осевой затяжки ступицы рабочего колеса.
Недостатком этого устройства является передача знакопеременной нагрузки, обусловленной колебаниями рабочего колеса, а также нагрузки от температурных расширений обтекателя (на длине от головки винта до ступицы ведущего диска) на винт, что влечет ослабление крепления обтекателя и, как следствие этого ослабления, дополнительные циклические нагрузки на винт, приводящие к его разрушению.
Таким образом, увеличивая надежность ГЦНА, в частности обеспечивая работоспособность рабочего колеса при всех режимах эксплуатации на АЭС (включая переходные, когда могут резко изменяться давление и температура воды в корпусе насоса), а также улучшая его ремонтопригодность в процессе эксплуатации на АЭС с обеспечением ревизии, ремонта и замены элементов узла крепления рабочего колеса насоса при минимально возможных затратах труда и времени, желательно при этом уменьшить вероятность ослабления резьбовых соединений узла крепления рабочего колеса и исключить возможность разрушения указанного узда крепления.
При использовании предлагаемого изобретения могут проявиться, в частности, следующие технические результаты:
во-первых, исключение передачи циклических нагрузок от диска рабочего колеса через обтекатель на винт, головка которого замыкает поверхность ведущего диска рабочего колеса;
во-вторых, предотвращение влияния температурного расширения элементов узла крепления рабочего колеса на надежность крепления обтекателя;
в-третьих, облегчение координирования обтекателя при сборке узла крепления, а также предотвращение увеличения несоосности вала насоса и обтекателя после ревизии или замены рабочего колеса и элементов его крепления.
Как решение задачи, позволяющее достигнуть эффекта с указанными характеристиками, предлагается узел крепления рабочего колеса насоса на валу, содержащий обтекатель, в котором соосно валу насоса выполнено гладкое отверстие для центрального винта, своей головкой замыкающего поверхность обтекателя, и на торце которого, предназначенном для взаимодействия с ведущим диском рабочего колеса, выполнен фиксирующий кольцевой выступ, предназначенный для сопряжения своей наружной радиальной поверхностью с ответной поверхностью стенки выполненного в ведущем диске рабочего колеса аксиального углубления, и который отличается от прототипа тем, что фиксирующий кольцевой выступ на торце обтекателя и аксиальное углубление в ведущем диске рабочего колеса выполнены с возможностью относительного осевого смещения указанных торца и диска, резьбовое отверстие для центрального винта выполнено в торце вала насоса, снабжен фланцем, охватывающим центральный винт и предназначенным для сопряжения с ответной поверхностью торца вала насоса с помощью винтового соединения, у которого резьбовые отверстия выполнены в торце вала насоса, а гладкие - в указанном фланце,
на стержне винта под его головкой выполнен радиальный выступ с возможностью осевого упругого взаимодействия с указанным фланцем при деформации указанного радиального выступа.
Возможность относительного осевого смещения торца обтекателя, снабженного фиксирующим кольцевым выступом, и ведущего диска рабочего колеса с образованием осевого зазора между ними исключает передачу циклических нагрузок от диска рабочего колеса через обтекатель на центральный винт.
Возможность осевого упругого взаимодействия кольцевого радиального выступа на стержне винта под его головкой с фланцем обтекателя предотвращает влияние температурного расширения элементов насоса на надежность соединения центрального винта и вала насоса, а относительно небольшая толщина фланца обтекателя - на надежность винтового соединения фланца и вала насоса.
При этом введение винтового соединения фланца и вала насоса облегчает координирование обтекателя при сборке узла крепления и предотвращает увеличение несоосности вала насоса и обтекателя.
Предлагаемое устройство (в частном выполнении) поясняется чертежами:
Фиг.1 - вид на зону узла крепления рабочего колеса снизу (вид В);
фиг.2 - зона узла крепления рабочего колеса (разрез А-А);
Фиг.3 - вид С.
Узел крепления рабочего колеса 1 на валу 2 насоса включает обтекатель 3 и центральный винт 4, замыкающий своей головкой 5 поверхность обтекателя 3.
Гладкое отверстие для центрального винта 4 выполнено в обтекателе 3 соосно валу 2 насоса, а резьбовое отверстие для указанного винта - в торце вала 2 насоса.
На торце обтекателя 3, предназначенном для взаимодействия с ведущим диском рабочего колеса 1, выполнен фиксирующий кольцевой выступ 6, предназначенный для сопряжения своей наружной радиальной поверхностью с ответной поверхностью стенки 7 выполненного в ведущем диске рабочего колеса аксиального углубления с возможностью осевого относительного смещения указанных торца и диска с образованием зазора между ними.
Обтекатель 3 снабжен фланцем 8, охватывающим центральный винт 4 и предназначенным для сопряжения с ответной поверхностью торца вала 2 насоса с помощью винтового соединения, у которого резьбовые отверстия для координирующих вспомогательных винтов 9 выполнены в торце вала 2 насоса, а гладкие - в указанном фланце. Для облегчения координирования обтекателя при сборке можно использовать, например, соответствующее размещение отверстий на фланце или же введение в одно из них штифта (вместо винта).
На стержне центрального винта 4 под головкой 5 выполнен радиальный выступ 10 с возможностью осевого упругого взаимодействия с поверхностью фланца 8, противоположной валу 2 насоса, при деформации указанного радиального выступа. Для увеличения развиваемого при взаимодействии усилия выступ 10 может быть выполнен, например, кольцевым и с аксиальным выступом 11 по внешнему краю верхней поверхности.
При установке обтекателя 3 вводят фиксирующий кольцевой выступ 6 в аксиальное углубление ведущего диска рабочего колеса 1, центрируя обтекатель 3 относительно вала 2. Введя координирующие вспомогательные винты 9 в соответствующие отверстия фланца 8 и торца вала 2 насоса, ориентируют обтекатель 3 относительно вала 2, обеспечивая, соответственно, требуемую величину динамической неуравновешенности вала 2 насоса в сборе, а затем закрепляют, вворачивая винты 9 в резьбовые отверстия в валу 2. После чего вворачивают центральный винт 4, замыкая его головкой 5 поверхность обтекателя 3 и вводя радиальный выступ 10 в осевое упругое взаимодействие с поверхностью фланца 8.
В процессе эксплуатации ГЦНА на винты 9 может влиять температурное расширение, связанное только с толщиной фланца 8, а влияние температурных расширений элементов насоса на центральный винт 4 компенсирует осевое упругое взаимодействие радиального выступа 10 с поверхностью фланца 8.
Для снятия обтекателя проводят обратные операции в последовательности, обратной к указанной выше.
Узел крепления рабочего колеса насоса на валу, содержащий обтекатель, в котором соосно с валом насоса выполнено гладкое отверстие для центрального винта, своей головкой замыкающего поверхность обтекателя, а на торце которого, предназначенном для взаимодействия с ведущим диском рабочего колеса, выполнен фиксирующий кольцевой выступ, предназначенный для сопряжения своей наружной радиальной поверхностью с ответной поверхностью стенки выполненного в ведущем диске рабочего колеса аксиального углубления, отличающийся тем, что фиксирующий кольцевой выступ на торце обтекателя и аксиальное углубление в ведущем диске рабочего колеса выполнены с возможностью относительного осевого смещения указанных торца и диска, резьбовое отверстие для центрального винта выполнено в торце вала насоса, снабжен фланцем, охватывающим центральный винт и предназначенным для сопряжения с ответной поверхностью торца вала насоса с помощью винтового соединения, у которого резьбовые отверстия выполнены в торце вала насоса, а гладкие - в указанном фланце, на стержне винта под его головкой выполнен радиальный выступ с возможностью осевого упругого взаимодействия с указанным фланцем при деформации указанного радиального выступа.
