Лабиринтно-винтовой насос для перекачки расплавленного металла

Изобретение относится к конструкции насосов и может быть использовано, например, в реакторных установках с жидкометаллическим охлаждением. Лабиринтно-винтовой насос для перекачки расплавленного металла содержит корпус, в котором расположен уплотненный по газу вал с приводом, установленный в подшипниковом узле, ниже уровня перекачиваемой среды в корпусе установлена резьбовая втулка и соосно с ней закрепленный на валу винт. Над втулкой установлена опирающаяся на нее основанием коническая сетка с образованием радиального зазора верхним основанием конуса с валом насоса. В кольцевую камеру, выполненную во втулке, сообщающуюся с зазором между втулкой и винтом, осуществлен подвод газа или газовой смеси. Повышается ресурс и надежность работы насоса за счет уменьшения поступлений дисперсных частиц в зазор между рабочими поверхностями, пассивации этих поверхностей и восстановления с них примесей оксидов теплоносителя. 1 ил.

 

Решение относится к конструкции насосов и может быть использовано, например, в реакторных установках с жидкометаллическим охлаждением.

Известен лабиринтно-винтовой насос, содержащий корпус, в котором расположен уплотненный по газу вал с приводом, установленный в подшипниковом узле, ниже уровня перекачиваемой среды в корпусе установлена резьбовая втулка и соосно с ней закрепленный на валу винт (см. Голубев А.И. Лабиринтно-винтовые насосы и уплотнения для агрессивных сред. Москва, Машиностроение, 1981, с.89) - прототип.

Недостатками данного технического решения являются невозможность формирования и деформирования защитных покрытий на поверхностях рабочих органов и возможность попадания дисперсных частиц в рабочую полость насоса, что снижает надежность работы насоса, особенно при перекачке расплавленного металла.

Задачи, решаемые изобретением, - увеличение ресурса насоса и повышение надежности его работы.

Технический результат - уменьшение поступления дисперсных частиц в рабочую полость насоса, создание условий для образования оксидной пленки на поверхностях его рабочих органов, создание условий для восстановления оксидов, высадившихся на поверхности рабочих органов.

Этот технический результат достигается тем, что в лабиринтно-винтовом насосе, содержащем корпус, в котором расположен уплотненный по газу вал с приводом, установленный в подшипниковом узле, ниже уровня перекачиваемой среды в корпусе установлена резьбовая втулка и соосно с ней закрепленный на валу винт, над втулкой установлена опирающаяся на нее основанием коническая сетка с образованием радиального зазора верхним основанием конуса с валом насоса, а в кольцевую камеру, выполненную во втулке, сообщающуюся с зазором между втулкой и винтом, осуществлен подвод газа или газовой смеси. Кроме того, коническая сетка выполнена из аустенитной стали с размером ячеек 50-200 мкм и толщиной образующей сетки 0,2-2,0 мм; радиальный зазор между верхним основанием конической сетки и валом насоса выбран 0,5-2,0 мм, а ее высота составляет 0,25-0,35 диаметра втулки; кольцевая камера расположена на расстоянии 0,25-0,35 диаметра втулки от торца втулки со стороны всасывания насоса.

Установленная на втулке коническая сетка из аустенитной стали играет роль фильтра на входе в насос, что обеспечивает защиту зазора между винтом и втулкой насоса от попадания в него дисперсных частиц. Указанный материал обеспечивает работоспособность фильтра в тяжелом жидком металле (свинец, сплав свинец-висмут). Размер ячеек сетки не должен превышать 200 мкм, так как дисперсные частицы большего размера представляют опасность для рабочих органов насоса, однако не должен быть менее 50 мкм во избежание излишнего затеснения потока и повышения гидравлического сопротивления. Размер образующей сетки не должен превышать 2,0 мм по тем же соображениям и не должен быть менее 0,2 мм по требованиям обеспечения прочности и жесткости фильтра.

Радиальный зазор между верхним основанием конической сетки и валом должен обеспечивать свободное вращение вала с минимальными потерями на трение в области зазора и при этом обеспечивать достаточную фильтрующую способность. Обеспечение зазора менее 0,5 мм неоправданно, так как это приведет к существенным потерям на трение, а также предъявляет неоправданно более жесткие технологические требования. Выбор зазора более 2,0 мм приведет к существенному увеличению потока через зазор в байпас фильтра и, соответственно, к снижению эффективности защиты насоса от дисперсных частиц. Коническая конструкция сетчатого фильтра позволяет увеличить площадь проходного сечения - уменьшить удельную нагрузку и позволяет удалить шлаки с поверхности конуса при дренировании перекачиваемой среды из корпуса насоса. Высота конуса менее 0,25 диаметра втулки обеспечивает недостаточно эффективное удаление шлаков при дренаже, а также относительно малую площадь проходного сечения. Высота более 0,35 диаметра втулки приведет к необоснованному увеличению габаритного размера фильтра в осевом направлении.

Экспериментально и теоретически доказано, что работоспособность сталей в тяжелых жидких металлах при температуре выше 400-450°С не обеспечивается (сталь растворяется). Для обеспечения работоспособности материалов винта и втулки в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе (ТЖМТ) необходимо на их поверхностях сформировать защитное (пассивное) покрытие (пленку). Ее можно сформировать на основе оксидов компонентов стали (железо, хром и др.). Для того чтобы обеспечить формирование защитных оксидных покрытий на сталях и их периодическое деформирование при возможном разрушении в процессе эксплуатации, необходимо организовать режим пассивации (допассивации) поверхности сталей втулки и винта. Этого можно добиться путем подачи ТЖМТ, обогащенного примесью кислорода, к указанным поверхностям, то есть необходимо обеспечить дозированный ввод кислорода в жидкий металл, для этого предлагается использовать кольцевую камеру, выполненную во втулке, соединенную с одной стороны с зазором между винтом и втулкой, и с другой стороны - с газовым коллектором с кислородосодержащей смесью (углекислый газ, смесь аргона с кислородом или гелия с кислородом). Расположение кольцевой камеры на расстоянии более 0,35 диаметра втулки от ее торца со стороны всасывания приведет к работе газовой системы в области более высоких давлений, что нежелательно, а также к неоправданному увеличению незащищаемой (непассивируемой) поверхности рабочих органов насоса. Расположение кольцевой камеры ближе 0,25 диаметра втулки от ее торца со стороны всасывания насоса нецелесообразно, так как малая протяженность рабочих органов между всасом насоса и кольцевой камерой не обеспечит достаточно надежной турбулизации потока и, соответственно, достаточной диспергации подаваемой в кольцевую камеру легкой фазы и надежного захвата ее потоком.

На чертеже представлена схема предлагаемого лабиринтно-винтового насоса.

В корпусе 1 расположен уплотненный по газу вал 2 с приводом 3, установленный в подшипниковом узле 4, ниже уровня 5 перекачиваемой среды в корпусе установлена резьбовая втулка 6 и соосно с ней закрепленный на валу винт 7, над втулкой установлена опирающаяся на нее основанием коническая сетка 8 с образованием радиального зазора 9 верхним основанием конуса с валом насоса, а в кольцевую камеру 10, выполненную во втулке, сообщающуюся с зазором между втулкой и винтом, осуществлен подвод газа или газовой смеси из коллекторов 11 газовой системы. Коническая сетка 8 выполнена из аустенитной стали с размером ячеек 50-200 мкм и толщиной образующей сетки 0,2-2,0 мм. Радиальный зазор 9 между верхним основанием конической сетки 8 и валом 2 насоса выбран 0,5-2,0 мм, а ее высота составляет 0,25-0,35 диаметра втулки 6. Кольцевая камера 10 расположена на расстоянии 0,25-0,35 диаметра втулки 6 от торца втулки 6 со стороны всасывания насоса.

Работа насоса осуществляется следующим образом.

В начальный период работы насоса - пассивации материалов насоса при его работе организуется подача кислородосодержащей газовой смеси в активную, рабочую часть насоса через кольцевую камеру 10 при температуре металла 400-500°С, обеспечивая газосодержание в проточной части насоса 0,1-5,0% (в зависимости от содержания кислорода в газовой смеси). Эта операция продолжается от 10 до 100 часов в зависимости от типа жидкого металла, материала конструкции и других факторов, после чего подача газа прекращается. При необходимости такая операция повторяется периодически в процессе длительной работы насоса, например, при резком повышении температуры перекачиваемого металла, ухудшении его качества по примесям и другое.

Экспериментально и теоретически показано, что в процессе длительной эксплуатации при содержании, близком к насыщению, кислорода в ТЖМТ в растворенном виде или при наличии мелких (менее 1 мкм) частиц они могут высаживаться на поверхностях конструкционных материалов и, в частности, на поверхностях рассматриваемого насоса. При накоплении их в ячейках насоса эксплуатационные свойства последнего ухудшаются. Для устранения отложений примесей оксидов теплоносителя с поверхностей материала втулки 6 и винта 7 предлагается подача к ним восстанавливающих газовых смесей. Для этого предлагается соединить штуцер, сообщающийся с кольцевой камерой 10 и использующийся для пассивации поверхностей насоса, посредством трубопровода с арматурой с коллектором подачи газа-восстановителя, например, водорода или его смесей с аргоном и гелием.

Применение конической сетки 8 обеспечивает защиту насоса от дисперсных частиц, размеры которых соизмеримы с зазором между втулкой 6 и винтом 7 и которые, соответственно, представляют для насоса наибольшую опасность, за счет достаточно малого размера ячеек сетки. Зазор 9 между валом 2 и верхним основанием конической сетки 8 обеспечивает свободное вращение вала 2, при этом существенная разница скоростей между поверхностью вращающегося вала 2 и неподвижной поверхностью верхнего основания конической сетки 8 обуславливает существенное гидравлическое сопротивление турбулентного трения в зазоре 9. Малое гидравлическое сопротивление конической сетки 8 обеспечивается тем, что площадь проходного сечения сетки существенно больше площади кольцевого зазора между втулкой 6 и валом 7, что достигается конической конструкцией фильтра и выбором размеров ячеек и толщины образующей сетки. Так как гидравлическое сопротивление конической сетки 8 существенно меньше гидравлического сопротивления зазора 9, то поток перекачиваемой среды через зазор 9 в байпас конической сетки 8 существенно меньше потока через коническую сетку 8, и, соответственно, количество дисперсных частиц, увлекаемых на всасывание насоса через зазор 9, незначительно. Такой способ защиты насоса от дисперсных частиц отличается простотой и эффективностью.

Применение предлагаемого технического решения позволяет повысить ресурс и надежность работы лабиринтно-винтового насоса для перекачки жидкого металла путем уменьшения поступлений дисперсных частиц в зазор между рабочими поверхностями. пассивации этих поверхностей, а также восстановления с них примесей оксидов теплоносителя.

1. Лабиринтно-винтовой насос для перекачки расплавленного металла, содержащий корпус, в котором расположен уплотненный по газу вал с приводом, установленный в подшипниковом узле, ниже уровня перекачиваемой среды в корпусе установлена резьбовая втулка и соосно с ней закрепленный на валу винт, отличающийся тем, что над втулкой установлена опирающаяся на нее основанием коническая сетка с образованием радиального зазора верхним основанием конуса с валом насоса, а в кольцевую камеру, выполненную во втулке, сообщающуюся с зазором между втулкой и винтом, осуществлен подвод газа или газовой смеси.

2. Лабиринтно-винтовой насос по п.1, отличающийся тем, что коническая сетка выполнена из аустенитной стали с размером ячеек 50-200 мкм и толщиной образующих сетки 0,2-2,0 мм.

3. Лабиринтно-винтовой насос по п.1, отличающийся тем, что радиальный зазор между верхним основанием конической сетки и валом насоса выбран 0,5-2,0 мм, а ее высота составляет 0,25-0,35 диаметра втулки.

4. Лабиринтно-винтовой насос по п.1, отличающийся тем, что кольцевая камера расположена на расстоянии 0,25-0,35 диаметра втулки от торца втулки со стороны всасывания насоса.