НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2005 года по МПК F04D15/02 

Изобретение относится к насосам необъемного вытеснения для жидкостей с вращательным движением рабочих органов, а более конкретно - к конструктивным узлам лопастных насосов, и может быть преимущественно использовано на атомных электростанциях (АЭС) в главных циркуляционных насосных агрегатах (ГЦНА) контура теплоносителя ядерной энергетической установки (ЯЭУ), проходящего через активную зону ядерного реактора.

ГЦНА типовой структурной схемы [Ф.М.Митенков и др. Главные циркуляционные насосы АЭС. 2-е изд., перераб. и доп. Москва, Энергоатомиздат, 1990, с.8, рис.В.5], применяемые на АЭС, включают лопастной насос с вертикально расположенным валом и выносной приводной двигатель (как правило, асинхронный электродвигатель также с вертикально расположенным ротором). Вал насоса и ротор электродвигателя, выполненные отдельно, соединяют нежесткой муфтой. При параллельной работе группы насосов на общий коллектор в случае остановки приводного двигателя какого-либо из насосов воздействие на рабочее колесо последнего со стороны потока перекачиваемой остальными насосами жидкости соответствует вращению в противоположном нормальному обратном направлении (или работе этого насосного агрегата "в турбинном режиме"). Однако с допущением возможности обратного вращения вала насоса связаны конструктивные и эксплуатационные трудности, в частности: необходимость выполнения подшипников роторной части насоса и приводного двигателя реверсивными (т.е. рассчитанными на работу как при нормальном, так и обратном направлении вращения); необходимость увеличения пускового крутящего момента двигателя (по сравнению с требуемым для запуска насоса с неподвижным валом) или обеспечения его работоспособности при перегрузке; увеличение износа трущихся частей насосного агрегата и ухудшение охлаждения ЯЭУ. Защита вала лопастного насоса от вращения в обратном направлении при остановленном приводном двигателе может быть решена введением в состав насосного агрегата ограничителя движения по направлению вращения вала насоса, например, механического, автоматически действующего за счет сил инерции.

Известен насосный агрегат ЦВН-8 [Ф.М.Митенков и др. Главные циркуляционные насосы АЭС. 2-е изд., перераб. и доп. Москва, Энергоатомиздат, 1990, с.181...186; Пак П.Н. Насосы АЭС. Справочное пособие. Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.34...39] для АЭС с реакторными установками типа РБМК-1000, который включает антиреверсное устройство, содержащее расположенный в нижней части ротора приводного электродвигателя маховик, в углублениях нижней плоскости которого на осях, перпендикулярных оси ротора, размещены стопорные элементы (храповики), и закрепленное на станине электродвигателя храповое зубчатое колесо, причем зубья последнего имеют скос только в сторону нормального вращения ротора [Ф.М.Митенков и др. Главные циркуляционные насосы АЭС. 2-е изд., перераб. и доп. Москва, Энергоатомиздат, 1990, с.184, рис.5.14; Пак П.Н. Насосы АЭС. Справочное пособие. Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.35, 36, рис.3.1]. Антиреверсное устройство этого насосного агрегата размещено выше муфты, соединяющей вал насоса и ротор электродвигателя, поэтому во время стоянки насоса как муфта, так и ротор находятся под нагрузкой, создаваемой потоком перекачиваемой остальными насосами жидкости, вследствие чего доступ к муфте и ротору ограничен.

Известно устройство для защиты от реверсивного вращения вертикального вала лопаточной машины [Авторское свидетельство СССР №920237, кл. F 01 D 21/00, F 04 D 29/00, 15.04.1982)], содержащее неподвижное храповое колесо и поворотные стопорные элементы в виде центробежных масс (грузов) с осями поворота, тангенциально направленными относительно оси вращения вала насоса. Указанное техническое решение реализовано в известных насосных агрегатах ГЦН-317 [Ф.М.Митенков и др. Главные циркуляционные насосы АЭС. 2-е изд., перераб. и доп. Москва, Энергоатомиздат, 1990, с.190...192; Пак П.Н. Насосы АЭС. Справочное пособие. Москва, Энергоатомиздат, 1989, С.51...58] и ГЦН-1309 [Пак П.Н. Насосы АЭС. Справочное пособие. Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.59...62] для АЭС с реакторными установками типа ВВЭР-440, а также ГЦН-195М [Ф.М.Митенков и др. Главные циркуляционные насосы АЭС. 2-е изд., перераб. и доп. Москва, Энергоатомиздат, 1990, с. 186... 188; Пак П.Н. Насосы АЭС. Справочное пособие. Москва, Энергоатомиздат, 1989, С.41...48] для АЭС с реакторными установками типа ВВЭР-1000 с использованием элементов электромагнитного разгрузочного устройства. Последнее предназначено для частичной компенсации осевой силы, действующей на вал насоса и направленной вверх, путем создания на валу дополнительного усилия, направленного вниз. Разгрузочное устройство перечисленных насосных агрегатов типа ГЦН размещено ниже муфты между валом насоса и ротором электродвигателя и включает неподвижный кольцевой электромагнит и разгрузочный диск, жестко связанный с валом насоса.

В насосном агрегате ГЦН-195М антиреверсный механизм включает стопорные элементы (упоры), которые свободно подвешены на горизонтальных осях, закрепленных на внешней части разгрузочного диска, и храповое зубчатое кольцо, которое размещено на внешней части корпуса электромагнита, жестко связанного с корпусом осевого подшипника насоса [Пак П.Н. Насосы АЭС. Справочное пособие. Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.43, 45, рис.3.6]. Этот насосный агрегат имеет следующие недостатки:

- при вращающемся вале насоса выступающие стопорные элементы своим движением вокруг вала насоса увеличивают, во-первых, возможность утечки рабочих жидкостей из систем смазки соответствующих подшипников насосного агрегата, образуя (за счет вентиляционного эффекта) местные зоны разрежения атмосферы, и, во-вторых, возможность травмирования обслуживающего персонала при попадании в зону движения стопорных элементов;

- при противодействии обратному вращению вала насоса храповое кольцо создает на стопорном элементе крутящий момент, соответствующий тяжелым условиям работы его оси и элементов ее крепления;

- храповое кольцо, размещенное на внешней части корпуса электромагнита, закрывает доступ к зазору между электромагнитом и разгрузочным диском, контроль которого необходим при сборке и эксплуатации насоса.

При осуществлении предлагаемого изобретения могут быть получены, в частности, следующие взаимосвязанные технические результаты: во-первых, уменьшение вентиляционного эффекта и тем самым возможности утечки рабочих жидкостей из систем охлаждения подшипников насосного агрегата, что увеличивает надежность их работы; во-вторых, уменьшение (а также независимость от частоты вращения насоса) размеров зоны движения элементов ротора насосного агрегата, доступной, вообще говоря, для обслуживающего персонала (и, как следствие, требующей защиты и ограждения), что уменьшает опасность травмирования; в-третьих, уменьшение крутящих и изгибающих усилий на стопорном элементе, его оси и элементах ее крепления; в-четвертых, упрощение контроля зазора между электромагнитом и диском разгрузочного устройства.

Как решение задачи защиты от обратного вращения, позволяющее достигнуть эффекта с указанными характеристиками, предлагается насосный агрегат, который содержит лопастной насос с вертикальным валом, электромагнитное разгрузочное устройство с неподвижным кольцевым электромагнитом, а также антиреверсный механизм, включающий неподвижное храповое кольцо и стопорные элементы, которые размещены с возможностью поворота на осях, соединенных с валом насоса, и отличается тем, что электромагнит разгрузочного устройства охватывает храповое зубчатое кольцо внутреннего зацепления, оси вращения всех стопорных элементов параллельны оси вращения вала насоса, а каждый стопорный элемент упруго связан с валом насоса с возможностью взаимодействия зубьев храпового кольца с той частью стопорного элемента, направление которой относительно его оси вращения противоположно смещению центра масс элемента от этой же оси, при неподвижном вале насоса и с возможностью превышения по абсолютной величине моментом центробежной силы инерции стопорного элемента (относительно его оси вращения) противоположно направленного момента силы упругой связи (относительно этой же оси) при вращающемся по крайней мере на номинальной частоте вале насоса. Упругая связь стопорного элемента и вала насоса может включать в качестве упругого элемента (в частных случаях выполнения) пружину сжатия или растяжения, воздействующую на соответствующую часть стопорного элемента.

Для уменьшения ударных усилий при противодействии обратному вращению (дополнительный технический результат) в случае размещения равномерно по окружности нескольких одинаковых стопорных элементов следует выполнять храповое кольцо с таким числом зубьев, чтобы при его делении на число стопорных элементов остаток был отличен от нуля.

Предлагаемое устройство отличается от известного насосного агрегата ГЦН-195М тем, в частности, что, во-первых, введено храповое зубчатое кольцо внутреннего зацепления, охваченное электромагнитом разгрузочного устройства; во-вторых, оси вращения стопорных элементов параллельны оси вращения вала насоса; в-третьих, введена упругая связь каждого стопорного элемента с валом насоса так, что при вращающемся вале момент центробежной силы инерции стопорного элемента (относительно его оси вращения) направлен противоположно моменту силы упругой связи.

Реализация существенных признаков предлагаемого изобретения обеспечивает достижение указанных нами технических результатов. Так, введение храпового кольца внутреннего зацепления, а также упругой связи вала насоса и стопорных элементов исключает возможность (при движении последних) возникновения вентиляционного эффекта и травмирования ими обслуживающего персонала. Кроме того, отсутствуют препятствия для контроля зазора между диском и электромагнитом разгрузочного устройства. Вследствие параллельности оси вращения вала насоса и осей вращения стопорных элементов при противодействии обратному вращению вала насоса воздействие храпового кольца на стопорный элемент происходит перпендикулярно оси последнего, что уменьшает величину крутящих и изгибающих усилий, прилагаемых к стопорному элементу, его оси и элементам ее крепления. Ударные усилия, возникающие при противодействии обратному вращению, зависят от угла поворота вала насоса в обратном направлении до его остановки. Если число зубьев храпового кольца кратно числу стопорных элементов, то наибольшая величина этого угла равна центральному углу, соответствующему шагу зубьев, в противном случае (когда остаток от деления этих чисел отличен от нуля) - указанному центральному углу, деленному на число стопорных элементов.

Предлагаемое устройство (в частных случаях) поясняется чертежами:

Фиг.1 - насосный агрегат (общий вид).

Фиг.2 - антиреверсный механизм (элемент А).

Фиг.3 - антиреверсный механизм с упругой связью в виде пружины сжатия (горизонтальный разрез по Б-Б).

Фиг.4 - антиреверсный механизм с упругой связью в виде пружины растяжения (горизонтальный разрез по Б-Б).

Насосный агрегат включает лопастной насос 1 и приводной двигатель 2 (на чертежах изображен условно). В состав электромагнитного разгрузочного устройства входят разгрузочный диск 3, закрепленный в верхней части вала 4 насоса 1, и неподвижный кольцевой электромагнит 5, установленный под диском 3.

Антиреверсный механизм содержит неподвижное храповое зубчатое кольцо 6 внутреннего зацепления, размещенное на внутренней поверхности корпуса электромагнита 5 (то есть охваченное последним), и два стопорных элемента 7, размещенных с возможностью поворота на вертикальных осях 8. Боковые стороны зубьев храпового кольца выполнены так, что угол, образуемый касательной к окружности впадин зубьев и контуром рабочей (направленной в сторону обратного вращения вала насоса) стороны 9, больше, чем аналогичный угол для нерабочей (направленной в сторону нормального вращения вала насоса) стороны 10. Оси 8 размещены симметрично относительно оси вращения 11 вала 4 (то есть равномерно, через 180°, по окружности) и соединены с разгрузочным диском 3, а храповое кольцо 6 выполнено с нечетным числом зубьев (например, тридцатью девятью), так как остаток от деления такого числа на два (число стопорных элементов) всегда отличен от нуля (и равен единице, в частности 39=2×19+1). Каждый стопорный элемент 7 выполнен со смещением центра масс 12 от его оси вращения 13, параллельной оси вращения 11 вала 4. На разгрузочном диске 3 размещены пружины сжатия 14 (в первом частном случае выполнения упругой связи) или растяжения 15 (во втором частном случае), каждая из которых воздействует (например, посредством толкателя 16 или, во втором случае, тяги 17) на ту часть соответствующего стопорного элемента 7, направление которой относительно его оси вращения 13 противоположно смещению его центра масс 12 или, во втором случае, совпадает со смещением.

При неподвижном вале 4 стопорные элементы 7 прижаты воздействием пружин 14 (или 15) к зубьям храпового кольца 6. При этом стопорный элемент работает как рычаг, у которого плечо, соответствующее воздействию храпового кольца 6, составляет тупой угол с направлением смещения центра масс 12 (то есть направление взаимодействующей с кольцом части стопорного элемента относительно оси вращения 13, по существу, противоположно смещению центра масс). После начала вращения приводным двигателем 2 вала 4 насоса 1 в нормальном направлении (против часовой стрелке, если смотреть со стороны насоса 1) каждый стопорный элемент 7, отжимаемый нерабочей стороной 10 зубьев, скользит вдоль храпового кольца 6, поворачиваясь на своей оси 8 и не препятствуя вращению вала 4. С увеличением частоты вращения вала 4 и приближением ее к номинальному значению момент центробежной силы инерции стопорного элемента 7 относительно его оси вращения 13, определяемый мгновенной частотой вращения, превысит (по абсолютной величине) противоположно направленный момент силы пружины 14 (или 15) относительно этой же оси, вследствие чего стопорный элемент 7, повернувшись (против часовой стрелки), прекратит взаимодействие с зубьями храпового кольца 6. При этом предельный угол поворота стопорного элемента 7 ограничен упором 18. При последующем уменьшении частоты вращения вала 4 и приближении ее к нулевому значению момент силы пружины 14 (или 15) превысит (по абсолютной величине) противоположно направленный момент центробежной силы инерции стопорного элемента 7, определяемый мгновенной частотой вращения, и стопорный элемент 7, повернувшись в обратном направлении (по часовой стрелке), опять войдет во взаимодействие с зубьями храпового кольца 6, не препятствуя (аналогично случаю увеличения частоты) вращению вала 4, пока сохраняется направление вращения. Но если после остановки двигателя 2 к валу 4 насоса 1 со стороны потока жидкости будет приложен крутящий момент, соответствующий обратному вращению, то (вообще говоря, после поворота вала 4 в обратном направлении на угол, наибольшая величина которого равна, как указано выше, половине центрального угла, соответствующего шагу зубьев) один из стопорных элементов 7 будет взаимодействовать и с рабочей боковой стороной 9 одного из зубьев храпового кольца 6. При этом к валу 4 через стопорный элемент 7 от храпового кольца 6 будет приложен крутящий момент, компенсирующий момент потока жидкости, и вал 4 остановится. Направление реакции зуба, воздействующей на стопорный элемент 7, перпендикулярно оси 8 последнего, вследствие чего усилия, приложенные к стопорному элементу, его оси и элементам ее крепления, будут минимальны.

Изобретение относится к лопастным насосам и может быть использовано на АЭС в главных циркуляционных насосных агрегатах первого контура теплоносителя ядерной энергетической установки. Насосный агрегат содержит лопастной насос с вертикальным валом, электромагнитное разгрузочное устройство с неподвижным кольцевым электромагнитом (КЭ), а также антиреверсный механизм, включающий неподвижное храповое кольцо и стопорные элементы (СЭ). В антиреверсном механизме зубчатое храповое кольцо внутреннего зацепления охвачено КЭ. Каждый СЭ размещен с возможностью поворота на оси, соединенной с валом насоса и параллельной оси вращения последнего, выполнен со смещением центра масс от оси, на которой размещен, и упруго связан с валом насоса. Изобретение направлено на уменьшение вентиляционного эффекта и возможности утечки рабочих жидкостей из систем охлаждения подшипников насосного агрегата; уменьшение усилий на СЭ, его оси и элементах ее крепления; увеличение безопасности обслуживающего персонала; упрощение контроля зазора между диском и КЭ. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Насосный агрегат, содержащий лопастной насос с вертикальным валом, электромагнитное разгрузочное устройство с неподвижным кольцевым электромагнитом, а также антиреверсный механизм, включающий стопорные элементы, каждый из которых размещен с возможностью поворота на оси, соединенной с валом насоса, и неподвижное храповое кольцо, отличающийся тем, что электромагнит разгрузочного устройства охватывает храповое зубчатое кольцо внутреннего зацепления, ось вращения, соответствующая повороту любого из стопорных элементов на той оси, на которой он размещен, параллельна оси вращения вала насоса, а каждый стопорный элемент выполнен со смещением центра масс от его оси вращения и упруго связан с валом насоса с возможностью взаимодействия зубьев храпового кольца с той частью стопорного элемента, направление которой относительно его оси вращения по существу противоположно смещению его центра масс от этой же оси, при неподвижном вале насоса и с возможностью превышения по абсолютной величине моментом центробежной силы инерции стопорного элемента (относительно его оси вращения) противоположно направленного момента силы упругой связи (относительно этой же оси) при вращающемся по крайней мере на номинальной частоте вале насоса.2. Насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что упругая связь выполнена в виде пружины сжатия, усилие которой воздействует на часть стопорного элемента, направление которой относительно его оси вращения по существу противоположно смещению его центра масс от этой оси.3. Насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что упругая связь выполнена в виде пружины растяжения, усилие которой воздействует на часть стопорного элемента, направление которой относительно его оси вращения по существу совпадает со смещением его центра масс от этой оси.4. Насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что одинаковые стопорные элементы размещены равномерно по окружности, а храповое кольцо выполнено с таким числом зубьев, что остаток от его деления на число стопорных элементов отличен от нуля.