автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Исследование условий возникновения и характеристик кавитации в главных циркуляционных насосах реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ

На правах рукописи

Боков Павел Андреевич

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИК КАВИТАЦИИ В ГЛАВНЫХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ НАСОСАХ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ, ОХЛАЖДАЕМЫХ ТЖМТ

Специальность 05.14.03 - "Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 / НОЯ 2014

Нижний Новгород - 2014

005555706

005555706

Работа выполнена на кафедре «Атомные, тепловые станции» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева.

Научный руководитель: Безносое Александр Викторович,

доктор технических наук, профессор,

Официальные оппоненты: Жарковский Александр Аркадьевич,

доктор технических наук,

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Заведующий кафедрой гидромашиностроения

Леонов Виктор Николаевич,

кандидат технических наук, Частное учреждение

Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» «Инновационно-технологический центр проекта «ПРОРЫВ» Начальник отдела главного конструктора

Ведущая организация: ОАО «Центральное конструкторское бюро машиностроения»,

г. Санкт Петербург

Защита состоится 10 декабря 2014г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.418.001.01 при АО ОКБ «Гидропресс» по адресу: Московская область, г. Подольск, ул. Орджоникидзе, д.21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АО ОКБ «Гидропресс». Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 142103, Московская область, г. Подольск, ул. Орджоникидзе, д.21, диссертационный совет' АО ОКБ «Гидропресс».

Автореферат разослан // 2014г.

Учёный секретарь диссертационного совета, к.т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процессы кавитации в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в главных циркуляционных насосах контуров инновационных установок с реакторами на быстрых нейтронах определяют ресурсную работоспособность ГЦН, что в свою очередь определяет безопасность и экономичность РУ. Кавитационные явления могут возникать в других элементах реакторного контура, влияя на их работоспособность. Физические свойства ТЖМТ существенно отличаются от свойств традиционных теплоносителей, кавитационные характеристики ТЖМТ до выполнения настоящей работы практически не были исследованы. Создаваемые в РФ, в настоящее время, проекты БРЕСТ-ОД-ЗОО и СВБР-100 проектные решения их ГЦН требуют обоснования. Отсутствие обоснованных кавитационных характеристик ТЖМТ усложняет и удлиняет сроки создания оптимальных технических решений ГЦН для РУ с этими теплоносителями. Имеющиеся расчетно-теоретические исследования процессов кавитации в свинцовом теплоносителе вследствие принимаемых допущений не могут быть использованы в инженерной практике.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является обоснование и определение характеристик неизвестного ранее явления - газовой кавитации в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя реакторных установок (свинца и эвтектики свинец-висмут) при возможных эксплуатационных состояниях теплоносителя и контура на основе комплексных экспериментальных и теоретических исследований кавитационных характеристик лопастных (центробежных и осевых) насосов включая анализ и обобщение полученных ранее данных по наличию газовой фазы в потоке и возникновению паровых пузырей тяжелого жидкометаллического теплоносителя.

Объект исследования - главные циркуляционные насосы реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- проведение анализа накопленного в исследуемой области информационного материала;

- расчетно-теоретический анализ специфических свойств ТЖМТ, влияющих на кавитационные процессы;

- разработка и создание экспериментальных стендов с ТЖМТ с температурой до 550"С и расходом до 2000т/час;

- экспериментальное определение характера и характеристик кавитации в потоке высоко-температурного ТЖМТ применительно к условиям контуров с реакторами на быстрых нейтронах;

- разработка и отработка методов измерения и компьютерной обработки информационных сигналов с датчиков температуры, термодинамической активности кислорода в ТЖМТ и др., расчета и представления исследуемых параметров в режиме реального времени;

- разработка, создание и испытание проточных частей двух центробежных и двух осевых насосов (конструкции НГТУ), в составе четырех различных стендов с высокотемпературным ТЖМТ;

- проведение экспериментальных исследований наличия газовой фазы в свинцовом теплоносителе.

Предмет исследования - процесс кавитации в насосах РУ, перекачивающих ТЖМТ.

Методы исследования

Методологической и теоретической основой диссертационного исследования послужили фундаментальные и прикладные исследования отечественных и зарубежных ученых, прежде всего работ с жидкометаллическими теплоносителями (эвтектика свинец-висмут, натрий, свинец), нормативные документы, материалы отечественных и зарубежных конференций, периодические издания

Научная новизна

Научная новизна заключается в открытии нового неизвестного ранее явления газовой кавитации в ТЖМТ, в разработке методических основ проведения кавитационных испытаний, в получении массива экспериментальных данных по определению кавитационных характеристик ТЖМТ. Впервые проведены комплексные иследования кавитационных процессов на модели проточной части ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО в контуре со свинцовым теплоносителем при расходах ок. 150 м3/ч, температура 440-550°С и термодинамически активного кислорода в свинце в диапазоне 10"5... 10°. Экспериментально было доказано отсутствие традиционной кавитации и наличие т.н. газовой кавитации в насосах, перекачивающих свинцовый теплоноситель в условиях контуров с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ.

Практическая значимость и внедрение результатов работы

Результаты работы явились обоснованием существенного (более чем на 2м) уменьшения проектной длинны вала ГЦН РУ СВБР-100. Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических данных работы использованы для обоснования проектных и эксплуатационных решений ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО. Ряд научных положений, выводов и заключений работы вошел в курс «Насосы и газодувные машины АЭС» в НГТУ, и учебное пособие «Оборудование энергетических контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями в атомной энергетике» - Нижний Новгород, 2012-536с.

Основные положения, выносимые на защиту

- Результаты анализа теоретических исследований свойств ТЖМТ, применительно к условиям ГЦН установок с реакторами на быстрых нейтронах, исключающие практическую невозможность возникновения традиционной паровой кавитации в потоке ТЖМТ.

- Методики проведения экспериментальных исследований процессов кавитации в установках (стендах) с натурными высокотемпературными (440-550"С) ТЖМТ при натурных скоростях, давлениях и других характеристиках при расходах теплоносителя от 20 до 1500т/час и скоростях до ок. 20 м/с.

- Разработанные экспериментальные установки (стенды) с натурным ТЖМТ для проведения исследований кавитационных процессов в ТЖМТ; установки для определения наличия содержания газа в ТЖМТ.

- Массив экспериментальных данных условий возникновения, характера и характеристик процессов кавитации, позволивших обосновать новое, неизвестное ранее явление газовой кавитации в ТЖМТ. Эти данные позволяют более обоснованно разрабатывать проектную и эксплуатационную документацию ГЦН инновационных установок с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ.

- Экспериментальные подтверждение нового, неизвестного ранее явления отсутствия традиционной паровой кавитации и наличие газовой кавитации в условиях РУ с ТЖМТ.

Обоснованность положений, сформулированных в диссертации

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием натурных ТЖМТ с натурными температурами, скоростями потока и другими характеристиками и использованием современных средств проведения экспериментов, использованием сертифицированного программного обеспечения при проведении экспериментов, соответствием полученных результатов общепринятым физическим представлениям, удовлетворительным совпадением результатов расчетных и экспериментальных данных установок различной конструкции, с различными методиками экспериментов, с центробежными и осевыми насосами.

Апробация результатов диссертации и публикации

Результаты работы докладывались на международных и отечественных конференциях и семинарах: «14-я Нижегородская сессия молодых ученых» (Нижний Новгород 2009г.); «9-я международная молодежная научно-техническая конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2009г.); «Реакторы на быстрых нейтронах» (Обнинск 2009г.); «7-я Курчатовская молодежно-научная школа» (Москва 2009г.); «18,h International Conference On Nuclear Engineering (ICONE18)» (Китай, Ксиан 2010г.); «8-я Курчатовская молодежно-научная школа» (Москва 2010г.); «10-я международная молодежная научно-техническая

конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2010г.); «15-я Нижегородская сессия молодых ученых» (Нижний Новгород 2010г.); «9-я Курчатовская молодежно-научная школа» (Москва 2011г.); «11-я международная молодежная научно-техническая конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2011г.); «16-я Нижегородская сессия молодых ученых» (Нижний Новгород 2011г.); «10-я Курчатовская молодежно-научная школа» (Москва 2012г.); «12-я международная молодежная научно-техническая конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2012г.); «Теплофизика-2012» (Обнинск 2012г.); «17-я Нижегородская сессия молодых ученых» (Нижний Новгород 2013г.); «11-я Курчатовская молодежно-научная школа» (Москва 2013г.); «13-я международная молодежная научно-техническая конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2013г.); «2Is1 International Conference On Nuclear Engineering (ICONE21)» (Китай, Ченгду 2013г.).

Результаты исследований, выполненных автором лично или при его непосредственном участии, опубликованы в статьях в журнале «Атомная энергия» (1), в журнале «Ядерная энергетика» (6), в журнале «Вопросы атомной науки и техники» (3), в журнале «Вестник машиностроения» (1). Получено 19 патентов, 8 из которых по теме диссертации. Всего опубликовано 37 печатных работ по теме диссертации.

Личный вклад автора

Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры «АТС» НГТУ им. P.E. Алексеева при непосредственном участии автора, автором лично или под его руководством. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования, монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования, а также в разработке программ-методик, проведении исследований, обработки и обсуждении результатов. Подготовка диссертационной работы осуществлялась под научным руководством доктора технических наук, профессора Безносова Александра Викторовича.

В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на кафедре «АТС» НГТУ им. P.E. Алексеева автором самостоятельно и в соавторстве с д.т.н., проф. Безносовым A.B., инж. Серовым В.Е., доц. Боковой Т.А., асп. Маховы К.А., асп. Львовом A.B., асп. Зудиным А.Д. (НГТУ).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключений, списка использованных источников из 57 наименований. Общий объем диссертации 177 страниц, 105 рисунков, 3 таблицы, 2 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, указаны положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая значимость выводов и рекомендаций представленных результатов диссертационных исследований.

Первая глава диссертации посвящена анализу свойств ТЖМТ, влияющих на кавитацию, опыт создания и работы ГЦН РУ со свинец-висмутовым теплоносителем. Проводится теоретический анализ на основе которого делается вывод о невозможности возникновения традиционной кавитации в ГЦН РУ с ТЖМТ.

Обобщен опыт создания и эксплуатации насосов главных циркуляционных насосов (ГЦН) реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическими теплоносителями. Показана невозможность возникновения традиционной паровой кавитации в среде высокотемпературных жидкометаллических теплоносителей.

Во второй главе изложено описание экспериментальных установок, созданных для достижения целей диссертации - выявление и исследование неизвестного ранее явления -газовой кавитации в ТЖМТ.

Для обоснования выдвинутого положения о невозможности возникновения традиционной паровой кавитации в ТЖМТ, в условиях РУ, были созданы экспериментальные стенды и проведены исследования по определению распространения ультразвука в среде ТЖМТ и наличия газовой фазы в потоке ТЖМТ.

Были созданы циркуляционные стенды (установки) для исследования условий возникновения и характеристик развития газовой кавитации. Было построено два стенда (установки) с центробежными насосами и два с осевыми насосами. Созданные экспериментальные стенды имели подачу от 0,2 до 150 м3/ч, испытания проводились при температурах 390°-550"С.

В третьей главе представлено экспериментальные и теоретические исследования наличия газовой фазы в ТЖМТ.

На начальном этапе исследований была создана установка для исследования наличия газовой фазы в статическом столбе свинца.

Полученные экспериментальные данные показывают, что разрыв свинца в статических условиях происходит при отрицательных усилиях и напряжениях в месте разрыва, что может свидетельствовать о практической невозможности возникновения традиционной паровой кавитации в проточной части насосов, перекачивающих свинцовый теплоноситель.

Испытания показали, что разрыв столба свинца происходит в районе раздела фаз твердого и жидкого свинца при температуре, близкой к температуре фазового перехода (326°С).

Процесс разрыва определяется кинетическими характеристиками поступления газа в район раздела фаз, о чём свидетельствует постепенное опускание расплава из трубки 014,0x2,0 мм в нижнюю ёмкость и форма границы твердой фазы свинца со следами газовых пузырей, полостей, каверн (рис. 1).

Рисунок 1 Внешний вид поверхности застывшего ТЖМТ в зоне отрыва

Для определения наличия газа в пристенном слое ТЖМТ были проведены исследования на установке с возможностью внесения в поток ультразвуковых волн. При каждом внесении волноводов в тяжелый жидкометаллический теплоноситель наблюдаются низкие значения амплитуд ультразвуковых импульсов, соответствующие показаниям датчика в воздухе (0,6-0,7 В), т.е. между "рабочими" поверхностями волноводов находится среда, вызывающая значительное затухание ультразвука - газовая (газопаровая) среда в объеме и пристенном слое ТЖМТ.

Совместные операции подачи водорода и увеличения давления в контуре приводит к увеличению амплитуды акустического сигнала, соответствующему изменению состояния газа в пристенной области при извлечении волноводов фиксировалось их смачивание свинцом, что недопустимо в реакторном контуре.

Для исследования наличия газовой (газопаровой) фазы в потоке свинца был использован метод «экспресс-замораживания». Экспериментально зафиксировано наличие пузырей газа в потоке ТЖМТ и несмачивание стенок - ТЖМТ, подтверждаемое как фотографиями «замороженного» потока ТЖМТ, так и «легким» отделением слитка свинца от

поверхности трубы, что однозначно говорит о наличии газовой фазы в пристенном слое потока ТЖМТ.

Пристенная область свинцового теплоносителя в рассматриваемых условиях представляет собой дисперсную систему, состоящую из частиц с абсорбированным газом размером до 1 мкм (высокодисперсную), не фиксируемых микроскопом и до ок.50 мкм (грубодисперсную). По признаку дисперсности, эту систему можно рассматривать как грубо-и высокодисперсную. Проведенные исследования подтвердили наличие газовых (парогазовых) смесей в системах с ТЖМТ.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований кавитационных характеристик в циркуляционном контуре стенда 2009-302ФТ-НК НГТУ с центробежным насосом, подтверждающие невозможность традиционной кавитации в условиях РУ с ТЖМТ.

Проведённые исследования условий возникновения и характеристик кавитации (разрыва объема) в потоке высокотемпературного свинца циркуляционного стенда показала, что такой локальный разрыв происходит в объёме свинца в рабочем колесе центробежного насоса стенда и сопровождается прекращением (срывом) подачи электронасоса. Характеристики возникающей в насосе процесса т.н. газовой кавитации определяются числом оборотов насоса и практически не зависят от температуры свинца в условиях испытаний (400-500 °С). Величина минимального абсолютного давления на входе в лопатки рабочего колеса составила 0,2-0,3 кгс/см2 (ата) при п=1500 об/мин и и= 12,6 м/с. При увеличении до 2400 об/мин и уменьшении до 1000 об/мин числа оборотов насосов стенда значение величины минимального давления на входе в лопатки насоса, при котором наступает газовая кавитация увеличивается.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований кавитационных характеристик в циркуляционном контуре стенда ФТ-3 с центробежным насосом, позволившие обоснованно, тремя независимыми методами определить характеристики кавитационных процессов в ТЖМТ.

Сущность первого метода кавитационных исследований заключалась в следующем (рис. 2)

Насосом 1 свинец с температурой 400 - 500 °С с варьируемым расходом 5-30 м3/ч откачивается из сообщенных между собой емкостей 2 и 3 в напорную емкость 5 при закрытом вентиле В1. Высотная отметка свободного уровня свинца при этом изменяется от +200 мм от оси колеса насоса (исходное положение после заполнения стенда) до ок. -1000 мм (в зависимости от числа оборотов насоса и давления ро над свободным уровнем свинца, после чего происходит прекращение подачи насоса, вероятно, вследствие газовой кавитации.

В любом случае, если насос не прекращает подачу ранее, то при достижении положения свободного уровня свинца в емкостях 2 и 3 нижнего обреза всасывающей трубы насоса, происходит срыв подачи насоса, вследствие поступления газа в насос. На рис. 2 показаны эпюры геометрической высоты всасывания Н' в процессе понижения уровня в емкостях 2 и

3, а также характер изменения скоростного напора

уменьшающегося с уменьшением

расхода свинца согласно напорно-расходнои характеристики насоса, здесь же показан характер изменения потерь во всасывающем трубопроводе (с входом) - кшл и потерь в проточной части насоса - й я и величина минимального статического уровня заглубления насоса - И„.

■ От зъектора Ьния абсолютного давления 1

!5ез постоянной Р У

Рисунок 2 Изменение давления в различных элементах всасывающего трубопровода центробежного насоса при испытаниях согласно I методу

Максимальная высота всасывания определяется в эксперименте по

электроконтактным сигнализаторам уровня свинца в емкостях, из которых он откачивается. Эта величина может ориентировочно использоваться при проектировании лопаточных насосов перекачивающих свинцовый теплоноситель.

Полученные опытным путем значения максимальной высоты всасывания и критического давления Ркр (аналогичному давлению насыщенных паров для воды) используются для обоснованного назначения заглубления насоса, а также числа оборотов лопастных насосов в совокупности со значениями требуемых напора и подачи свинцового теплоносителя, создаваемых насосом, как и с физическими характеристиками самого теплоносителя.

Второй метод кавитаиионных исследований

Сущность второго, независимо от первого метода определения условий возникновения и характеристик газовой кавитации (рис.2), метода исследовательских испытаний заключается в следующем. Устанавливалась циркуляция свинца по трассе: насос 1 - напорная емкость 5 - вентиль В1 - емкости 2 и 3 - насос 1. Подрегулировкой положения вентиля В1 устанавливался уровень в емкостях 1 и 2 так, чтобы абсолютное давление на входе в насос составляло ок. 1,0 ата. Далее производился сброс давления газа в системе газа до атмосферного и вакуумирование в системе газа вплоть до момента срыва подачи насоса вследствие уменьшения давлении в проточной части насоса и наступления газовой кавитации. Определялось изменение характеристик насоса в процессе уменьшения давления.

Далее сравнивались значения Ркр, полученные на первом этапе и на втором этапе испытаний - полученные в результате испытаний по разным методикам.

Третий метод кавитаиионных исследований

Сущность третьего метода исследований заключалась в следующем. Организовывалась циркуляция по трассе: насос 1 - трубопровод с вентилем В4 подвода свинцового теплоносителя к эжектору - эжектор - емкости 2 и 3 — насос 1.Увеличением расхода через эжектор достигалось резкое возрастание гидравлического сопротивления эжектора по свинцовому теплоносителю без эжекции защитного газа и с эжекцией газа потоком свинца в суженной части эжектора. Резкое возрастание гидравлического сопротивления эжектора должно свидетельствовать о наступлении газовой кавитации в суженной части эжектора. Фиксируются параметры стенда до и после наступления режима газовой кавитации. Измеренная величина абсолютного давления в потоке свинца в суженной части эжектора сравнивается со значениями /\.р, полученными в результате испытаний по первому и второму методам.

Зависимость максимачьной высоты всасывания от режимных параметров (первый метод)

Представленная на рис. 3 зависимость максимальной высоты всасывания от

числа оборотов электронасоса п показывает, что начиная с и=1000 об/мин и более значение tfsmax не зависит от числа оборотов и составляет величину 1115 мм заглубления от оси напорного патрубка насоса (оси рабочего колеса насоса) или 1085 мм заглубления от входного патрубка насоса. Расчетная величина заглубления нижнего обреза всасывающего патрубка насоса составляет около 1180 мм, однако, допуск на расположение высотных отметок в процессе как стыковки насоса с приемной емкостью, так и монтажа стенда мог составлять величину +95 мм.

1000

1100.070-* 1200; 970

900

800

700

| 600 X 500

400

i

300

200

100

О

800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300

П, об/мин

Рисунок 3 Зависимость максимальной высоты всасывания Я5ма* от числа оборотов насоса при различных давлениях в газовой системе без избыточного давления газа в системе

Рг=0,0кгс/см 2(ата)

Анализ результатов при варьируемой величине числа оборотов насоса и давлении в системе газа 1,0*™° ата (1000 - 1500 мм.ст.свинца) при I = 450 - 500 °С показывает, что прекращение подачи насоса могло происходить как вследствие наступления газовой кавитации в рабочем колесе насоса, так и при опускании свободного уровня свинца до нижнего обреза всасывающего патрубка насоса, поступления в него газа и разрыва струи. Поскольку, как показал эксперимент, прекращение подачи происходило при одной и то же высоте всасывания, независимо от числа оборотов насоса, то более вероятно первое предположение. В любом случае высота HsmM превышала 1050 мм при плотности свинца при температуре испытаний 10,5-103 кг/м3. Если это справедливо, то в потоке свинца в рабочем колесе насоса существовали отрицательные (разрывные) напряжение Рщ.

Анализ графиков зависимости высоты всасывания Hs от подачи G (рис. 4) показывает, что прекращение подачи (G=0) теплоносителя происходит при одинаковой высоте всасывания при числах оборотов л=1000, 1100 и 1200 об/мин. Прекращение подачи при л=900 об/мин происходит при высоте всасывания между 610 и 970 мм. Эти данные относятся к экспериментам с давлением газа в газовой системе 1,5 кг/см2 (ата), что соответствует высоте столба свинца ок. 1575 мм. При таком давлении газа результаты соответствующих замеров максимальной и других значений высоты всасывания при соответствующих числах оборотов при наличии в газовой системе аргона и водорода оказались одинаковыми (в пределах погрешности измерений).

-1000 об/мин -1100 об/мин -1200 об/мин

G, м3/час

Рисунок 4 Зависимости высоты всасывания Hs от подачи G при различных числах оборотов электронасоса без избыточного давления

При давлении газа (аргона) а системе защитного газа ок. 1,1 кг/см2 (ата), что соответствует 1155 мм столба свинца, срыв насоса при я=1000, 1100 и 1200 об/мин происходит при #s= 1115 мм.

Зависимость характеристик газовой кавитации и условий ее возникновения от давления в системе газа (при избыточном давлении и при вакуумировании)

Зависимости максимального напора насоса, при котором прекращалась его подача, от числа его оборотов (рис. 5) при варьируемом давлении в системе газа, видно, что при возрастании давления в системе газа характер зависимости Hmax=J(n) изменяется. С увеличением давления газа над свободным уровнем свинца в стенде при одних и тех же оборотах насоса создаваемый напор несколько увеличивается, так же как и несколько увеличивается объемная подача насоса (рис. 4). Этот результат может быть объяснен тем, что при увеличении давления газа в системе, увеличивается плотность среды, перекачиваемой насосом. Это, в свою очередь, может быть объяснено возникновением во всасывающем патрубке и в проточной части насоса двухкомпонентного потока: свинец-газ, т.е. заметным увеличением объема микроскопических газовых пузырьков при избыточном давлении в системе газа ниже 0,3 кгс/см2.

На рисунке 6 приведен характерный график изменения мощности электродвигателя в момент пуска, откачки свинца из сливной емкости в напорную (рабочий режим) и прекращение подачи электронасоса при подаче свинца в напорную емкость через верхний вентиль при варьируемом давлении в системе газа над уровнями свинца в насосе, в напорной камере и сливной емкостях. Кратковременность рабочего режима определяется объемом свинца в сливной емкости и подачей насоса. В режиме подачи свинца через верхний вентиль интенсифицируется процесс захвата газа падающим на свободный уровень потоком

теплоносителя в напорной емкости и насыщением газовой фазой свинца, перекачиваемого насосом.

2900

800 900 1000 1100 1200 1300

Число оборотов, об/мин

Рисунок 5 Зависимость максимального напора от числа оборотов электронасоса без избыточного давления в системе газа

Видно, что характер изменения мощности электродвигателя насоса в процессе прекращения его подачи зависит от давления в системе защитного газа (рис. 6). При повышении избыточного давления более 0,3 кгс/см2 фиксируется более плавное изменение мощности насоса с всплесками (пульсациями) мощности. Этот факт может быть объяснен пульсациями плотности среды, перекачиваемой насосом, т.е. формированием в соответствующих каналах двухкомпонентного потока: свинцовый теплоноситель - газ. Откачка

-1000 об/мин -1000 об/мин -1200 об/мин

Рисунок 6 Изменение нагрузки электродвигателя насоса во времени при испытаниях по первому методу без избыточного давления;

Анализ распределения давления в сопловом устройстве при варьируемых расходах (рис. 7) показывает, что при расходе 0,43 м3/ч перепад давления на сопле составляет 0,54 кгс/см". При расходе свинца 0,55 м3/ч и 0,5 м3/ч составляет 1,01 и 1,4 кгс/см2 (разница в последних результатах может быть объяснена как погрешностью измерений, так и различием в противодавлении на выходе из сопла). Такое резкое увеличение гидравлического сопротивления сопла может быть объяснено началом развития газовой кавитации в проточной части соплового устройства.

Рисунок 7 График зависимости среднего давления в потоке свинцового теплоносителя по длине сопла при Сз = 0,43 м3/с, = 0,55 м3/с, С; = 0,5 м3/с

В результате исследований характеристик кавитации в свинцовом теплоносителе независимыми методами получены следующие основные результаты:

■ Максимальная высота всасывания свинцового теплоносителя при Т = 470 - 500 °С, при наличии частиц оксидов свинца, при аргоне, водороде и их смесях в системе газа, составляет около 1115 мм - заглубления от оси напорного патрубка насоса или 1085 мм -заглубления от входного патрубка насоса.

■ При испытаниях по первому методу прекращение подачи насоса могло происходить как вследствие наступления газовой кавитации, так и опускания свободного уровня свинца до нижнего обреза всасывающего патрубка насоса или комбинации этих факторов. В любом случае максимальная высота всасывания превышала 1050 мм при плотности свинца при температуре испытаний 10,5-103 кг/м3.

■ Критическое давление при испытаниях по первому методу близко к величине 0,0 кгс/см2 (ата), при этом возможно наличие в проточной части насоса локальных

растягивающих, разрывных напряжений в потоке свинца и образование газовых пузырей -развитие газовой кавитации. Насос не переходит в режим срыва и работы колеса в газопаровой смеси, он работает в среде двухкомпонентного потока свинец - газ, но с меньшими напором и подачей.

■ При испытаниях по второму методу наступление газовой кавитации фиксируется при давлении в потоке свинца 0,5 - 0,3 кгс/см2 (ата), а развитой газовой кавитации при 0,2 кгс/см2 (ата). При наступлении развитой газовой кавитации фиксировались значения напора и подачи насоса, составляющие 70 - 80% от исходных, а мощность электродвигателя уменьшалась в ~ 2 раза.

■ При испытаниях по третьему методу точно определить условия наступления газовой кавитации не удалось. Имеются основания полагать, что при условиях экспериментов газовая кавитация в суженной части соплового устройства начиналась при среднем давлении в потоке 0,3 - 0,4 кгс/см2 (ата) и скорости потока около 5 м/с и более.

■ Полученные тремя независимыми методами характеристики газовой кавитации удовлетворительно коррелируют между собой учитывая дополнительные факторы, влияющие на контролируемые процессы.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований кавитационных характеристик в циркуляционном контуре стенда ФТ-4А с осевым насосом, подтвердившем невозможность традиционной кавитации.

Осевое колесо электронасоса после испытаний имело следующее состояние (рис. 8):

- лопатки осевого колеса неравномерно покрыты защитными оксидными покрытиями черного цвета. Периферия лопаток смочена свинцом. (Лопатки осевого колеса выполнены из стали 3);

- зафиксировано замятие кромок лопаток. Возможной причиной замятия кромок является то, что толщина лопатки в данном сечении менее 1 мм и низкие прочностные характеристики стали 3 при температуре 550 °С;

- после испытаний в течении 80 часов при скорости свинцового теплоносителя от 12м/с при температуре 420-550°С;

- следы эрозионного износа на лопатках рабочего колеса и лопатках спрямляющего аппарата из стали 12Х18Н10Т отсутствуют при расчетной подаче ок. 80т/ч и напоре ок. 0,8 м.

замятие лопаток

а) б)

Рисунок 8 Осевое колесо после испытаний а) осевое колесо; б) лопатка осевого колеса с замятым краем

В седьмой главе приведены результаты исследований условий возникновения и характеристик в высокотемпературном свинцовом теплоносителе в проточной части осевого насоса, разработанного с участием автора. Конструкция осевого насоса НСО-01 позволяет производить испытания и отработку модели проточной части ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО. С участием автора была разработана и смоделирована установка (стенд ФТ-4) на котором проводились кавитационные исследования проточной части ЦКБМ и НГТУ с непосредственным участием автора.

Исследования проводились со скоростями вращения вала насоса п=600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800 об/мин, давлением газа Рг=1,1; 0,8; 0,6; 0,4; 0,2; 0,0 кгс/см2 (ата), температурой теплоносителя Т=450-480°С и 550иС кратковременно и термодинамической активностью кислорода 10"'-10"4 и 10и на второй половине кавитационных испытаний. Испытания кавитационных характеристик (1 этап) проводились в течении около 300 часов, число операций пуск-остановка электронасоса - 174. Ресурсные кавитационные испытания (Иэтап) проводились при давлении в газовой системе ок 0,0 кгс/см2(ата) в течении 68 часов.

Исследования кавитационных характеристик лопастной системы №1 модели ЦКБМ (Рис. 9) показывали, что крутящий момент на валу при скорости вращения вала п=600, 800, 1000 об/мин практически не зависит от давления в газовой системе и от давления на входе в насос. При дальнейшем увеличении скорости вращения вала насоса от п=1200 об/мин до п=1800 об/мин (У=12м/с) фиксируется уменьшение крутящего момента начиная с давления в газовой системе 1,1 кгс/см2 (ата) и давления на входе в насос около 1,5 кгс/см2(ата).

—П=600 Об/мин -»-п=800 об/мин -*-п-1000 об/мин

-л-1200

об/мин —п=1400 об/мин —п-1600 об/мин

-п=3800

об/мин

Ргаза кгс/см2 (ата)

Рисунок 9 Зависимость крутящего момента на валу насоса от давления в газовой системе Мкр=Г(Рг) при п=уаг, ТРЬ=450°^801)С.

На рисунке 10 представлены фотографии проточной части №1 ЦКБМ после проведения ресурсных испытаний в режиме кавитации (Рг=0,0 кгс/см2(ата), п=1800 об/мин, С=105м3/ч, т=68ч).

а) б)

Рисунок 10 Фото рабочего колеса проточной части №3 (ЦКБМ) после проведения кавитационных испытаний

Исследование конструкции лопастной системы №1 конструкции ЦКБМ показали следующее:

• Подтверждено отсутствие традиционной паровой кавитации и наличие газовой кавитации в условиях работы РУ со свинцовым теплоносителем.

• Подтверждено отсутствие кавитационной эрозии после проведения кавитационных испытаний на поверхностях проточной части модели ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО, в том числе после 68 часов работы насоса в режиме развитой газовой кавитации.

• Зафиксированы изменения характеристик насоса в процессе возникновения газовой кавитации (п=1000-1200 об/мин) и ее развитие (п=1200 и более).

• Зависимость напора от его подачи при фиксированном значении давления газа показывает, что при всех значениях давления газа с увеличением подачи и напора насоса их величина монотонно увеличивается до определенного значения, при котором фиксируется «излом» кривой. Каждому давлению газа соответствует своя точка «излома» кривой. Этой точке соответствует переход к развитой кавитации.

• Исследование кавитационных характеристик с моделями ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО конструкции НГТУ на стенде ФТ-4 показали аналогичные результаты.

В восьмой главе Обобщенные выводы проведенных испытаний, а также представлены условия возникновения, характеристики и эрозионные воздействия процесса газовой кавитации в потоке ТЖМТ.

В результате проведенных исследований было открыто новое, неизвестное ранее явление: отсутствие традиционной паровой кавитации и наличие газовой кавитации в свинцовом и свинец-висмутовом теплоносителях в условиях ГЦН контуров с реакторами на быстрых нейтронах.

Наступление газовой кавитации экспериментально определенное независимыми методами фиксируется при разряжении в потоке центробежных насосов, соответствующему давлению около 0,5-0,4 кгс/см2(ата) при температуре 420-550°С и переносной скорости 12 м/с при п=1200 об/мин. Развитая газовая кавитация наступает при давлении в потоке около 0,2 кгс/см2(ата) при тех же условиях. В результате аналитических, расчетно-теоретических и экспериментальных исследований показано, что условия возникновения кавитации в потоке высокотемпературных ТЖМТ зависят также от содержания газовой (газопаровой фазы и дисперсных частиц примесей) в объеме и пристенных слоях теплоносителя.

Максимальная высота всасывания ТЖМТ при наличие частиц примесей (оксидов свинца и др.) в потоке при аргоне, водороде и их смесях в системе газа определенные экспериментально составляет около 1080мм от входного патрубка центробежного насоса при Т=480-500°С.

В центробежном насосе, перекачивающем расплав свинца при Т=480-500°С при развитой газовой кавитации насоса (при переносной скорости ок.12 м/с) прекращение расхода ТЖМТ (срыва) не происходило, значения напора и расхода снижаются до 70-80% от исходных, а мощность электродвигателя монотонно уменьшается в два раза.

В осевом насосе, перекачивающем свинцовый теплоноситель при Т=450-480°С, зафиксировано изменение характеристик насоса, вызываемое возникновением и развитием газовой кавитации, соответствующей давлению в районе входа в насос 0,6-0,8 кгс/см2(ата) при переносной скорости в насосе 10-11м/с и более. При этом подача и напор насоса уменьшались при дальнейшем уменьшении давления на входе в насос.

Некоторые различия в характеристиках возникновения газовой кавитации в центробежном (0,4-0,5 кгс/см2(ата)) и в осевом насосе (0,6-0,8 кгс/см2(ата)) может быть объяснено различием полей скоростей в проточной части этих насосов и, соответственно, условий достижения Рто и формирование двухкомпонентного потока: ТЖМТ-газ (парогазовая смесь).

Традиционно принимается, что важнейшей характеристикой кавитации является эрозионный кавитационный износ поверхностей каналов.

Кавитационные испытания двух различных центробежных насосов и двух осевых насосов показали следы эрозионного износа после продолжительной работы (100-200 часов и более) в среде высокотемпературного (до 550°С) ТЖМТ в режиме кавитации, без заметного разрушения конструкций проточной части.

Наряду с этим неоднократно фиксировался эрозионный износ элементов конструкций, находящихся в потоке ТЖМТ при определенных условиях вследствии специфики силового взаимодействия потока ТЖМТ с несмачиваемыми им стенками каналов. При уменьшении давления в потоке в области контакта ТЖМТ со стенкой вследствии ее несмачивания происходит отход потока от стенки под действием сил поверхностного натяжения ТЖМТ, в поле гравитации или других массовых сил. При увеличении давления в потоке он возвращается к стенке. При значительных нормальных составляющих скорости потока, происходят удары турбулентных струй (более низкочастотные, чем при схлопывании паровых пузырей при традиционной кавитации). Ряд исследователей называет эрозионный износ вследствии этого кавитационным износом. Однако причины и методы борьбы с этими негативными явлениями могут быть различны.

Примером может служить разрушение рабочего колеса (ПЧ №3 НГТУ) на стенде ФТ-4 НГТУ. В результате аварийного разрушения узла крепления приемного патрубка с внешним каналом (обечайкой) рабочего колеса произошло заклинивание рабочего колеса в этой обечайке с отклонением ее оси от оси вращения насоса на 3-5°. В течении ок. 30 часов рабочее колесо с обечайкой совместно вращались с деформированным потоком ТЖМТ в рабочем колесе - несоосным с осью вращения насоса. В результате участок рабочего колеса с «внешней» стороны относительно оси вращения насоса был разрушен (рис 11), тогда как участок с «внутренней» стороны не подвергся разрушению.

Рисунок 11 Фото участка рабочего колеса ПЧ №3 НГТУ после проведения испытаний

Причиной этого разрушения явился «отход» потока и его возврат к стенке в районе интенсивного износа, подобного процессу кавитации, но имеющему другой механизм. Характеристики металла в районе разрушения представлены на рисунке 12.

При анализе микроструктуры установлено, что образование эрозионных язв на поверхности металла произошло вследствие многочисленных локальных низкочастотных механических воздействий по схеме нагружения «сжатие-растяжение», что подтверждается образованием деформационных полос в зёрнах металла, непосредственно примыкающих к внутренней поверхности язв (Рис. 12).

Рисунок 12 Микроструктура внутренней поверхности эрозионных язв. Увеличение х800.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1) Анализ и теоретические исследования свойств ТЖМТ применительно к условиям ГЦН установок с реакторами на быстрых нейтронах показали практическую невозможность возникновения традиционной паровой кавитации в ТЖМТ.

2) Разработаны и созданы экспериментальные установки (стенды) для определения наличия газа в свинцовом и свинец-висмутовом теплоносителе и для проведения исследований кавитации в ТЖМТ (два стенда с центробежными и два стенда с осевыми насосами) при температурах 420-550°С, с расходом ТЖМТ от 20 до 1500т/час.

3) Экспериментально подтверждено новое, неизвестное ранее явление отсутствия традиционной паровой кавитации в условиях РУ с ТЖМТ.

4) Определены экспериментально, независимыми методами условия возникновения газовой кавитации в потоке свинцового теплоносителя (Р=0,4-0,5 кгс/см2(ата) при Т=440-480°С и окружной скорости рабочих колес осевого и центробежного насосов 10-12 м/с).

5) Определены экспериментально кавитационные характеристики газовой кавитации в ТЖМТ. В процессе кавитации в ТЖМТ, в отличие от традиционной кавитации, «срыв» насоса не происходит. Его подача и напор монотонно уменьшаются с соответствующем уменьшением мощности электропривода насоса.

6) Показано, что имевшие место случаи эрозионного разрушения конструкционных материалов в потоке ТЖМТ могут возникать в результате «отхода» и последующего возврата с большей скоростью локального участка потока ТЖМТ к поверхности стенки, несмачиваемой теплоносителем. Оптимальным методом предотвращения этого является исключение условий для «отхода» потока от стенок за счет оптимальной геометрии канала и режимных параметров.

7) Результаты работы используются при разработке проектной и эксплуатационной документации ГЦН РУ СВБР-100 и БРЕСТ-ОД-ЗОО. (Согласно техническому решению совещания в АКМЕ-инжиниринг длинна вала ГЦН РУ СВБР 100 уменьшена на 2,5м).

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1) Экспериментальное исследование условий возникновения и характеристики газовой кавитации в потоке свинцового теплоносителя инновационных ядерных реакторов на быстрых нейтронах / П.А. Боков [и др.] // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика.2012.№2 с.85-94

2) Специфика циркуляционных насосов реакторных контуров со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями / П.А. Боков [и др.] // Журнал Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2009. № 4. С. 155-160.

3) Peculiarities of hydrodynamics of lead and lead-bismuth coolant flows of reactor loops / П.А. Боков [и др.] // ICONE18 докл. Конф. Китай- Ксиан 2010

4) Особенности создания проточных частей главных циркуляционных насосов РУ с ТЖМТ / П.А. Боков [и др.] // Всероссийская научная школа для молодежи «Реакторы на быстрых нейтронах»: докл. Конф. ГНЦ РФ ФЭИ - Обнинск 2009.

5) Исследование приграничного течения ТЖМТ в не смачиваемых каналах / П.А. Боков [и др.] // 7-я Курчатовская молодежная научная школа: докл. Конф Москва 2009г.

6) Особенности гидродинамики свинцового и свинцово-висмутового теплоносителей / П.А. Боков [и др.] // Журнал «Атомная энергия», № 2, Том 109, Август 2010, С. 72-77

7) Экспериментальные исследования особенностей гидродинамики свинцового и свинцово-висмутового теплоносителей / A.B. Безносое, П.А. Боков, Т.А. Бокова [и др.] // Атомная энергия. - М., 2010. - Т. 108, вып.З. - С. 230-232.

8) Peculiarities of friction and depreciation of contact surfaces in high-temperature lead and lead-bismuth coolants of reactor loops / П.А. Боков [и др.] // ICONE 18 докл. Конф. Китай -Ксиан 2010

9) Исследование специфики гидродинамики потоков ТЖМТ / П.А. Боков [и др.] // Всероссийская научная школа для молодежи «Реакторы на быстрых нейтронах» докл. Конф. ГНЦ РФ ФЭИ - Обнинск 2010

10) Особенности создания проточных частей главных циркуляционных насосов РУ с ТЖМТ / П.А. Боков [и др.] // Всероссийская научная школа для молодежи «Реакторы на быстрых нейтронах» докл. Конф. ГНЦ РФ ФЭИ-Обнинск 2009

11) Исследование гидродинамики течения свинцового и свинец-висмутового теплоносителей в несмачивающих щелевых каналах применительно в подшипникам насосов РУ / П.А. Боков [и др.] // Всероссийская научная школа для молодежи «Реакторы на быстрых нейтронах» докл. Конф. ГНЦ РФ ФЭИ - Обнинск 2009

12) Особенности работы подшипников скольжения в тяжелых жидкометаллических теплоносителях ядерных установок / П.А. Боков [и др.] // Журнал: «Вестник машиностроения» март 2009

13) Проблемы трибологии трущихся пар в высокотемпературных тяжелых жидкометаллических теплоносителях / П.А. Боков [и др.] // Журнал Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2010. № 2. С. 125-133.

14) Особенности работы подшипников скольжения в тяжелых жидкометаллических теплоносителях ядерных энергетических установок / П.А. Боков [и др.] // Вестник машиностроения. 2009. № 03. С. 37-41.

15) Программа-методика кавитационных исследовательских испытаний моделей проточной части ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО на установке испытаний моделей проточной части ГЦН (стенд ФТ-4 НГТУ) на свинцовом теплоносителе. / Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева; рук. A.B. Безносов. - Н.Новгород, 2013. -Исполн.: Боков П.А.

16) Реакторная установка / П.А. Боков [и др.] // патент на изобретение 2473984 12.05.2011.

17) Реакторная установка / П.А. Боков [и др.] // патент на полезную модель RUS 2011119022 20.11.2012.

Подписано в печать 23.10.14. Формат 60 х 84'/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ 700.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.