автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.11, диссертация на тему:Обоснование проектных решений гидростатических подшипников главных циркуляционных насосов реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями

На правах рукописи

005060765

Аитоненков Максим Александрович

ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ ГЛАВНЫХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ НАСОСОВ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ, ОХЛАЖДАЕМЫХ СВИНЦОВЫМ И СВИНЕЦ-ВИСМУТОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ

Специальность 05.04.11 - Атомное реакторостроение, машины, агрегаты и технологии материалов атомной промышленности

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2013

3 О МАЙ Ш

005060765

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Безносов Александр Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Гриб Владимир Васильевич, МАДИ;

кандидат технических наук Дедуль Александр Владиславович, ОАО ОКБ «Гидропресс»

Ведущая организация: ОАО «Центральное конструкторское

бюро машиностроения», г. Санкт - Петербург

Защита состоится 19 июня 2013 года в 09 часов на заседании диссертационного совета Д.418.001.01 при ОАО ОКБ «Гидропресс» по адресу: Московская обл., г. Подольск, ул. Орджоникидзе, д. 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ОКБ «Гидропресс».

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 142103, Московская обл., г.Подольск, ул. Орджоникидзе, д. 21, диссертационный совет ОАО ОКБ «Гидропресс»

Автореферат разослан «_»_2013г.

Учёный секретарь диссертационного совета, к.т.н

Чуркин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 - 2010 годы и на перспективу до 2015 года», утвержденная постановлением правительства Российской Федерации от 6 октября 2006 г., наряду со строительством энергоблоков атомных электростанций на базе ВВЭР, предусматривает инновационные проекты в области атомной энергетики с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями. В них входят: создание головного опытно-промышленного энергоблока с реакторной установкой типа СВБР-100 со свинец-висмутовым теплоносителем, а также обоснование реакторной установки типа БРЕСТ со свинцовым теплоносителем.

Насосное оборудование составляет важную и существенную долю в составе контуров энергетических установок. Наша страна имеет уникальный опыт создания и эксплуатации главных циркуляционных насосов (ГЦН) атомных подводных лодок (АПЛ) с реакторами, охлаждаемыми свинец-висмутовым теплоносителем проектов 645, 705 и 705К. ГЦН реакторных установок (РУ) проектов 645 и 705К имели нижние гидростатические подшипники (ГСП), работа которых обеспечивалась, в том числе за счет работы вспомогательных насосов (насосов возврата протечек) реакторного контура. ГЦН атомных подводных лодок проекта 705 был выполнен с консольным расположением вала и нижнего подшипника скольжения не имел.

Реакторные установки, создаваемых в РФ энергоблоков со свинец-висмутовым и свинцовым теплоносителями, имеют баковые или моноблочные компоновки, в отличие от компоновок РУ транспортных установок петлевого типа. Гидравлическое сопротивление таких контуров существенно меньше, чем у контуров транспортных установок. В составе реакторных контуров СВБР и БРЕСТ предусматриваются погружные ГЦН осевого типа и отсутствуют вспомогательные насосы. Одним из проблемных узлов ГЦН этих установок являются нижние подшипники скольжения, работающие в перекачиваемой среде.

Это, в свою очередь, ставит задачу создания обоснованных конструкций гидростатических подшипников, работающих в среде высокотемпературных ТЖМТ при величинах напоров осевых насосов, учитывающих специфику тяжелых жидкометаллических теплоносителей с требованием большого ресурса и более жесткой моделью эксплуатации, чем подшипники транспортных установок. Опыт проектирования и эксплуатации таких подшипников в мире отсутствует.

Обоснование проектных решений гидростатических подшипников главных циркуляционных насосов реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями - актуальная тема для диссертационной работы.

Цель и задачи диссертациониой работы

Целью диссертационного исследования является уточнение методики расчета гидростатических подшипников ГЦН энергоблоков АЭС с учетом специфических свойств свинцового и свинец-висмутового теплоносителей и разработка рекомендаций по оптимальным конструкциям таких подшипников.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:

— предложить методологию исследования характеристик отдельных элементов гидростатических подшипников, и подшипников в целом с учетом специфики тяжелых жидкометаллических теплоносителей;

— выполнить анализ специфических свойств ТЖМТ и их влияния на процессы и характеристики, обуславливающие работоспособность ГСП;

— разработать экспериментальные стенды с водяным и тяжелыми высокотемпературными жидкометаллическими теплоносителями и методики для проведения на них сравнительных гидродинамических и триботехнических исследований элементов гидростатических подшипников и ГСП в целом;

— провести сравнительные экспериментальные и расчетно-теоретические исследования элементов ГСП и подшипников в целом на воде и на

высокотемпературном жидкометаллическом теплоносителе и выявить зависимость их характеристик от рабочей среды и параметров ГСП;

— на основе проведенных исследований разработать уточненную методику расчета гидростатических подшипников, работающих в среде высокотемпературных тяжелых жидкометаллических теплоносителей инновационных реакторов на быстрых нейтронах;

- разработать рекомендации, обоснованные проведенными исследованиям, по оптимальным конструкциям гидростатических подшипников для ГЦН реакторных контуров с ТЖМТ.

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

Предмет исследования — гидростатические подшипники ГЦН реакторов, охлаждаемых 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 новнзна

1) Предложен, разработан и реализован метод проведения сравнительных исследований элементов гидростатических подшипников и вариантов конструкций подшипников в целом, позволивший уточнить методику расчета ГСП и разработать обоснованные рекомендации для конструкций ГСП на ТЖМТ.

2) Получен массив экспериментальных данных гидравлических и трибологических характеристик отдельных элементов гидростатических подшипников: дросселей и последовательного сочетания дроссель плюс

кольцевой зазор и двух вариантов конструкций ГСП в среде высокотемпературного (450 550 °С) свинцового теплоносителя.

3) Определены условия, при которых экспериментально определенные гидравлические характеристики каналов гидростатических подшипников на воде и на свинцовом теплоносителе существенно различаются. Предложена причина расхождения этих характеристик.

4) Проведен анализ и предложена модель оптимизации антифрикционных характеристик гидростатических подшипников в среде высокотемпературных ТЖМТ при пусках и остановках.

5) Предложена и обоснована методика расчета ГСП с учетом специфики высокотемпературных жидкометаллических теплоносителей реакторов на быстрых нейтронах и разработаны рекомендации по оптимальным конструкциям таких подшипников.

Практическая значимость и внедрение результатов работы

1) Впервые в отечественной и мировой практике предложены и обоснованы конструкции и режимы эксплуатации гидростатических подшипников, работающих в среде высокотемпературных тяжелых жидкометаллических теплоносителей погружных главных циркуляционных насосов осевого типа инновационных реакторов на быстрых нейтронах.

2) Разработанная уточненная методика расчета гидростатических подшипников ГЦН в среде ТЖМТ рекомендована к внедрению в инженерную практику.

3) Рекомендации по оптимальным обоснованным конструктивным решениям ГСП, работающих в среде ТЖМТ для ГЦН, рекомендованы для внедрения в инженерную практику.

4) Результаты диссертационной работы в части опор валов ГЦН реакторных установок с ТЖМТ используются при чтении лекций дисциплины «Насосы и газодувные машины АЭС», а также курсового и дипломного проектов на кафедре «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия»

Шжегородского государственного технического университета им Р.Е.Алексеева.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Метод проведения сравнительных исследований элементов гидростатических подшипников и вариантов конструкций подшипников в целом, позволяющий уточнить методику расчета ГСП и обосновать оптимальные варианты конструкций ГСП для погружных осевых ГЦН реакторов на быстрых нейтронах.

2) Массив экспериментальных данных характеристик гидростатических подшипников- ГЦН реакторов на быстрых нейтронах в среде высокотемпературного жидкометаллического теплоносителя.

3) Результаты экспериментальных исследований определяющих условия, при которых характеристики ГСП на свинцовом теплоносителе существенно отличаются от аналогичных характеристик на воде, включая модель антифрикционных характеристик ГСП в среде высокотемпературных ТЖМТ при пусках и остановах.

4) Уточненная методика расчета гидростатических подшипников ГЦН реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями.

5) Рекомендации по конструктивным решениям гидростатических подшипников с учетом специфических характеристик высокотемпературных тяжелых жидкометаллических теплоносителей.

Обоснованность положений, сформулированных в диссертации

Обоснованность положений диссертации подтверждается тем, что выводы и рекомендации работы получены с использованием натурных жидкометаллических теплоносителей ГЦН при параметрах, соответствующих реакторным условиям. Результаты испытаний сравнены с результатами проведенных автором аналогичных испытаний на водяном теплоносителе и результатами других авторов на натриевом теплоносителе. Показана воспроизводимость результатов исследований в различных условиях.

Апробация результатов диссертации и публикации

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Научно-практическая конференция с участием иностранных специалистов «Трибология - машиностроению» (2008 г., ИМАШ, Москва)

- Третья межотраслевая научно-практическая конференция «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-2008)» (2008 г., ГНЦ РФ ФЭИ, Обнинск)

- Всероссийская научная школа для молодежи «Реакторы на быстрых нейтронах» (2009 г., ГНЦ РФ ФЭИ, Обнинск)

- Седьмая курчатовская молодежная научная школа (2009 г., РНЦ РФ КИ,

Москва)

- XVI международный семинар «Технологические проблемы прочности»

(2009 г., ОКБ ГП, Подольск)

- Всероссийская научная школа для молодежи «Теплофизика реакторов быстрых нейтронах» (2010 г., ГНЦ РФ ФЭИ, Обнинск)

- Международная конференция «Proceedings of 18th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-18)» (2010 г., Xi'an, China)

По теме диссертации опубликовано 7 статей в журналах из перечня ВАК: Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика, Атомная энергия, Вестник машиностроения. Получено 7 патентов. Всего опубликовано 45 печатных работ по теме диссертации.

Личный вклад автора

Лично автором в процессе выполнения диссертационной работы выполнено следующее:

- постановка задач исследований отдельных этапов и работы в целом;

- разработка экспериментальных стендов и установок и соучастие в их изготовлении;

- разработка программ и методик всех экспериментов, отраженных в диссертации;

— непосредственное участие в проведении всех экспериментов и обработка их результатов;

— формулирование выводов и рекомендаций по результатам проведенных исследований;

— разработка уточненной методики расчета и рекомендаций по конструктивным схемам гидростатических подшипников ГЦН реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ;

— подготовка основных публикаций по выполненной работе.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения) шести глав, заключения, списка использованных источников из 54 наименований. Общий объем диссертации 260 страниц, 145 рисунков, 19 таблиц.

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 влияния физических характеристик и свойств теплоносителей реакторных контуров на процессы, протекающие в гидростатическом подшипнике - одном из основных и ответственных элементов главных циркуляционных насосов этих контуров.

Обобщен и изложен опыт создания и эксплуатации гидростатических подшипников скольжения главных циркуляционных насосов реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическими теплоносителями. Показана невозможность создания и эксплуатации гидродинамических подшипников, работающих в среде высокотемпературных жидкометаллических теплоносителей. На основе анализа и обобщения информации об опыте создания и эксплуатации подшипников скольжения в среде жидкометаллических теплоносителей для реакторных контуров

сформулированы требования к оптимальным конструкциям подшипников и обоснованно сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Предложена, обоснована и разработана методология исследований, направленных на создание гидростатических подшипников и режимов их эксплуатации для ГЦН с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемых тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями (свинцовым и свинец-висмутовым). Этот метод включает в себя, в основном, следующее:

- сравнительное исследование характеристик и свойств теплоносителей, влияющих на методы расчета, проектирования и эксплуатацию ГСП;

- экспериментальное сравнительное исследование на воде и ТЖМТ гидравлических и триботехнических характеристик отдельных элементов (дросселей) и их возможных комбинаций (дроссель плюс кольцевой зазор с неподвижным и вращающимся валом);

- последующий обоснованный выбор оптимальных вариантов конструкций гидростатических подшипников, работающих в среде ТЖМТ;

- экспериментальные и сравнительные исследования характеристик и свойств обоснованных вариантов конструкций ГСП в целом на воде и ТЖМТ в широком диапазоне скоростей вращения вала ГЦН, включая пуски и остановы;

- на основании полученных данных разработка уточненной методики расчета гидростатических подшипников с учетом специфических свойств ТЖМТ;

- разработка рекомендаций по оптимальному проектированию и эксплуатации гидростатических подшипников ГЦН реакторных контуров с высокотемпературными тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями.

Во второй главе изложено сравнительное исследование гидравлических характеристик одного из основных элементов - дросселей гидростатических подшипников на воде, на высокотемпературном свинцовом теплоносителе и с результатами расчетов по традиционным методикам с целью определения условий различия этих характеристик применительно к ГСП.

Различия гидравлических характеристик потоков воды и высокотемпературного ТЖМТ в узких каналах ГСП могут обуславливаться тем, что в отличие от воды и натрия, тяжелые жидкометаллические теплоносители не смачивают стальные стенки каналов ГСП, имеющие сформированные защитные покрытия. При определенных условиях в ГСП осевых погружных насосов при снижении давления в потоке (вследствие увеличения скорости или уменьшения противодавления), прижимающего ТЖМТ к несмачиваемой стенке канала, возможен «отход» внешнего слоя жидкого металла с поверхностными свойствами от стенки, что может привести к уменьшению поперечного сечения потока и другим эффектам, изменяющим гидравлические характеристики канала. В традиционных теплоносителях реакторных контуров — воде и натрии, смачивающих стенки, такие процессы невозможны.

Рассмотрены виды и роль одного из определяющих элементов ГСП -дросселя и традиционная методика его расчета. Созданы экспериментальные стенды на воде и на высокотемпературном свинцовом теплоносителе с возможностью определения расходов, перепадов давления и противодавления в потоке циркулирующих через дроссель сред.

Исследования проводились при типовых для ГСП диаметрах отверстий дросселей от 3,0 до 6,0 мм, длинах каналов дросселей от 3,0 до 7,0 мм, скорости потоков сред через канал дросселя от 1,0 до 30,0 м/с, температуре воды 20 °С, температуре свинца 400 -ь 450 °С, числа Ле за местным сопротивлением (дроссель) для воды составили 2500 ^ 12000, числа Ле для свинца составили 2500 + 40000, содержание кислорода в свинце а = 10"' 10°.

Эксперименты показали, что при противодавлении на выходе из дросселя от 0,1 до 0,2 кгс/см2 (ати) для всех вариантов геометрии фиксируются аномально низкие значения перепада на дросселе (0,3 3,0 м.ст.свинца), качественно отличающиеся от результатов испытаний па воде и расчетов по известной методике (пример результатов см. рисунок 1)

8.0x10*

/ 1

; / расчет по традиционной методике —*— эксперимент

//

//

т

1

ДР. Па, 8,0x10!

6,0x10® 4,0x10® 2,0x10® 0.0

6,0x10 4,0x10' 2,0x10® 0.0

/ !

-и- —а— расчет по традиционной методике —эксперимент

20000 40000

а)

20000 40000

б)

I ;

: / —о— расчет по традиционной методике —■— эксперимент

/

.__

дР, Па 8,0x10®

2,0x10®

I \

1 —О- расчет по традиционной методике —эксперимент

11

ч

В)

20000 40000

Г)

4,0x10

0,0

|

1 —О— рассчет по традиционной методике —эксперимент

Т

/..............

20000 40000 60000

а) свинец (противодавление = 0,01 кгс/см (ати));

б) свинец (противодавление 0,1 кгс/см2 (ати));

в) свинец (противодавление 0,2 кгс/см2 (ати));

г) свинец (противодавление 1,2 кгс/см2 (ати));

д)вода

Рисунок 1 Сравнительная зависимость АР = /(Ие,) для дросселя с параметрами

с10 = 3,0 мм, /0 = 5,0 мм

Причиной этого эффекта является несмачивание стенок канала жидкими металлами и разница физических свойств теплоносителей.

Ввиду существенных различий существующей методики расчета дросселей и результатов испытаний на воде с результатами испытаний на тяжелом жидкометаллическом теплоносителе рекомендуется при расчете дросселя в составе ГСП учитывать следующие особенности теплоносителя:

- при противодавлении на выходе из дросселя меньше 0,01 кгс/см2 (ати) и больше 1,2 кгс/см (ати) при К с < 5000 характеристики совпадают, а при Яе > 5000 необходимо введение поправочных коэффициентов;

- при противодавлении на выходе из дросселя 0,1 0,2 кгс/см2 (ати) гидравлическое сопротивление дросселя необходимо определять экспериментально, либо использовать соответствующие экспериментальные кривые, представленные в диссертации.

При испытаниях на воде режим течения в дросселях автомодельный, турбулентный, при котором практически отсутствует влияние числа Рейнольдса на коэффициент сопротивления. Испытания на свинцовом теплоносителе фиксируют переходный режим, в котором нарушается линейная зависимость £ = /(Не) в логарифмических координатах.

В третьей главе приводятся результаты сравнительного исследования гидравлических характеристик течения воды и высокотемпературного расплава свинца через последовательно установленные элементы ГСП: дроссель и кольцевой зазор между неподвижной втулкой и неподвижным и вращающимся валом. Рассматривается вопрос выбора оптимальной величины зазора в среде ТЖМТ в зависимости от скорости вращения вала с учетом свойств этих теплоносителей. Приводится описание созданных экспериментальных стендов на воде и на ТЖМТ и методик экспериментальных исследований, характеристики и последовательность этапов исследований.

Определение гидравлических и триботехнических характеристик одних и тех же вариантов конструкций, экспериментальных участков с радиальными зазорами 1,0; 2,0 и 3,0 мм проводилось при следующих условиях:

— на воде: температура 20 °С, скорость вращения вала 800 1500 об/мин и при невращающемся вале;

- на свинцовом теплоносителе: температура 400 450°С, скорость вращения вала 500 1200 об/мин, что соответствует Яе = 450 ^ 1300 в кольцевом зазоре и при невращающемся вале, содержание кислорода в теплоносителе а = 10"' -ь 10° плюс твердая фаза теплоносителя.

Адализ зависимостей гидравлических характеристик рассматриваемого элемента ГСП по результатам испытаний на воде и на свинцовом теплоносителе показал их различие, что объясняется несмачиванием стенок каналов ТЖМТ и разницей физических свойств теплоносителей (рисунок 2).

500

1000

1500

В)

а) радиальный зазор 1,0 мм; б) радиальный зазор 2,0 мм; в) радиальный зазор 3,0 мм Рисунок 2 Зависимость АР = /(Re) вариантов конструкций: дроссель плюс кольцевой зазор (диаметр вала 108,0 мм, 110,0 мм, 112,0 мм)

Результаты исследований энергетических затрат на вращение вала и движение рабочей среды при работе ГСП показывают различие характеристик элементов ГСП и их комбинаций при работе на воде и на свинцовом теплоносителе, обусловленное разницей их физических свойств, что необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации ГСП.

По результатам экспериментальных исследований определялась зависимость коэффициента сопротивления £ включающего как местные

сопротивления, так и трение, от числа Рейнольдса по формуле £ = —-7, где А -

Ке*

константа; Яе =- - число Рейнольдса в кольцевом зазоре; V/ - скорость

V

потока в кольцевом зазоре, м/с; Б - величина зазора, м; V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с.

Показатель степени числа Рейнольдса в формуле коэффициента сопротивления определялся по формуле у = 2 - В, где В - тангенс угла наклона кривой на графике /¿(АР) = А + В ^ы^).

На основании анализа результатов проведенных исследований и литературных данных для проведения комплексных испытаний на высокотемпературном ТЖМТ были обоснованы два варианта конструкции гидростатических подшипников для ГЦН реакторов на быстрых нейтронах.

В четвертой главе отражены результаты комплексных сравнительных исследовательских испытаний на воде и на высокотемпературном свинцовом теплоносителе обоснованной конструкции гидростатического подшипника с ограничителями расхода постоянного сечения (дросселями) и отводом рабочей среды через торцы подшипника. Конструктивная схема и элементы экспериментального участка испытаний на воде и на свинце представлены на рисунках 3 — 6.

1 - верхний подшипниковый узел;

2 - узел уплотнения по газу;

3 - фиксатор корпуса подшипника;

4 - имитатор вала ГЦН;

5 - втулка лабиринтного импеллера;

6 — корпус подшипника с винтом лабиринтного импеллера;

7 - вал;

8 — емкость с ТЖМТ;

9 - корпус выемной части. Рисунок 3 Экспериментальный участок ГСП с ограничителем расхода

отбора давления из рабочей камеры

постоянного сечения

Рисунок 4 Винт Рисунок 5 Состояние

лабиринтного импеллера поверхности рабочих (наружный диаметр камер ГСП 100 мм)

Рисунок б Втулка лабиринтного импеллера (внутренний диаметр 100,6 мм)

Для исключения образования отложений частиц примесей и забивания ими проточной части ГСП на его входе был установлен лабиринтно-винтовой импеллер, который одновременно служил дополнительным циркулятором рабочей среды через каналы подшипника.

Испытания на воде и на свинцовом теплоносителе производились при следующих условиях: температура воды 20 °С, температура свинцового теплоносителя 400 - 450 СС, скорость вращения вала подшипника 300 - 1500 об/мин, содержание кислорода в свинце а= 10° плюс твердая фаза оксидов.

На рисунке 7 представлена зависимость грузоподъемности ГСП на одну камеру от скорости вращения его вала (диаметр вала 80 мм). „ О, кг

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

1 1

—о—вода

—и— свине ц, а=10

1Г-"

п, об/мин

0

400 800 1200 1600 Рисунок 7 Графическая зависимость й =Дп) При дополнительном перепаде давления на ГСП за счет работы рабочего колеса ГЦН его грузоподъемность будет увеличиваться. Испытания показали, что отработка рассматриваемого варианта конструкции ГСП обеспечивает требуемые характеристики подшипника на высокотемпературном свинцовом теплоносителе при температуре 450-500 °С, при этом величина грузоподъемности одной камеры ГСП при скорости вала п = 300 1200 об/мин составляет в = 0,4 - 0,9 кг. Величина избыточного давления в рабочей камере

при п = 300 1000 об/мин в свинцовом теплоносителе на 30% больше, чем на воде. Ревизия подшипника после испытаний на свинцовом теплоносителе, загрязненном частицами оксидов, показала отсутствие забивания каналов ГСП, а также отсутствие следов износа контактных поверхностей ГСП. Подшипник работал в режиме жидкостного трения.

В пятой главе приведены результаты комплексных сравнительных исследовательских испытаний в воде и в свинцовом теплоносителе обоснованного второго варианта конструкции ГСП - с ограничителем расхода переменного сопротивления (ГСП с двойным взаимообратным щелевым дросселированием). Конструктивная схема и элементы экспериментального участка испытаний на воде и на свинце представлены на рисунках 8 - 1!.

Рисунок 8 Экспериментальный участок варианта ГСП с ограничителем расхода

переменного сечения

1 — верхний подшипниковый узел;

2 - узел уплотнения по газу;

3 — осевое колесо;

4 — спрямляющий аппарат;

5 - имитатор вала ГЦН;

6 - корпус подшипника с двойным взаимообратиым щелевым дросселированием;

7 - вал;

8 - корпус выемной части;

9 - емкость с ТЖМТ

в систему измерения давления

отбора давления из рабочей камеры

Рисунок 9 Корпус ГСП с Рисунок 10 Осевое Рисунок 11 Спрямляющий двойным колесо (диаметр 204 мм) аппарат

взаимообратным

щелевым дросселированием (внутренний диаметр 69 мм)

Испытания на воде и на рсплаве свинца проводились при следующих параметрах: температура воды 20 °С, температура свнцового теплоносителя 420^ 550 °С, скорость вращения вала подшипника 300 -н 1500 об/мин, содержание кислорода в свинце а = 10"3 10° плюс твердая фаза оксидов.

На рисунке 12 представлена графическая зависимость грузоподъемности ГСП на одну камеру от скорости вращения вала (диаметр вала 68 мм).

Рисунок 12 — Графическая зависимость в =/(п)

На величину грузоподъемности в свинцовом теплоносителе оказывает влияние скорость вращения осевого колеса и термодинамическая активность кислорода в свинце. Фиксируется разница между значениями величины грузоподъемности на свинце при различных активностях кислорода (а= 10°, а = 10"3). Возможной причиной данного различия является то, что в результате процессов массообмена и массопереноса (диффузии, термодиффузии и др.) значительная часть дисперсных примесей, находящихся в ядре потока, выходит в пристенную область: конструкционный материал — теплоноситель. Изменяется шероховатость поверхностей конструкционных материалов, контактирующих с ТЖМТ и, соответственно, гидравлическое сопротивление каналов циркуляции теплоносителя в целом. Результат внешнего осмотра поверхности имитатора вала ГЦН и внутренней поверхности корпуса подшипника показал отсутствие износа.

В шестой главе отражены рекомендации автора по расчету гидростатических подшипников, работающих в высокотемпературном жидкометаллическом теплоносителе, разработанные на основе традиционной методики расчета ГСП с учетом специфики физических свойств ТЖМТ, опыта создания и эксплуатации ГСП главных циркуляционных насосов реакторных контуров с натриевым теплоносителем, а также, прежде всего, на основе результатов экспериментальных и расчетно-теоретическнх исследований, отраженных в предыдущих главах диссертации. Изложены рекомендации по обоснованным оптимальным конструктивным решениям ГСП осевых ГЦН для РУ с ТЖМТ и рекомендации к условиям эксплуатации гидростатических подшипников в составе главных циркуляционных насосов с циркуляцией тяжелого жидкометаллического теплоносителя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1) Предложена, обоснована и разработана методология исследований, направленных на создание гидростатических подшипников и режимов их эксплуатации для ГЦН с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемых

тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями (свинцовым и свинец-висмутовым). Для проведения экспериментальных работ предложены и реализованы метод и устройства измерения давления в рабочей камере гидростатического подшипника в свинцовом теплоносителе.

2) Испытания на высокотемпературном расплаве свинца показывают, что режим течения в дросселях (для условий ГСП) соответствуют переходному режиму, в котором нарушается линейная зависимость \ =ДЯе) в логарифмических координатах. В режимном диапазоне противодавлений на выходе потока из дросселя равном 0,01; 0,1; 0,2 и 1,2 кгс/см2 (ати) зафиксировано влияние на величину коэффициента местного сопротивления.

3) Экспериментальные исследования гидравлических характеристик течения на сравниваемых жидкостях (вода и ТЖМТ) через комбинацию: дроссель и кольцевой зазор при испытаниях на свинцовом теплоносителе не выявили различий гидродинамики потока для вращающегося и невращающегося вала.

4) Конструкция ГСП с ограничителем расхода постоянного сечения (дросселями) и отводом рабочей среды через торцы подшипника обеспечивает необходимые характеристики гидростатического подшипника на высокотемпературном расплаве свинца (Т = 450 500 °С) при а =10° и при наличии частиц примесей в свинце при оборотах вала в диапазоне п = 300 1200 об/мин величина грузоподъемности одной камеры в = 0,4 - 0,9 кг.

Следы износа рабочих поверхностей подшипника после эксплуатации в свинцовом теплоносителе не зафиксированы. Подшипник работал в режиме жидкостного трения. Отсутствует забивание каналов подшипника частицами примесей, содержащихся в теплоносителе.

5) Исследуемая конструкция ГСП с двойным взаимообратным щелевым дросселированием на высокотемпературном расплаве свинца (Т = 450 550°С) при а= 10° и при наличии частиц примесей в свинце при оборотах вала в диапазоне п = 300 1200 об/мин обеспечивает грузоподъемность одной камеры

в = 0,07 - 0,16 кг. При тех же условиях при а = 10"4 - 10"3 величина грузоподъемности одной камеры существенно изменяется и составляет в = 0,6 -1,2 кг. Исследуемый вариант конструктивной схемы гидростатического подшипника эксплуатировался совместно с элементами циркуляционного насоса (осевое колесо, спрямляющий аппарат) в условиях повышенной вибрации и больших температурных перепадах.

Подшипник работал в режиме жидкостного трения. Ревизия подшипника после испытаний на свинце при а = 10° показала отсутствие забивания каналов гидростатического подшипника частицами примесей, содержащихся в теплоносителе. После испытаний на свинце при а=10"5-10"4 отложения примесей на поверхностях ГСП отсутствовали. Следы износа рабочих поверхностей подшипника после испытаний на свинце не зафиксированы. Поверхности были покрыты оксидной защитной пленкой черного цвета.

6) Величина зазоров в каналах ГСП должна обеспечивать гарантированную циркуляцию ТЖМТ во всех нормальных режимах, а также раскисленного ТЖМТ или двухкомпонентного потока: ТЖМТ -восстановительная газовая смесь в режимах технологических обработок контура, что позволит обеспечивать очистку каналов от твердой фазы оксидов, которая может накапливаться в процессе аварийных ситуаций.

7) Отличительная особенность ТЖМТ — антифрикционные свойства защитных оксидных покрытий и пристенного слоя, исключает износ элементов подшипника и вала при пусках и остановах ГЦН.

8) Разработана и рекомендована к использованию в инженерной практике откорректированная методика расчета ГСП для осевых ГЦН РУ с ТЖМТ, обоснованная экспериментальными и расчетно-теоретическими исследованиями, и разработаны рекомендации по конструктивным решениям ГСП с учетом специфических высокотемпературных тяжелых жидкометаллических теплоносителей.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1) Экспериментальное исследование гидродинамики дросселей в потоке свинцового теплоносителя и воды / A.B. Безносов, М.А. Антоненков, Т.А. Бокова [и др.] // Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. - Обнинск, 2011. -№2.-С. 104-112.

2) Экспериментальное исследование гидродинамики течения свинцового теплоносителя и воды через экспериментальный участок «дроссель - кольцевой зазор» / A.B. Безносов, М.А. Антоненков, Т.А. Бокова [и др.] // Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. - Обнинск, 2012. — №1. — С. 80-90.

3) Особенности подшипников скольжения в тяжелых жидкометаллических теплоносителях ядерных установок / A.B. Безносов, М.А. Антоненков, О.О. Новожилова [и др.] // Вестник машиностроения. - М.,

2009. - №3. - С. 37-41

4) Исследование особенностей трения и изнашивания контактных поверхностей в высокотемпературных свинцовом и свинец-висмутовом теплоносителях реакторных контуров / A.B. Безносов, М.А. Антоненков, Т.А. Бокова [и др.] // Трудьг Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева, - Н.Новгород, 2010. -№1(80). - С. 109 - 120.

5) Antonenkov, М.А Peculiarities of friction and depreciation of contact surfaces in hightemperature lead and lead-bismuth coolants of reactor loops / M.A. Antonenkov, A.V. Besnosov, P.A. Bokov // Proceedings of 18th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE18); ASME. - Xi'an, China, May 17-21,

2010. -Paper № 29175. -7 p.

6) Пат. 73924 Российская Федерация, МПК F 04 D 1/00, F 04 D 3/00. Hacoc погружного типа для перекачки жидких металлов / A.B. Безносов, О.О. Новожилова, М.А. Антоненков [и др.] ; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет. -№ 2007149297 ; заявл. 29.12.2007 ; опубл. 10.06.2008, Бюл. № 16 - 2 с. : ил.

7) Исследование гидродинамики течения свинцового и свинец-висмутового теплоносителей в несмачивающих щелевых каналах применительно к подшипникам насосов РУ / A.B. Безносов, М.А. Антоненков, Д.В. Кузнецов [и др.] // Реакторы на быстрых нейтронах: Тез. докл. всеросс. науч. школы для молодежи. - Обнинск, 2009.

8) Экспериментальное исследование гидродинамики течения ТЖМТ в щелевых каналах применительно к подшипникам насосов РУ / A.B. Безносов, М.А. Антоненков, П.А. Боков [и др.] // Седьмая курчатовская молодежная научная школа: Тез. докл. ; РНЦ "Курчатовский институт". - Москва, 2009. -С. 8.

9) Подшипники скольжения в экстремальных условиях / Ю.Н Дроздов, A.B. Безносов, М.А. Антоненков [и др.] // Технологические проблемы прочности: материалы XVI междунар. семинара. - Подольск, 2009. - С. 46.

10) Экспериментальное исследование гидродинамики потока высокотемпературного свинцового теплоносителя через дроссель / A.B. Безносов, М.А. Антоненков, Д.А. Серганин [и др.] // Будущее технической науки: Тез. докл. X Междунар. молодеж. научно-техн. конф. ; НГТУ им. P.E. Алексеева. - Н. Новгород, 2011. - С. 253.

11) Особенности гидродинамики потока ТЖМТ в каналах сложной геометрии / М.А. Антоненков, Е.С. Головко, A.B. Львов [и др.] // Девятая курчатовская молодежная научная школа: Тез. докл. ; РНЦ "Курчатовский институт". - Москва, 2011. - С. 75.

12) Экспериментальное исследование характеристик вариантов конструкций гидростатических подшипников и их элементов / М.А. Антоненков, М.В. Ярмонов, A.B. Львов [и др.] // Будущее технической науки: Тез. докл. XI Междунар. молодеж. научно-техн. конф. ; НГТУ им. P.E. Алексеева. - Н.Новгород, 2012. - С. 241 -242.

Подписано к печати 19.04.2013. Формат 60x90'/,« .Бумага офсетная №1. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №21

Отпечатано в типографии ИП Синицын А.Е. 603155 г. Нижний Новгород, ул. Провиантская, 8

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. P.E. АЛЕКСЕЕВА

04201360090

На правах рукописи

Антоненков Максим Александрович

ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ ГЛАВНЫХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ НАСОСОВ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ, ОХЛАЖДАЕМЫХ СВИНЦОВЫМ И СВИНЕЦ-ВИСМУТОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

05.04.11 - "Атомное реакторостроение, машины, агрегаты и технология материалов атомной промышленности"

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Безносов A.B.

г. Нижний Новгород 2012 г.

Содержание

Стр.

Перечень сокращений, условных обозначений_8

Введение_9

Глава 1. Аналитический обзор и методология исследований направленных на обоснование методов расчета и проектирования гидростатических подшипников, работающих в среде ТЖМТ_Г7

1.1 Основные различия физических характеристик традиционных теплоносителей ЯЭУ реакторов на быстрых нейтронах_17

1.1.1 Свинцовый теплоноситель_17

1.1.2 Эвтектика свинец-висмут_19

1.1.3 Металлический натрий_20

1.2 Принципы расчета и проектирования гидростатических подшипников для традиционных сред_22

1.2.1 Условный расчет подшипников скольжения_22

1.2.2 Расчет подшипников при жидкостной смазке_27

1.2.2.1 Определение несущей силы смазочного слоя_28

1.2.2.2 Сопротивление смазочного слоя вращению вала_33

1.2.2.3 Количество смазки, вытекающей из торцов подшипника_35

1.2.2.4 Теплообмен в подшипниках скольжения_36

1.3 Опыт создания и эксплуатации подшипников скольжения для ТЖМТ -гидродинамических, сухого трения, лабиринтно-винтовых и гидростатических_39

1.3.1 Особенности эксплуатации гидростатических подшипников циркуляционных насосов, работающих в тяжелых жидких металлах_40

1.3.2 Гидродинамические подшипники. Обоснование невозможности обеспечения условий работы в высокотемпературных расплавах тяжелых жидкометаллических теплоносителей_42

1.3.3 Экспериментальные исследования характеристик подшипников сухого трения в тяжелых жидкометаллических теплоносителях_44

1.3.4 Экспериментальные исследования характеристик гидростатодинамического (лабиринтно-винтового) подшипника в свинцовом теплоносителе_49

1.4 Методология экспериментальных исследований, направленных на обоснование методов расчета, проектирования и режимов эксплуатации ГСП в среде ТЖМТ_52

1.5 Постановка задач исследований_54

Глава 2. Сравнительное исследование гидравлических характеристик дросселей гидростатических подшипников насосов на воде и на свинцовом

теплоносителе и с результатами расчетов_56

2.1 Общие положения_56

2.1.1 Виды и роль дросселей в работе гидростатических подшипников 56

2.1.2 Методика расчета дросселя_58

2.2 Сравнительные экспериментальные исследования характеристик дросселей на воде и на свинцовом теплоносителе_60

2.2.1 Цели и задачи исследований_60

2.2.2 Описание экспериментальных стендов_62

2.2.2.1 Стенд на водяном теплоносителе_62

2.2.2.2 Стенд на свинцовом теплоносителе_63

2.2.2.3 Описание экспериментального участка_68

2.3 Программа-методика проведения экспериментов на воде и ТЖМТ 69

2.4 Обсуждение результатов экспериментов_71

2.4.1 Характеристика и последовательность этапов исследований_73

2.4.2 Сравнение гидравлических характеристик (АН ^ вариантов конструкций дросселей на свинцовом теплоносителе и

на воде_76

2.4.3 Зависимость гидравлических характеристик дросселей от давления

на выходе потока из них_82

2.4.4 Зависимость гидравлических характеристик дросселей от конструктивных параметров (/o/do)_89

2.4.5 Расчет давления в канале дросселя_90

2.4.6 Сравнение теоретического расчета перепада давления на дросселе с

результатами эксперимента_96

2.5 Выводы по главе 2_|_03

Глава 3. Сравнительное исследование гидравлических характеристик течения воды и ТЖМТ через дроссель и кольцевой зазор_\06

3.1 Общие положения_106

3.1.1 Ламинарное течение жидкости между соосными вращающимися цилиндрами_108

3.1.2 Основы гидродинамической теории цилиндрического подшипника скольжения_И2

3.2 Сравнительные экспериментальные исследования гидравлических характеристик течеиия воды и свинца через дроссель и кольцевой зазор 118

3.2.1 Дели и задачи исследований_Ш|

3.2.2 Описание экспериментальных стендов_120

3.2.2.1 Стенд на водяном теплоносителе_120

3.2.2.2 Стенд на свинцовом теплоносителе_121

3.2.2.3 Описание экспериментального участка_122

3.3 Программа-методика проведения экспериментов на воде и на ТЖМТ 124

3.4 Обсуждение результатов экспериментов_125

3.4.1 Характеристика и последовательность этапов исследований_125

3.4.2 Сравнение гидравлических характеристик (АР =/(Re), АН =XRe), 4 = ДЯе)) вариантов величин кольцевого зазора на свинцовом теплоносителе и на воде_127

3.4.3 Оценка сопротивления рабочей среды вращению вала_140

3.4.4 Оценка количества среды, подаваемой в подшипник_144

3.5 Выводы по главе 3

147

Глава 4. Комплексные испытания па высокотемпературном свинцовом теплоносителе варианта конструкции гидростатического подшипника с ограничителями расхода постоянного сечения (дросселями) и отводом жидкости через торцы подшипника_150

4.1 Общие положения_Г50

4.1.1 Принцип работы гидростатического подшипника_15J,

4.1.2 Принцип работы гидростатодинамического (лабиринтно-винтового) подшипника в свинцовом теплоносителе_156

4.2 Цели и задачи исследований_158

4.3 Описание экспериментальных стендов_160

4.3.1 Стенд на водяном теплоносителе_1_60

4.3.2 Стенд па свинцовом теплоносителе_161

4.3.3 Описание экспериментального участка_166

4.4 Программа-методика проведения экспериментов на воде и на ТЖМТ 170

4.5 Обсуждение результатов_171

4.5.1 Характеристика и последовательность этапов исследований_17J.

4.5.2 Сравнение величины тока электродвигателя при испытаниях на свинце и на воде_177

4.5.3 Сравнение гидравлических характеристик (Q -Дп), АР =XRe), G =Дп)) макетного образца гидростатического подшипника с ограничителями расхода постоянного сечения (дросселями) и отводом жидкости через торцы подшипника при испытаниях на водяном и свинцовом теплоносителях_Г81.

4.5.4 Грузоподъемность подшипника_1_85

4.6 Выводы по главе 4_187

Глава 5. Комплексные испытания варианта конструкции гидростатического подшипника с ограничителем расхода переменного сопротивления

(гидростатический подшипник с двойным взаимообратным щелевым дросселированием)_189

5.1 Цели и задачи исследований_1_89

5.2 Принцип работы гидростатического подшипника с двойным взаимообратным щелевым дросселированием_190

5.3 Описание экспериментальных стендов_194

5.3.1 Стенд на водяном теплоносителе_195

5.3.2 Стенд на свинцовом теплоносителе_1_96

5.3.3 Описание экспериментального участка_198

5.4 Программа-методика проведения экспериментов на ТЖМТ_202

5.5 Обсуждение результатов экспериментов_203

5.5.1 Характеристика и последовательность этапов исследований_203

5.5.2 Результаты ревизии подшипника_208

5.5.3 Исследования шлифов продольного разреза имитатора вала ГЦН и поперечного разреза рабочей камеры ГСП_214

5.5.4 Сравнение нагрузки электродвигателя при испытаниях на свинце и

на воде_217

5.5.5 Сравнение гидравлических характеристик (Q =Дп), АР =_/(Re),

G =Хп)) макетного образца гидростатического подшипника с двойным

взаимообратным щелевым дросселированием при испытаниях на

водяном и свинцовом теплоносителях_222

5.5.6 Грузоподъемность подшипника_226

5.6 Выводы по главе 5_227

Глава 6. Экспериментально обоснованные рекомендации по оптимизации конструктивных решений гидростатических подшипников работающих в среде высокотемпературного ТЖМТ_230

6.1 Рекомендации по традиционному гидродинамическому расчету ГСП 232

6.2 Рекомендации по гидродинамическому расчету ГСП осевых ГЦН установок с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемыми ТЖМТ 239

6.3 Рекомендации по обоснованным оптимальным конструктивным

решениям ГСП осевых ГЦН для РУ с ТЖМТ_242

6.4 Рекомендации к условиям эксплуатации_245

6.5 Выводы по главе 6_248

Заключение_250

Список использованных источников___ 253

Перечень сокращений, условных обозначений

ГСП - гидростатический подшипник

ЭУ - экспериментальный участок

ТДАК - термодинамическая активность кислорода

ТЖМТ - тяжёлый жидкометаллический теплоноситель

ГЦН - главный циркуляционный насос

АЭС - атомная электрическая станция

РУ - реакторная установка

а - термодинамическая активность кислорода

/- коэффициент трения скольжения

Э - диаметр вала, м

Ь - полная длина подшипника, м

¡1 ~ осевая длина торцевых поясков, м

т - длина рабочих камер подшипника, м

50 - радиальный зазор, м

е - абсолютный эксцентриситет, м

с10 - диаметр дросселя, м

/0 - длина дросселя, м

N - число рабочих камер

п - число оборотов вала, об/мин

со - угловая скорость вращения, 1/с

Ар - статический перепад давления на подшипнике, кг/м2

в - грузоподъемность подшипника, кг

р - плотность жидкости, кг/м

/1 -динамическая вязкость, Пах

V - кинематическая вязкость, м /сек

Г2 - безразмерный параметр вращения

Яе - критерий Рейнольдса

Остальные обозначения поясняются в тексте

Введение

Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 - 2010 годы и на перспективу до 20015 года», утвержденная постановлением правительства Российской Федерации от 6 октября 2006 г., наряду со строительством энергоблоков атомных электростанций на базе ВВЭР, предусматривает инновационные проекты в области атомной энергетики с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями. В них входят: создание головного опытно-промышленного энергоблока с реакторной установкой типа СВБР-100 со свинец-висмутовым теплоносителем, а также обоснование реакторной установки типа БРЕСТ со свинцовым теплоносителем.

Насосное оборудование составляет важную и существенную долю в составе контуров энергетических установок. Наша страна имеет уникальный опыт создания и эксплуатации главных циркуляционных насосов (ГЦН) атомных подводных лодок (АПЛ) с реакторами, охлаждаемыми свинец-висмутовым теплоносителем проектов 645, 705 и 705К. ГЦН реакторных установок (РУ) проектов 645 и 705К имели нижние гидростатические подшипники, работа которых обеспечивалась в том числе за счет работы вспомогательных насосов (насосов возврата протечек) реакторного контура. ГЦН атомных подводных лодок проекта 705 был выполнен с консольным расположением вала и нижнего подшипника скольжения не имел.

Реакторные установки, создаваемых в РФ энергоблоков со свинец-висмутовым и свинцовым теплоносителями имеют баковые или моноблочные компоновки, в отличие от компоновок РУ транспортных установок петлевого типа. Гидравлическое сопротивление таких контуров существенно меньше, чем у контуров транспортных установок. В составе реакторных контуров СВБР и БРЕСТ предусматриваются погружные ГЦН осевого типа и отсутствуют вспомогательные насосы. Одним из проблемных узлов ГЦН этих установок

являются нижние подшипники скольжения, работающие в перекачиваемой среде.

Это, в свою очередь, ставит задачу создания обоснованных конструкций гидростатических подшипников, работающих в среде высокотемпературных ТЖМТ при величинах напоров осевых насосов, учитывающих специфику тяжелых жидкометаллических теплоносителей с требованием большого ресурса и более жесткой моделью эксплуатации, чем подшипники транспортных установок. Опыт проектирования и эксплуатации таких подшипников в мире отсутствует.

Обоснование проектных решений гидростатических подшипников главных циркуляционных насосов реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями - актуальная тема для диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является уточнение методики расчета гидростатических подшипников с учетом специфических свойств свинцового и свинец-висмутового теплоносителей и разработка рекомендаций по оптимальным конструкциям таких подшипников.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:

- предложить методологию исследования характеристик отдельных элементов гидростатических подшипников, и подшипников в целом с учетом специфики тяжелых жидкометаллических теплоносителей;

- выполнить анализ специфических свойств ТЖМТ и их влияния на процессы и характеристики, обуславливающие работоспособность ГСП;

- разработать экспериментальные стенды с водяным и тяжелым высокотемпературным жидкометаллическим теплоносителями и методики для проведения на них сравнительных гидродинамических и триботехнических исследований элементов гидростатических подшипников и ГСП в целом;

- провести сравнительные экспериментальные и расчетно-теоретические исследования элементов ГСП и подшипников в целом на воде и на

высокотемпературном жидкометаллическом теплоносителе и выявить зависимость их характеристик от рабочей среды и параметров ГСП;

- на основе проведенных исследований разработать уточненную методику расчета гидростатических подшипников, работающих в среде высокотемпературных тяжелых жидкометаллических теплоносителей инновационных реакторов на быстрых нейтронах;

- разработать рекомендации, обоснованные проведенными исследованиями, по оптимальным конструкциям гидростатических подшипников для ГЦН реакторных контуров с ТЖМТ.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1) Предложен, разработай и реализован метод проведения сравнительных исследований элементов гидростатических подшипников и вариантов конструкций подшипников в целом, позволивший уточнить методику расчета ГСП и разработать обоснованные рекомендации для конструкций ГСП на ТЖМТ.

2) Получен массив экспериментальных данных гидравлических и трибологических характеристик отдельных элементов гидростатических подшипников: дросселей и последовательного сочетания дроссель плюс кольцевой зазор и обоснованных исследованиями двух вариантов конструкций ГСП в среде высокотемпературного (450 ^ 550 °С) свинцового теплоносителя.

3) Определены условия, при которых экспериментально определенные гидравлические характеристики каналов гидростатических подшипников на воде и на свинцовом теплоносителе существенно различаются. Предложена причина расхождения этих характеристик.

4) Проведен анализ и предложена модель оптимизации антифрикционных характеристик гидростатических подшипников в среде высокотемпературных ТЖМТ при пусках и остановках.

5) Предложена и обоснована методика расчета ГСП с учетом специфики высокотемпературных жидкометаллических теплоносителей реакторов на

быстрых нейтронах и разработаны рекомендации по оптимальным конструкциям таких подшипников.

Практическая значимость работы.

1) Впервые в отечественной и мировой практике предложены и обоснованы конструкции и режимы эксплуатации гидростатических подшипников, работающих в среде высокотемпературных тяжелых жидкометаллических теплоносителей погружных главных циркуляционных насосов осевого типа инновационных реакторов на быстрых нейтронах.

2) Разработанная уточненная методика расчета гидростатических подшипников ГЦН в среде ТЖМТ рекомендована к внедрению в инженерную практику.

3) Рекомендации по оптимальным обоснованным конструктивным решениям ГСП, работающих в среде ТЖМТ для ГЦН рекомендованы для внедрения в инженерную практику.

Личный вклад автора. Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились по оригинальным программам-методикам на экспериментальных установках и оборудовании предложенных и созданных на кафедре «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» НГТУ автором лично или при его непосредственном участии. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования, монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования и контура в целом, в проведении исследований, обработке и обсуждении результатов исследований. 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 и МИ» НГТУ автором лично и в соавторстве с д.т.н., проф. Безносовым A.B., к.т.н. Боковой Т.А., к.т.н. Савиновым С.Ю., инж. Серовым В.Е., асп. Ярмоновым М.В., асп. Маховым К.А., асп. Боковым П.А. (НГТУ).

На защиту выносятся следующие положения:

1) Метод проведения сравнительных исследований элементов гидростатических подшипников и вариантов конструкций подшипников в целом, позволяющий уточнить методику расчета ГСП и обосновать оптимальные варианты конструкций ГСП для погружных осевых ГЦН реакторов на быстрых нейтронах.

2) Массив экспериментальных данных характеристик гидростатических подшипников ГЦН реакторов на быстрых нейтронах в среде высокотемпературного жидкометаллического теплоносителя.

3) Экспериментально определенные условия, при которых характеристики ГСП на свинцовом теплоносителе существ�