Исследование условий возникновения и характеристик кавитации в главных циркуляционных насосах реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.11, кандидат наук Боков, Павел Андреевич

• Боков, Павел Андреевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Боков, Павел Андреевич

Содержание

Перечень сокращений, условных обозначений

Введение

1. Анали!ический обзор. Необходимость определения кави¡анионных характеристик

1 яжелых жидкометаллических теплоноси гелей

1 1 С>щность явления кавитации

1 2 Специфические свойства ТЖМТ. влияющие на возникновение и развитие кавитации

1 3 Анализ опыта создания и эксплуатации насосов реакторных контуров со свинец-висмутовым теплоносителем отечественных атомных подводных лодок 1

1 4 Постановка задач исследований

2 Стенды (установки) с ТЖМТ, созданные для исследовательских испытаний кавитационных явлений

2 1 Уаановки для определения и наличия газа в ТЖМТ в статических условиях

2 2 С 1енц 2009-302ФI -ПК с центробежным насосом НСЦ-05НГГУ для экспериментальною под] верждения 01сутствия в ГЖМТ фадиционной паровой (паро/азовой) кавитации и наличие газовой кавитации

2 3 Стенды Ф Г-3 и ФТ-ЗА с центробежным насосом НСЦ-04 НГГУ для исследований кавшационных характеристик высокотемпературною свинцового теплоносителя

2 4 Стенд ФТ-4А для определения кавитационных явлений в проточной части осевого насоса

2 5 Установка для проведения исследовательских испытаний моделей проточной части Г1ДНА РУ БРЕСТ-ОД-300 (стенд ФТ-4 НГТУ) с осевым насосом НСО-01 НГТУ

3 Исследования наличия и состояния газа (газопаровых смесей) в ТЖМТ

3 1 Обьемная прочное! ь и ядра кавитации в ТЖМ Г

3 2 Экспериментальное определение наличия I аза в обьеме 1ЖМТ в статических условиях

3 2 1 Программа и меюдика экспериментов

3 2 2 Обсуждение результатов

3 2 3 Выводы

3 3 Анализ исследования наличия газовой (газопаровой) фазы в пристенном слое и объеме ТЖМТ с использованием ультразвука Ультразвуковая кавитация в ТЖМТ

3 3 1 Сущность метода исследований

3 3 2 Экспериментальные исследования пристенного слоя ультразвуковыми датчиками

сдвиговых волн

3 3 3 Обсуждение резчлыагов

3 3 4 Выводы

3 4 Исследования наличия гаювой (i азопаровой) фазы в пристенном слое и в потоке ТЖМТ с использованием метода «экспресс - замораживания»

3 4 1 Сущность метода исследований

3 4 2 Обсуждение результатов

3 4 3 Выводы

4 Экспериментальное подтверждение отсутствия в потоке ТЖМТ традиционной паровой (парогазовой) кавитации и наличие газовой кавитации на стенде 2009-302ФТ-

НК с центробежным насосом

4 1 Сущность эксперимент

4 2 Изменения хараыерисшк в контуре I ЖМ Г при возникновении и развитии процесса

кавитации

4 3 Выводы

5 Экспериментальное под1верждение отсутствия в ТЖМТ традиционной паровой (парогазовой) кавитации и наличие газовой кавиганпи на стендах ФТ-3 и ФТ-ЗА с центробежным насосом

5 I Сущность исследований кавитационных процессов тремя независимыми методами

5 2 Определение характеристик кавитации в потоке ТЖМ1 путем изменения высоты

всасывания насоса I I i

5 3 Опреде 1ение харамеристик кавитации в потоке 1ЖМТ путем вакуумирования

газовой системы конту ра

5 4 Изменение харамеристик потока ТЖМТ в эжекюре (con ie Вентури) при развиши

кавитации

5 5 Результаты ревизии проточной части насоса

5 6 Выводы

6 Эксперименшльное исследование кави [анионных явлений в проючной част oceeoi о насоса на стенде ФТ-4А

6 1 Су щность эксперимента 127 6 2 Обсуждение результатов I 28 6 3 Выводы

7 Кави¡ационные испытании осевого насоса в свинцовом теплоносителе на стенде ФТ-4 НГ131ТУ

7 1 Программа и методика испытаний

7 2 Изменение характеристик проточной части, осевого насоса и контура в процессе кавитационных испы ганий

7 3 Резулыаты ревизии проточной части насоса после кавтационных испытаний и после испьианий по определению напорной и энергетической характеристик (с уменьшенной высотой трубы постоянного напора насоса)

7 4 Выводы

8 Обсуждение результатов и модель кавитации в потоке ТЖМТ применительно к условиям главных циркуляционных насосов установок с реакторами на быстрых нейтронах

8 1 Методология исследования характерисiик кавитации в ТЖМТ

8 2 Условия возникновения и характеристики кавитации в среде ТЖМТ

8 3 Эрозионное и корозионно-эрозионное разрушение элементов конструкций в потоке ТЖМГ

Заключение

Список использованных источников

Приложение А Техническое решение по укорочению вала ГЦНА РУ СВБР-100 совещания в ОАО «АКМЭ-инжиниринг» 1

Приложение Б Копим дипломов за лучший доклад на международных конференциях ICONE-18 и ICONE-21

176

Перечень сокращений, условных обозначений

ГСП - гидростатический подшипник

ЭУ - экспериментальный учасюк

ТДАК - термодинамическая амивность кислорода

ТЖМТ - тяжелый жидкометаллический теплоноситель

ГЦН - главный циркуляционный насос

АЭС - атомная электрическая станция

РУ - реакюрная ус >ановка

АПЛ - атомная подводная лодка

ПБ - плавильный бак

ПГ — парогенератор

ИО - инструкция по обслуживанию

МВ - мановакууметр

Ь-К - высота всасывания насоса, мм

п - число оборотов электродвигателя насоса, об/мин

Р, - давление газа в газовой системе контура, кгс/см2

Ри - давление насыщенных паров, кгс/см2

Рм, - давление I аза в газовой системе, при котором происходи г переход к газовой кавитации, кт с/см2 Мч, - крутящий момент, при котором происходит переход к газовой кавитации. Н*м а - термодинамическая активность кислорода

Остальные обозначения поясняются в тексте

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование условий возникновения и характеристик кавитации в главных циркуляционных насосах реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ»

Введение

Создание и развитие яаерных энерго-юхнологий на первом этапе их освоения в середине прошаого века осуществлялось на базе военных разработок - 1ехнотогий получения плутония для создания оружия и ядерных реакторов дая атомных подводных лоцок В Советском Союзе быпа освоена единственная в мире технология npoeKiирования. строительства и эксплуа1ации реакюрных установок с тяжелым жидкоме1ал шческим теп поносителем (ТЖМТ) - эвтектикой свинец-висмут для атомных подводных подок с уникальными характеристиками (АПЛ проектов 645 705 и 705К)

Переход к использованию реакюров на быстрых нейтронах, при замыкании топливною цикла позво!1яет ядерной энер!етике принять на себя весь требуемый (по прогнозам WEC) прирост эаектро-производсгва в течение ближайших десятилетий При этом автоматически выпопняются требования Киотского протокола и стабилизируются на любом заранее заданном уровне выбросы парниковых газов, связанные с электроэнергетикой [1] Европейское сообтес!во интенсивно прочвшает работы по созданию ускоритепьно управляемых систем с жицкометаллическими мишенями в которых используется ллекгический спчав свинец-висму i дня фансм>1ации долгоживущих радионуклидов и для других цепей [2 - 4J Повышение фебований к безопасности и надежноеiи работы ядерных реакторов побуждают к поиску новых теплоносителей обладающих преимуществами по сравнению с традиционными (вода нафий и др ) Одним из таких теплоносителей является жидкий свинец Жидкий свинец по своим физико-химическим свойствам бпизок к эв1ектическому сплаву свинец-висмут с коюрым накоппен боаьшой опыт работы не только в условиях лаборатории но и в промышленности

Разрабатываются проекты быстрых реакторов охлаждаемых свинцовым и свинец-висмутовым ien юноситепями показавшие перспемивноыь этого направления в плане соз 1ания реакюров повышенной беюиасносш и экономичности [5 6] Создаваемые проекты фебмот обоснования проемных решений и среди них проведения ряда экспериментальных исследований по уточнению расчетных методик проточных частей аопасгных насосов

Актуальность темы работы. Процессы кавитации в потоке тяжелого жидкоме1алг!ическо1 о теипоноситепя в гпавных циркуляционных насосах конт\ров инновационных уиановок с реак юрами на быефых ней фонах опредепяют ресурсную работоспособноеib ГЦН что в свою очередь определяет безопасность и экономичность РУ Кавитационные явления moi ут возникать в других эпементах реакторного контура, впияя на их работоспособность Физические свойства ГЖМI с\'щес1венно отличаются от свойав фа шнионных теппоносшепей кави¡анионные харамеристики 1ЖМТ до выпо шения наиоящей рабош прак!ически не быпи исс (едованы Создаваемые в РФ в насюящес

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 /(опущений не могут быть использованы в инженерной практике.

Целью диссертационной работы является определение условий возникновения и характеристик (максимальная высота всасывания, кавитационный запас) 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.

Задачи работы. 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 и установок с ТЖМТ с температурой до 550°С и расходом до 2000т/час;

- экспериментальное определение условий возникновения и характеристик кавитации в потоке высоко-температурного ТЖМТ и ее типа 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.

Научная новизна работы заключается в определении 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 часги ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО в контуре со свинцовым теплоносителем при расходах ок. 150 м 7ч. температура 440-550°С и термодинамически активного кислорода в свинце в диапазоне Ю"\..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.

Достоверность н обоснованность результатов обеспечивается использованием нап'рных 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 уоановок различной конструкции. с различными меюдиками экспериментов. с центробежными и осевыми насосами.

Практическая значимость работы: Результаты работы явились обоснованием существенного (более чем на 2м) уменьшения проектной длинны вала ГЦН РУ СВБР-100. Резулыаты эксперимешальных и расчетно-1еоре1 ических данных работы использованы для обоснования проекшых 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 юплоносителями 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 скорое 1ях до ок 20 м/с

- Разрабо1анные экспериментальные ус!ановки (стенды) с натурным ТЖМТ для проведения исследований кавитационных процессов в ТЖМТ; установки для определения наличия содержания I аза в ТЖМТ.

- Массив экспериментальных данных условий возникновения, характера и характерноIик процессов кавшации в ТЖМТ. позволивших определять допустимую высоту всасывания и кавитационный запас ГЦН РУ с ТЖМТ. Эти данные позволяют более обоснованно

разрабатывать проекшую и эксплуатационную документацию ГЦН инновационных установок с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ.

- Экспериментальные исследования эрозионного разрушения элементов конструкций в потоке ТЖМТ.

Личный вклад автора: Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры «АТС» НГТУ им. Р.Е Алексеева при непосредственном участии автора, автором лично или под его руководством. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, ироек]ирования. монтажа. 01ладки экспериментальных участков, оборудования, а 1акже в разрабо!ке программ-методик, проведении исследований, обработки и обсуждении результаюв Подгоювка диссер1ационной работы осущесмзпялась под научным руководством докюра 1ехнических наук, профессора Бешосова Александра Викторовича

В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на кафедре «АТС» НГТУ им. Р Е. Алексеева автором самостоятельно и в соавторе/ве с д.т н . проф Безносовым А В . инж Серовым В Г . доц Боковой Т А . асп Маховым К.А . асп Львовом А В . асп. Зудиным А Д (НП У).

Апробация работы и публикации: Результаты работы докладывались на международных и отечественных конференциях и семинарах: «14-я Нижегородская сессия моподых ученых» (Нижний Новгород 2009г.). «9-я международная молодежная научно-[ехническая конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2009г ). «Реакторы на быефых ней фонах» (Обнинск 2009г): «7-я Курчаювская молодежно-научная школа» (Москва 2009г): «18lh International Conference On Nuclear Engineering (ICONE18)» (Китай. Ксиан 2010i ). «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 201 Ог ). «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 201 1г). «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 201 31 ). «11-я Курчатовская молодежно-научная школа» (Москва 201 3г ). «13-я международная молодежная научно-техническая конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2013г). «21я International Conference On Nuclear Engineenng (1CONE21)» (Китай. Ченгду 201 Зг)

Результаты исследований, выполненных автором лично или при его непосредственном участии, опубликованы в статьях в журнале «Атомная энергия» (1). в журнале «Ядерная энергешка» (6). в журнале «Вопросы атомной науки и техники» (3). в журнале «Вестник машиной роения» (1) Получено 19 па1ентов. 8 из которых по теме диссертации. Всего опубликовано 37 печатных работ по теме диссертации.

Автор выражает благодарность дт.н. профессору A.B. Безносову осуществлявшему научное руководство этой работой и предоставившему автору все условия для научной деятельности, коллективу кафедры «АТС» НГТУ за помощь в работе и заведующему кафедрой д г н.. профессору Дмитриеву СМ за поддержку в работе

Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения. Объем работы составляет 177 страниц. 105 рисунков. 3 таблицы. 2 приложения список использованных источников из 57 наименований, в том числе 27 работ автора

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется научная новизна и практическая значимость работы

В первой главе анали шруется свойава ТЖМТ. впияющие на кавитацию, опьп создания и paöoibi ГЦН РУ со свинец-висмуювым теплоносителем Проводится теоретический анализ на основе которого делается вывод о невозможности возникновения традиционной кавитации в ГЦН РУ с ТЖМТ

Во вюрой главе приводиiся описание экспериментальных установок для проведения исследований кавитации, созданных автором лично под его руководством и при его непосредственном участии

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

В четвертой главе приведены резулыапд экспериментальных исследований навигационных характерно ihk в циркуляционном контуре стенда 2009-302ФТ-НК с центробежным насосом, подтверждающие невозможность традиционной кавитации в условиях РУ с ТЖМТ

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований условий возникновения кавитации и кавитационных характеристик в циркуляционном контуре стенда Ф Г-3 с центробежным насосом, позволившие обоснованно, тремя независимыми vieiодами определить характеристики кавитационных процессов в ТЖМТ

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований условий возникновения кавитации и кавитационных характеристик в циркуляционном контуре аенда ФТ-4А с осевым насосом, подi вердившем невозможноеi ь традиционной кавитации

В седьмой главе приведены результаты кавитационных испытаний моделей ГЦНА РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО на стенде ФТ-4 НГТУ с осевым насосом

В восьмой главе представлен массив экспериментальных данных характеристики эрозионного воздействия поIока ТЖМТ на конструкционные материалы в результате воздействия кавитации, а также специфичного взаимодействия потока ТЖМТ (с локальным понижением давления в нем) и несмачиваемой 1еппоносителем стенки конструкционного материала

1 Аналп I ический обзор. Необходимое I ь определения кавитационных характеристик тяжелых жидкометаллических теплоносителей

1.1 Сущность явления кавтации

Традиционное понятие кавитации, в лопастных насосах, объединяющее характеристики перекачиваемой среды и конструктивные особенности конкретного лопастного насоса и в других элементах контура

Различные специалисты дают несколько разные определения 1ермину «кавитация».

В.Я. Карелин - «Кавитация представляет собой нарушение сплошности течения жидкости, которое происходит в тех участках потока, где давление, понижаясь, достигает некоюрою кришческою значения Эго1 процесс сопровождаем образованием большого количества пузырьков, наполненных, преимущественно парами жидкости, а также газами, выделившимися из раствора» [9].

Михайлов А.К.. Малюшенко В.В. - «Кавшация является гидродинамическим явлением и зависит от гидродинамических качеств органов машины и физических свойство жидкоеIи. Кавшация обычно начинаем при падении давления до значения равного или меньшего давления упругости насыщенного пара и сопровождается нарушением сплошности потока с образованием полостей, насыщенных паром и растворенными в жидкости газами... Вскипание жидкости при кавитации является термодинамическим процессом, определяемым свойствами жидкоеIи давлением. 1емпера1\рой. скрьиой юплотой парообразования, теплоемкоеIыо» |10]

В.В. Рождественский - «Кавитация - явление разрыва капельной жидкости под действием рас 1Я1 ивающих напряжений, возникающих при разрежении в рассматриваемой точке жидкости При разрыве капельной жидкое!и образуются полости - кавитационные пузырьки, заполненные паром, газом или их смесью... При попадании в область повышенного давления кавитационный пузырек не всегда схлопывается: он может лишь уменьшиться в размере вследствие сжимаемости газа» [11].

Арзуманов Э.С. - «Под кавитацией, в общем смысле слова, понимают появление в капепьной жидкости областей (каверн), заполненных парами или газами, выделившимися из жидкости. . Многочисленными исследованиями [А7 - 9] установлено, что на возникновение кавшации. в основном влияют следующие факторы:

- сопротивление жидкоеIи растягивающим напряжениям.

- содержание рассоренного газа в жидкости и. 1ак называемых ядер кавшации (те. субмикроскопических скоплений газа от 0.1 до 10 мкм):

- некоторые физические и термодинамические свойства жидкости (поверхностное натяжение, давление насыщенных паров, вязкость и др.):

- время прохождения жидкости через зону пониженного давления» [12].

A.A. Ломакин - «. процесс вскипания и последующей конденсации в потоке жидкости, сопровождающийся гидравлическими ударами и носит название кавитации.... Кавитация вызывает разрушение лопастных колес и других деталей, уменьшает кпд. напор и подачу насоса. При сильном развитии кавитации насос полностью отказывает в работе - срывает» [13|.

В М. Будов - «Явление кавитации в текущей жидкости возникает в тех случаях, когда статическое давление в какой-либо области потока падает ниже давления насыщенного пара жидкое i и. можно полагать, чю характер процесса кави!ации в текущей жидкости зависит о г абсолютных уровней счатческих давлений в потоке до и после зоны кавитации. . во многих конкрешых случаях возникновение и развише кавитации, а также последствия могут в сильной степени зависеть и от ряда других факторов: времени пребывания частиц жидкости в юне с пониженным давлением, температуры жидкости, ее плотности, поверхностного натяжения, вязкости, количеспза растворенного в ней газа, ее 1ермодинамических свойс1в. режима течения поюка (ламинарного или турбулентного) и т.д.» 114].

Т.М. Башта и др. - «... местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке, называется кавитацией» [15]

Дру1иеавюры (16-21| приводя! аналогичные определения явлению кавигации.

Пракшчески во всех определениях признаком кавитации признается нарушение сплошности, разрыв в поiоке капельной жидкости с формированием пузырей, каверн и др. движущихся с потоком жидкости и затем схлопывающихся. Применительно к лопасшым насосам в расчетах, связанных с рассмотрением кавитационных режимов их работы, в качестве условия возникновения кавитации принимается достижение в межлопаточном пространстве критического давления. При этом в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, принимают давление, насыщенных паров жидкости при данной температуре.

Согласно ГОСТ 6134-87 «Насосы динамические. Методы испытаний» за начало кавитации принимают режимы работы насоса, при котором его напор уменьшился на 2%

Анализ литературы показывает, что все авторы при рассмотрении кавитации в насосах в явном или в неявном виде во всех случаях в качестве перекачиваемых жидкоеiей принимаюi вод\ или близкие к ней по физическим свойспзам жидкости (растворы солей, органические соединения и др.). В достаточно редких случаях рассмотрения расчетов проточной части насосов, отличающихся от воды - ор!анических жидкостей' нефти, керосина, бензина и др. о i личия их свойств Ol воды учитываются эмпирическими коэффициешами. Значения

плотности перекачиваемой среды принимаются для фактических перекачиваемых жидкостей. Расчеты кави 1ационных и других характеристик производятся по эмпирическим формулам, полученным при испытаниях на воде, несмотря на ю. чю ли же авторы признают, что на процессы кавитации влияюi термодинамические свойства жидкости, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение и др Практически все методики расчета проточной части, предлагаемые авторами [9 - 21] игнорируют различие физических свойств перекачиваемых сред, кроме плотности, вязкости, давления насыщенных паров, используя общие, единые для всех эмпирические зависимости

Рассмотрим подробнее процесс традиционной кавитации, согласно определению В Я Карелина Кавитация представляет собой нарушение сплошности течения жидкости, которое происходит в тех участках потока, где давление, понижаясь, достигает некоторого критического значения Этот процесс сопровождается образованием большого количества пузырьков, наполненных преимущественно парами жидкости, а также газами, выделившимися из раствора Находясь в области пониженного давления, пузырьки paciyT и превращаются в бопыпие кави 1ационные пузыри-каверны Затем пушри уносятся движущейся жидкостью в область с давлением выше критического, где разрушаются практически бесследно в результате конденсации заполняющего их пара. Таким образом, в потоке создается довольно четко ограниченная кавитационная юна. заполненная движущимися пузырьками.

Критическое, с точки зрения возникновения кавтации. давление определяется физическими свойствами жидкости и в зависимости от ее состояния может изменяться в довольно значительных пределах. Тем не менее в практических расчетах, связанных с рассмотрением кавит анионных режимов работы гидравлических машин, в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, обычно принимают давление рп<и, насыщенных паров жидкости при данной температуре

Изменение структуры потока, вызванное кавитацией, приводит к изменениям режима работы данной гидравлической машины Эти изменения принято называть последствиями кавитации

Проточная часть гидравлических машин представляет собой сочетание направляющих поверхностей, предназначенных для управления потоком жидкости Кавитационная зона, возникающая на такой поверхности, изменяет ее эффективную форму и. следовательно, изменяет путь потока Практически во всех случаях такие изменения нежелательны и сопровождаются дополнительными потерями энергии В сочетании с затратами энергии на образование, развитие и разрушение кави гационных пузырьков это приводит к тому, что снижение дтерт ет ических параметров (подачи, напора) и уменьшение коэффициента полезного

действия являются прямым с недавнем возникновения кавитации в любой гидравлической машине

Образование кави 1ационны\ зон в межлопастных каналах колес гидравпических машин и вызываемое ими изменение плотности рабочей среды приводит в ряде случаев к возникновению дисбаланса, деформациям вала и неравномерному изнашиванию направляющих подшипников Неизбежное в этих условиях увепичение за юра между вращающимся колесом и неподвижными эпементами корпуса вызывает увеличение объемных потерь и снижение знер|егических параметров машины

В подавляющем большинстве спучаев кавитация сопровождается разрушением поверхносш. на которой возникают и некоторое время сущеавукл кавитанионные пузыри Эю разрушение являющееся одним из самых опасных последствий кавитации, называют кавитационной эрозией Механические повреждения рабочих органов гидравпических машин в результате кави ¡ационной эрозии могу! за относительно коро1Кий срок достшнуть размеров, затрудняющих их нормальную экснлуа!ацию и даже делающих ее практически невозможной

Влияние кавитации на рабо!у гидравлической машины не постоянно и зависит о г стадии ее развития Депение процесса развития кавитации на различные стадии в известной мере \споено. однако принят разпича!ь начальную чааично развившуюся и попноаыо развившуюся кавигаиию|9|

Начальная кавитация характеризуется слабым усилением шума, наличием небольшою количества кавитционных пузырей, которые образуют неустойчивую навигационную зону Как правипо. на этой аадии внешние характеристики ) идравлической машины практически не изменяю 1 ся

Чааично развившаяся кавитация характеризуется наличием устойчивой кавитационнои зоны определенных размеров, которая изменяет эффективную форму направпяющей поверхности и стесняет живое сечение потока ПроисходиI местное повышение скорости 1ечения. появляются вюричные движения жицкости Из-за увеличения потерь энергии ухудшакмея внешние харамерисгики машины значи1епыю усипиваася шум. появпяася вибрация

При полное I ыо развившейся кавитации наступает «срыв» работы данной гидравлической машины Внешние характеристики ее аановягся совершенно неприемпемыми Работа машины в усповиях полностью развившейся кавитации сопровождается шумом, шпенсивной вибрацией и как правипо не поддается управлению

1.2 Специфические свойства ТЖМТ, влияющие на возникновение и развшие кавитации

Одним из факторов, определяющих кавитационые характеристики каждого конкретного лопастного насоса, являются физические свойства перекачиваемой жидкости. Условием возникновения кавитации принято считать [9 - 21] досшжение в локальных областях транспортируемого потока в насосе пониженного давления, равного давлению, при котором нарушается сплошность перекачиваемой среды и происходит образование новой фазы, имеющей существенно меньшую плотность, чем перекачиваемая жидкость. Это условие можно счи131ь наиболее общей формулировкой кавитации, но определи 1ь его возможно только в результате соответствующих кави гационных испытаний. Наиболее понятным, простым условием возникновения кавитации, в явном или в неявном виде принимаемым всеми авторам является условие снижения давления в потоке до вскипания - образования паровых пузырей. Эта величина - давление насыщенного пара легко и просто определяется из соответствующих справочников, таблиц состояния жидкости.

Кавитационные характеристики свинцового и свинец-висмутового теплоносителей существенно отличаются от таковых у других теплоносителей ядреных реакторов, таких как вода и натрий.

К специфичным свойствам свинцового теплоносителя, определяющим процесс кави1ации в лопаетых насосах, относятся [221

- низкое давление насыщенного пара 1.44х 10"17 Па при / = 127 °С. 5.38*10^ Па при I = 527 °С:

- высокая температура кипения /КШ| = 1750 °С при атмосферном давлении, в условиях реакторного контура - больше:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Боков, Павел Андреевич, 2015 год

Список использованных источников

| Г|. Черепнин Ю.С. Новый век - новый этан в атомной энергетике // Открытое акционерное общество Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени H.A. Доллежаля ОАО «НИКИЭТ»: URL: http://wvvw.nikiet.ru/rus/publications/new_age.html.

|'2|. Безносов A.B.. Мелузов А.Г.. Новожилова О.О., Ефанов А.Д. Экспериментальное исследование характеристик проточной части жидкометаллической мишени на свинцово-висмутовом сплаве / A.B. Безносов, А.Г. Мелузов, 0.0. Новожилова, А.Д. Ефанов // Атомная энергия. - 2007. - Т. 103. вып.З. - С. 1 86-192.

|'3 |. Безносов, A.B. Экспериментальные исследования условий незатекакния теплоносителя в полость патрубка подвода частиц от ускорителя жидкометаллической мишени УУС / A.B. Безносов, А.Г. Мелузов, 0.0. Новожилова: Тез. докл. Межведомственный семинар «Теплофизика-2007» Тепломассоперенос и свойства жидких металлов,- Обнинск, 2007,-С.99-100.

|4|. Безносов A.B., Мелузов А.Г., Новожилова 0.0., Бокова Т.А. Конструктивные схемы жидкометаллических мишеней, сообщенных с полостью ускорителя / A.B. Безносов. А.Г. Мелузов. 0.0. Новожилова, Т.А. Бокова: Тез. докл. третьей межотраслевой научно-практической конференции Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-2008).- Обнинск, 2008,- С.33-36.

[5]. Орлов. В.В. Новый этап ядерной энергетики и быстрые реакторы, охлаждаемые свинцом / В.В. Орлов // Ядерное общество СССР. Информационный бюллетень. - 1991. № 3 (10).-С.6.

[6]. Адамов Е.О. Развитие атомной энергетики на базе новых концепций ядерных реакторов и топливного цикла / Е.О. Адамов, В.В. Орлов: Тез. докл. конференции Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях,- Обнинск. 1998.- С. 15.

[7|. Митенков Ф.М.. Главные циркуляционные насосы АЭС / Ф.М. Митенков. Э.Г. Новинский, В.М. Будов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 376 е.: ил.

[8]. Бабин В.А. Предупреждение кавитационной эрозии проточных частей натриевых насосов / В.А. Бабин, Ф.М. Митенков. Э.Г. Новинский В.М. Попов: Тез. докл. международной конференции по кавитации в насосах с натриевым теплоносителем.-Австрия. Вена, 1985.

|9]. Карелин В.Я. Кави гационные явления в центробежных и осевых насосах. / В.Я. Карелин - М.: Машиностроение. 1975.

Михайлов А К Лопасшые насосы Теория, расча и конструирование / А К Михайлов. В В Малюшенко -М Машиносфоение 1977

Рождественский В В Кавшация / В В РождесIвенский - Л-д Судостроение. 1977 Арзуманов ЭС Кавшация в местных гидравлических сопротивлениях / ЭС Арзуманов-М Энер1ия. 1978

Ломакин А А Цешробежные и осевые насосы / А А Ломакин - М - Л-д Машиностроение. 1966

Будов В М Насосы АЭС /В М Будов - М Энергоатомиздат, 1986

Башта 1 М Гидравлика, гидромашины и I идроприводы учебник для вузов /

ГМ Башта. С С Руднев. Б Б Руднев -М Машиностроение. 1982 -423 с

Стпанов А И Центробежные и осевые насосы / А И Степанов - М Машиностроение.

1960

Папир АН Водомешые движители малых супов / АН Папир - Л Судостроение. 1970

Левковскип 10 Л Сф\м\ра кави итциопных течений / ЮЛ Левковский - Л Судосфоение. 1977

Пфлейцерер К Лопасшые машины для жидкостй и газов / К Пфлейдерер - М Мапп из. 1960

Певзнер БМ Суювые центробежные и осевые насосы / БМ Певзпер - Л Судостроение. 1964

Перник АД Проблемы кавитации / АД Перник-Л Судостроение. 1966 Безносов А В 1яжелые жидкометаллические теплоносители в атомной энергетике / А В Безносов. Ю Г Драгунов. В И Рачков - М ИздАТ 2006 - 370 с ил Громов БФ Создание РУ со свинцово-висм\ ювым 1еппоноси гелем для АПЛ Крапая исюрия Обобщенные итоги эксплуатции / БФ Громов [и др ] // Тяжелые жидкометаллические 1еплонсои 1ели в ядерных технолотях ТЖМ 1 - 92 док л Конф ГН1Д РФ ФЭИ-Обнинск 1998

Экспериментальное определение характеристик разрыва свинцового теплоносителя в ф\бопроводе в статических условиях отчет о НИР (промежуточ ) / Нижегородский I ос\дарственный 1с\ничсскии универста им РГ Алексеева. р\ к А В Безносов -ННовтрод 2009 - Исполн ГА Бокова ВЕ Серов. ПА Боков. МА Антоненков СЮ Савинов -№ГР 01200903256

Боков П А Эксперменталыюе исследование условий возникновения и характернаики ыювоп кавшацип в иоюке евппновою 1епюносигеля инновационных ядерных

реакторов на быстрых нейтронах / П.А. Боков [и др.] // Известия высших учебных заведений Ядерная энергсгика.2012.№2 с.85-94

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

[27] Боков П.A Peculiarities of hydrodynamics of lead and lead-bismuth coolant flows of reactor loops / П.А. Боков [и др.I // ICONE 18 докл Конф. Китай - Ксиан 2010

[28] Проектирование рабочего колеса макетного образца осевого насоса. Резулыапл эксперимен[альных исследований но теме- Определение кавитационных характеристик макептого образца осевою насоса для циркуляции высокотемпературного свинцового теплоносителя Научно-техническая проработка темы, разработка документации и монтаж циркуляционных трубопроводов испытательного стенда: отчет о НИР (промежуточ ) / Е1ижегородский государственный технический университа им. Р Е. Алексеева: рук. A.B. Безносов. - Н.Новгород. 2009. - Исполн.: Т.А. Бокова. В 11 Серов. Г1.А. Боков. M А. Антоненков.

|29] Экспериментальное определение кавитационных характеристик свинцовою 1сплоносителя: определение характернаик каналов ГСП ГЦН применительно к РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО но 1еме Tcxhojioi ия и оборудование кошуров инновационных реакдоров на быарых ней фонах, охлаждаемых ТЖМТ: oinei о НИР (промежуюч ) / Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева, рук А В. Безносов. - Н.Новгород. 2009 - Исполн/ Т.А. Бокова. А.Г. Мелузов. П.А Боков и др

(30) Боков Г1.А Особенности создания проточных частей главных циркуляционных насосов РУ с ТЖМТ / Г1.А. Боков [и др.] // Всероссийская научная школа для молодежи «Реакторы на быарых нейтронах», докл. Конф. ГНЦ РФ ФЭИ - Обнинск 2009.

|31] Боков П.А. Исследование приграничного течения ТЖМТ в не смачиваемых каналах / 11 А Боков [и др ] // 7-я Курчатовская молодежная научная школа: докл. Конф Москва 2009г.

|32| Боков IIA Особенности гидродинамики свинцового и свинцово-висмутового 1еплоноситслей / П А. Боков [и др.] //Журнал «Атомная энергия». № 2. Том 109. Двг\а 2010. С 72-77

[331 Экспериментальные исследования особенностей гидродинамики свинцового и свиицово-висмугового теплоносителей / А В. Безносов. П А Боков. Т.А. Бокова [и др.] // Аюмная энергия -М.. 2010 - I 108. вып.3 -С 230-232.

[34| Боков П.А 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

|35] Боков Г1.А. 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 [36] Боков П А. 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 [37| Исследовательские испы/апия кави¡анионных харакюриаик моделей ГЦН РУ БРЕС1-ОД-ЗОО на сгенде Ф Г-4 НГ 1У по 1еме: Проведение испытаний моделей проточной часпт ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО на установке со свинцовым теплоносителем в обосновании проекта ГЦНА: отчет о НИР / Нижегородский государственный технический универси1ет им. P.E. Алексеева: рук A.B. Безносов - H Новгород. 2009. - Исполн A.B. Львов. А Д Зудин. П.А. Боков [38]. Исследоватльские испытания напорной и энергетических характеристик моделей ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО на стенде ФТ-4 НГТУ по теме: Проведение испытаний моделей проточной части ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО на установке со свинцовым теплоносителем в обосновании проекта ГЦНА: отчет о НИР / Нижегородский государственный 1ехнический университет им. P.E. Алексеева: рук. A.B. Безносов. - Н.Новгород. 2009. -Исполн. AB Львов. А Д. Зудин. П А Боков. M А Ашоненков. Т.А Бокова |39] Исследова1епьскис испьпания кави 1ационных характериаик моделей ГЦН РУ БРЕС I-ОД-ЗОО на аендс Ф 1-4 НГ 1У по 1еме Проведение исиьианий моделей проточной част ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО на установке со свинцовым теплоносителем в обосновании проекта ГЦНА' отчет о НИР / Нижегородский государственный [ехнический универси гет им Р.Е Алексеева: рук AB Безносов - Н.Новгород. 2009 - Исполн ■ А В Львов. А.Д. Зудин. П.А. Боков [40]. Боков П.А. Исследование гидродинамики течения свинцового и свинец-висмуювого теплоносителей в несмачивающих щелевых каналах применительно в подшипникам насосов РУ / П А. Боков [и др ] // Всероссийская научная школа для молодежи «Реакторы на быарых ней фонах» докл Конф. ГНЦ РФ ФЭИ - Обнинск 2009 [41 I Боков ПА Особенности работы подшипников скольжения в 1яжелы\ жидкомааллических теплоносителях ядерных уаановок / П.А. Боков [и др.] //Журнал-«Вес i ник машиноа роения» март 2009

[421. Боков П.А. 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.

[431. Боков П.А. Особенности работы подшипников скольжения в тяжелых жидкометаллических теплоносителях ядерных энергетических установок / П.А. Боков |и др. ] // Вес i ник маши нос i роения. 2009. № 03. С. 37-41.

(441. Иванов А.Н. Гидродинамика развитых кавитациопных течений / А.Н. Иванов // «Судостроение». 1980г.. 237с.

[451. Экспериментальное обоснование необходимого кавитационного подпора рабочего колеса ГЦН: определение характернаик каналов ГСП ГЦН применительно к РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО по 1еме: !ехнология и оборудование контуров инновационных реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ: отчет о НИР / Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева: рук. A.B. Безносов. -Н.Новгород. 2011. - Исполн.:. П.А. Боков. М.А.Анюненков. Т.А. Бокова. К.А.Махов. М.В.Ярмонов. О.О. Новожилова

[46|. Исследовательские испытания напорной и энергетических характеристик моделей ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО на стенде ФТ-4 НГТУ по теме: Проведение испытаний моделей проточной части ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО на уаановке со свинцовым теплоносителем в обосновании проекта ГЦНА: отчет о НИР / Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева: рук. A.B. Безносов. - Н.Новгород. 2009. -Исполн.: A.B. Львов. А.Д. Зудин. П.А. Боков. М.А.Антоненков. Т.А. Бокова

[47]. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. Голяминой И.Г1. - М.: Соваская энциклопедия - 1979г.

(481. Баранов В.М Акуаические измерения в ядерной энергетике. - М.: Энергоатомиздаi -1990i

|49|. Агранат Б.А.. Дубровин М.Н . Хавский H.H. и др Основы физики ультразвука: Учебное пособие для вузов - М.: Высш. шк\. 1987.

[50|. Агранат Б.А. и др. Ультразвуковая технология. М.: Металлургия. 1974г. 504с.

[511. Боков П.А. Экспериментальное исследование пристенной области «тяжелый жидкометаллический теплоноситель - конструкционный материал» / П.А. Боков [и др.| // Всероссийская научная школа для молодежи «Реакторы на быстрых нейтронах» докл. Конф. ГНЦ РФ ФЭИ - Обнинск 2009

(52|. Боков П.А. Проблемы трибологии трущихся пар в высокотемпературных тяжелых жидкометаллических теплоносителях / П.А. Боков |и др.] // Информационная связь 2009. №4. С. 59-64

|53J Белов. С А Конструкция и экспериментальная отработка натриевых насосов / С А Белов ФМ Митенков ЭГ Новинский и др Тез докл советско-итальянскою семинара - Обнинск 1984

154] Бабин. В А Учет явлений кавитации при проектировании отдельных узлов и оборудования реакторов на быстрых нейтронах / В А Бабин. АС Куроедов. Э1 Новинский Тез докл сове¡ско-французского семинара - Франция. Кадараш. 1978

|55] Боков П А Программа-меюдика кавитационных исследоваюльских испытаний моделей проючной части ГЦН РУ БРЕС1-ОД-ЗОС) на уаановке испьпаний моделей проточной части ГЦН (С1енд ФI-4 НГ1У) на свинцовом теплоносителе / Нижегородский государс i венный 1е\нический универстег им PL Алексеева, рук А В Безносов -HIloBiopoi 2013 - Испопн Боков 11 А

(56] Боков П А Реакторная уаановка / П А Боков (и др J // патент на изобретение 2473984

12 05 201 1

[57] Боков Г1 А Реакторная уаановка /ПА Боков [и др ] // патеш на полезную модель RUS 2011119022 20 11 2012