Исследование условий возникновения и характеристик кавитации в главных циркуляционных насосах реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Боков, Павел Андреевич

• Боков, Павел Андреевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Боков, Павел Андреевич

Содержание

Перечень сокращений, условных обозначений

Введение

1. Аналитический обзор. Необходимость определения навигационных характеристик

тяжелых жидкометаллических теплоносителей

1.1 Сущность 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

1.4 Постановка задач исследований

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

2.1 Установки для определения и наличия газа в ТЖМТ в статических условиях

2.2 Стенд 2009-302ФТ-НК с центробежным насосом НСЦ-05НГТУ для экспериментального подтверждения отсутствия в ТЖМТ традиционной паровой (парогазовой) кавитации и наличие газовой кавитации

2.3 Стенды ФТ-3 и ФТ-ЗА с центробежным насосом НСЦ-04 НГТУ для исследований кавитационных характеристик высокотемпературного 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 ГЦНА РУ БРЕСТ -ОД-ЗОО (стенд ФТ-4 НГТУ) с осевым насосом НСО-01НГТУ

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

3.1 Объемная прочность и ядра кавитации в ТЖМТ

3.2 Экспериментальное определение наличия газа в объеме ТЖМТ в статических условиях

3.2.1 Программа и методика 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 результатов

3.3.4 Выводы

3.4 Исследования наличия газовой (газопаровой) 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 эксперимента

4.2 Изменения характеристик в контуре ТЖМТ при возникновении и развитии процесса кавитации

4.3 Выводы

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

5.1 Сущность исследований кавитационных процессов тремя независимыми методами

5.2 Определение характеристик кавитации в потоке ТЖМТ путем изменения высоты всасывания насоса

5.3 Определение характеристик кавитации в потоке ТЖМТ путем вакуумирования газовой системы контура

5.4 Изменение характеристик потока ТЖМТ в эжекторе (сопле Вентури) при развитии кавитации

5.5 Результаты ревизии проточной части насоса

5.6 Выводы

6 Экспериментальное исследование кавитационных явлений в проточной части осевого насоса на стенде ФТ-4А

6.1 Сущность эксперимента

6.2 Обсуждение результатов

6.3 Выводы

7 Кавитационные 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 испытаний

7.3 Результаты ревизии проточной части насоса после кавтационных испытаний и после испытаний 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 характеристик кавитации в ТЖМТ

8.2 Условия возникновения и характеристики кавитации в среде ТЖМТ

8.3 Эрозионное и корозионно-эрозионное разрушение элементов конструкций в потоке ТЖМТ

Заключение

Список использованных источников

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

Приложение Б Награды лучшего доклада на международной конференции

ICONE

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

АПЛ - атомная подводная лодка

ПБ - плавильный бак

ПГ - парогенератор

ИО - инструкция по обслуживанию

МВ - мановакууметр

Н5 - высота всасывания насоса, мм

п - число оборотов электродвигателя насоса, об/мин

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

Рп - давление насыщенных паров, кгс/см2

Ркр - давление газа в газовой системе, при котором происходит переход к газовой кавитации, кгс/см2 Мкр - крутящий момент, при котором происходит переход к газовой кавитации, Н*м а - термодинамическая активность кислорода

Остальные обозначения поясняются в тексте

6

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 ядерных энерго-технологий на первом этапе их освоения в середине прошлого века осуществлялось на базе военных разработок - технологий получения плутония для создания оружия и ядерных реакторов для атомных подводных лодок. В Советском Союзе была освоена единственная в мире технология проектирования, строительства и эксплуатации реакторных установок с тяжелым жидкометаллнческим теплоносителем (ТЖМТ) - эвтектикой свинец-висмут для атомных подводных лодок с уникальными характеристиками (АПЛ проектов 645, 705 и 705К).

Переход к использовашцо реакторов на быстрых нейтронах, при замыкании топливного цикла, позволяет ядерной энергетике прштять на себя весь требуешлй (по прогнозам WEC) прирост элсктро-производства в течение ближайших десятилетий. При этом автоматически выполняются требования Киотского протокола и стабилизируются на любом заранее заданном уровне выбросы парниковых газов, связанные с электроэнергетикой [1]. Европейское сообщество интенсивно продвигает работы по созданию ускорительно управляемых систем с жидкометаллическими мишенями, в которых используется эвтектический сплав свинец-висмут для трансмутации долгоживущих радионуклидов и для других целей [2 - 4]. Повышение требований к безопасности и надежности работы ядерных реакторов побуждают к поиску новых теплоносителей, обладающих преимуществами по сравнению с традиционными (вода, натрий и др.). Одним из таких теплоносителей является жидкий свинец. Жидкий свинец по своим физико-химическим свойствам блгоок к эвтектическому сплаву свинец-вислгут, с которым накоплен большой опыт работы не только в условиях лаборатории, но и в промышленности.

Разрабатываются проекты быстрых реакторов, охлаждаемых свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями, показавшие перспективность этого направления в плане создания реакторов повышенной безопасности и экономичности [5, 6]. Создаваемые проекты требуют обоснования проектных решений и среди них проведения ряда экспериментальных исследований по уточнению расчетных методик проточных частей лопастных насосов.

Актуальность темы работы. Процессы кавитации в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в главных циркуляционных насосах контуров инновационных установок с реакторами на быстрых нейтронах определяют ресурсную работоспособность ГЦН, что в свою очередь определяет безопасность н экономшпшеть РУ. Кавитационные явления могут возникать в других элементах реакторного контура, влияя на их работоспособность. Физические свойства ТЖМТ существенно отличаются от свойств традиционных теплоносителей, кавитационные характеристики ТЖМТ до выполнения настоящей работы практически не были Исследованы. Создаваемые в РФ, в настоящее

время, проекты БРЕСТ-ОД-ЗОО и СВБР-100 проектные решения их ГЦН требуют обоснования. Отсутствие обоснованных кавитационных характеристик ТЖМТ усложняет и удлиняет сроки создания оптимальных технических решений ГЦН для РУ с этими теплоносителями. Имеющиеся расчетно-теоретические исследования процессов кавитации в свинцовом теплоносителе вследствие принимаемых допущений не могут быть использованы в инженерной практике.

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

Задачи работы. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- проведешю анализа накопленного в исследуемой области информационного материала;

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

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

- экспериментальное определение характеристик кавитации в потоке высокотемпературного ТЖМТ применительно к условиям контуров с реакторами на быстрых нейтронах;

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

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

- проведетш экспериментальных исследовашш наличия газовой фазы в свинцовом теплоносителе.

Научная новизна работы заключается в открытии нового неизвестного ранее явления газовой кавитации в ТЖМТ, в разработке методических основ проведения кавитационных испытаний, в получении массива экспериментальных данных по определению кавитационных характеристик ТЖМТ. Впервые проведены комплексные исследования кавитационных

процессов на модели проточной части ГЦН РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО в контуре со свинцовым теплоносителем при расходах ок. 150 м3/ч, температура 440-550°С и термодинамически активного кислорода в свинце в диапазоне 10"5... 10°. Экспериментально было доказано отсутствие традиционной кавитации и наличие т.н. газовой кавитации в насосах, перекачивающих свинцовый теплоноситель в условиях контуров с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ.

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

Практическая зпачимость работы: Результаты работы явились обоснованием существенного (более чем на 2м) уменьшения проектной длинны вала ГЦН РУ СВБР-100. Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических данных работы использованы для обоснования проектных и эксплуатационных решении 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 «Оборудовать энергетических контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями в атомной энергетике» - Нижний Новгород, 2012-536с.

Основпые положения, выносимые на защиту

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

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

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

- Массив экспериментальных данных условий возникновения, характера и характеристик процессов кавитации, позволивших обосновать новое, неизвестное ранее явление газовой кавитации в ТЖМТ. Эти данные позволяют более обоснованно разрабатывать проектную и

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

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

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

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

Апробация работы и публикации: Результаты работы докладывались на международных и отечественных конференциях и семинарах: «14-я Нижегородская сессия молодых ученых» (Нижний Новгород 2009г.); «9-я международная молодежная научно-техническая конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2009г.); «Реакторы на быстрых нейтронах» (Обнинск 2009г.); «7-я Курчатовская молодежно-научная школа» (Москва 2009г.); «18th International Confcrcncc On Nuclear Engineering (ICONE 18)» (Китай, Ксиан 2010г.); «8-я Курчатовская молодежно-научная школа» (Москва 2010г.); «10-я международная молодежная научно-техническая конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2010г.); «15-я Нижегородская сессия молодых ученых» (Нижний Новгород 2010г.); «9-я Курчатовская молодежно-научная школа» (Москва 2011г.); «11-я международная молодежная научно-техническая конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2011г.); «16-я Нижегородская сессия молодых ученых» (Нижний Новгород 2011г.); «10-я Курчатовская молодежно-научная школа» (Москва 2012г.); «12-я международная молодежная научно-техническая конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2012г.); «Теплофнзика-2012» (Обнинск 2012г.); «17-я Нижегородская сессия молодых ученых» (Нижний Новгород 2013г.); «11-я Курчатовская молодежно-научная школа» (Москва 2013г.); «13-я международная молодежная научно-техническая конференция Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2013г.); «21st International Confcrcncc On Nuclear Engineering (ICONE21)» (Китай, Ченгду 2013г.).

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

Автор выражает благодарность д.т.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.т.н., профессору Дмитриеву С.М. 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 анализируется свойства ТЖМТ, влияющие на кавитацию, опыт создания и работы ГЦН РУ со свинец-висмутовым теплоносителем. Проводится теоретический анализ на основе которого делается вывод о невозможности возникновения традиционной кавитации в ГЦН РУ с ТЖМТ.

Во второй главе приводится 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 исслсдовашш наличия газовой фазы в ТЖМТ.

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

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований кавитационных характеристик в циркуляционном контуре стенда ФТ-4А с осевым насосом, подтвердившем невозможность 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 представлены условия возникновения, характеристики и эрозионные воздействия процесса газовой кавитации в потоке ТЖМТ.

1 Аналитический обзор. Необходимость определения кавитационных характеристик тяжелых жидкометаллическнх теплоносителей

1.1 Сущность явления кавитации

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 термину «кавитация».

В.Я. Карелин - «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» [9].

Михайлов А.К., Малюшенко В.В. - «Кавитация является гидродинамическим явлстшсм и зависит от гидродинамических качеств органов машины и физических свойство жидкости. Кавитация обычно начинается при падении давления до значения равного или меньшего давления упругости насыщенного пара и сопровождается нарушением сплошности потока с образовашюм полостей, насыщенных паром и растворенными в жидкости газами... Вскипание жидкости при кавитации является термодинамическим процессом, определяемым свойствами жидкости: давлением, температурой, скрытой теплотой парообразования, теплоемкостью» [10].

В.В. Рождественский - «Кавитация - явление разрыва капельной жидкости под действием растягивающих напряжений, возникающих при разрежении в рассматриваемой точке жидкости. При разрыве капельной жидкости образуются полости - кавитационные пузырьки, заполненные паром, газом или их смесыо.... 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 капельной жидкости областей (каверн), заполненных парами или газами, выделившимися из жидкости... Многочисленными исследованиями [А7 — 9] установлено, что на возникновение кавитации, в основном влияют следующие факторы:

- сопротивление жидкости растягивающим напряжениям;

- содержание растворенного газа в жидкости и, так называемых ядер кавитации (т.е. субмикроскопичсских 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 конденсащш 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].

B.М. Будов — «Явление кавитации в текущей жидкости возникает в тех случаях, когда статическое давление в какой-либо области потока падает ниже давления насыщенного пара жидкости... можно полагать, что характер процесса кавитации в текущей жидкости зависит от абсолютных уровней статических давлений в потоке до и после зоны кавитации... во многих конкретных случаях возникновение и развитие кавитации, а также последствия могут в сильной степени зависеть и от ряда других факторов: времени пребывания частиц жидкости в зоне с пониженным давлением, температуры жидкости, ее плотности, поверхностного натяжения, вязкости, количества растворенного в ней газа, ее термодинамических свойств, режима течения потока (ламинарного или турбулентного) и т.д.» [14].

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].

Другие авторы [16 - 21] приводят аналогичные определения явлению кавитации.

Практически во всех определениях признаком кавитации признается нарушение сплошности, разрыв в потоке капельной жидкости с формированием пузырей, каверн и др. движущихся с потоком жидкости и затем схлопывающихся. Применительно к лопастным насосам в расчетах, связанных с рассмотрением кавитационных режимов их работы, в качестве условия возникновения кавитации пршпшается достижешю 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 динашпгеские. 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 жидкостей принимают воду или близкие к ней по физ1гческим свойствам жидкости (растворы солей, органические соединения и др.). В достаточно редких случаях рассмотрения расчетов проточной части насосов, отличаюпщхся от воды — органических жидкостей: нефти, керосина, бензина и др., отличия их свойств от воды учитываются эмпирическими коэффициентами. Значения

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

Рассмотрим подробнее процесс традиционной кавитации, согласно определению ВЛ.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 растут и превращаются в большие навигационные пузырн-каверны. Затем пузыри уносятся движущейся жидкостью в область с давлением выше критического, где разрушаются практически бесследно в результате конденсации заполняющего их пара. Таким образом, в потоке создастся довольно четко ограниченная навигационная зона, заполненная движущимися пузырьками.

Критическое, с точки зрения возникновения кавитации, давление определяется физическими свойствами жидкости и в зависимости от се состояния может изменяться в довольно значительных пределах. Тем не менее в практических расчетах, связанных с рассмотрением кавитационных режимов работы гидравлических машин, в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, обычно принимают давление рПаР 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 манит 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 дополшггельными потерями энергии. В сочетании с затратами энергии на образование, развитие и разрушение кавитационных пузырьков это приводит к тому, что снижение энергетических параметров (подачи, напора) и уменьшение коэффициента полезного

действия являются прямым следствием возникновения кавитащш в любой гидравлической машине.

Образование кавитационных зон в межлопастных каналах колес гидравлических 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 увеличение зазора между вращающимся колесом и неподвижными элементами корпуса вызывает увеличение объемных потерь и снижение энергетических параметров машины.

В подавляющем большинстве случаев кавитация сопровождается разрушением поверхности, на которой возникают и некоторое время существуют кавитационные пузыри. Это разрушение, являющееся одним из самых опасных последствий кавитации, называют кавитационной эрозией. Механические повреждения рабочих органов гидравлических машин в результате кавитационной эрозии могут за относительно короткий срок достигнуть размеров, затрудняющих их нормальную эксплуатацию и даже делающих ее практически невозможной.

Влияние кавитации на работу гидравлической машины не постоянно и зависит от стадии ее развития. Деление процесса развития кавитации на различные стадии в известной мере условно, однако принято различать начальную, частично развившуюся и полностью развившуюся кавитацию[9].

Начальная кавитация характеризуется слабым усилением шума, наличием небольшого количества кавитационных пузырей, которые образуют неустойчивую навигационную зону. Как правило, на этой стадии внешние характеристики гидравлической машины практически не изменяются.

Частично развившаяся кавитация характеризуется наличием устойчивой кавитационной зоны определенных размеров, которая изменяет эффективную форму направляющей поверхности и стесняет живое сечение потока. Происходит местное повышение скорости течения, появляются вторичные движения жидкости. Из-за увеличения потерь энергии ухудшаются внешние характеристики машины; значительно усиливается шум, появляется вибрация.

При полностью развившейся кавитации наступает «срыв» работы данной гидравлической машины. Внешние характеристики се становятся совершенно неприемлемыми. Работа машины в условиях полностью развившейся кавитации сопровождается шумом, интенсивной вибрацией и, как правило, не поддается управлешпо.

1.2 Специфические свойства ТЖМТ, влияющие па возникновение и развитие кавитации

Одним из факторов, определяющих кавитационые характеристики каждого конкретного лопастного насоса, являются физические свойства перекачиваемой жидкости. Условием возникновения кавитации принято считать [9 - 21] достижение 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 считать наиболее общей формулировкой кавитации, но определить его возможно только в результате соответствующих кавитационных 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 кавитации в лопастных насосах, относятся [22]:

- низкое давление насыщенного пара 1,44х10"17Па при /= 127 °С, 5,38х10~5Па при /= 527 °С;

- высокая температура кипения /К1Ш = 1750 °С при атмосферном давлении, в условиях реакторного контура - больше;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Боков, Павел Андреевич, 2014 год

Список использованных источников

Черепнин Ю.С. Новый век - новый этап в атомной энергетике // Открытое акционерное общество Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени H.A. Доллежаля ОАО «НИКИЭТ»: URL: http://wvw.nikict.ni/ms/publications/new_age.html.

Безносов A.B., Мелузов А.Г., Новожилова О.О., Ефанов А.Д. Экспериментальное исследование характеристик проточной части жидкометаллической мишени на свшщово-висмутовом сплаве / A.B. Безносов, А.Г. Мелузов, О.О. Новожилова, А.Д. Ефанов//Атомная энергия. - 2007. - Т. 103, вып.З. - С. 186-192.

Безносов, A.B. Экспериментальные исследования условий нсзатекакния теплоносителя в полость патрубка подвода частиц от ускорителя жидкометаллтгчсской мтпнени УУС / A.B. Безносов, А.Г. Мелузов, О.О. Новожилова: Тез. докл. Межведомственный семинар «Теплофизика-2007» Тепломассоперенос и свойства жидких металлов — Обнинск, 2007,-С.99-100.

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

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.

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. Митенков Ф.М., Главные циркуляционные насосы АЭС / Ф.М. Митенков, Э.Г. Новинский, В.М. Будов. -М.: Энергоатомиздат, 1989. - 376 е.: ил. Бабин В.А. Предупреждение кавитациошюй 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.

Карелин В.Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах. / В.Я. Карелин -М.: Машиностроение, 1975.

[10]. Михайлов A.K. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование / А.К. Михайлов,

B.В. Малюшсико. -М.: Машиностроение, 1977.

[11]. Рождественский В.В. Кавитация. / В.В. Рождественский - Л-д.: Судостроение, 1977.

[12]. Арзуманов Э.С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях. / Э.С. Арзуманов —М.: Энергия, 1978.

[13]. Ломакин A.A. Центробежные и осевые насосы. / A.A. Ломакин - М. - Л-д.: Машиностроение, 1966.

[14]. Будов В.М. Насосы АЭС. /В.М. Будов - М.: Энергоатомиздат, 1986.

[15]. БаштаТ.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Руднев. - М.: Машиностроение, 1982.-423 с.

[16]. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. / А.И. Степанов - М.: Машиностроение, 1960.

[17]. Папир А.Н. Водометные движители малых судов. / А.Н. Папир - Л.: Судостроение, 1970.

[18]. Левковский Ю.Л. Структура кавитационных течений. / Ю.Л. Левковский - Л.: Судостроение, 1977.

[19]. Пфлейдерер К. Лопастные машины для жидкостей и газов. / К. Пфлейдерер - М.: Машгиз, 1960.

[20]. Псвзнср Б.М. Судовые центробежные и осевые насосы. / Б.М. Псвзнер - Л.: Судострое1ше, 1964.

[21]. Перник, А.Д. Проблемы кавитации. / А.Д. Перник - Л.: Судостроение, 1966.

[22]. Безносов, A.B. Тяжелые жидкомсталлические теплоносители в атомной энергетике / A.B. Безносов, Ю.Г. Драгунов, В.И. Рачков. - М.: ИздАТ, 2006. - 370 е.: ил.

[23]. Громов Б.Ф. Создание РУ со свинцово-висмутовым теплоносителем для АПЛ. Краткая история. Обобщенные итоги эксплуатации / Б.Ф. Громов [и др.] // Тяжелые жидкометаллические теплонсонтели в ядерных технологиях. ТЖМТ - 92: докл. Конф. ГНЦ РФ ФЭИ - Обнинск 1998.

[24]. Экспериментальное определение характеристик разрыва свинцового теплоносителя в трубопроводе в статических условиях: отчет о НИР (промежуточ.) / Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева; рук. A.B. Безносов. -Н.Новгород, 2009. - Исполн.: Т.А. Бокова, В.Е. Серов, П.А Боков, М.А. Антонснков,

C.Ю. Савинов. -№ГР 01200903256.

[25]. Боков П.А. Эксперментальнос исследование условий возникновения и характеристики газовой кавитации в потоке свинцового теплоносителя инновационных ядерных

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

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

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

[28]. Проектирование рабочего колеса макетного образца осевого насоса. Результаты экспериментальных исследований по теме: Определение кавитационных характеристик макетного образца осевого насоса для циркуляции высокотемпературного свинцового теплоносителя. Научно-техническая проработка темы, разработка документации и монтаж циркуляционных трубопроводов испытательного стенда: отчет о НИР (промежуточ.) / Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева; рук. A.B. Безносов. - Н.Новгород, 2009. - Исполн.: Т.А. Бокова, В.Е. Серов, П.А. Боков, М.А. Антоненков.

[29]. Экспериментальное определение кавитационных характеристик свинцового теплоносителя; определение характеристик каналов ГСП ГЦН применительно к РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО по теме: Технология и оборудование контуров инновационных реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ: отчет о НИР (промежуточ.) / Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева; рук. A.B. Безносов. - Н.Новгород, 2009. - Исполн.: Т.А. Бокова, А.Г. Мелузов, П.А. Боков и ДР-

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

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

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

[33]. Экспериментальные исследования особенностей гидродинамики свинцового и свинцово-висмутового теплоносителей / A.B. Безносов, П.А. Боков, Т.А. Бокова [и др.] // Атомная энергия. - М., 2010. - Т. 108, вып.З. - 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.] // ICONE18 докл. Конф. Китай - Ксиан 2010

[35]. Боков П.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 испытания кавитационных 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 обосноватш проекта ГЦНА: отчет о НИР / Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева; рук. А.В. Безносов. - Н.Новгород, 2009. - Исполн.: А.В. Львов, А.Д. Зудин, П.А. Боков

[38]. 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 установке со свинцовым теплоносителем в обосновании проекта ГЦНА: отчет о НИР / Нижегородский государственный техштеский университет им. Р.Е. Алексеева; рук. А.В. Безносов. - Н.Новгород, 2009. -Исполн.: А.В. Львов, А.Д. Зудин, П.А. Боков, М.А.Антоненков, Т.А. Бокова

[39]. Исследовательские испытания кавитациошйк 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 технический университет им. Р.Е. Алексеева; рук. А.В. Безносов. - Н.Новгород, 2009. - Исполн.: А.В. Львов, А.Д. Зудшг, П.А. Боков

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

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

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

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

[44]. Иванов А.Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений / А.Н. Иванов // «Судостроегше», 1980г., 237с.

[45]. Экспериментальное обоснование необходимого кавитациошюго подпора рабочего колеса ГЦН; определение характеристик каналов ГСП ГЦН применительно к РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО по теме: технология 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.Антоненков, 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 установке 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. Голямшюй И.П. - М.: Советская энциклопедия - 1979г.

[48]. Баранов В.М. Акустические измерения в ядерной энергетике. - М.: Энергоатомиздат -1990г

[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.

[51]. Боков П.А. Экспериментальное исследование пристешюй области «тяжелый жидкометаллический теплоноситель - конструкционный материал» / П.А. Боков [и др.] // Всеросстшская 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 жидкомсталличсских теплоносителях / П.А. Боков [и др.] // Информационная связь 2009. №4. С. 59-64

[53]. Белов, С.А. Конструкция и экспериментальная отработка натриевых насосов / С.А. Белов, Ф.М. Митенков, Э.Г. Новинский и др.: Тез. докл. советско-итальянского семинара - Обнинск, 1984.

[54]. Бабин, В.А. Учет явлений кавитации при проектировании отдельных узлов и оборудования реакторов на быстрых нейтронах / В.А. Бабин, A.C. Куроедов, Э.Г. Новинский: Тез. докл. советско-французского семинара- Франция, Кадараш, 1978.

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

[56]. Боков П.А. Реакторная установка / П.А. Боков [и др.] // патент на изобретение 2473984

12.05.2011

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