авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Исследование характеристик контактного взаимодействия элементов механизмов в среде высокотемпературных свинцового и свинец-висмутового теплоносителей

-- [ Страница 1 ] --


На правах рукописи

Назаров Антон Владимирович

Исследование ХАРАКТЕРИСТИК КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЗМОВ в среде высокотемпературных свинцового и свинец-висмутового теплоносителей

05.04.11 – Атомное реакторостроение, машины, агрегаты

и технология материалов атомной промышленности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород

2007

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

Новинский Эрнест Георгиевич;

кандидат технических наук, доцент

Мотова Елена Алексеевна

Ведущая организация – Научно-исследовательский и

конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля, г. Москва.

Защита состоится « » ноября 2007г. на заседании диссертационного совета Д.212.165.03 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корп. 5, ауд. 5232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.

Автореферат разослан « » ноября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Дмитриев С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Наша страна обладает значительным положительным опытом создания и эксплуатации механизмов с контактными стальными поверхностями, работающими в среде свинец-висмутового теплоносителя при температуре до 300 … 330 С. К ним относятся элементы гидростатических подшипников (ГСП) главных и вспомогательных насосов реакторных контуров атомных подводных лодок проектов 645, 705 и 705К. В составе паропроизводящей установки (ППУ) ОК - 550 имелось два вспомогательных и три главных циркуляционных насосов; в состав установки ППУ БМ-40А входило два вспомогательных и два главных насоса реакторного контура. К подшипниковым узлам насосов в процессе эксплуатации серий реакторных установок, каких либо замечаний или претензий не имелось.

В системах управления и защиты реакторов этих типов стержни регулирования перемещались в чехловых трубах заполненных эвтектикой свинец-висмут. Вследствие вибрации происходит контактное взаимодействие хвостовиков тепловыделяющих сборок (ТВС) и трубок парогенератора в среде сплава свинец-висмут.

При конструировании указанных насосов, ввиду сжатых сроков их создания, проблемам триботехники контактных пар, работающих в среде свинец-висмутового теплоносителя, внимания практически не уделялось. Путем оценочных расчетов по методикам, созданным для принципиально других сред, разрабатывались опытные конструкции подшипниковых узлов, работающих в ТЖМТ.

Разрабатываемые реакторные установки (РУ) с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями (ТЖМТ) (БРЕСТ, STAR и др.) имеют баковую компоновку и значительно меньшее гидравлическое сопротивление реакторного контура, чем петлевые РУ транспортных установок. В установках с баковой компоновкой такого типа циркуляция жидкометаллического теплоносителя осуществляется главными циркуляционными насосами осевого типа, имеющими существенно меньший напор, и отсутствуют вспомогательные насосы. В РУ баковой компоновки отсутствуют циркуляторы, которые могли бы обеспечить работу подшипников осевых насосов.



В реакторных контурах с ТЖМТ возможны механизмы с контактным взаимодействием в среде жидкого металла в механизмах систем перезагрузки ядерного топлива.

Поэтому, исследование условий эксплуатации контактных элементов механизмов, работающих в среде высокотемпературных ТЖМТ и разработка рекомендаций по их конструктивному исполнению, является актуальной задачей.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по конструктивному исполнению и оптимальным условиям эксплуатации контактных элементов механизмов, работающих в среде высокотемпературных ТЖМТ (подшипниковых опор скольжения, зубчатых зацеплений и др.).

Задачи работы:

- проведение анализа информационного материала накопленного в исследуемой области;

- разработка и создание высокотемпературных стендов со свинцовым, свинец-висмутовым и свинец-литиевым теплоносителями с температурой до 550 оС;

- разработка, создание и внедрение средств циркуляции;

- разработка и отработка методов измерения и компьютерной обработки сигналов от датчиков температуры, термодинамической активности кислорода в свинце и эвтектике свинец-висмут, вибрации элементов насосных агрегатов и трубопроводов, методики контроля изменения геометрии рабочих поверхностей контактных пар;

- оценка влияния примесей в ТЖМТ на ресурсную работоспособность узлов механизмов с контактным взаимодействием поверхностей в среде теплоносителя, анализ механизмов разрушения контактных поверхностей в среде ТЖМТ и факторов их обуславливающих;

- анализ и экспериментальная проверка методик снижения интенсивности изнашивания, основанных на выборе режимов эксплуатации и материалов пар трения, применительно к рабочим поверхностям зубчатых зацеплений, подшипниковых опор скольжения, лабиринтно-винтовых уплотнений и насосов работающих в ТЖМТ.

На защиту выносятся следующие положения:

- Методология исследований трибологических характеристик подшипников скольжения, лабиринтно-винтовых уплотнений, насосов и зубчатых зацеплений в высокотемпературных тяжелых жидкометаллических теплоносителях с контролем и регулированием в них содержания примеси кислорода.

- Массив экспериментальных результатов испытаний характеристик процессов изнашивания стальных и чугунных подшипниковых опор скольжения вертикальных валов (насосов и зацеплений), работающих в среде свинца, эвтектических сплавов свинец-висмут и свинец-литий при температуре до 510 C при содержании термодинамически активного кислорода в жидком металле от 10-4 до 100 и при наличии твердой фазы оксидов теплоносителя.

- Массив экспериментальных результатов испытаний характеристик процессов изнашивания стальных и чугунных зубчатых зацеплений, в зависимости от условий их эксплуатации, работающих в среде свинца с температурой 450 oC и содержании термодинамически активного кислорода в жидком металле на линии насыщения и при наличии твердой фазы оксидов теплоносителя.

- Конструкция и результаты исследования характеристик малогабаритного лабиринтно-винтового насоса в эвтектике свинец-висмут при температуре до 480 oC и контролируемом, регулируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе.

Научная новизна

Научная новизна заключается в том, что впервые изучены вопросы ресурсной работоспособности контактных поверхностей конструкционных материалов при их относительном движении в среде жидкого металла (свинца, свинец-висмута и свинец-лития). В ходе выполненных исследований учитывалось влияние содержания примесей в теплоносителе, рабочей температуры, режимов эксплуатации. В дополнение к ранее опубликованным работам теоретически и экспериментально доказано, что необходимым условием ресурсной работоспособности контактных элементов механизмов в среде высокотемпературных ТЖМТ является формирование и поддержание оксидных покрытий на поверхностях контактных пар. Предложена новая, конструкция подшипникового узла, обладающего рядом преимуществ по сравнению с другими подшипниками скольжения, работающими в среде ТЖМТ, теоретически и экспериментально, доказана ее работоспособность в лимитируемых диапазонах износа, на протяжении тысяч часов.

Практическая значимость

Подтверждена и обоснована работоспособность в среде высокотемпературных свинцового и свинец-висмутового теплоносителей предложенных гидростатодинамических (лабиринтно-винтовых) подшипников, зубчатых зацеплений и лабиринтно-винтовых насосов. Подтверждена работоспособность подшипников сухого трения в указанных условиях.

Личный вклад автора

Все расчетные, теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых приведены в настоящей работе, а так же, проектирование монтаж и отладка оборудования и экспериментальных контуров с ТЖМТ, выполнены автором или при его непосредственном участии.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Теплофизика-2002» в г. Обнинске, на Российском научно-техническом форуме «Ядерные реакторы на быстрых нейтронах» г. Обнинск, 2003г., на Шестой международной научной конференции «Полярное сияние» г. С.Петербург, 2003г., на Второй Курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2004г., на Российской межотраслевой тематической конференции «Теплогидравлические аспекты безопасности ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах» г. Обнинск, 2005г., на Третьей Курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2005г., на Четвертой Курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2006г.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в двух статьях в реферируемом журнале «Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика», в трёх патентах на изобретение и в одном свидетельстве на полезную модель, восемнадцати докладах на научных конференциях, трёх зарегистрированных научно-технических отчетах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения. Объем работы составляет 230 страниц, 90 рисунков, 1 таблицы, список использованных источников из 60 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цель и задачи исследования, приводится общая характеристика работы.

В первой главе рассматриваются как существующие, так и перспективные механизмы энергетических контуров, с относительным движением рабочих поверхностей в ТЖМТ и анализируются условия, определяющие ресурсную работоспособность узлов механизмов с контактным взаимодействием, работающих в среде тяжелых жидких металлов.

Во второй главе приведены результаты анализа влияния ТЖМТ на виды и механизмы изнашивания поверхностей конструкционных материалов, а так же рассмотрены возможности смазки поверхностей при их относительном движении теплоносителем.

В настоящее время отсутствуют работы по взаимодействию контактных поверхностей в среде свинцового и свинец-висмутового теплоносителей при рабочих условиях энергетических контуров с этими теплоносителями. Отличительными условиями процессов, характеризующих работу контактных пар в контурах с ТЖМТ, являются: наличие оксидных пленок на поверхностях конструкционных материалов; несмачивание оксидированных поверхностей тяжелыми жидкими металлами; существенно меньшая (по сравнению с маслами и другими смазочными материалами) вязкость теплоносителей (в рабочих условиях); интенсивный теплоотвод от поверхностей трения, контактирующих с жидким металлом.

Тяжелые жидкометаллические теплоносители при температурах 400 … 600 С не могут рассматриваться в качестве материала с полным набором свойств смазочного материала. Это определяется, прежде всего, несмачиванием поверхностей конструкционных материалов ТЖМТ и малой вязкостью этих теплоносителей. ТЖМТ в контакте с поверхностями трения обладают таким свойством смазочных материалов, как интенсивный отвод тепла от поверхностей трения.

Для устойчивой работы поверхностей трения в контурах с ТЖМТ с высокими температурами (400 … 600 С) характерны следующие особенности:

а) Если температура поверхностных слоев, соответствующая сумме теплового состояния окружающих сред и дополнительного теплового воздействия изнашивания в районе контакта, превышает температуру рекристаллизации металла, то поверхностный слой не наклепывается. Он находится в состоянии повышенной пластичности. При этом возможно выглаживание поверхности, что фиксировалось автором на поверхностях зубьев шестерни пар зацепления в среде свинцового теплоносителя при температуре 450 С при повышенных числах оборотов зацепления.





б) Высокая температура и пластическая деформация интенсифицируют диффузионные процессы. Их результатом может быть взаимное диффузионное растворение материалов трущихся деталей, коагуляция отдельных структурных составляющих и др.

в) В случае значительных локальных повышений температуры в результате трения при последующем резком охлаждении поверхности, что характерно для работы в жидких металлах, на поверхностях могут образовываться закалочные структуры.

г) Совместное действие высоких температур, градиентов температур, пластической деформации и структурных превращений интенсифицируют напряжения в материале, влияя на его разрыхление.

Химическое и химико-физическое воздействия примесей в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе на поверхности трения заключается в следующем. В результате взаимодействия с кислородом, содержащемся в теплоносителе в растворенном виде или в виде его оксидов, при изнашивании металлических поверхностей образуются оксидные пленки, которые предохраняют трущиеся поверхности от схватывания. Частицы оксидов теплоносителя (свинца, висмута), находящихся в пристенных слоях поверхностей трения оказывают триботехнический эффект, аналогичный эффекту от наличия оксидных пленок.

В Третьей главе отражены результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований работоспособности подшипников скольжения в свинцовом, свинец-висмутовом и свинец-литиевом теплоносителях. Доказана не возможность работы типовых гидродинамических подшипников в ТЖМТ в условиях жидкостной смазки рабочих поверхностей подшипника. Предложена альтернативная конструкция, проведены экспериментальные исследования характеристик разработанного с участием автора гидростатодинамического (лабиринтно-винтового) подшипника скольжения центробежного вертикального насоса НЦС – 04, разработки и поставки Нижегородского государственного технического университета (НГТУ), в среде свинцового теплоносителя при температуре до 510 °С.

При эксплуатации высокотемпературных контуров со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями в поток ТЖМТ могут поступать частицы – продукты разрушения, коррозии сталей, оксиды теплоносителя, случайные загрязнения контура при его монтаже и др. Твердые частицы, поступая в зазор между валом и втулкой, приводят к изнашиванию рабочих поверхностей подшипника. Этот факт фиксировался при испытаниях насоса транспортной реакторной установки с эвтектикой свинец-висмут. При разборке стендовых насосов с ГСП неоднократно наблюдалось полное забивание шлаками (оксидами свинца) всех полостей вертикальных пазов ГСП.

До проведения ревизии насос находился в составе стенда ФТ – 1 НГТУ более 30 лет с временем работы насоса около одного месяца в год. Подача насоса (эвтектического сплава свинец-висмут) до 100 т/час, температура 250 … 450 °С, кратковременно до 500 °С, частота вращения вала – около 1000 об/мин. Последнее 15 лет в свинец-висмутовом контуре стенда проводились регулярные технологические обработки двухкомпонентными потоками ТЖМТ – восстановительные газовые смеси, осуществлялся контроль термодинамической активности кислорода в теплоносителе. Ревизия показала, что отложения шлаков в дросселирующих отверстиях и в напорных камерах (пазах) ГСП насоса отсутствуют. Следует отметить, что при предшествующих ревизиях насоса фиксировалось забивания дросселей и напорных камер шлаками на основе оксидов теплоносителя.

Гидростатический подшипник, вероятно, является оптимальной конструкцией для подшипников скольжения, работающих в среде свинец-висмутового и свинцового теплоносителей, что подтверждено значительным опытом эксплуатации насосов с такими подшипниками, в том числе и в составе контуров ядерных реакторов.

В гидродинамических подшипниках (ГДП) при определённой скорости вращения между трущимися поверхностями образуется непрерывный смазочный слой, отделяющий эти поверхности друг от друга.

Процесс скольжения в ГДП подразумевает два необходимых условия:

- полное смачивание поверхностей вала и втулки смазочной жидкостью;

- высокую вязкость смазочной жидкости.

В контурах свинцового и свинец-висмутого теплоносителей оба эти условия отсутствуют. Необходимым условием работы высокотемпературных контуров с ТЖМТ является формирование и доформирование защитных оксидных покрытий (плёнок) на поверхностях конструкционных материалов, которые обеспечивают несмачиваемость оксидированной поверхности ТЖМТ. Единственной средой, которая может быть использована в качестве жидкостной смазки в ГДП в рассматриваемых условиях, является жидкометаллический теплоноситель.

Для условий работы ГДП в среде свинцового и свинец-висмутового теплоносителей расчет по традиционным методикам (для условий работы со смазкой маслами) дает очень малые значения относительных и абсолютных величин зазоров между валом и втулкой. Это определяется существенно малой вязкостью жидких металлов при рабочих температурах. Получающиеся значения зазоров в сотые и менее доли миллиметра делают невозможной техническую реализацию ГДП. В среде свинцового и свинец-висмутого теплоносителей подобные подшипники работают в режиме сухого трения.

Техническая сложность ГСП, включая потребность в подаче жидкостной смазки под давлением, и принципиальная невозможность создания ГДП в ТЖМТ, инициируют интерес к исследованию работоспособности подшипников сухого трения в рассматриваемых условиях.

К особенностям условий работы высокотемпературных контуров с ТЖМТ, способствующих работе подшипников сухого трения можно отнести следующее: обязательное наличие оксидных плёнок на поверхностях конструкционных материалов, обеспечивающих их стойкость в среде ТЖМТ; интенсивный теплоотвод жидкими металлами тепла выделяющегося в зоне трения.

Работа подшипников сухого трения в ТЖМТ исследовалась автором в составе ряда вертикальных центробежных насосов предназначенных для перекачки свинца, свинца-висмута, свинца-лития. Подшипники этого типа также применялись в качестве опор валов зубчатого зацепления (редуктора) работающего в среде свинца. Экспериментальные исследования характеристик процессов изнашивания стальных и чугунных подшипников сухого трения проводились при температуре до 550 C, при содержании термодинамически активного кислорода в жидком металле от 10-4 до 100 и при наличии твердой фазы оксидов теплоносителя.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.