POTRUBNÍ SYSTÉMY A ARMATURY

Transkript

1 Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní POTRUBNÍ SYSTÉMY A ARMATURY Studijní opora část 2 Sylva Drábková Ostrava 2011 Tyto studijní materiály vznikly za finanční podpory Evropského sociálního fondu (ESF) a rozpočtu České republiky v rámci řešení projektu OP VK CZ.1.07/2.2.00/ Vzdělávání Inovace vzdělávání strojních inženýrů pro JE.

2 Obsah 4. Čerpadla v jaderné elektrárně Úvod Technologické uspořádání jaderné elektrárny Hydrodynamická čerpadla Lopatková čerpadla Čerpací systém a základní parametry čerpadla Parametry čerpání Charakteristiky čerpadla a potrubí Základní konstrukce čerpadel Názvy čerpadel podle charakteristických konstrukčních znaků Základní konstrukce radiálního čerpadla Nízkotlaká čerpadla a jejich uplatnění v jaderné energetice Středotlaká čerpadla a jejich uplatnění v jaderné energetice Vysokotlaká čerpadla a jejich uplatnění v jaderné energetice Závěr Odkazy na použité a doporučené informační zdroje

3 Předmluva Tento text je doplňkem učebních materiálů určený pro rozšíření znalostí v oblasti jaderné energetiky. Čerpadla a potrubní vedení jsou zde velmi důležitým článkem, který umožňuje provoz a také zajišťuje bezpečnost jaderné elektrárny. Současně je zde čerpací technika největším spotřebitelem vyrobené energie. Specifika energetického průmyslu a zejména požadavky jaderné energetiky vedou k novým konstrukčním i materiálovým realizacím čerpadel. Důraz je kladen nejen na dosahované parametry, ale zejména na nízkou poruchovost a spolehlivost při práci za různých provozních stavů. Cílem tohoto textu je tedy přiblížit typy čerpadel, která jsou součástí primárního, sekundárního i terciárního okruhu jaderné elektrárny, i podmínky, ve kterých pracují. Oblast hydrodynamických čerpadel je podrobně literárně zpracována našimi i zahraničními autory, řada poznatků i zkušeností je obsažena i ve firemní literatuře. V seznamu informačních zdrojů jsou proto uvedeny odkazy na publikace, které zájemcům o čerpací techniku umožní získat další hlubší znalosti a poznatky. 84

4 4. Čerpadla v jaderné elektrárně 4.1 Úvod Energetický průmysl patří k nejdůležitějším odvětvím, na kterém závisí stupeň rozvoje lidské společnosti. V tomto odvětví, a tedy i v jaderných elektrárnách, pracuje řada čerpadel, z nichž nejpočetnější jsou čerpadla odstředivá. Z provozního hlediska jsou řazena mezi pomocná zařízení, avšak nelze jim upřít značný podíl na realizaci procesu výroby elektrické energie. Mají také nezastupitelnou úlohu při zajištění bezpečnosti jaderné elektrárny. Jaderná elektrárna je komplexní technologické zařízení, sloužící k přeměně k výrobě jaderné energie. Skládá se obvykle z jaderného reaktoru, parní turbíny s alternátorem a z mnoha dalších souvisejících zařízení. V principu se jedná o parní elektrárnu, ve které se energie získaná jaderným reaktorem používá k výrobě páry v parogenerátoru. Tato pára pohání parní turbíny, které pohání alternátory pro výrobu elektrické energie. V jaderných elektrárnách se získává tepelná energie jadernou reakcí, která může nastat štěpením jader atomů těžkých prvků (uran, plutonium) nebo slučováním jader lehkých prvků. Historicky první provozovanou jadernou elektrárnou v České republice je jaderná elektrárna Dukovany. Roční výroba elektrické energie se pohybuje okolo 13,5 TWh, což představuje asi 20% z celkové spotřeby elektřiny v ČR. V porovnání s ostatními významnými výrobci vyrábí elektrárna Dukovany elektřinu s nejnižšími měrnými náklady [1]. obr. 4.1 Jaderná elektrárna Dukovany [1] V Jaderné elektrárně Dukovany jsou instalovány čtyři tlakovodní reaktory (PWR). Projektové označení těchto reaktorů je VVER 440/213. VVER znamená Vodou chlazený, Vodou moderovaný Energetický Reaktor. Každý ze čtyř reaktorů má tepelný výkon 1375 MW. Trojice bloků má elektrický výkon 460 MW, jeden disponuje výkonem 500 MW. První reaktorový blok Jaderné elektrárny Dukovany byl uveden do provozu v roce 1985, druhý a třetí v r a čtvrtý v roce Od začátku uvedení elektrárny do provozu v roce 1985 vyrobila Jaderná elektrárna Dukovany celkem MWh [1]. Jaderná elektrárna Temelín v Jihočeském kraji nedaleko Týna nad Vltavou je druhou jadernou elektrárnou u nás. Vyrábí elektrickou energii ve dvou blocích o výkonu každého z nich MWe. 85

5 Každý reaktor produkuje MW tepla, při účinnosti ~ 33 %. Její výstavba byla zahájena na jaře Podle původního projektu měla mít čtyři výrobní bloky VVER 1000, ale po listopadu 1989 bylo v nových politických a ekonomických podmínkách rozhodnuto o snížení počtu bloků na dva. Po dokončení výstavby bylo v červenci 2000 zavezeno palivo do reaktoru, v říjnu došlo ke startu reaktoru prvního bloku a v prosinci vyrobil první blok první kilowatthodiny elektřiny. V prosinci 2002 dodal elektřinu do sítě také druhý blok a na jaře 2003 se temelínská elektrárna s elektrickým výkonem 2000 MW stala největším energetickým zdrojem České republiky. Cílem elektrárny je bezpečně vyrobit 15 miliard kwh elektřiny za rok a tuto výrobu udržet i pro následující roky [1]. obr. 4.2 Jaderná elektrárna Temelín (ETE) [1] 4.2 Technologické uspořádání jaderné elektrárny Technologické uspořádání jaderné elektrárny je rozděleno do tří oddělených okruhů. Primární okruh představuje jaderný reaktor, hlavní cirkulační čerpadla, potrubí primárního okruhu, parogenerátory, systémy chlazení a čištění, systémy transportu a manipulace s jaderným palivem. Patří sem všechna zařízení, ve kterých se mohou vyskytovat radioaktivní látky a kde poškození těsnosti by mohlo vést k úniku těchto látek do okolí. Většina těchto zařízení je umístěna uvnitř hermetické obálky, tzv. kontejmentu, který je vyroben z předpjatého betonu s vnitřní ocelovou výstelkou, která má dvě základní funkce: chránit okolí elektrárny před následky případné provozní havárie a naopak zase chránit vnitřní zařízení před vnějšími vlivy. Sekundární okruh tvoří systémy parního potrubí přivádějící páru z parogenerátoru o teplotě 278,5 C a tlaku 6,3 MPa, systémy úpravy napájecí v ody, turbosoustrojí a systémy přepouštěcích stanic. Terciární okruh zajišťuje chlazení kondenzátorů turbín. Z tohoto systému jsou nejviditelnější vysoké chladící věže. K jednomu výrobnímu bloku (reaktorovna + strojovna s turbínou) přináležejí dvě věže. V Temelíně má každá patní průměr 130,7 m (fotbalové hřiště má asi 120 m), průměr v koruně 82,6 m, tloušťka stěny je cm a jejich výška je 155 m. 86

6 Základní podmínkou bezpečnosti jaderné elektrárny je neustálé odvádění tepla uvolňovaného v aktivní zóně. Bezpečnostní systémy se skládají z vysokotlakých a nízkotlakých nouzových čerpadel, z čerpadel sprchového systému, nádrží s roztokem kyseliny borité, z tepelných výměníků, tlakových zásobníků vody, potrubních tras, armatur, barbotážních (kondenzačních) žlabů, barbotážních věží a plynojemů. Při nehodách spojených s únikem chladící vody z primárního okruhu by současně docházelo ke snižování tlaku chladící vody primárního okruhu a ke zvyšování tlaku páry v hermetických boxech. Podle druhu nehody a velikosti úniku by bezpečnostní systémy začaly čerpat chladící vodu pod a nad aktivní zónu a skrápět hermetické boxy. Při prasknutí hlavního cirkulačního potrubí by se tlak vzniklé páry v hermetických boxech zvýšil natolik, že by část páry proudila do barbotážních (kondenzačních) žlabů kde by kondenzovala. Přestože se jedná o událost velice nepravděpodobnou, jsou tato zařízení zdvojená nebo ztrojená a dimenzována tak, že i v případě takovéto nehody by byl únik radioaktivních látek do životního prostředí minimální [1]. Je tedy zřejmé, že čerpadla a potrubní vedení jsou velmi důležitým článkem, který umožňuje provoz a také zajišťuje bezpečnost jaderné elektrárny. obr. 4.3 Schéma nejběžnějšího typu jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem [2] Primární okruh Je systém zařízení, který umožňuje získávat tepelnou energii z jaderného paliva prostřednictvím řízené štěpné řetězové reakce, nepřetržitě ji pomocí chladiva odvádět a přeměnit ji na formu tepelné energie využitelné v parní turbíně. Ohřátá voda primárního okruhu proudí z jaderného 87

7 reaktoru poháněna čerpadly do výměníku tepla (parogenerátoru), kde dochází k výměně tepla s vodou sekundárního okruhu. obr. 4.4 Schéma primárního okruhu [1] Základními zařízeními tohoto okruhu jsou: - reaktor - parogenerátory - hlavní cirkulační čerpadla - cirkulační potrubí primárního okruhu - kompenzátor objemu Uspořádání jednotlivých zařízení primárního okruhu jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem je znázorněno na obr V aktivní zóně reaktoru se přeměňuje jaderná energie uranu 235 pomocí řízené štěpné reakce na energii tepelnou. Aktivní zóna se skládá z palivových souborů (kazet) tvořených palivovými proutky, které obsahují palivo (mírně obohacený uran 235). Palivové proutky jsou chlazeny vodou z primárního okruhu, která je zároveň moderátorem. Produkce tepla je dána výkonem aktivní zóny. Rychlé změny výkonu se dosahuje řídicími absorpčními tyčemi (na JE Temelín klastry). Pomalé změny výkonu se dosahuje změnou koncentrace bóru v chladivu. Cirkulaci chladiva v primárním okruhu zajišťují čtyři hlavní cirkulační čerpadla. 88

8 obr. 4.5 Podrobné schéma primárního okruhu se zařazením hlavního cirkulačního čerpadla - program JEsim [3] Prostorové uspořádání hlavních zařízení primárního okruhu jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem je znázorněno na obr obr. 4.6 Prostorové uspořádání primárního okruhu [1] 89

9 Jaderný reaktor obr. 4.7 Jaderný reaktor Jaderný reaktor je technické zařízení (obsahující jaderné palivo, chladivo, moderátor, konstrukční materiály a řídicí systémy), které slouží k udržování řízené štěpné řetězové reakce a umožňuje plynule odvádět tepelnou energii uvolňovanou při štěpení. Reaktor tvoří ocelová tlaková nádoba opatřená odnímatelným víkem, uvnitř které se nachází aktivní zóna, v níž je uspořádáno jaderné palivo a regulační orgány pro řízení a kontrolu štěpné reakce. Kompenzátor objemu Přestože koeficient objemové teplotní roztažnosti vody je poměrně malý, je třeba při objemu chladiva primárního okruhu několika stovek m 3 již se vzrůstem objemu vlivem teploty počítat. Pokud by totiž nebyl příslušný vzrůst objemu chladiva nějak kompenzován, došlo by při vzrůstu objemu vody k tak velkému mechanickému namáhání zařízení primárního okruhu, že by mohlo dojít k jeho prasknutí a uvolnění chladiva (radioaktivního) do prostoru primárního okruhu. Kompenzátor objemu je vertikální ocelová tlaková nádoba, svou velikostí srovnatelná s tlakovou nádobou reaktoru, připojená potrubím k horké větvi jedné ze smyček primárního okruhu. Kromě kompenzace teplotních objemových změn chladiva slouží kompenzátor objemu i k regulaci tlaku primárního chladiva pomocí vestavěných elektroohřívačů či sprch. Proti překročení přípustné hodnoty tlaku v primárním okruhu je kompenzátor objemu vybaven pojistnými ventily. Parogenerátor Tlakový tepelný horizontální výparníkový výměník, ve kterém voda primárního okruhu (v parogenerátoru proudící v tlakových trubkách) předává své teplo vodě sekundárního okruhu. Protože teplota vody okruhu primárního je vyšší než teplota varu vody sekundárního okruhu (tlak vody v primárním okruhu je totiž více jak dvojnásobný proti tlaku vody či páry sekundárního okruhu), dochází v parogenerátoru k intenzivnímu vývinu páry, která je parovodem vedena na turbínu. 90

10 Potrubí primárního okruhu Vysokotlaké nerezové potrubí navzájem propojující reaktor, parogenerátor a oběhová čerpadla. Pro snížení tepelných ztrát, ale současně pro umožnění kontroly jeho stavu, je toto potrubí opatřeno tepelnou snímací izolací. Ta část potrubí mezi reaktorem a parogenerátorem, kterým proudí ohřátá voda z reaktoru do parogenerátoru, je nazývána horkou větví, zbývající část potrubí, odvádějící vodu z parogenerátoru přes oběhové čerpadlo do reaktoru, je nazývána studenou větví primárního okruhu. Oběhové (hlavní cirkulační) čerpadlo Hlavní cirkulační čerpadlo zajišťuje nucenou cirkulaci chladiva primárním okruhem a tedy odvod uvolněného tepla z aktivní zóny reaktoru. Konstrukčně se jedná o vertikální odstředivé ucpávkové čerpadlo, poháněné asynchronním elektromotorem. Pro všechny podstatné systémy, například čerpadla primárního okruhu, jejichž selhání by ohrozilo odvod tepla z reaktoru, je v záloze připraveno několik náhradních. Na následujícím obrázku je model hlavního cirkulačního čerpadla pro jadernou elektrárnu Dukovany s řídicím systémem firmy Foxtron. Uživatelské rozhraní umožňuje intuitivní ovládání pomocí dotykové obrazovky, přičemž jsou k dispozici i mechanické ovládací prvky, shodné s těmi, jež jsou použity pro ovládání skutečného čerpadla ve velíně jaderné elektrárny. Model slouží k názorné demonstraci funkce čerpadla a k simulaci jeho provozních stavů a poruch. Personál si tak může vyzkoušet předepsané pracovní postupy pro případ různých typů poruch a prozkoumat princip funkce celého technologického procesu. obr. 4.8 Model hlavního cirkulačního čerpadla [1] 91

11 4.2.2 Sekundární okruh Sekundárním okruhem jaderné elektrárně je nazýván systém zařízení, který umožňuje přeměnit tepelnou energii páry v mechanickou energii rotoru parní turbíny. Sekundární okruh je rovněž uzavřený a naplněný demineralizovanou vodou. V parogenerátorech se sekundární voda přeměňuje na páru k pohonu turbín. Základními zařízeními tohoto okruhu jsou: turbína a generátor kondenzátor kondenzátní a napájecí čerpadla regenerační ohříváky obr. 4.9 Podrobné schéma sekundárního okruhu s napájecími a kondenzátními čerpadly (program JEsim) [3] Turbína a generátor Rotační tepelný motor, v němž se vnitřní energie páry přeměňuje na rotační mechanickou energii rotoru turbíny. U rovnotlakých turbín se tlakový spád páry mění v rozváděcích lopatkách statoru na kinetickou energii páry, která je předávána prostřednictvím oběžných lopatek rotoru. Rotor turbíny je spojen s rotorem generátoru, kde se transformuje kinetická energie rotoru na energii elektrickou. 92

12 Kondenzátor Tepelný výměník, v němž pára po expanzi v turbíně a po ochlazení chladící vodou kondenzuje. Přiléhá těsně ke spodní části nízkotlakého dílu turbíny. Pára opouštějící turbínu prochází mezi trubkami, jimiž protéká chladící voda, a na jejich povrchu kondenzuje. Zkondenzovaná pára (kondenzát) je kondenzátními čerpadly přes úpravu kondenzátu, regenerační výměníky a odplynění dopravována do parogenerátoru. obr Kondenzátor [1] Nízkotlaké a vysokotlaké regenerační ohříváky Tepelné výměníky, ve kterých pára z neregulovaných regeneračních odběrů turbíny předává své kondenzační teplo kondenzátu nebo napájecí vodě parogenerátoru. V nízkotlakých regeneračních výměnících je kondenzát postupně ohřát na bod varu tak, aby v odplyňovací nádrži mohl být zbaven plynů v něm rozpuštěných. Ve vysokotlakých regeneračních ohřívácích je v odplyňovacích nádržích plynů zbavená napájecí voda zahřátá na teploty blízké bodu varu v parogenerátoru. Kondenzátní a napájecí čerpadla Kondenzátní čerpadla slouží k čerpání kondenzátu z kondenzátorů turbín přes nízkotlaké regenerační ohříváky do odplyňovací nádrže. Napájecí čerpadla dopravují napájecí odplyněnou vodu z odplyňovací nádrže přes vysokotlaké regenerační ohříváky do parogenerátoru a současně zvyšují tlak napájecí odplyněné vody na tlak generované páry. Napájecí čerpadla jsou obvykle vysokotlaková čerpadla vhodného systému. Pro větší průtoky je napájecí čerpadlo konstruováno jako odstředivé, článkové nebo zapouzdřené (barelové), s výstupním tlakem odpovídajícím tlaku v parním generátoru. Konstrukce, materiál i provedení napájecího čerpadla musí splňovat požadavky potřebné životnosti a spolehlivosti provozu s horkou, chemicky upravenou napájecí vodou. 93

13 obr Kondenzátní čerpadla v sekundárním okruhu [1] Terciární okruh Úkolem terciárního okruhu je vytvořit v kondenzátoru co největší turbínou využitelný podtlak, aby účinnost turbíny byla co nejvyšší. Čím nižší je teplota chladící vody v terciárním okruhu, tím vyšší je podtlak v kondenzátoru. Základními zařízeními tohoto okruhu jsou: - chladící věže, - chladící (oběhová) čerpadla, - potrubí a kanály chladící vody. U elektráren postavených u moře nebo u velkých řek se nestaví chladící věže, neboť kondenzátor je možné chladit průtočnou vodou, bez obav o negativní dopad ohřáté vody na vodní ekosystém. 94

14 obr Obr. 12 Podrobné schéma terciárního okruhu (program JEsim) [3] Chladící věže Pro elektrárny dominantní, ale přitom subtilní železobetonová stavba ve tvaru rotačního hyperboloidu sloužící k zajištění dostatečného tahu chladícího vzduchu pro chlazení chladící vody a k uchycení konstrukčních vestaveb zajišťujících rozstřik chladící vody pro lepší účinnost jejího ochlazování. Část chladící vody se odpařuje. Skupenské teplo potřebné k odparu je hlavním důvodem snížení teploty chladící vody. Ve spodní části věže je kruhový bazén, v němž se ochlazená voda shromažďuje a čerpadly chladící vody je dopravována zpět do kondenzátoru turbín. Chladící (oběhová) čerpadla Odstředivá oběhová čerpadla zajišťující cirkulaci chladící vody mezi kondenzátory turbín a chladicími věžemi. Potrubí a kanály chladící vody Průtok chladící vody lze přirovnat k průtoku v řece. Jde o potrubí největšího průměru na elektrárně. Jak je vidět z výše uvedeného výčtu, úloha čerpadel v jaderné elektrárně je zásadní. Uplatňují se v primárním, sekundárním i terciárním okruhu. Přitom musí splňovat náročné požadavky současné jaderné legislativy. 95

15 V jaderné elektrárně se uplatní čerpadla nízkotlaká i vysokotlaká, horizontální i vertikální, různého konstrukčního provedení. Jedná se o čerpadla hydrodynamická, pracující na principu přeměny mechanické energie na energii tlakovou prostřednictvím energie kinetické. 96

16 5. Hydrodynamická čerpadla V jaderné elektrárně se uplatní čerpadla nízkotlaká i vysokotlaká, horizontální i vertikální, různého konstrukčního provedení. Jedná se o čerpadla hydrodynamická, pracující na principu přeměny mechanické energie na energii tlakovou prostřednictvím energie kinetické. Hydrodynamická čerpadla jsou podle principu činnosti dvojího typu: a) lopatková b) proudová. V jaderných elektrárnách jsou používána čerpadla lopatková. 5.1 Lopatková čerpadla Lopatková čerpadla jsou rotační lopatkové pracovní stroje, sloužící k dopravě kapalin. Dochází k přeměně mechanické energie přiváděné na hřídel čerpadla na kinetickou energii v oběžném kole čerpadla, která se mění dále v energii tlakovou již v oběžném kole. Další část se mění v rozváděcím ústrojí neboli v rozvaděči a spirále. Typickým znakem hydrodynamických strojů je kontinuální průtok. Tlak kapaliny ve stroji je hydrodynamický, závisí na kinematických veličinách, tj. rychlosti a poloze. W mech W W ( 5.1) kin tl Vstup kapaliny do oběžného kola čerpadla je převážně axiální. Podle směru výstupu kapaliny je možno lopatková čerpadla rozdělit dle obr. 5.1 na: - radiální, která pracují jako odstředivá, - axiální, která pracují jako vrtulová, - diagonální, jejichž funkce spojuje oba principy. Radiální čerpadlo Diagonální čerpadlo Axiální (vrtulové čerpadlo) obr. 5.1 Radiální, diagonální a axiální oběžné kolo Odstředivá (centrifugální) čerpadla dopravují kapalinu točivým pohybem činné části rotoru, kterým je oběžné kolo. Kapalina proudí oběžným kolem proti výtoku a pohybuje se odstředivě. V radiálních čerpadlech vstupuje kapalina do oběžného kola axiálně, tj. rovnoběžně s osou, a vystupuje z oběžného kola kolmo k ose otáčení, tj. radiálně. U diagonálních (šikmotokých, šroubových) čerpadel vstupuje kapalina do oběžného kola také axiálně, ale vystupuje z oběžného kola 97

17 úhlopříčně (diagonálně), tj. šikmo k ose otáčení. V axiálních (vrtulových) čerpadlech kapalina vstupuje do oběžného kola a vystupuje z něho rovnoběžně s osou, tj. axiálně Kinematické poměry v oběžném kole Eulerova čerpadlová rovnice Oběžné kolo je základní pracovní částí čerpadla. Dochází v něm k transformaci mechanické energie rotoru na kinetickou energii proudícího média. Kinematické poměry v oběžném kole jsou popsány rychlostmi c r, w r, u r kde: c r absolutní rychlost kapaliny (rychlost vůči vnějšímu pozorovateli, je vztažena na pevný w r, u r souřadnicový systém spojený se statorem čerpadla) relativní rychlost (rychlost kapaliny vzhledem k lopatkám a diskům oběžného kola, je vztažena na souřadný systém, který rotuje spolu s oběžným kolem úhlovou rychlostí ω ) unášivá rychlost (obvodová rychlost oběžného kola) Kinematické poměry v oběžném kole čerpadla jsou znázorněny na obr. 5.2, kde přeměna mechanické energie na energii hydraulickou začíná na vstupní hraně oběžné lopatky 1 a končí na její výstupní hraně 2. Kinematické poměry můžeme znázornit ve formě rychlostních trojúhelníků, jejichž základnu tvoří unášivá (obvodová) rychlost. Vektor absolutní rychlosti s ní svírá úhel α a vektor rychlosti relativní úhel β, což je úhel lopatky (viz obr. 5.3). obr. 5.2 Obr. 14 Kinematické poměry v oběžném kole 98

18 obr. 5.3 Obr. 15 Rychlostní trojúhelníky-kolmý vstup do oběžného kola meridiální V rychlostních trojúhelnících jsou definovány také doplňující složky rychlosti, a to rychlost c r m, která je výškou v rychlostním trojúhelníku, a rychlost rychlosti do směru unášivé rychlosti. Meridiální rychlost c r m definuje průtok oběžným kolem pomocí rovnice kontinuity c r u, která je průmětem absolutní Q v = c S = c π Db ( 5.2) m m a hybná složka absolutní rychlosti c r u definuje hybnostní sílu dle vztahu F h r ρ Q c = ( 5.3) v u Ze změny hybnosti při průtoku oběžným kolem pak vychází definice teoretické měrné energie, kterou čerpadlo dodá jednomu kilogramu čerpané kapaliny Y t = gh = u c u c ( 5.4) t 2 u2 1 u1 Tuto rovnici odvodil Euler a nazývá se Eulerova čerpadlová rovnice. Je odvozena pro teoretické předpoklady, tj. ideální kapalinu a nekonečný počet lopatek. Pro kolmý vstup do oběžného kola (viz obr. 5.3) je α 1 =π/2 a tedy c = u1 0, Eulerova čerpadlová rovnice se zjednoduší na tvar Y = gh = u c ( 5.5) t t 2 u2 Skutečná měrná energie bude nižší vzhledem ke skutečnému počtu lopatek a viskozitě kapaliny Rychloběžnost hydraulických strojů Pro klasifikaci čerpadel a také výběr vhodného typu hydrodynamického čerpadla se používá rychloběžnost. Rychloběžnost je souhrnným součinitelem přibližné hydrodynamické podobnosti hydraulických strojů. Respektuje nejdůležitější síly v kapalině. Tyto síly zohledňuje číslo Eulerovo a Strouhalovo. Hydraulický stroj navazuje na vnější okolí jednak hydraulickými hodnotami (Q, Y) a jednak mechanickými hodnotami (M, n). Při ustáleném provozu hydraulického stroje nastává energetická rovnováha mezi hydraulickou a mechanickou části systému. 99

19 Z rozměrové homogenity a definice Sh a Eu plyne, že rychloběžnost parametrem 1 Q n b = = n 0.75 Sh. Eu Y n b je bezrozměrným ( 5.6) kde n jsou provozní otáčky čerpadla [s 1 ], Q objemový průtok [m 3.s 1 ] a Y měrná energie čerpadla [J.kg 1 ]. V praxi se setkáváme i s další definicí tohoto kritéria. Pro jednotkový výkon P = 1[ k] a spád H = 1[ m] jsou definovány měrné otáčky (výkonové) n s [min 1 ] hydraulického stroje Q n s = 3.65n H ( 5.7) kde n jsou provozní otáčky čerpadla [min 1 ], Q objemový průtok [m 3.s 1 ], H dopravní výška čerpadla 1 [m]. Pro jednotkové hodnoty průtoku [ m ] 3 = 1 s měrné otáčky (objemové) Q a dopravní výšky =1[ m] n q [min 1 ] hydraulického stroje ve tvaru H jsou definovány Q n q = n H ( 5.8) kde n jsou provozní otáčky čerpadla [min 1 ], Q objemový průtok [m 3.s 1 ], H dopravní výška čerpadla [m]. Převoditelnost jednotlivých vztahů je definována následovně n = 3.65n = 1214n s q b ( 5.9) Hydrodynamická podobnost je používána jako prostředek třídění a klasifikace hydraulických strojů, při návrhu jejich průtočných částí i při organizování výsledků experimentálních měření. Podle hodnoty měrných otáček n s lze určit tvar oběžného kola, viz obr S rostoucí hodnotou měrných otáček se mění oběžné kolo z radiálního na diagonální, které při nejvyšších hodnotách přechází v oběžné kolo axiální. Axiální typ oběžných kol je vhodný pro větší průtoky a menší měrné energie než typ diagonální, uplatnění pro menší průtoky a vyšší měrné energie nachází kolo radiální. n s = min 1 - Čerpadla radiální ( ) n s = min 1 - Čerpadla diagonální ( ) n s = min 1 - Čerpadla axiální ( ) obr. 5.4 Tvar oběžného kola čerpadla v závislosti na specifických otáčkách 100

20 Lze určit i kinematické poměry v oběžném kole i přibližný průběh charakteristik čerpadla (viz obr. 5.5) pomocí následujících poměrných vztahů + Q = Q Q n + Y = Y Y n + P = P P n + η η = η n kde hodnoty Q n, n Y, P n, n η jsou jmenovité parametry čerpadla. obr. 5.5 Základní typy hydrodynamických čerpadel podle měrných otáček n q [4] Celkovou účinnost čerpadla lze určit na základě n s nebo n b a průtoku Q. Vychází se přitom ze statistických směrnic Stepanova v interpretaci Erhartově, viz obr Často je tento přístup používán při návrhu oběžného kola, kdy je potřebné již na základě návrhových parametrů specifikovat teoretickou maximální dosažitelnou účinnost. Správně zvolené čerpadlo by mělo dosahovat maximální účinnost v okolí pracovního bodu. Oblast optimálního použití hydrostatických i hydrodynamických čerpadel vzhledem k objemovým otáčkám nq a dosahované účinnosti je na obr

21 Rychloběžnost (měrné otáčky) je tedy základním kriteriem pro klasifikaci a tříděni čerpadel, pro návrh hydraulických částí čerpadla, zkoušení a realizaci experimentu. Je také základem pro typizaci. obr. 5.6 Dosažitelná celková účinnost čerpadel (platí pro vodu)[4] obr. 5.7 Oblast optimálního použití HS a HD čerpadel vzhledem k rychloběžnosti a dosahované účinnosti [4] 102

22 Požadavky odběratelů na rozsah parametrů Q, Y i na vlastnosti čerpaných kapalin vede k uplatnění základních typů oběžných kol (obr. 5.5) v různých variantách uspořádání. Důvodem je extrémní hodnota parametrů Q, Y, ze které vyplývá krajní hodnota rychloběžnosti a s ní související nízká účinnost. V těchto případech je řešením rozdělení parametrů Q, Y na několik vzájemně propojených kol. V případě vysoké hodnoty požadované měrné energie jsou kola řazena do série, čerpadlo je konstruováno jako vícestupňové. Extrémní průtok lze rozdělit na několik proudů, řešením je tedy paralelní řazení oběžných kol. Sérioparalelní řazení se používá u velkých jednotek v případě vysokých hodnot obou parametrů. Cílem návrhu konstrukční koncepce čerpadla je vhodnou volbou počtu kol a jejich uspořádání dosáhnout přiměřené hodnoty rychloběžnosti jednoho kola, kdy je dosahována nejvyšší účinnost, optimálně se hodnota n b pohybuje v rozmezí 0,09 0,15 [4]. Označíme-li počet stupňů i a počet proudů j, určíme rychloběžnost jednoho kola ze vztahu ( Q j) ( Y i) 0.5 0,75 i nb = n = n , 5 b j Typické členění kol je uvedeno na obr. 5.8 [4]. ( 5.10) obr. 5.8 Typická uspořádání oběžných kol odstředivých čerpadel [4] 103

23 Sudý počet oběžných kol umožňuje vyrovnání axiální síly na rotoru. Oběžná kola jsou stejného konstrukčního provedení. V případě vícestupňových čerpadel určených k čerpání např. kondenzátů par nebo těkavých kapalin je vstupní část prvního oběžného kola řešena odlišně s cílem dosáhnout co nejlepších kavitačních vlastností. 104

24 6. Čerpací systém a základní parametry čerpadla Čerpadlo je součástí složitějšího systému (např. primárního, sekundárního, terciárního okruhu jaderné elektrárny). Musí být tedy pro tento systém vhodné z hlediska: - oblasti použití - druhu čerpaného média (chemické složení, teplota, viskozita, míra znečištění, atd.) - prostorového a výškového uspořádání systému - požadovaných parametrů čerpání (průtočné množství a výstupní tlak) - způsob provozování (nepřetržitý provoz, automatizace, regulace) Z vyhovujících čerpadel pak můžeme vybírat dále podle účinnosti čerpadla (velikosti spotřeby / čerpaný objem), konstrukce (snadnost údržby a servisního zásahu v případě potřeby) či vybavení (frekvenční měnič pro otáčkovou regulaci, atd.). Pokud je pro dané medium nebo způsob použití zvoleno nevhodné čerpadlo, snižuje se jeho životnost, rostou náklady na údržbu a opravy. Schéma čerpacího systému s hlavními vyznačenými prvky je na obr Výtlačná nádrž p vn c v φd v p v Výtlačné potrubí h v Čerpadlo Q y 2 y h g Sací nádrž p s y 1 h s p sn φd s c s Sací potrubí obr. 6.1 Schéma čerpacího systému [5] 105

25 Základní parametry čerpacího systému jsou následující: p sn p vn p s p v c s c v Q h s h v h g Y č Y p d s d v y 1 y 2 tlak v sací nádrži tlak ve výtlačné nádrži tlak měřený na sacím hrdle čerpadla tlak měřený na výtlačném hrdle čerpadla rychlost čerpané kapaliny v sacím potrubí rychlost čerpané kapaliny ve výtlačném potrubí průtok čerpané kapaliny systémem sací výška (svislý rozdíl mezi hladinou v sací nádrži a osou čerpadla) výtlačná výška (svislý rozdíl mezi hladinou ve výtlačné nádrži a osou čerpadla) geodetická výška (svislý rozdíl mezi hladinou ve výtlačné a sací nádrži) skutečná měrná energie čerpadla skutečná měrná energie potrubí průměr sacího potrubí průměr výtlačného potrubí svislá vzdálenost středu sacího hrdla od vodorovné osy čerpadla svislá vzdálenost středu výtlačného hrdla od vodorovné osy čerpadla 6.1 Parametry čerpání definovat jako: Základními parametry čerpacího systému jsou průtok Q a měrná energie Y. Průtok je možné hmotnostní průtok objemový průtok Q m [kg.s -1 ] Q v [m 3.s -1 ] Hmotnostní průtok vyjadřuje průtok v kilogramech, tato hodnota je tedy nezávislá na termodynamickém stavu čerpané kapaliny. Objemový průtok je naopak na termodynamickém stavu čerpané kapaliny závislý. Oba průtoky jsou ve vzájemném vztahu prostřednictvím hustoty kapaliny ρ. Q m = ρ Q = ρ S c v ( 6.1) 106

26 nebo Qm Q v = ρ ( 6.2) kde ρ je hustota kapaliny. Setkáme se také s pojmem jmenovitý průtok hodnotu, na kterou je proveden návrh čerpadla. Q n. Jedná se o teoretickou Měrná energie Y je parametr, který představuje množství energie v jednom kilogramu čerpané kapaliny [J.kg -1 ]. Měrná energie čerpadla Y č je množství energie, která je dodána čerpadlem kapalině mezi sacím a výtlačným hrdlem čerpadla. Je měřítkem energetického stavu kapaliny, směrodatným pro pevnostní dimenzování stroje. Y = g H = p ρ ( 6.3) kde H je dopravní výška čerpadla a p je tlak. Hydraulický výkon [W], což je výkon předaný čerpadlem kapalině. P h = ρ Q Y v ( 6.4) Výkon je však pro dimenzování pohonu čerpadla nedostatečný, proto definujeme také příkon. Příkon čerpadla P (W) se vypočítá ze vztahu: P = P h η ( 6.5) Účinnost [%] je v hydraulických systémech obecně dána součinem tří dílčích složek účinnosti η = η η η m o h ( 6.6) kde η m je mechanická účinnost, η o je objemová účinnost a energie [J] ři čerpání čerpacího je dána jako časový integrál z příkonu. η h je hydraulická účinnost. Spotřeba E = t P dt 0 ( 6.7) Pro situování čerpadla vzhledem k spodní hladině kapaliny v čerpacím systému je významná měrná sací energie y [J.kg -1 ]. Je měřítkem kavitačních vlastností čerpadla. Často je označována také jako měrná kavitační energie, kavitační rezerva, kavitační deprese. Kritická hodnota kavitační deprese ykr [J.kg -1 ] je definována podle ČSN a stanoví se na zkušebně kavitační zkouškou. 2 ps pw cs y kr = + ρ 2 ( 6.8) kde p s je tlak na sacím hrdle čerpadla [Pa], p w tlak nasycených čerpané kapaliny při dané teplotě [Pa], c s rychlost v sacím potrubí [ms -1 ]. 107

27 Podle tohoto vztahu se jedná o převýšení energie kapaliny na vstupním hrdle čerpadla nad mezní hodnotou tlakové energie nasycených par p w ρ. Tato energetická rezerva je potřebná pro pokrytí hydrodynamických ztrát v přívodních kanálech čerpadla a na vstupu do kanálů oběžného kola. Pro zajištění bezkavitačního provozu je nutnou podmínkou, aby tlak na vstupu do oběžného kola byl větší než tlak nasycených par čerpané kapaliny při dané teplotě. V opačném případě dochází ke vzniku bublin (dutin) vyplněných parami, jejich růstu a následné implozi doprovázené intenzivním tlakovým rázem. Kavitace v čerpadle se projevuje snížením parametrů čerpání, hlukem a vibracemi, a ve svém důsledku nevratným poškozením povrchů hydraulických částí čerpadla, viz obr obr. 6.2 Oběžné kolo zničené kavitací [7] Při posouzení umístění čerpadla vzhledem k hladině v sací nádrži se hodnota přibližně o 15% a definuje se dovolená hodnota kavitační deprese ykr navyšuje y dov y kr ( 6.9) Čerpadlo je tím odolnější proti vzniku kavitace, čím nižší je hodnota je definována kavitační výška NPSH v metrech (Net Positive Suction Head). ykr. V anglické literatuře 6.2 Charakteristiky čerpadla a potrubí Závislosti hlavních energetických parametrů (dopravní výšky H či měrné energie Y, příkonu P, účinnosti η a kavitační deprese y ) na dopravovaném množství objemovém průtoku Q při určitých konstantních otáčkách n dána charakteristikami čerpadla. 108

28 Dílčí charakteristiky se zpracovávají na základě experimentálního měření na zkušebním okruhu, jehož součástí je měřené čerpadlo jako prototyp nebo model. Na obr. 6.3 je znázorněna obecná charakteristika odstředivého čerpadla závislost měrné energie, příkonu, účinnosti a kavitační deprese čerpadla na objemovém průtoku. Ze závislosti je vidět, že při požadavku na vyšší objemový průtok klesá měrná energie. Je zde patrná silná vazba mezi hlavními parametry čerpadla a charakteristiku Q Y označujeme jako měkkou. Pokud je maximální hodnota měrné energie Y max dosahována v závěrném bodě (Q Ymax = 0), jedná se o charakteristiku stabilní, pokud Ymax přísluší nenulové hodnotě průtoku (Q Ymax > 0), má charakteristika stabilní a labilní větev, což může vést k nestabilitě provozu čerpadla. Charakteristika je závislá na typu čerpadla a tedy na rychloběžnost n b. Čerpadla s nižší hodnotou rychloběžnosti mají stabilní větev charakteristiky při Q > Q Ymax, a labilní větev při Q < Q Ymax. Se stoupající hodnotou rychloběžnosti se charakteristika stává v celém rozsahu stabilní. Stabilita charakteristiky je požadována zejména u systémů, kde průtok kolísá až k malým, případně nulovým hodnotám (například napájení parogenerátorů. Z charakteristiky Q η je patrné, že čerpadlo má nejvyšší účinnost při určitém dopravovaném množství. Při výběru čerpadla se tedy dbá na to, aby maximum účinnosti čerpadla bylo v oblasti jeho provozu. Y [J.kg -1 ] P [W] η [%] y [J.kg -1 ] P - Q Y - Q P n Y n y - Q η max η - Q y Q n Q [m 3.s -1 ] obr. 6.3 Charakteristiky odstředivého čerpadla při konstantních otáčkách [5] Pracovní bod systému Čerpadlo pracuje ve spojení s potrubím. Čerpadlo je aktivní složkou čerpacího systému dodává energii kapalině, zatímco potrubí energii dodanou čerpadlem spotřebovává na pokrytí hydraulických odporů třecích a místních. Při ustáleném provozu jsou obě složky čerpacího systému v rovnováze, tj. hlavní parametry Q, Y jsou pro potrubí i čerpadlo stejné, nastane rovnováha energií Y ( č ) = Y( p). Souvislost hlavních parametrů je vyjádřena charakteristikou f ( Q) Hovoříme o charakteristice čerpadla a charakteristice potrubí. Y = jak pro čerpadlo, tak i pro potrubí. 109

29 Charakteristika potrubí: určuje, kolik energie je potřeba k dopravě daného průtoku Y( č ) = f ( Q) Charakteristika čerpadla: udává, jakou měrnou energii poskytuje čerpadlo při daném průtoku Y p = ( ) f ( Q) V případě rovnováhy energií musí existovat průsečík obou křivek, tzv. provozní bod systému, viz obr Y [J.kg -1 ] Y č -Q Y čs Pracovní bod Y p -Q Q čs Q [m 3.s -1 ] obr. 6.4 Pracovní bod systému [5] Pro početní řešení parametrů čerpání v pracovním bodě je nutné znát jak charakteristiku potrubí f (Q) Y p =, tak i charakteristiku čerpadla Y( č ) = f ( Q). Veškerá energie, kterou čerpadlo dodá kapalině, je v pracovním bodě využita na dopravu kapaliny a pokrytí ztrát potrubí, systém je tak ve stabilním stavu. Provozní hodnoty Q, Y jsou určeny průsečíkem charakteristiky čerpadla a charakteristiky potrubí Charakteristika potrubí Skutečnou měrnou energii YP, potřebnou pro dopravu kapaliny potrubím určíme z energetické bilance čerpacího systému. Ta je dána Bernoulliho rovnicí definovanou pro hladiny v sací (SN) a výtlačné (VN) nádrži. Y + Y = Y SN P VN psn + Y ρ P = pvn + g ρ ( h + h ) + g ( h + h ) s v zs zv ( 6.10) p p ρ ( h + h ) + g ( h h ) vn sn Y P = + g s v zs + zv Prvé dva členy na pravé straně jsou na průtoku nezávislé a představují statickou měrnou energii. 110

30 Y st = p vn p ρ sn + g ( h + h ) f ( Q ) s v v ( 6.11) Poslední člen představuje měrnou ztrátovou energii a je funkcí průtoku. z a ( h + h ) f ( Q ) Y = g = zs zv v ( 6.12) Velikost exponentu a je dána charakterem proudění kapaliny a určuje strmost charakteristiky. a = 1 a = 7/4... laminární proudění (lineární závislost) hydraulicky hladká potrubí a = 7/ přechodová oblast turbulentního proudění a = 2... vyvinuté turbulentní proudění (kvadratická parabola) Ztrátová energie zahrnuje odpory třením a místní v sacím a výtlačném potrubí, lze ji tedy vyjádřit vztahem Y z 2 2 λs. ls cs λv. lv cv s v d s 2 d = + ξ + + ξ v 2 ( 6.13) kde d s, d v, l s, l v průměry a délky sacího a výtlač. potrubí, c s, c v střední (absolutní) rychlost v sacím a výtlačném potrubí, ξ s, ξ v součinitelé místních ztrát v sacím a výtlačném potrubí, λ s, λ v třecí součinitelé v sacím a výtlačném potrubí. Z rovnice kontinuity lze vyjádřit rychlost pomocí průtoku c s 4Qv 4Qv =, c 2 v = 2 πd πd s v ( 6.14) Po dosazení do předchozí rovnice a vytknutí objemového průtoku obdržíme Y z = λs. l d s s 8 + ξs 2 π d 4 s + λv. l d v v 8 + ξv 2 π d 4 v Q 2 v ( 6.15) Součinitel tření λ závisí na režimu proudění v potrubí charakterizovaném Reynoldsovým číslem c d Re = v ( 6.16) kde ν je kinematická viskozita [m 2 s -1 ]. Laminární proudění Re 2320, λ = f ( Re) ( 6.17) (kruhový průřez) λ = 64 Re ( 6.18) Turbulentní proudění Re 2320 ( 6.19) 111

31 U turbulentního proudění jsou ztráty třením větší než u laminárního proudění. Součinitel tření λ je závislý na velikosti Reynoldsova čísla a relativní (bezrozměrné) drsnosti d ε = k ( 6.20) případně k k r = d ( 6.21) kde k [mm] je absolutní drsnost stěny potrubí, definovaná jako střední hodnota nerovností na stěně. Vztahy pro výpočet součinitele tření jsou stanoveny na základě experimentálního měření. Pro hydraulicky hladké potrubí je součinitel tření pouze funkcí Reynoldsova čísla λ = f ( Re) Blasius λ = Re Re ( Re k ) ( 6.22) Mezi oblastí hydraulicky hladkých potrubí a oblastí vyvinutého turbulentního proudění je oblast přechodová (oblast smíšeného tření), v níž součinitel tření závisí jak na Reynoldsově čísle, tak na relativní drsnosti λ = f Re, k d ( 6.23) Pro tuto oblast byla různými autory odvozena řada empirických vztahů. Za nejpřesnější je pokládán vztah dvojice autorů Colebrook-White 1 = 2log λ 0,27 k d 2,51 + Re λ ( 6.24) Tato rovnice je implicitní a λ se musí řešit iterací. Proto byly v posledních letech mnoha autory odvozeny pro λ explicitní vzorce. Při stanovení chyby výpočtu podle dalších autorů se obvykle předpokládá, že rovnice Colebrookova je přesná a vzhledem k této rovnici se stanoví absolutní či relativní chyba. Jako příklad je uvedena rovnice, kterou odvodil Churchill λ = 8 8 Re ( a + b) 1, , ,457ln a = 0,27 = + ε b Re Re ( 6.25) 112

32 Pro danou poměrnou drsnost má součinitel tření λ od určitého Reynoldsova čísla hodnotu stálou a nezáleží na Re. V této oblasti nazvané vyvinuté turbulentní proudění = f ( k) tření lze určit podle λ a součinitel Nikuradse: 1 3,7 D = 2log λ k, λ = 2 log d k 1 + 1,138 2 ( 6.26) Vliv drsnosti potrubí vyšetřoval Nikuradse v letech 1930 až Grafické vyjádření závislosti λ = f d Re, k ( 6.27) je prezentováno v literatuře zabývající se hydraulickým výpočtem potrubí [6]. Ve většině případů čerpání méně vazkých kapalin je proudění turbulentní a charakteristika potrubí je kvadratická parabola Y = Y + K st 2. Qv ( 6.28) kde hodnota K vyplývá z definice hydraulických odporů. Správné určení velikosti součinitele tření i součinitelů místních ztrát je základním předpokladem správného návrhu a ekonomického provozu čerpacího systému Charakteristika čerpadla Charakteristiku čerpadla určíme měřením. Principem je měření tlaků v charakteristických průřezech na vstupu a výstupu čerpadla (p s, p v ), viz obr. 6.1 Schéma čerpacího systému. Sestavíme Bernoulliho rovnice pro sací a výtlačné potrubí, přitom za vztažné roviny bereme hladiny v nádržích a pak roviny, které procházejí sacím a výtlačným hrdlem čerpadla. V našem případě leží sací hrdlo pod osou čerpadla a výtlačné hrdlo nad osou čerpadla. Bernoulliho rovnice pro sací potrubí má tvar p ρ p ρ c 2 2 sn s s = + + g 1 ( hs y ) + ghzs ( 6.29) Bernoulliho rovnice pro výtlačné potrubí má tvar p ρ c p 2 ρ 2 v v vn + = + g 2 ( hv y ) + g hzv ( 6.30) Převedeme veličiny související s čerpadlem na levou stranu, veličiny související s energetickou bilancí systému ponecháme vpravo ps c ρ 2 2 s + g y 1 psn = + g h ρ s + g h zs ( 6.31) 113

33 pv c + ρ 2 2 v + g y 2 = pvn + g hv + g h ρ zv Rovnice sečteme p v p ρ s c + 2 v c 2 2 s + g p p ρ vn sn ( y + y ) = + g ( h + h + g h + g h ) 2 1 s v zs z ( 6.32) Z této rovnice je patrná rovnováha energií čerpadla a potrubí. Pokud označíme svislou vzdálenost sacího a výtlačného hrdla čerpadla y + y =, lze pro energii měřenou na čerpadle napsat 2 1 y Y p p ρ c + c v s v s č = + g y ( 6.33) Tento vztah je používán při vyhodnocení měrné energie čerpadla při jeho garančních zkouškách. Pro vyšetření charakteristiky čerpadla je nutné provést měření pro několik hodnot průtoku od závěrného bodu za optimální průtok čerpadla. Měření se provádí při konstantních otáčkách. U strojů HS převládá energie tlaková, kinetická energie má podružný význam. U strojů HD jsou obě formy energie rovnocenné. Nízká hodnota rychlostní energie zvýhodňuje HS stroje v případě vazkých a abrazivních kapalin menší hydraulické ztráty a opotřebení Určení geodetické sací výšky Pro sací řad systému a určení dovolené geodetické sací výšky je směrodatná energetická bilance mezi spodní hladinou a sacím hrdlem čerpadla, viz. obr. 6.1, která je pro ustálený stav dána Bernoulliho rovnicí [J.kg 1 ]ve tvaru p ρ p ρ c 2 2 sn s s = + + g 1 ( hs y ) + ghzs ( 6.34) Pokud dosadíme do této rovnice definiční vztah měrné sací energie Y p p ρ sn s S = + g y 1 ( 6.35) a rychlost v sacím potrubí označíme jako absolutní rychlost c s, obdržíme po úpravě vztah 2 c = 2 s Y S + ghs + gh zs ( 6.36) Měrná sací energie je vnější kavitační charakteristikou čerpadla, která má tři složky. Snaha dosáhnout co největší hodnoty sací výšky h s vede k nutnosti snížit hydraulické ztráty a rychlost kapaliny v sacím potrubí. Ta bývá optimálně v rozmezí 0,5 ms -1 až 1,5 ms -1. Z definičního vztahu měrné sací energie je zřejmé, že její hodnota závisí na tlaku p sn, který s rostoucí nadmořskou výškou klesá. S rostoucí nadmořskou výškou tedy musí být geodetická sací výška nižší. Příznivější budou situace, kdy na hladinu v sací jímce bude působit přetlak. 114

34 Jestliže z Bernoulliho rovnice pro sací řad vyjádříme tlak p s p ρ p ρ c p p 2 ρ ρ 2 2 sn s s = + + g 1 c 2 s sn s ( hs y1 ) + ghzs = ghs + gy ghzs ( 6.37) a dosadíme jej do definiční rovnice pro kavitační depresi, získáme souvislost mezi kavitační depresí a měrnou sací energií p p ρ c p p 2 ρ 2 s w s sn w ykr = + = ghs + gy1 gh zs = Y Skr gh gh s zs ( 6.38) Pokud bude ležet sací hrdlo v ose čerpadla a tedy y 1 =0, bude hodnota geodetické sací výšky odpovídající kritické kavitační depresi rovna h skr = p p ρg sn w y g kr h zs ( 6.39) V praxi se určuje dovolená geodetická sací výška h sdov = p p ρg sn w y g dov h zs ( 6.40) Kladná hodnota dovolené sací výšky umožňuje umístění čerpadla nad hladinu v sací jímce. Před zahájením provozu musí být tato čerpadla odvzdušněna a zaplněna kapalinou. Některé typy jsou konstruovány jako samonasávací (s vývěvním účinkem) a dokážou rotací oběžného kola vytvořit podtlak, potřebný k zaplnění čerpadla kapalinou ze spodní nádrže. Předpokladem je zpětná klapka v sání (součást sacího koše), která může zhoršit kavitační vlastnosti systému. V případě větších čerpadel a čerpacích stanic se čerpadla plní podtlakovým odvzdušněním (evakuací). U horkých a těkavých kapalin se může hodnota tlaku na hladině v sací nádrži blížit tlaku nasycených par a dovolená sací výška je záporná, v tomto případě je nutné umístit osu čerpadla pod hladinu v sací jímce do tzv. nátokové dispozice. Výškové uspořádání čerpacího systému musí zajistit bezpečný provoz a správnou funkci čerpadla při všech předpokládaných provozních stavech. 115

35 7. Základní konstrukce čerpadel Rozdílné požadavky kladené na výkonové parametry odstředivého čerpadla, zejména s ohledem na jeho dopravní výšku, průtok a instalaci spolu s požadavky na hospodárný provoz jsou jedním z důvodů, proč existuje tak velký počet typů čerpadel. Obr. 25. ukazuje různé typy čerpadel řešené s ohledem na průtok a tlak. obr. 7.1 Průtok a dopravní výška u různých typů HD čerpadel [7] Hydrodynamická čerpadla můžeme dále charakterizovat podle konstrukčních vlastností: Typ oběžného kola Podle směru výstupu kapaliny z oběžného kola rozlišujeme oběžná kola radiální, diagonální a axiální, viz obr Počet stupňů V závislosti na počtu oběžných kol v čerpadle se může jednat o jednostupňové nebo vícestupňové čerpadlo. Poloha hřídele čerpadla Hřídel jednostupňových a vícestupňových čerpadel má horizontální nebo vertikální polohu. Tato čerpadla se běžně označují jako horizontální nebo vertikální čerpadla. Počet vtoků do oběžného kola 116

36 V závislosti na konstrukci oběžného kola může být čerpadlo vybaveno jednovtokovým nebo dvouvtokovým oběžným kolem. Spojení jednotlivých stupňů čerpadla Články čerpadla mohou být uspořádány dvěma různými způsoby, a sice do série nebo paralelně. Konstrukce tělesa čerpadla Rozlišujeme dva typy těles čerpadla; spirálové těleso a kanálové těleso s vodícími lopatkami (rozvaděč). 7.1 Názvy čerpadel podle charakteristických konstrukčních znaků Při popisu hydrodynamických čerpadel podle charakteristických konstrukčních znaků se setkáváme s těmito pojmy [8]: Horizontální čerpadla čerpadla s vodorovnou osou hřídele Vertikální čerpadla čerpadla se svislou osou hřídele Nízkotlaká, středotlaká, vysokotlaká čerpadla čerpadla podle dosahovaného tlaku na výstupu Jednostupňová čerpadla Čerpadla, ve kterých se zvýšení tlaku dosahuje jedním stupněm (také při paralelním řazení oběžných kol zůstávají čerpadla jednostupňová). Vícestupňová čerpadla odstředivá čerpadla s několika sériově řazenými oběžnými koly Čerpadla s dvoustranným vstupem Čerpadla, ve kterých se celkový objemový průtok rozděluje do dvou paralelně řazených čerpacích elementů (oběžných kol) nebo s jedním oběžným kolem s dvoustranným vstupem. Čerpadla s ložiskovým kozlíkem horizontální čerpadla (většinou jednostupňová) na ložiskovém kozlíku Čerpadla s ložiskovou konzolou Čerpadla s tělesem ložiska namontovaným na tělese čerpadla, toto konstrukční provedení dovoluje demontáž rotoru včetně tělesa ložiska ze strany pohonu (většinou jednostupňová spirální čerpadla). Čerpadlo v klasickém provedení s vyvedeným hřídelem Čerpadlo je spojeno s motorem pružnou spojkou. Motor a čerpadlo mají oddělená ložiska. Monobloková čerpadla Čerpadla vcelku s motorem jako jednotná soustrojí se společným hřídelem (někdy také čerpadlo, které je spojeno s motorem tuhou spojkou). Čerpadla v uspořádání in-line (čerpadla vestavěná do potrubí) 117

37 Kapalina protéká přímo čerpadlem. Konce sacího a výtlačného potrubí čerpadla jsou umístěny v jedné rovině naproti sobě a čerpadlo tak může být instalováno přímo do potrubní soustavy. Čerpadla s axiálně (radiálně) děleným tělesem Čerpadla, jejichž těleso je rozděleno na dvě části v rovině rovnoběžné s osou hřídele (kolmé na osu hřídele). Čerpadla s letmo uloženým kolem Odstředivá čerpadla, u kterých je oběžné kolo uloženo na převislém konci hřídele mimo rozteč ložisek. Čerpadla s odnímatelným víkem Odstředivá čerpadla s letmo uloženým oběžným kolem, jejichž sací víko je odnímatelné a umožňuje přístup k oběžnému kolu. Čerpadla s oboustranně podepřeným oběžným kolem Odstředivá čerpadla, u nichž je oběžné kolo uloženo na hřídeli mezi ložisky. Čerpadla s vnitřními ložisky Odstředivá čerpadla, u nichž je jedno nebo několik ložisek hřídele umístěno v prostoru s čerpanou kapalinou, kterou mohou být současně mazána. Čerpadla s vnějšími ložisky Odstředivá čerpadla, u nichž jsou ložiska hřídele umístěna vně tělesa čerpadla a nejsou ve styku s čerpanou kapalinou. Bezucpávková čerpadla Čerpadla bez průsaku ucpávkou (někdy také hermetická čerpadla), hřídel nevystupuje z tělesa čerpadla do atmosféry (např. čerpadla s magnetopohonem, čerpadla s obtékaným statorem (rotorem). Zapouzdřená (barelová) čerpadla Zpravidla vícestupňová odstředivá čerpadla axiálně zasunutá do vnějšího tělesa uzavřeného víkem se šrouby, ke kterému jsou připojeny i vstupní a výstupní příruby. Mezi vnitřním a vnějším tělesem vždy působí výstupní tlak čerpadla, Čerpadla do suché jímky Čerpadla určená svou konstrukcí pro spojení s jímkou pomocí sacího potrubí, provedení ložisek nedovoluje ponoření do čerpané kapaliny. Čerpadla do mokré jímky Čerpadla určená svou konstrukcí pro instalaci do jímky s volnou hladinou, provedení ložisek vyžaduje ponoření do čerpané kapaliny. Ponorná čerpadla Vertikální čerpadla, která jsou společně se speciálním elektromotorem zcela nebo částečně ponořena do čerpané kapaliny. Vícestupňová článková čerpadla Odstředivá čerpadla vícestupňového konstrukčního provedení s vloženými nebo integrovanými rozvaděči. 118

38 Základní rozdělení strojních a ručních čerpadel a jejich terminologii, určenou hlavně pro použití v nově zpracovávaných technických podkladech, obchodním styku a odborné literatuře, obsahuje norma ČSN Spolu s normalizovanými českými názvy jsou v ní pro informaci uvedeny odpovídající slovenské názvy a dále francouzské a německé názvy převzaté z terminologie Evropského svazu výrobců čerpadel (EUROPUMP) a částečně také ruské názvy, pokud se je podařilo zjistit. V příloze D je pro informaci uveden klíč pro přiřazení čísel článků k řadicím číslům pro názvy čerpadel obsaženým v EUROPUMP TERMINOLOGY ČSN byla vydána v prosinci 1994 a nahradila ČSN z Základní konstrukce radiálního čerpadla Základní konstrukci čerpadla si můžeme přiblížit na příkladu radiálního čerpadla. Odstředivá čerpadla se pro malé výstupní tlaky konstruují jako jednostupňová, pro větší výstupní tlaky jako vícestupňová. Konstrukčně je odstředivé čerpadlo obdobou Francisovy turbiny. Kapalina jím ale protéká v opačném smyslu. Na nejmenším funkčním průměru oběžného kola je nasávána, na největším průměru vytlačována. Kinetická energie kapaliny, získaná přeměnou mechanické práce přivedené čerpadlu, se mění na energii tlakovou ve spirální skříni. Ukázka jednostupňového radiálního čerpadla je na obr. 7.2 až obr obr. 7.2 Jednostupňové radiální čerpadlo [9] 119

39 obr. 7.3 Základní konstrukční části radiálního čerpadla [8] obr. 7.4 Řez radiálním čerpadlem Horizontální odstředivá jednostupňová spirální čerpadla na ložiskové konzole s axiálním vstupem a radiálním výstupem jsou standardně poháněna elektromotorem. Oběžná kola jsou zavřené konstrukce. Hřídel je uložený v ložiskové konzole ve valivých ložiscích. Ložiska jsou standardně mazaná tukem. Při vyšších teplotách čerpaných médií jsou mazána olejem. Odstředivá (radiální) čerpadla mají široké použití, zejména pro čerpání menších množství do velkých výšek, tj. pro 120

40 dosažení velkých tlaků. Ucpávky čerpadel jsou měkké (provazcové), viz obr. 7.5, nebo mechanické. Provedení měkkého těsnění se volí podle vlastnosti čerpané kapaliny a její teploty. obr. 7.5 Řez čerpadlem - pohled na měkkou šňůrovou ucpávku Spirální čerpadla v běžném materiálovém provedení jsou vhodná pro přepravu čistých a mírně znečištěných kapalin zbavených pevných přimísenin, v nerezovém provedení i pro čerpání agresivních vod a chemikálií. Konstrukce čerpadla musí odpovídat účelu, kterému má sloužit, musí splňovat požadavky odběratelů. Proto byla vyvinuta řada konstrukcí i materiálových realizací čerpadel. Lze je dělit podle různých hledisek, nejčastěji podle dosahovaných parametrů. Podle hodnoty měrné energie lze rozdělit čerpadla do tří skupin, a to nízkotlaká čerpadla (Y = 5 J.kg 1 až 300 J.kg 1 ) středotlaká čerpadla (Y = 300 J.kg 1 až 3000 J.kg 1 ) vysokotlaká čerpadla (Y = 300 J.kg 1 až více) V každé z těchto skupin lze uvést typické představitele s jejich charakteristickými rysy. Jejich zástupce nalezneme i v jaderné energetice. 7.3 Nízkotlaká čerpadla a jejich uplatnění v jaderné energetice K nízkotlakým čerpadlům patří čerpadla axiální a diagonální. Axiální čerpadla jsou dominantní do Y = 100 J.kg 1. Vzhledem k nízké dosahované energii jsou jednostupňová a jejich využití je zejména v čistírnách odpadních vod, zavlažovacích a odvodňovacích čerpacích stanicích. Konstruují se jako neregulační s pevnými lopatkami, nebo jako regulační s mechanismem natáčení oběžných lopatek. V jaderné energetice se mnohem významněji uplatňují čerpadla diagonální. Slouží k čerpání chladicí vody v otevřených okruzích (do Y = 150 J.kg 1 ) i uzavřených okruzích (do Y = 250 J.kg 1 ). U těchto čerpadel je důraz kladen především na účinnost, protože spotřebovávají 0,7% až 1% vyrobené energie energobloku. Kromě toho je požadována spolehlivost, zvýšená životnost, možnost rychlé 121

41 revize a opravy čerpadla. Diagonální nízkotlaká čerpadla jsou jednostupňová, vyznačují se velkými průtoky a nízkými otáčkami. Bývají konstruována jako vertikální vzhledem ke kavitačním podmínkám i menším nárokům na plochu. Mohou být umístěna do suché jímky (sací koleno) nebo do mokré jímky (sací zvon). Vyrábějí se jako neregulační nebo v regulačním provedení s natáčivými lopatkami. Často jsou konstruována s vyjímatelným rotorem z důvodů snadné demontáže a zkrácení doby opravy. Požadavek na odolnost a zvýšenou životnost se týká zejména materiálu oběžného kola, těsnících kruhů, pouzder hřídele, ložisek, ucpávek. Lopatky oběžného kola bývají z materiálů legovaných chromem a niklem, náboj z nerezové oceli, pouzdra hřídele z chromované oceli. Jako příklad je uvedeno čerpadlo z produkce společnosti SIGMA GROUP a.s. typu BQAV. Jedná se o vertikální diagonální čerpadlo s vyjímatelným rotorem. Jeho popis je převzat z firemní dokumentace čerpadla [10] Vertikální diagonální čerpadlo BQAV Vertikální diagonální čerpadlo BQAV je konstruováno s možností vyjmutí úplného rotoru, tj. rotoru a vyjímatelných částí statoru, bez nutnosti demontáže zakotvené statorové části. Všeobecné použití čerpadel této řady v běžném provedení je na čerpání čisté, zakalené nebo jen mírni znečištěné vody povrchové a říční bez dlouhých vláknitých nebo pevných přimísenin do max. teploty 50 C. Ve speciálním materiálovém provedení mohou sloužit také k dopravě agresívních vod v různých provozech, např. mořské vody apod. vodárenství, vodohospodářství, průmyslu, zemědělství apod. Čerpadla BQAV se uplatňují zejména: ve vodárenství na čerpání pitné a užitkové vody, v elektrárnách na dopravu chladící vody, v kanalizačních a čistírenských zařízeních na přečerpávání splaškové a dešťové vody, v zemědělství na čerpání vody v zavlažovacích soustavách, v průmyslových a jiných vodohospodářských soustavách. Konstrukce Čerpadla řady BQAV jsou vertikální konstrukce s diagonálním otevřeným oběžným kolem a rozvaděčem. Mohou být situována do mokré i do suché jímky. Rotor čerpadla je uložen v kluzných ložiskách, s nimiž jej lze jako celek vytáhnout ze statorové části čerpadla. Ložiska v mokré části čerpadla jsou mazána čistou přetlakovou vodou, přiváděnou do ochranné trubky hřídele nebo čerpanou kapalinou. Ložisko nad odbočným kolenem je kluzné s vnitřním olejovým oběhem. Závěs čerpadla, který tvoří v podstatě nosník pro elektromotor s pružnou spojkou a se samostatným axiálním ložiskem, zachycuje axiální síly z čerpadla. Přichází v úvahu při přímém pohonu elektromotorem v těch případech, kdy není možné zesílit axiální ložisko elektromotoru. Materiálové provedení Základní materiálové provedení pro vody chemicky neaktivní o kyselosti 6,5-8 ph je v podstatě kombinací šedé litiny a uhlíkových ocelí. U čerpadel 1000-BQAV a větších velikostí je oběžné kolo z lité oceli. Pro čerpání agresívních vod (mořská voda apod.) možno použít zvláštního 122

42 materiálového provedení na bázi legovaných ocelí a to podle individuálního řešení a projednání s výrobcem. Informativní řez čerpadlem BQAV je uveden na obr. 7.6 [10]. 112 těleso rozvaděče 132 vložka rozvaděče 138 sací nástavec 141 sací přechod 144 odbočné koleno 160 víko odbočného ložiska 175 přechod 211 hřídel 230 oběžné kolo 310 vodící olejové ložisko 313 kluzné ložisko s vodním mazáním 431 měkká ucpávka 710 vodící trouba 713 vložka odbočného kolena 714 ochranná trubka hřídele pružná spojka pružná spojka pevná vložka pevná vložka 870 převodová skříň 891 montážní rám odbočného kolena 922 matice oběžného kola 1 odpad chladící vody z olej. Ložiska 2 přívod mazací vody do spodního ložiska 3 odpad vody z měkké ucpávky obr. 7.6 Informativní řez čerpadlem BQAV s převodovou skříní a elektromotorem do mokré jímky [10] Informativní pracovní oblast čerpadel 123

43 Diagram podává informativní přehled o celkové projektované výkonové oblasti čerpadel BQAV. Kroužkem označené velikosti čerpadel jsou konstrukčně provedeny. Realizace dalších velikostí je postupná. Velké číslice v jednotlivých políčkách diagramu vyjadřují jmenovitou světlost výtlačného hrdla a zároveň typovou velikost čerpadla (např. 800-BQAV,1000-BQAV, atd.). obr. 7.7 Projektovaná výkonová oblast čerpadel [10] Výkon těchto čerpadel je úměrný výkonu energetických bloků. Mohou být instalována do suché i mokré jímky, viz obr Tato čerpadla mohou být dodána také v klasickém pevném provedení, bez vytahování rotoru jako celku, přicházející v úvahu zejména při větších stavebních délkách, nebo tam kde, požadavek rychlé demontáže není rozhodující. Typové označení pevného provedení je BQBV. 124

44 obr. 7.8 Vertikální diagonální čerpadla s vyjímatelným rotorem BQAV [10] Další čerpadla pro čerpání a přepravu surové vody z širokého výrobního programu SIGMA GROUP a.s. mají označení typových řad QVD, QVR, KID CVN, CVE, CU, HVBW, BQOW, BQLV, BQLV, BQDV, AQTV, CVEV, CVFV Vertikální diagonální čerpadlo BQDV, BQTV, BQCV Příkladem diagonálního čerpadla s natáčením oběžných lopatek je typ BQDV. Vertikální čerpadlo BQDV je určeno pro dopravu čisté užitkové vody nebo jen mírně znečištěné povrchové a říční vody. Uplatňují se především v oblasti jaderné i klasické energetiky, vodárenství, vodohospodářství, průmyslu, zemědělství [11]. Čerpadla BQDV jsou konstrukčně řešena s možností plynulé regulace dopravní výšky a průtoku čerpadla natáčením lopatek oběžného kola, kterou lze provádět za provozu. Regulační mechanismus v oběžném kole je ovládán servomotorem, umístěným v upravené spojce čerpadla. Zařízení regulace je vybaveno koncovými a momentovými vypínači a vysílačem polohy lopatek oběžného kola. 125

45 Čerpadla BQTV jsou bez možnosti plynulé regulace výkonu za provozu. Mají však zachován regulační mechanismus v oběžném kole, takže je umožněno přestavení lopatek pouze mimo provoz čerpadla po předchozím odvodnění sací jímky. Čerpadla BQCV jsou řešena s možností vyjímání pracovních částí čerpadla bez odpojení výtlačného potrubí, čímž je dosaženo vysokého stupně pohotovosti při revizi nebo opravě soustrojí. Jsou určena zejména pro jaderné elektrárny, u kterých je požadována seismická odolnost. Konstrukce Čerpadla jsou odstředivá, vertikální s diagonálním oběžným kolem. Hřídel je veden v mokré části v kluzných ložiskách, mazaných čerpanou vodou nebo čistou vodou z cizího zdroje v případě čerpání znečištěné vody. Nad odbočným kolenem je hřídel veden v radiálně axiálním ložisku, které je u menších velikostí valivé, u větších velikostí kluzné segmentové. Ložisko je mazáno olejem, chlazeným vodou přiváděnou z výtlaku čerpadla, případně z cizího zdroje. Za účelem zkrácení doby opravy je těleso spodního radiálního ložiska dělené a lze ho vyjmout montážními otvory ve výtlačné troubě bez nutnosti demontáže rotoru čerpadla. Ucpávka, umístěná ve výtlačném koleně je měkká šňůrová. Informativní řez čerpadlem je uveden na obr. 7.9 [11]. Materiálové provedení Hlavní díly čerpadla jsou z těchto konstrukčních materiálů: - výtlačné koleno - manganová ocel - lopatky oběžného kola - chromniklová ocel - náboj oběžného kola - chromová ocel - hřídel - ušlechtilá uhlíková ocel - pouzdra hřídele - chromová ocel - ložiska - speciální pryž Parametry čerpadla Průtok se pohybuje v rozsahu 3 m 3.s -1 až 15 m 3.s -1, měrná energie dosahuje hodnot 108 J.kg -1 až 265 J.kg -1. Teplota vody je max. 50 C. 126

46 103 kulová vložka 112 rozvaděč 139 sací koleno 140 vtokový kus 141 sací těleso 144 výtlačné koleno 175 kuželový nástavec 211 hřídel 230 oběžné kolo 300 axiální ložisko 310 kluzné ložisko 382 těleso ložiska rozvaděče 451 těleso ucpávky 452 víko ucpávky 461 ucpávkové těsnění pouzdro hřídele pouzdro ucpávky 574 táhlo regulace 711 výtlačná trouba 724 víko trouby 840 spojka čerpadla 848 mezikus spojky obr. 7.9 Informativní řez čerpadlem 1600-BQDV v provedení do suché jímky [11] 127

47 7.4 Středotlaká čerpadla a jejich uplatnění v jaderné energetice Svými parametry se k čerpadlům středotlakým řadí oběhová čerpadla primárního okruhu a kondenzátní čerpadla Oběhová čerpadla primárního okruhu Úkolem hlavního cirkulačního čerpadla je cirkulace chladiva v primárním okruhu v množství odpovídajícímu tepelnému výkonu reaktoru. Tlaková nádoba reaktoru je několika potrubními cirkulačními smyčkami spojena s parogenerátory, odkud se po "ochlazení" vrací voda zpět do reaktoru. Hlavní cirkulační čerpadlo je umístěno na spodní, tzv. studené větvi, tj. zpětné do reaktoru. Provozní podmínky oběhových čerpadel primárního okruhu jsou velmi náročné. Pro řešení hlavních cirkulačních čerpadel jsou nejdůležitější požadavky na bezpečnost a spolehlivost a také požadované hodnoty výkonu a účinnosti, teploty a tlaku, za nichž čerpadlo pracuje. Pro přiblížení těchto podmínek jsou v tabulka 7.1 uvedeny parametry hlavních cirkulačních čerpadel JE Dukovany a Temelín. tabulka 7.1 Parametry hlavních cirkulačních čerpadel JE Dukovany a Temelín. Dukovany Temelín Počet jednotek 6 4 Průtok chladiva 7000 m 3 /hod m 3 /hod Vnitřní průměr chladicího potrubí 500 mm 850 mm Pracovní tlak v primár. okruhu MPa 15.7 MPa Teplota na vstupu do reaktoru 267 C 290 C Teplota na výstupu z reaktoru 297 C 320 C Otáčky 1500 min min -1 Energetická spotřeba 1.6 MW 5,1-6,8 MW Hmotnost 48 t 156 t U oběhových čerpadel primárního okruhu je požadováno zajištění průtokového chlazení reaktoru v případě výpadku elektrického napětí motoru čerpadla. To je řešeno prodloužením doby doběhu agregátu pomocí připojení vhodného setrvačníku k rotoru hnacího elektromotoru. Toto řešení neumožňuje bezucpávkové provedení čerpadla a vyžaduje konstrukci čerpadla s utěsněným hřídelem. Konstrukčně se tedy jedná o vertikální odstředivé ucpávkové čerpadlo, poháněné asynchronním elektromotorem. Těleso čerpadla má rotačně symetrický tvar z důvodů symetrie tepelného namáhání. Čerpadlo pracuje za velkých provozních tlaků a teplot, proto již ve fázi jeho návrhu je nutné provést řadu výpočtů zaměřených na pevnostní analýzu, určení deformací a napětí v důsledku teplotního a tlakového namáhání. Rozvoj počítačové techniky a pokročilých softwarových systémů umožňuje nejen posouzení ustálených provozních stavů, ale i dynamickou analýzu rotoru i statoru čerpadla. Získané výsledky a jejich podrobný rozbor umožňují odstranit případné nedostatky ještě 128

48 před uvedením do výroby. Jsou také podkladem pro volbu materiálového provedení konstrukčních částí čerpadla pro konkrétní aplikace. Teplotní a napěťové analýzy úzce souvisejí s konstrukčním a materiálovým řešením ucpávek a ložisek. Podmínkou je dokonalé provedení ucpávky s minimální netěsností. Zajištěni požadované minimální ztráty průsakem je možno splnit a provozní spolehlivost zajistit jen za předpokladu, že se podaří vyřešit deformace jednotlivých částí ucpávky od teplotních a napěťových vlivů tak, aby požadované velmi malé vůle zůstaly zachovány za všech provozních podmínek [12]. Utěsnění hřídele je zajištěno pomocí souboru ucpávek, tyto ucpávky plní rozdílné funkce, zpravidla se jedná o montážní, hlavní neboli provozní a klidovou ucpávku. V jiných konstrukčních řešeních ovšem mohou být jednotlivé funkce ucpávky i jinak rozděleny a řešeny. Hlavní ucpávku hřídele čerpadla tvoří dvojitá mechanická ucpávka. Využívá se kombinace hydrostatických a hydrodynamických ucpávek, která snižuje riziko zadření. K další související problematice patří řešení axiálního a radiálního ložiska. Radiální síla mění v průběhu otáčky svůj směr i amplitudu, tyto radiální kmity je nutné utlumit v radiálním ložisku. Axiální síla v důsledku vysokého tlaku v sání působí proti tíze rotoru agregátu. Proto jsou axiální ložiska konstruována jako segmentová se segmenty na horní ploše běhounu. Ložiska musí zajistit správnou funkci čerpadla za všech provozních podmínek, tj. i za rozběhu a doběhu čerpadla. Řešení uložení vertikální hřídele čerpadla patří ke know-how jednotlivých výrobců. K nim patří především společnost KSB, která se řadí mezi přední výrobce čerpací techniky. Své zastoupení má i v České republice. Na obr. 34 je prezentováno cirkulační čerpadlo primárního okruhu tlakovodního reaktoru typu RER z prospektu této firmy. obr Cirkulační čerpadlo primárního okruhu tlakovodního reaktoru typu RER [13] 129

49 Čerpadlo dosahuje následujících parametrů: Průtok chladiva Vnitřní průměr až m 3 /hod. 800 mm Měrná energie až 1370 Jkg -1 Pracovní tlak v primár. okruhu 17.5 MPa Teplota do 350 C K dalším významným výrobcům hlavních cirkulačních čerpadel primárního okruhu patří švýcarská firma Sulzer Pumps Ltd Kondenzátní čerpadla Kondenzátní čerpadla čerpají kondenzát ze sběrače kondenzátu a dopravují jej přes systém nízkotlakých parních ohříváků a odplyňovač do napájecí nádrže. V prostoru kondenzátoru, v němž je protékající chladicí vodou odnímáno skupenské teplo při kondenzaci páry je absolutní tlak v rovnováze s tlakem nasycených par při teplotě 25 až 35 C. Proto musí mít kondenzátní čerpadla velkou sací schopnost. Tomu napomáhá rozšíření vstupní hydraulické části a snížení rychlosti na vstupu do oběžného kola. U horizontálních čerpadel se první kolo konstruuje jako dvouvtokové (průtok se dělí na dva proudy paralelním řazením dvou oběžných kol). K dosažení dobrých kavitačních vlastností je důležitá také volba materiálu. Konstrukčně jsou tato čerpadla řešena jako článkovaná se řazením většího počtu oběžných kol za sebou v horizontálním i vertikálním provedení s řadou společných konstrukčních dílů. Horizontální čerpadla mají vyšší nároky na zastavěnou plochu. Obtížné je také zahlcení ucpávky na sací straně, kde je tlak blízký tlaku nasycených par v kondenzátoru. Vertikální provedení čerpadla zabírá menší půdorysnou plochu a umožňuje provoz čerpadla v nátokové dispozici, což je vzhledem k nebezpečí vzniku kavitace výhodnější. Jako příklad je uvedeno kondenzátní horizontální čerpadlo CJE s dvouvtokovým sacím oběžným kolem a s jednovtokovým sacím oběžným kolem CJT společnosti Sigma Group a.s. Horizontální kondenzátní čerpadla CJE, CJT Čerpadla CJE, CJT jsou kondenzátní horizontální článková čerpadla s provozními dopravními výškami do 160 m a s max. tlakem ve vstupním průřezu čerpadla 0,6 MPa, obsahující dvě základní skupiny: - skupina CJE... pro provozní teploty do 80 C - skupina CJT... pro provozní teploty do 130 C Typické kondenzátní čerpadlo představuje skupina čerpadel CJE. Skupina CJT s možností použití pro provozní teploty do 130 C se uplatňuje v různých uzavřených okruzích teplovodních soustav přečerpacích, oběhových, napájecích, na čerpání horké vody, kondenzátů a jiných nekorozivních kapalin, především tam, kde jsou k dispozici jen velmi malé nátokové výšky. Pracovní oblast čerpadel je uvedena v diagramu na obr

50 Konstrukce Kondenzátní čerpadla CJE, CJT jsou článkové konstrukce, vícestupňová, s oběžnými koly řazenými za sebou. Hřídel rotoru je uložen oboustranně ve valivých ložiskách, mazaných jednorázovou tukovou náplní, bez potřeby chlazení. Axiální sílu, podstatně sníženou hydraulickým odlehčením oběžných kol, zachycuje dvouřadé valivé ložisko na straně sacího tělesa. Čerpadla typu 100-CJE a 65 až 100-CJT mají první sací oběžné kolo s většími rozměry vstupní části k dosažení vysoké sací schopnosti. U ostatních typu obou skupin je první stupeň proveden s oběžným kolem dvouvtokovým. Obě hřídelové ucpávky mají měkké provazcové těsnění. Sací ucpávka je trvale za provozu zahlcena čerpanou kapalinou, převáděnou z výtlačného prostoru, čímž je výtlačná ucpávka odlehčena na hodnotu sacího tlaku. Takto vzniklý hydraulický uzávěr sací ucpávky zamezuje přisávání atmosférického vzduchu. Při obvyklém uspořádání dvou instalovaných kondenzátních čerpadel CJE, kdy jedno pracuje a druhé je v záloze (tzv. záskokové čerpadlo), je využito vzájemné propojení obou čerpadel k zahlcení ucpávek záskokového čerpadla. Čerpadla skupiny CJE pro max. teplotu čerpané kapaliny 80 C mají ucpávky bez chlazení. Čerpadla typu CJT pro provozní teploty nad 80 C a do max. teploty 130 C mají ucpávky provedené s chlazením studenou vodou odebíranou z cizího zdroje. Čerpadla jsou pravotočivá při pohledu ze strany pohonu. Materiálové provedení Jako standardní je materiálové provedení LC, kde těleso, oběžná a rozváděcí kola, těsnící kruhy jsou ze šedé litiny. První oběžné kolo je vždy z korozivzdorné oceli s vyšší odolností proti erozi kavitací. Hřídel je ze strojní oceli s ochrannými pouzdry ze šedé litiny. Ve zvláštním materiálovém provedení LU jsou všechna oběžná kola z korozivzdorné oceli, ochranná pouzdra hřídele z chromové litiny. Ostatní součástí zůstávají stejné jako ve standardním provedení LC. obr Informativní pracovní oblast čerpadel CJE, CJT [14] 131

51 Informativní řez čerpadlem s dvouvtokovým sacím oběžným kolem CJE je uveden na obr [14] sací těleso S sací těleso S tlačné těleso T těleso článku těleso článku 171 rozváděcí kolo difúzní kruh levý difúzní kruh pravý 211 hřídel oběžné kolo LC oběžné kolo LU oběžné kolo sací č oběžné kolo sací č ložisko radiální 323 ložisko axiální 340 konzola ložiska víčko radiálního ložiska 420 gufero 451 těleso ucpávky 452 ucpávková příruba 454 kroužek ucpávky zahlcovací pouzdro (sací) zahlcovací kroužek zahlcovací pouzdro (výtlačné) provazcové těsnění těsnicí kruh sacího kola kroužek odstřikovací rotorový radiální kroužek odstřikovací rotorový axiální odstřikovací kroužek 523 pouzdro rozpěrné sací pouzdro hřídele LC pouzdro hřídele LU pouzdro distanční LC pouzdro distanční LU matice rotoru levá 923 matice ložisková ax matice rotoru obr Řez čerpadlem s dvouvtokovým sacím oběžným kolem CJE [14] Informativní řez čerpadlem s jednovtokovým sacím oběžným oběžným kolem CJT je uveden na obr [14]. 132

52 106.1 sací těleso S sací těleso S tlačné těleso T těleso článku těleso článku 165 víko chlazení 171 rozváděcí kolo 175 převaděč 211 hřídel oběžné kolo LC oběžné kolo LU 231 oběžné kolo 1. stupně 321 ložisko radiální 323 ložisko axiální konzola ložiska sací strana konzola ložiska výtlačná strana víčko axiálního ložiska víčko radiálního ložiska gufero gufero 452 ucpávková příruba 454 kroužek ucpávky zahlcovací pouzdro zahlcovací kroužek provazcové těsnění těsnící kruh sacího kola těsnící kruh 504 distanční kroužek kroužek odstřikovací rotorový radiální kroužek odstřikovací rotorový axiální kroužek odstřikovací kroužek odstřikovací pouzdro hřídele LU (výtlak) pouzdro hřídele LC (výtlak) distanční pouzdro LC distanční pouzdro LU 528 rotorový kroužek 541 pouzdro článku pouzdro hřídele LC (sání) pouzdro hřídele LU (sání) matice rotoru matice rotoru levá 923 matice ložisková ax. obr Obr. 37 Řez čerpadlem s jednovtokovým sacím oběžným kolem CJT [14] Vertikální kondenzátní čerpadlo řady MVH Konstrukčně zajímavá jsou vertikální kondenzátní čerpadla řady MVH z produkce DC Pumps, s.r.o. Čerpadla jsou určena k čerpání čistých kondenzátů do teploty 220 C s hodnotou ph = 6 až

53 Uplatňují především v uzavřených okruzích k čerpání kondenzátu, a to jak v přetlakovém, tak v podtlakovém režimu Konstrukce Čerpadla řady MVH jsou řešena jako odstředivá, vertikální, článková do mokré jímky s jednostranným vstupem. Čerpadlo je usazeno přišroubováním spodní desky tělesa závěsu buď přímo na základový rám, nebo na desku sběrné nádrže kondenzátu, která je usazena na základovém rámu. Hnací síla se přenáší z hřídele přírubového elektromotoru na hřídel čerpadla pomocí pružné spojky. Základní konstrukční části čerpadla MVH [15] jsou prezentovány na obr obr Obr. 38 Základní konstrukční části čerpadla MVH [15] 134

54 Vlastní čerpadlo se vyznačuje se dvěma hydraulickými sekcemi (sací a tlakovou), které jsou odděleny vodícím potrubím. Dle požadované dopravní výšky (H) jsou do tlakové sekce hydraulické části vkládány tlakové stupně. Proti průsaku čerpaného media je hřídel těsněn ucpávkou. Sací sekce sestává z jednoho tlakového stupně, který je tvořen radiálně děleným tělesem článku s vloženým rozváděcím kolem a převaděčem, zajišťujícími převod čerpané kapaliny z oběžného kola do vodícího potrubí. K dosažení vysoké sací schopnosti je první oběžné kolo řešeno jako sací. Tlaková sekce sestává z jednoho a více tlakových stupňů, jejichž počet závisí na požadované dopravní výšce (H). Tlakový stupeň je tvořen radiálně děleným tělesem článku s vloženým rozváděcím kolem a převaděčem, zajišťujícími převod čerpané kapaliny z jednoho oběžného kola do druhého. Vodící potrubí spojuje sací a tlakovou sekci hydraulické části. Je tvořen potřebným počtem přírubových elementů. Mezi jednotlivé elementy jsou vložena kluzná ložiska mazaná čerpanou kapalinou. Kluzná ložiska jsou vložena mezi jednotlivé elementy a jsou hlcena čerpanou tlakovou kapalinou, přiváděnou z tlakového stupně čerpadla. Kluzná ložiska slouží jako vodící axiálně volná ložiska. Těleso závěsu sestává z vlastního tělesa závěsu s výtlačnou odbočkou a vyrovnávacího zařízení. Těleso závěsu nese celkovou hmotnost čerpacího soustrojí a je usazeno na sběrnou nádrž kondenzátu. Vyrovnávací zařízení slouží k vyrovnávání axiálního tahu čerpadla. Ucpávkový uzel je tvořen mechanickou ucpávkou v provedení CARTRIDGE. Dle potřeby lze použít jednoduchou nebo dvojitou mechanickou ucpávkou. Stojan pohonu slouží k osazení soustrojí elektromotorem. Na střední přírubě stojanu je uložen axiální ložiskový uzel. V plášti stojanu jsou montážní otvory umožňující přístup k ucpávkovému uzlu, axiálnímu ložiskovému uzlu a pružné spojce. Ložiskový uzel je konstruován jako axiálně vodící, tj. přenáší kromě radiálního zatížení i zatížení axiální v obou směrech. Je tvořen univerzálně párovatelnou dvojicí kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem. Ložiska jsou mazaná olejem. Olejová náplň je v případě potřeby chlazená pomocí trubkového chladiče. Proti vnikání vlhkosti a nečistot je víko ložiska těsněno rotujícím labyrintovým těsněním. Základový rám je svařovaný z profilů a tvoří základnu pro usazení sběrné nádrže kondenzátu. Je zabetonován do stropu strojovny. Kondenzátní nádrž je svařovaná z ocelových trub a plechů. Délka sběrné nádrže zabezpečuje potřebný ponor vlastního čerpadla pro spolehlivý a bezkavitační provoz. Horní příruba nádrže je řešena s tzv. hydraulickým uzávěrem proti přisávání vzduchu. Pro trvalé odvzdušnění sběrné nádrže je na tělese závěsu přípojka pro vyrovnávací potrubí do kondenzátoru. K pohonu čerpadla slouží vertikální přírubový elektromotor s jedním válcovým koncem hřídele a kotvou nakrátko. Materiálové provedení čerpadla je uvedeno v tabulka

55 tabulka 7.2 Materiálové provedení čerpadla MVH těleso článku oběžná kola rozváděcí kola, převaděč těsnící kruhy, škrtící pouzdra hřídele ochranná pouzdra výtlačné víko, sací víka, těleso závěsu ocelolitina korozivzdorná ocelolitina nerezová ocel spec. otěruvzdorný materiál zušlechtěná Mn-Si ocel zušlechtěná Cr- ocel uhlíková ocel vodící potrubí, stojan pohonu kondenzátní nádrž, základový rám Oblastní diagram na obr zobrazuje Informativní pracovní oblast čerpadel MVH [15]. obr Informativní pracovní oblast čerpadel MVH [15] 7.5 Vysokotlaká čerpadla a jejich uplatnění v jaderné energetice K vysokotlakým čerpadlům v jaderné energetice se patří čerpadla napájecí. Jsou typickým představitelem čerpadla na horkou vodu a tvoří jeden z klíčových technologických uzlů každé elektrárny. Pro větší průtoky je napájecí čerpadlo konstruováno jako odstředivé, článkové nebo zapouzdřené (barelové), s výstupním tlakem odpovídajícím tlaku v parním generátoru. Konstrukce, materiál i 136

56 provedení napájecího čerpadla musí splňovat požadavky potřebné životnosti a spolehlivosti provozu s horkou, chemicky upravenou napájecí vodou. Čerpadla jsou vystavena náročným provozním požadavkům. Jsou to zejména nestacionární provozní stavy, včetně opakovaných rozběhů a krátkodobých provozů bez naplnění čerpadla vodou (chod nasucho), popřípadě při naplnění parou (zapářený stav) [4]. Tyto náročné požadavky vedou k novým konstrukcím, jejichž cílem je zejména zvýšení účinnosti, zvýšení provozní spolehlivosti, minimalizování provozních omezení (tzv. studené starty čerpadel) a unifikace dílů spolu s možností variantních provedení ucpávkových prostorů, vyrovnávacího zařízení a mazání ložisek. S rostoucím tlakem páry v parogenerátoru Se u napájecích čerpadel uplatnilo konstrukční řešení se zapouzdřenými články, tzv. kotlové provedení. Robustní plášť čerpadla přispívá k vyrovnání teplotních rozdílů vnitřní části, což umožňuje spouštění bez předchozího předehřívání (studený start) [4]. Rotor čerpadla je krátký, robustní, vysokootáčkový. Důsledkem vysokých otáček je nižší počet oběžných kol, zmenšení hmotnosti rotoru a zkrácení vzdálenosti mezi radiálními ložisky a tedy menší statický průhyb rotoru. Axiální síly se zachycují vyrovnávacím kotoučem a oboustranným axiálním kluzným ložiskem. Příkladem napájecího čerpadla pro sekundární okruh JE je čerpadlo 250-KHX firmy SIGMA GROUP a.s. [16] Napájecí čerpadlo řady KHX Čerpadlo typu 250-KHX je hlavním napájecím soustrojím sekundárního napájecího okruhu generátoru jaderné elektrárny. Vyniká naprostou provozní bezpečností a mimořádnou spolehlivostí, velkou životností pracovních dílů z korozivzdorné oceli, ale také příznivými hydraulickými vlastnostmi, vyplývajícími ze známých předností zapouzdřené konstrukce, takže se uplatňuje za nejobtížnějších podmínek. Představuje dokonalý výrobek vysoké technické úrovně, přispívající v podstatné míře k provozuschopnosti a nerušenému chodu celého energetického bloku. Čerpadlo 250-KHX je určeno pro dopravu upravené napájecí vody do max. teploty 180 C, která nesmí stáním vytvářet usazeniny, musí být bez pevných mechanických přimísenin a kyselé reakce. Záporný logaritmus koncentrace vodíkových iontù pro napájecí vodu při teplotě C musí být v rozsahu ph 6,8-9,2. Konstrukce Napájecí čerpadlo 250-KHX je odstředivé, článkové, horizontální, zapouzdřeného provedení, které zajišťuje konstantní tepelné provozní podmínky, minimální ztráty tepla a bezpečný provoz. Čerpadlo sestává z vnějšího odlitého válcového pláště, do kterého je zasunut vnitřní stator spolu s rotorem. Hydraulická část je uzavřena vysokotlakým víkem, v němž je zabudováno vyrovnávací zařízení. Na vnějším plášti je rovněž přivařeno sací a výtlačné hrdlo. Sací hrdlo je uspořádáno v poloze S-180 (dolů pod čerpadlo), výtlačné hrdlo je situováno v poloze T-0 (nahoru nad čerpadlo). Napájecí čerpadlo je konstrukčně řešeno se sacím stupněm, který tvoří oběžné kolo, umístěné v sacím kusu. Tím je zajištěna vysoká sací schopnost čerpadla, jsou příznivě ovlivněny náklady na umístění napájecí nádrže a odpadá použití podávacího čerpadla. Provedení čerpadla dovoluje také tzv. studený start. Je to okamžité najetí studeného- neprohřátého čerpadla přímo na provozní teplotu napájecí vody. Tím je dosaženo vysoké provozní pohotovosti a spolehlivosti čerpadla. Rotor čerpadla je oboustranně uložen v dělených kluzných ložiskách, které zachycují radiální zatížení rotoru. Ložiskové pánve jsou v ložiskových tělesech uloženy na zabroušených kulových plochách, což 137

57 umožňuje přizpůsobení ložisek průhybu rotoru s rovnoměrným zatížením v celé nosné ploše. Jak ložiska radiální, tak také axiální segmentové ložisko, mají nucené mazání tlakovým olejem, odebíraným ze samostatného olejového hospodářství. Rotor je proveden jako volný, nestažený, kdy oběžná kola jsou uložena na hřídeli s přesahem za tepla. Klidný a bezpečný chod čerpadla za všech provozních poměru je umožněn dokonalým vyvážením jednotlivých oběžných kol a dynamickým vyvážením rotoru jako celku. Všechna měření na rotoru jsou protokolována a tato dokumentace je dodávána s každým vyrobeným strojem. Rotor čerpadla je vůči statoru utěsněn na sací a výtlačné straně speciálními a vysoce spolehlivými mechanickými ucpávkami. Je použito tzv. odlehčených stacionárních ucpávek s rotujícím sedlem typu SIGMA-CRANE. Na přání odběratele je možno dodat provedení s ucpávkami měkkými, provazcovými. Axiální síla rotoru, která působí ve směru od výtlaku do sání, je zcela zachycena vyrovnávacím pístem. Vyrovnávací píst v kombinaci s axiálním segmentovým ložiskem a dalšími konstrukčními prvky umožňuje krátkodobý stav zapáření čerpadla. Tento stav je dovolen pouze při provozu čerpadla, nejde tady o start čerpadla bez vody. Materiálové provedení Provozní spolehlivost, vysokou odolnost napájecího čerpadla 250-KHX v náročných podmínkách energetických provozu zabezpečuje použití vhodných korozivzdorných materiálu. Použité materiály splňují veškeré pevnostní požadavky kladené na čerpadlo a zaručují odolnost hydraulických dílu proti korozi a kavitaci. Optimální skladbě materiálu a jeho vlastností předcházela a nadále pokračuje výzkumná práce a četná provozní ověření v elektrárenských provozech. Pohon a smysl otáčení Napájecí čerpadlo 250-KHX je poháněno výhradně elektromotorem a to buď přímým spojením, nebo prostřednictvím hydraulické spojky. Hnací síla poháněcího stroje se přenáší na čerpadlo přes speciální zubovou spojku, která je mazána tukem. Spojka je řešena s vyjímatelným mezikusem, který umožňuje snadnou demontáž a výměnu mechanické ucpávky na uzavřené pohonové straně čerpadla bez potřeby demontáže poháněcího stroje. Čerpadlo je pravotočivé při pohledu ze strany jeho pohonu. Informativní řez čerpadlem 250-KHX je uveden na obr. 40 [16]. 138

58 108 těleso článku 111 kus sací 115 těleso ucpávky 151 plášť 161 víko pláště rozvaděč s převaděčem rozvaděč s převaděčem 211 hřídel ob. kolo 2. st ob. kolo 3. st ob. kolo 4. st 234 dvouvtokové oběžné kolo pánev rad. ložiska přední pánev rad. ložiska zadní těleso ložiska přední těleso ložiska zadní 360 víka ax. ložiska 384 běhoun ax. ložiska segment ax. ložiska přední segment ax. ložiska zadní nosič segmentu přední nosič segmentu zadní 431 provazcová ucpávka 433 mechanická ucpávka 471 příruba mech. ucpávky těs. kruh 1. st těs. kruh dalšího st těs. kruh rozvaděče 542 pouzdro pístu 603 píst 639 kroužek mazací 905 šroub víka 920 matice šroubu víka obr Informativní řez čerpadlem 250-KHX [16]. 139