CS251868B1 - Agregát vertikálního čerpadla - Google Patents

Abstract

Účelem řešení je zajistit spolehlivou funkci vertikálního^ čerpadla, zejména v jaderných elektrárnách v seismický ohrožených oblastech. Uvedeného účelu se dosahuje tím, že elektromotor a/nebo čerpadlo je opatřeno pružným závěsem, jehož pružné prvky a tlumicí prvky jsou spojeny s nosnou částí budovy a jsou s výhodou rozmístěny v pravidelných rozestupech střídavě rovnoběžně nebo kolmo na podélnou osu agregátu.

Description

Vynález se týká agregátu vertikálního čerpadla, zejména pro jaderné elektrárny v seismický ohrožených oblastech.

Jedním z důležitých technologických zařízení jaderných elektráren jsou vertikální čerpadla, sloužící k čerpání požární, nebo technologicky důležité vody. U těchto čerpadel se vyžaduje spolehlivá funkce i při tak velikých zatíženích, ke kterým dochází v průběhu zemětřesení. Z tohoto důvodu se u vertikálních čerpadel, používaných v jaderné energetice, vyžaduje stejná odolnost proti seismickým účinkům jako u jiných důležitých technologických zařízení jaderných' elektráren. V průběhu zemětřesení dochází u vertikálního čerpadla k vynucenému kmitání, které je vyvoláno kinematickým buzením v místě uchycení čerpadla k podlaží. Pro stanovení frekvenční odezvy agregátu vertikálního čerpadla se zpravidla uvádí akceleroigram nebo funkce frekvenční odezvy na podlaží v místě uchycení čerpadla. Funkce frekvenční odezvy se udává v pásmu 1—30Hz. Z toho vyplývá, že všechny vlastní frekvence vertikálního¹ čerpadla musí být v tomto pásmu potlačeny, nebo» přeladěny nad 30 Hz. Přeladění vlastních frekvencí vertikálního čerpadla není vždy z praktických důvodů možné, protože tento požadavek naráží na velmi masívní konstrukci, na nedostatek kotvicích míst, nevhodné rozpětí stropů a jiné.

Stávající konstrukce vertikálních čerpadel jsou zakotveny do podlaží budovy prostřednictvím základové desky, případně desky mezistropu, která je upevněna k základovému ocelovému rámu, zabetonovanému v podlaží šroubovým spojem. Pohonný elektromotor čerpadla je spojen s lucernou přírubovým spojem a tato lucerna je stejným způsobem spojena se základovou deskou, je-li v čerpací stanici mezistrop, pak jsou příruby stoupacího potrubí upevněny šroubovým spojem k desce mezistropu. V případě, že čerpadlo čerpá kapalinu z přetlakové nádrže, je mezistrop utěsněn ucpávkou. Popsané kotvení vertikálního čerpadla představuje prakticky tuhé spojení čerpacího agregátu s budovou elektrárny, takže v případě zemětřesení budou v plné intenzitě vybuzeny všechny ohybové vlastní frekvence agregátu vertikálního čerpadla, tedy vlastní frekvence elektromotoru s lucernou, vlastní frekvence stoupacího potrubí, vlastního čerpadla s deskou mezistropu, hřídele čerpadla a celého soustrojí ve vertikálním směru. Vzhledem k tomu, že hmotnosti elektromotoru i čerpadla představují hodnotu až několika tun, a seismické zrychlení představuje až čtyřnásobek zemské tíže, budou přírubové spoje, šrouby základové desky i mezistropu, a ocelové rámy v podlaží namáhány značnými silami a momenty. Pokud některá z vlastních frekvencí nebude dostatečně tlumena, dojde k nepřípustnému kmitání čerpadla, což bude mít za následek destrukci a havárii čerpadla. Takovou možnost nepřipouští ale bezpečnostní předpisy jaderních elektráren. Vzhledem k výše uvedeným skutečnostem je způsob ukotvení agregátů vertikálních čerpadel v jaderných elektrárnách nepřípustný.

Nevýhody a nedostatky známých řešení odstraňuje v podstatě vynálezu, kterým je agregát vertikálního čerpadla, zejména pro jaderné elektrárny v seismický ohrožených oblastech, sestávající z pohonného elektromotoru a vlastního čerpadla spojených navzájem hřídelí, kde pohonný elektromotor spolu s lucernou tvoří první resonamčmí soustavu a čerpadlo se stoupacím potrubím tvoří druhou resonanční soustavu, přičemž každá z resomainčních soustav je uložena v nosné části budovy elektrárny a jeho podstata spočívá v tom, že alespoň jedna z resonančních soustav je opatřena v místě svého uložení v nosné části budovy pružným závěsem sestávající ze soustavy pružných prvků a tlumicích prvků, přičemž pružné prvky a tlumicí prvky jsou spojeny jednak s nosnou částí budovy a jednak s příslušnou resonanční soustavou.

Další podstatou vynálezu je, že pružné prvky a tlumicí prvky jsou rozmístěny v pravidelných rozestupech a to střídavě rovnoběžně s podélnou osou agregátu vertikálního! čerpadla a kolmo na tuto» osu.

Popsané řešení využívá vibrpizolace. Tato metoda spočívá v tom, že agregát vertikálního čerpadla je k podlaží budovy uchycen prostřednictvím pružných a tlumicích prvků. Tím je určena mechanická rezonanční soustava s tlumeným kmitáním, jejíž vlastní frekvence je dána tuhostí pružného prvku a velikostí kmitající hmotnost’. Praktické konstrukční řešení ukotvení agregátu vertikálního» čerpadla závisí na tom, zda bude využito vysokého nebo nízkého ladění dynamické soustavy. Při vysokém ladění je vlastní frekvence soustavy nad pásmem frekvencí generovaných zemětřesením. To je nevýhodné, protože převážná část energie seismického buzení je transformována na kinetickou energii kmitajícího agregátu vertikálního čerpadla, přičemž je nutno poměrně přesně stanovit parametry útlumu tlumicích prvků. Proto» jako nejvýhodnější se jeví použití nízkého ladění dynamické soustavy, kdy vlastní frekvence odpruženého čerpadla je na počátku frekvenčního» pásma seismického» buzení, přibližně 5 Hz. Na rozdíl od předchozí alternativy se převážná část energie seismického buzení transformuje na potenciální energii — deformaci pružných prvků — která se posléze disipuje v tlumicích prvcích a vyzáří se ve formě tepla. Amplituda vynuceného» kmitání čerpadla je dána vztahem ,,>2 y = y_s · [(1 - ^—)² + 4<$²ω²] “^l/22, ω > ωο ωο^ζ kdy y_s — amplituda: seismického · buzení ω' — frekvence.iselsmickÉhib buzení ¹ ωο = vlastní frekvence dynamické soustavy .· = faktor útlumu (á < 1)

Z uvedeného vztahu je zřejmé, že amplituda vynuceného, kmitání vertikálního čerpadla pro ·ω· > V2 · ωο je už menší než amplituda * seismickéta · buzení.. Další’ výhodou nízkého ladění je skutečnost,· že amplituda vynuceného· kmitání vertikálního· čerpadla klesá s .druhou· mocninou budicí frekvence, přičemž parametr tlumení, má nepatrný význam. V tomto případě nejsou kladeny· nia · parametry- tlumičů tak přísné' požadavky, jak je-tomu v případě vysokého ladění. Vysuší'účinek nového, řešení je v tem, .že· vytváří pružný· závěs s tlumicím účinkem^ kde tuhosti pružných· elementů -spolu s hmotnostmi vertikálního čerpadla vytváří jeden, nebo více mechanických rezonančních soustav s rezonančními frekvencemi fi, .fa, které mají vlastnosti horncfrekvenčních filtrů, kdy amplitudy vynuceného^kmitání, čerpadla s 'frekvencemi f > V2 . f/ jsou menší než amplitudy seismického kmitání a jsou· nepřímo úměrné f². Dále, převážná čáštenerc gie seismického buzení se transformuje na potenciální energii deformovaných pružných elementů s následnou disipací v tlumicích elementech v teplo, čímž se značnou' měrou sníží veškeré namáhání v soustrojí vertikálního čerpadla. Dochází k‘ přěláděhí většiny vlastních frekvencí ohybového kmitání čerpadla do vyšších· frekvenčních oblastí ve- srovnání se stávajícím ^! tuhým zakotvením k podlaží budovy. Vibřoizolaění účinky pružného závěsu' podle vynálezu se· projevují jak ¹ ve· vertikálním, tak·· i v·, horizontálním¹ směru za¹ současné eliminace ú-’ činků · klopných’ budicích · momentů“ působících’ koliho na.· podélnou osu čerpadla; přičemž parametťy natáčivé- tuhosti ď a natáčivého útlúmwb ¹ jsou“ přímo 'úměrné· čívei“ ci průměru roztečné kružnice, na které jsou umístěny pružné a tlumicí elementy: d = — kD²/2, b = cD²/2, kde „k“ je posuvná túhost pružného elementu a ,,c“ je konstanta útlumu tlumicího elementu. Konečně z hlediska vlastní konstrukce, umožňuje řešení, bez velkých konstrukčních zásahů u stávajících typů vertikálních čerpadel, vyrábět seismický odolná čerpadla pro atomové elektrárny, které vyhovují normám i bezpečnostním předpisům, platným pro jaderné elektrárny·. Uždím nízko laděných závěsů lze téměř vyloučit silové a momentové účinky působící na vertikální čerpadlo v důsledku seismického buzení.

Příklad konkrétního provedení vynálezu je schematicky znázorněn na připojeném výkrese, představujícím uložení agregátu ve dvou závěsech, kde v horním závěsu je znázorněno· základní provedení pružného a tlumicího prvku, zatímco ve spodním závěsu je znázorněno alternaťvní provedení· těchto·· prvků'.

Pódiu vynálezu sestává; agregát ‘ vertikálního čerpadla z pohonného ‘ elektromotoru; 1, ulóžénéhioi na lucerně 2 <a z vláštního čerpadla, 3,u přičemž rotor elektromotoru^! 1' a rotor vlastního čerpadla .'3 'jsidu spojeny vloženým hřídelem ; 4,. uloženým. , obvykle ve stoupacím potrubí 5,· které je^f opatřeho* odbočným kolenem 6. Tento agregát vertikálního čerpadla je zavěšen v podlaží 7 budovy elektrárny' alespoň¹ v· jednom pružném závěsu-. Ve znázorněném. konkrétním pro-¹ vědění je agregát vertikálního čérpadla'zavěšen' ve dvou pružných. závěsech 8{!.9iat je tvořen dvěma na sobě nezávislými i rezonančními soustavami Ϊ, II. Horní rezonanční soustava I tvořená elektromotorem¹ 1' a< lucernou 2-je zavěšena v podlaží 7 budovy· prostřednictvím· horního· pružného· závěsu 8 a spodní rezonanční soiustava-.il tvořená·· vlastním čerpadlem 3 se¹'sacím košemslO a* stoupacím potrubím 5 s odbočnýmukolenem; 6 je zavěšena.· v mezístropuvlliprostředn!’®tvím spodního pružného, závěsu 9í, Přitom pružný závěs 8, 9’s odpovídající) rezonančé ní soustavou I, II f představuje laděný ' mechanický rezonanční obVodu. Pro · účely o·-·· chrany agregátu vertikálního čerpadla je nutno, aby mechanický rezonanční obvod byl naladěn v nízkofrekvenčním rozsahu 1—10'· Ήζ.<

V základním provedení je pružný závěs 8, 9 tVořen nosnou děskbu’ 12' spojenou pevně s tuhou konstrukční částí odpovídající rezonanční soustavy I,^! II,^; kupříkladu s -elektromotonem 1, nebo lucernou 2^: v případě hprní¹ rezonanční soustavy I, případně se stoupacím potrubím 5’/ 'nebo· vldstním čerpadlem 3 v případě spodní rezonanční soustavy· TI. Dál-e je pružný-závěs'-8‘,-9⁵⁴tvdřen pružným prvkem· 13, kupříkládů válcovou pružinou 14 spoijenou“na roztečné kružnici velkého průměru¹ jednak; s nošnou- deskou 12 ¹ agregátu vertikálního · čerpadla·¹ 3, a jednak s nepohyblivým- podlažím · 7-nebb mezistropem 11 budovy. Pružný prvek 13 je' doplněn tlumicím prvkem 15, kupříkladu visknelastickým blokem 16 vloženým do vnitřního· prostoru válcové pružiny 14. V alternativním provedení znázorněném na spodním závěsu je pružný prvek 13 tvořen vlnovcem 17 velkého průměru a tlumicí prvek 15 pístovým tlumičem 18. V případě, že pružný prvek 13 je tvořen válcovou pružinou 14, je řada těchtoi válcových pružin 14 rozmístěna pravidelně ve směru rovnoběžném s osou agregátu vertikálního čerpadla 3 a ve směru kolmém na tuto osu. V případě, že pružný prvek 13 je tvořen vlmovcem 17 zaručuje jeho velký průměr zachycení všech vlivů působících ina rezonanční soustavu I, II v jakémkoliv směru.

V případě jednoho pružného závěsu 8 je stoupací potrubí 5 průběžné a je pevně spojeno jak s vlastním čerpadlem 3 tak i s lu251868 černou 2, takže agregát vertikálního čerpadla 3 vytváří jedinou rezonanční soustavu. Ve znázorněném příkladu, kdy je_x agregát vertikálního čerpadla 3 rozdělen, do dvou kmitajících soustav I a II je vložený hřídel 4 spojen s rotorem elektromotoru 1 horní spojkou 19 a s rotorem vlastnil» čerpadla 3 prostřednictvím spodní spojky 20 přičemž stoupací potrubí 5 je zakončen© pod touto spodní spojkou 20. V případě, že zdrojem čerpané kapaliny je přetlaková nádrž, je mezi stoupacím potrubím 5 a mezistropem 11 uložena neznázorněné ucpávka.

Při výskytu zemětřesení se rozkmitá budova elektrárny, k jejímž podlažím 7, 11 je přes pružné závěsy 8, 9 uchycen agregát vertikálního čerpadla. Seismické kmity se přenášejí z budovy přes pružné závěsy 8, 9 na agregát vertikálního čerpadla 3 ve značně omezeném rozsahu, protože pružné závěsy 8, 9 působí jako vysokofrekvenční filtry. Tak v nejběžnějším případě se dvěma závěsy, jak je znázorněno na příkladném provedení, je pružný prvek 13 hlorního pružného závěsu 8 naladěn na frekvenci fi mechanické rezonanční soustavy I, a pružný prvek 13 spodního pružného závěsu 9 je naladěn na frekvenci Í2 mechanické rezonanční soustavy II, přičemž obě frekvence fi a fz se mohou navzájem rovnat. Nejvyššího tlumicího účinku se dosahuje, jestliže obě frekvence fi a Í2 leží ve spodní oblasti frekvenčního pásma seismického buzení, tedy v pásmu 1—10 Hz.

Seismické buzení způsobí vynucené kmitání obou mechanických rezonančních soustav I a, II, přičemž tato kmitání nejsou na sobě závislá. Z toho vyplývá, že konstrukční řešení spojení rotoru elektromotoru 1 s rotorem vlastního čerpadla 3 musí umožnit vzájemný posuv o velikosti dvojnásobku amplitudy kmitání jednoho z pružných závěsů 8, 9. Toto je konstrukčně zajištěno použitím vloženého hřídele 4 přes spojky 19 a 20. Při kmitání mechanické rezonanční soustavy I je elektromotor 1 veden pružným kruhem 21, který působí rovněž i jako tlumič. Naklápění mechanických rezonančních soustav I, II ve všech směrech brání pružné prvky 13 ve spolupráci s tlumicími prvky 15.

Pro účely ladění pružného prvku v nízké frekvenční oblasti, tj. v pásmu 1—10 Hz musí se do výtlačného potrubí za odbočným kolenem 6 zařadit neznázorněný kompenzátor s malou tuhostí.

Claims (2)

1. PŘED MĚT

   1. Agregát vertikálního čerpadla, zejména pro jaderné elektrárny v seismický ohrožených oblastech, sestávající z pohonného elektromotoru a vlastního čerpadla spojených navzájem hřídelí, kde pohonný elektriomotor spolu s lucernou tvoří první rezonanční soustavu a čerpadlo se stoupacím potrubím tvoří druhou rezonanční soustavu, přičemž každá z rezonančních soustav je uložena v nosné části budovy elektrárny, vyznačující se tím, že alespoň jedna z rezonančních soustav (I, II) je opatřena v místě svého uložení v nosné části budovy

   VYNÁLEZU pružným závěsem (8, 9), sestávajícím ze soustavy pružných prvků (13) a tlumicích prvků (15), přičemž pružné prvky (13) a tlumicí prvky (15) jsou spojeny jednak s nosnou částí budovy a jednak s příslušnou rezonanční soustavou (I, II).
2. 2. Agregát vertikálního čerpadla podle bodu 1, vyznačující se tím, že pružné prvky (13) a tlumicí prvky (15) jsou rozmístěny v pravidelných rozestupech a to střídavě rovnoběžně s podélnou osou agregátu vertikálního čerpadla a kolmo na tuto osu.