CN102214487B

CN102214487B - 高温气冷堆控制棒驱动机构

Info

Publication number: CN102214487B
Application number: CN2011101060326A
Authority: CN
Inventors: 闫贺; 刁兴中; 张作鹏; 唐青; 薄涵亮; 吴宗鑫; 张作义
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2031-04-26
Also published as: CN102214487A

Abstract

本发明公开了一种高温气冷堆控制棒驱动机构，属于核反应堆装备领域，包括：电机、减速机构、环链机构、限速机构、棒位测量装置、控制棒限位装置、锁紧密封机构和手动提升机构，所述电机为双轴伸结构，其上轴伸连接所述控制棒限位装置，下轴伸连接所述减速机构；所述减速机构为三级圆锥-圆柱齿轮减速器，所述限速机构和手动提升机构设置在所述减速机构的输入轴上，所述环链机构和棒位测量装置设置在所述减速机构的输出轴上。本发明通过控制棒限位装置与电机的联锁实现控制棒行程范围的限制，控制棒引棒与控制棒的连接便捷可靠，并可以在检修调试时人工提升控制棒，同时还可以防止检修调试时反应堆内的气体向外泄漏或外部空气侵入堆芯。

Description

高温气冷堆控制棒驱动机构

技术领域

本发明涉及核反应堆装备领域，尤其涉及一种高温气冷堆控制棒驱动机构。

背景技术

高温气冷堆是一种具备第四代反应堆特征的先进堆型，其发展经历了高温气冷实验堆、高温气冷示范堆、模块式高温气冷实验堆和模块式高温气冷堆示范电站这样几个发展阶段。高温气冷反应堆控制棒驱动机构是反应堆重要的安全设备。在高温气冷反应堆正常工况下，控制棒驱动机构以一定的速度驱动控制棒在反应堆内运动，调节堆芯反应性，实现反应堆启动、功率调节、功率补偿和停堆；并且在反应堆事故工况下，符合故障安全原则，控制棒驱动机构断电后，控制棒能靠自重在规定时间内快速插入堆芯，实现反应堆的紧急停闭，并且控制棒的快速下落产生的冲击不会对反应堆产生破坏。

目前，高温气冷堆控制棒驱动机构有多种技术方案，包括：德国THTR堆的气动机构、美国桃花谷堆的电机-螺母丝杠机构、德国AVR堆的齿轮-齿条机构，以及日本HTTR柱状高温气冷堆的交流电机驱动的钢丝绳-绳轮机构等。德国的模块式高温堆HTR-MODUL、正在设计的南非PBMR以及我国的HTR-10均采用了电机驱动的环链机构。这些驱动机构中一般均包含有电机、限速机构、减速机构、链轮装置、棒位测量装置及弹簧减震器等部件，各部件通过驱动机构的支架相互连接与定位。现有控制棒驱动机构的传动链一般为：电机的转动经过减速机构传至链轮装置，链轮装置再将转动传递为控制棒的直线运动。

申请人为清华大学的中国专利申请“带可调式磁阻尼器的反应堆控制棒驱动机构”(公开号：CN1405788A)是应用于高温气冷堆的一种控制棒驱动机构。其由可调式磁阻尼器、电机、齿轮减速机构、链轮装置、棒位测量系统及驱动机构支架等部分组成。其中电机为双轴伸机构，其上轴伸与磁阻尼器相连，下轴伸与齿轮减速机构相连。齿轮减速机构采用一对锥齿轮与一对直齿轮相结合的2级减速结构型式。链轮装置用于提升和插入控制棒。棒位测量系统包括自整角机和蜗轮-蜗杆装置，其中蜗轮-蜗杆装置与链轮装置相连，将控制棒行程转换为蜗轮的旋转角度，自整角机将角度信号传送给DCS(DistributedControl System，分布式控制系统)系统进行棒位处理与显示。带可调式磁阻尼器的反应堆控制棒驱动机构传动链短、结构紧凑，但是其采用的2级齿轮减速机构难以满足商用高温气冷堆的大负载要求。以往设计的控制棒驱动机构难以达到商用高温气冷堆的300公斤以上大负载、10米以上长行程的要求，例如，HTR-10的控制棒驱动机构的设计行程范围仅为2750mm[Design and tests for the HTR-10 controlrod system，Nuclear Engineering and Design 218(2002)147-154]。另外，商用反应堆要长时间运行，期间要严格限制控制棒的运行范围不超出设计行程，还要保证定期进行在线检修的可实现性，这些要求使商用高温气冷堆的控制棒驱动机构都更加复杂化。商用高温气冷堆的冷却剂是高温高压的氦气，加之一定的辐射剂量，都给控制棒驱动机构的设计带来一系列特有的问题。另外，商用高温气冷堆中控制棒的行程较长，控制棒重量较重，现有的控制棒驱动机构技术难以在这种苛刻的工况及长行程下解决传动的可靠性、棒位测量的准确性、控制棒的限位及快速落棒时的制动等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何有效地实现长行程、大重量控制棒的驱动，并实现控制棒行程的限位和落棒速度的限制，以及实现检修操作时的手动提棒操作和锁紧密封，改善机构的可操作性。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高温气冷堆控制棒驱动机构，包括：电机、减速机构、环链机构、限速机构、棒位测量装置、控制棒限位装置和手动提升机构，其中，

所述电机为双轴伸结构，其上轴伸连接所述控制棒限位装置，下轴伸连接所述减速机构；

所述减速机构为三级圆锥-圆柱齿轮减速器，限速机构和手动提升机构设置在所述减速机构的输入轴上，所述环链机构和棒位测量装置设置在所述减速机构的输出轴上，所述棒位测量装置用于测量环链机构的转动角度。

优选地，所述高温气冷堆控制棒驱动机构还包括相互连接的控制棒和控制棒引棒，所述环链机构通过链轮连接控制棒引棒。

优选地，所述高温气冷堆控制棒驱动机构还包括控制棒驱动机构密封筒，用于密封位于其内部的所述电机、减速机构、环链机构、限速机构、棒位测量装置、控制棒限位装置、手动提升机构、控制棒和控制棒引棒。

优选地，所述高温气冷堆控制棒驱动机构还包括锁紧密封机构，所述锁紧密封机构用于锁紧所述控制棒和将所述控制棒驱动机构密封筒密封，所述控制棒引棒的上部设有凹台，下部设有凸台，底部设有销槽，凹台用于配合锁紧密封机构锁紧控制棒引棒，凸台用于配合配合锁紧密封机构进行密封，控制棒通过所述销槽与控制棒引棒连接。

优选地，所述环链机构包括环链和链轮，所述高温气冷堆控制棒驱动机构还包括与所述环链的末端连接的弹簧减震器。

优选地，所述手动提升机构通过花键与减速机构的输入轴连接。

优选地，所述控制棒限位装置采用丝杠-螺母式结构，并内置有齿轮减速器，通过控制棒限位装置与电机的联锁实现限制电机的转动圈数即限制控制棒的行程范围。

优选地，所述高温气冷堆控制棒驱动机构还包括电气贯穿件，通过电气贯穿件为控制棒驱动机构密封筒内的部件提供电源和测量控制信号。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)通过限位装置限定电机的转动范围，从而限定了控制棒的行程；(2)限速机构、手动提升机构与减速机构的输入轴同轴设计，从而实现了有效地限速制动和手动提棒操作；(3)锁紧密封机构可以同时锁紧控制棒引棒并将反应堆压力容器与控制棒驱动机构密封筒隔绝密封，防止反应堆压力容器内的气体向外泄漏或外部空气侵入堆芯；(4)控制棒驱动机构在检修、调试时可以仅通过人工手动操作，提升、锁紧控制棒，并保证了在检修、调试时的密封要求，还可以快捷地实现控制棒驱动机构和控制棒在反应堆上的安装或一体化更换；(5)采用三级齿轮减速机构，驱动机构的控制棒负载可达300公斤以上，控制棒行程可达10米以上；(6)限速机构和弹簧减震器双重缓冲作用，使得事故落棒时控制棒不会对驱动机构造成过大冲击，安全可靠。

附图说明

图1为本发明控制棒驱动机构的机构运动简图。

图2为本发明控制棒驱动机构的结构示意图。

图3为本发明控制棒驱动机构的环链机构10至控制棒引棒7底端的局部剖面图。

图4为图2中I部分手动提升机构的局部放大图。

图5为图3中II部分的局部放大图。

图中：1.控制棒限位装置；2.电机；3.减速机构输入轴；4.减速机构；5.减速机构输出轴；6.弹簧减震器；7.控制棒引棒；8.锁紧密封机构；9.棒位测量装置；10.环链机构；11.手动提升机构；12.限速机构；13.控制棒驱动机构密封筒；14.电气贯穿件；15.反应堆压力容器封头法兰；16.传动轴；17.压缩弹簧；18.接管；19.屏蔽塞；20.圆螺母；21.密封环；22.接管端盖；23.压缩弹簧；24.密封块；25.O型密封圈；26.密封圈；27.控制棒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的控制棒驱动机构如图1及图2所示，主要包括控制棒限位装置1、电机2、减速机构4、弹簧减震器6、控制棒引棒7、锁紧密封机构8、棒位测量装置9、环链机构10、手动提升机构11、限速机构12、控制棒驱动机构密封筒13、电气贯穿件14等部件。

本发明的驱动机构中的电机2为双轴伸式电机，其上轴伸输出电机转动圈数至控制棒限位装置1，由控制棒限位装置1限制电机2的转动圈数范围即限制控制棒的行程范围，下轴伸将驱动转矩输出至减速机构4；减速机构4是三级圆锥-圆柱齿轮减速器，将高转速低扭矩的电机输出转矩转换为低转速高扭矩的环链机构驱动力矩，第一级采用伞齿轮将电机2转矩传递至减速机构输入轴3，然后再通过两对圆柱齿轮将动力传递至减速机构输出轴5。在减速机构输入轴3上设置了手动提升机构11和限速机构12(可以是阻尼器等)，在减速机构输出轴5上设置了棒位测量装置9和环链机构10，环链机构10的链轮直接带动位于链轮一侧的环链拉动控制棒引棒7，从而与控制棒引棒7通过销连接的控制棒27实现在竖直方向上的运动，链轮的另一侧的环链储存于储链筒中，并将环链的末端连接至弹簧减震器6。

棒位测量装置9采用的是蜗轮-蜗杆形式的现有装置，并与减速机构4的输出轴相连，即蜗杆与环链机构10的链轮同轴，这种形式的装置使得将测量控制棒的位移转化成测量链轮的旋转角度即蜗杆的旋转角度。

下面详细介绍本发明的工作原理及工作过程：

控制棒驱动机构的工作原理分为正常工作状态、事故落棒状态和检修调试等状态。

正常工作状态：在正常工作状态下，电机2以额定转速转动，通过伞齿轮将转矩传递至减速机构输入轴3；此时减速机构输入轴3处于较低转速，与之同轴的限速机构12产生的阻尼力矩较小，不影响转动的传递；减速机构输出轴5将转矩传递给环链机构10和棒位测量装置9，环链机构10通过链轮带动环链拉着控制棒引棒7运动，控制棒27采用销连接型式与控制棒引棒7连接，从而实现控制棒以额定运行速度提升或者下插。棒位测量装置9实时地测量环链机构10的转动角度，即控制棒的位置；控制棒限位装置1设计为丝杠-螺母的结构型式，并通过齿轮减速器将控制棒27全行程进行缩减以减少螺母的行程距离，通过与电机2的联锁控制，当控制棒运行到所设计的上极限位置时，控制棒限位装置1的螺母与上电极接通，输出上限位开关信号，反之输出下限位开关信号，从而限制电机的转动，即限制控制棒的进一步提升或下插。

事故落棒状态：在反应堆事故工况下，对控制棒驱动机构断电，则电机2的转子处于空转状态失去驱动转矩，控制棒引棒7由于控制棒的重力作用将加速下落，带动环链机构10，减速机构4和电机2的转子加速运动。当控制棒的下落速度逐渐增大至几倍甚至10倍于额定运行速度时，减速机构输入轴3的转速也将逐渐提高，与之同轴的限速机构12产生的阻尼力矩也跟随增大，产生较大的阻尼力矩，并能很快与控制棒的重力转矩平衡，使控制棒的下落速度得到有效控制，限制最大速度不超过1米每秒，这可以减少控制棒的高速下落产生的巨大冲击。当控制棒落到行程的末端时，储链筒中的环链被完全拉出，并压缩环链末端连接的弹簧减震器6中的弹簧，弹簧减震器6 吸收了控制棒的动能从而缓冲对机构的冲击。

检修调试状态：当控制棒驱动机构需要检修、调试、或者安装、更换时，需要将控制棒与控制棒驱动机构整体固定，还需要能够手动地提升或者下插控制棒，这将通过手动提升机构11和锁紧密封机构8实现。

本发明的手动提升机构11由传动轴16、压缩弹簧17、屏蔽塞19、圆螺母20、密封环21，以及轴承和螺钉等部件组成。图4中，手动提升机构11的传动轴16通过花键与减速机构的输入轴3连接，这种设计使得手动提升机构在不使用时，其与减速机构的输入轴3是脱离的，在需要通过人工提升控制棒时，打开控制棒驱动机构密封筒13的接管18的端盖22，旋转释放圆螺母20，压缩弹簧17将推动传动轴16向减速机构的输入轴3移动直至传动轴16和输入轴3二者连接，然后可以利用曲柄手动转动传动轴16，提升控制棒。在手动提升机构中设置了氟橡胶材料的密封环21，使得传动轴16与屏蔽塞19之间、以及屏蔽塞19与接管18之间密封，保证手动操作时控制棒驱动机构密封筒内的气体不会向外泄漏和外部空气不会侵入。手动提升机构还通过屏蔽塞和密封环实现转动时动密封。

本发明设计的锁紧密封机构8在进行驱动机构零部件检修更换操作时，可以同时起到锁紧控制棒和密封两个功能。当需要锁紧控制棒时，首先通过电机2或者手动提升机构11提升控制棒引棒7，在控制棒引棒7的下部有一个凸台，见图5所示，控制棒引棒7的凸台被提升至与氟橡胶材料的密封圈26接触并被压缩弹簧23压实，从而在密封圈26位置实现反应堆压力容器与控制棒驱动机构密封筒隔绝密封，防止反应堆压力容器内的气体向外泄漏或外部空气侵入堆芯，此时，控制棒引棒7上部的凹台正对锁紧密封机构8，可以打开锁紧密封机构8位置的密封筒的接管的端盖，通过手动将控制棒引棒7与控制棒驱动机构锁紧固定，从而将控制棒与控制棒驱动机构锁紧固定，以便于检修、调试、安装、更换等操作。

本发明可以直接应用于商业化高温气冷堆，比如：球床高温气冷堆。

本发明的商用高温气冷堆控制棒驱动机构布置于反应堆压力容器封头上，控制棒驱动机构密封筒为反应堆压力边界的一部分，其余部件均在反应堆压力边界以内，能够承受高温、高压的氦气环境及一定的辐照剂量。通过电气贯穿件为控制棒驱动机构密封筒内的电机、棒位测量装置、控制棒限位装置等提供电源及测量控制信号，整个驱动机构的密封为机械静密封。本发明的控制棒负载可达300公斤以上，控制棒行程可达10米以上，并由于控制棒限位装置采用丝杠螺母型结构，并内置有齿轮减速器，因此可以通过控制棒限位装置与电机的联锁限制控制棒的行程范围。高温气冷堆控制棒驱动机构与控制棒的联接简单可靠，便于控制棒与驱动机构的连接与拆除。高温气冷堆控制棒驱动机构检修方便，电气部件可以单独更换，并设计了手动提升机构可以在检修调试时人工提升控制棒。在进行驱动机构零部件检修更换操作时，通过锁紧密封机构的密封功能可以防止反应堆内的气体向外泄漏或外部空气侵入堆芯。商用高温气冷堆控制棒驱动机构符合故障安全原则，在失去电力供应的情况下，控制棒能够靠自重非能动地快速落入堆芯，控制棒下落的最高速度通过限速机构进行限制以减小冲击，并通过弹簧减震器进行缓冲，以保证控制棒和驱动机构的结构完整性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高温气冷堆控制棒驱动机构，其特征在于，包括：电机、减速机构、环链机构、限速机构、棒位测量装置、控制棒限位装置和手动提升机构，其中，

2.如权利要求1所述的高温气冷堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述高温气冷堆控制棒驱动机构还包括相互连接的控制棒和控制棒引棒，所述环链机构通过链轮连接控制棒引棒。

3.如权利要求2所述的高温气冷堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述高温气冷堆控制棒驱动机构还包括控制棒驱动机构密封筒，用于密封位于其内部的所述电机、减速机构、环链机构、限速机构、棒位测量装置、控制棒限位装置、手动提升机构、控制棒和控制棒引棒。

4.如权利要求3所述的高温气冷堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述高温气冷堆控制棒驱动机构还包括锁紧密封机构，所述锁紧密封机构用于锁紧所述控制棒和将所述控制棒驱动机构密封筒密封，所述控制棒引棒的上部设有凹台，下部设有凸台，底部设有销槽，凹台用于配合锁紧密封机构锁紧控制棒引棒，凸台用于配合锁紧密封机构进行密封，控制棒通过所述销槽与控制棒引棒连接。

5.如权利要求1所述的高温气冷堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述环链机构包括环链和链轮，所述高温气冷堆控制棒驱动机构还包括与所述环链的末端连接的弹簧减震器。

6.如权利要求1所述的高温气冷堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述手动提升机构通过花键与减速机构的输入轴连接。

7.如权利要求1所述的高温气冷堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述控制棒限位装置采用丝杠-螺母式结构，并内置有齿轮减速器，通过控制棒限位装置与电机的联锁实现限制电机的转动圈数即限制控制棒的行程范围。

8.如权利要求1～7中任一项所述的高温气冷堆控制棒驱动机构，其特征在于，所述高温气冷堆控制棒驱动机构还包括电气贯穿件，通过电气贯穿件为控制棒驱动机构密封筒内的部件提供电源和测量控制信号。