CN109785985B - 一种球形元件检测定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及反应堆工程技术领域，尤其涉及一种球形元件检测定位装置。该球形元件检测定位装置包括包括承压壳体、内部构件和执行部件；所述承压壳体包括箱体、分别设置在所述箱体上的一个进球接管和两个出球接管，所述内部构件设置于所述转子沉孔内，所述内部构件包括内衬环和限位环，所述执行部件包括转盘和两个托耳。本发明提供的球形元件检测定位装置，能够实现执行自动隔料、精确定位和定向输送球形元件三重功能，结构紧凑、控制简单，满足强放射性环境下长期、间歇式运转的运行可靠性与可维修性要求。

Description

一种球形元件检测定位装置

技术领域

本发明涉及反应堆工程技术领域，尤其涉及一种球形元件检测定位装置。

背景技术

球床高温气冷堆采用球形燃料元件多次通过堆芯的方式实现不停堆连续运行，燃料装卸系统的运行操作会直接影响反应堆的反应性变化。在线燃耗测量装置对堆芯卸出的燃料元件进行燃耗测量，未达到目标燃耗的元件送回堆芯，已达到目标燃耗深度的乏燃料元件则卸入乏燃料贮罐中。HTR-10高温气冷实验堆在碎球分离器下游设置了一个提升器配合燃耗测量装置进行燃耗测量，该提升器执行燃耗测量定位分配和气动输送双重功能，必须与上游碎球分离器连锁控制，且受下游气流影响大，不能满足商用电站大量球形元件的燃耗测量与定向输送的运行能力要求。

为满足堆芯燃料元件高频循环要求，球床模块式高温气冷堆商用核电站则在堆芯卸料和碎球分选后设置执行管路暂存、单一输送、燃耗测量定位、定向分配、气力输送等功能地设备部件与管路，将燃耗测量与堆芯卸料及气力输送功能解耦，以提高系统、设备及控制可靠性。

在燃料装卸系统的燃耗测量点设置一个对待测球形元件进行准确定位的装置，并与燃耗测量装置的准直器匹配，从而可以利用高活度γ谱仪进行在线测量燃耗。由于在线燃耗测量是基于相关核素的γ谱能量，必须排除相邻球形元件的辐射影响。另一方面，不同燃耗球形元件的测量时间不同，而上游卸料装置的卸料速度则是基本恒定的，因而，在等待燃耗测量的管段中，又必须暂存一定数量的球形元件。为对球形元件进行逐一准确的燃耗测量，保证卸料、燃耗测量和定向输送等自动化操作的可靠性和稳定性，除辐射测量装置和分配器外，在球流管路上游还必须设置相应的球形元件控制装置。

燃耗测量是燃料装卸系统乃至球床高温堆自动运行的关键工艺，涉及上述多台设备及众多控制点，这些设备工作在高温、高压、放射性氦气环境中，尤其是输送单一器或隔料输送装置、燃耗测量定位器和转向器，对于HTR-PM示范工程而言，每天动作次数分别达到3000、3000和200次，对于动部件的热态配合与公差、轴系与无油润滑轴承的摩擦与磨损、承压边界强渗透性氦气的密封、设备连锁控制及容错性等都带来了极大地挑战。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种球形元件检测定位装置，能够实现自动隔料、精确定位和定向输送球形元件三重功能。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种球形元件检测定位装置，包括承压壳体、内部构件和执行部件；

所述承压壳体包括箱体、分别设置在所述箱体上的一个进球接管和两个出球接管，所述箱体中设有一个转子沉孔、一个准直沉孔、一个进球通孔和两个出球通孔，所述进球通孔与所述进球接管相连通，两个所述出球通孔分别与两个所述出球接管对应连通，所述进球通孔、所述出球通孔分别与所述转子沉孔相连通；

所述内部构件设置于所述转子沉孔内，所述内部构件包括内衬环，所述内衬环为带有缺口的环状结构，在所述内衬环的两端连接有圆弧状的限位环，所述限位环的横截面小于所述内衬环的横截面，所述限位环的外表面与所述转子沉孔的内表面之间设有转动间隙；所述限位环设有进球孔道，所述进球孔道与所述进球通孔相连通，所述内衬环设有两个出球孔道，两个所述出球孔道分别与两个所述出球通孔对应连通；

所述执行部件包括转盘和两个托耳，所述转盘设置于所述内部构件的内衬环中且能够在所述内衬环中转动，所述转盘中设有沿径向贯通的过球通孔，两个所述托耳安装于所述过球通孔的前后两侧，两个所述托耳能够在所述转动间隙中转动；两个所述托耳均为L形，两个所述托耳相对设置，在两个所述托耳之间设有隔离空间；所述转盘上对应所述准直沉孔的侧面设有减薄槽，当所述述转盘位于检测位时，所述减薄槽的槽底面与所述准直沉孔的底面平行，且所述准直沉孔在所述减薄槽的槽底面投影圆被减薄槽的槽底面包络。

具体地，所述执行部件还包括转轴，所述转轴与所述转盘通过花键连接。

具体地，所述转盘上设有限位槽，所述箱体上设有与所述限位槽相适配的限位柱。

具体地，所述承压壳体还包括端面法兰，所述端面法兰通过第一紧固组件与所述箱体相连，在所述端面法兰与所述箱体之间设有第一密封组件。

进一步地，还包括传动部件，所述传动部件包括外磁组件、设置在所述外磁组件中的隔离罩、以及设置在所述隔离罩中的内磁组件，所述转轴设置于所述内磁组件中。

具体地，所述传动部件还包括设置于所述外磁组件外部的支架，所述支架通过第二紧固组件与所述端面法兰相连，所述隔离罩与所述支架通过止口配合。

具体地，在所述端面法兰与所述传动部件之间设有第二密封组件。

进一步地，还包括动力部件，所述动力部件包括电机、与所述电机连接的减速机、以及与所述减速机连接的联轴器，所述联轴器与所述转轴相连。

具体地，所述动力部件还包括屏蔽套，所述电机、减速机和联轴器均设置于所述屏蔽套中。

具体地，所述屏蔽套与所述支架连接固定。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的球形元件检测定位装置，采用带托耳和过球通孔的的转盘来实现成串球形元件的分隔与单一输送功能，消除相邻球形元件之间的相互影响。通过在转盘上设置减薄孔，在箱体中设置准直沉孔，从而实现准确定位，保证配合测量精度。通过承压壳体、内部构件和执行部件之间球形元件输送通道的配合设置，从而实现对球形元件检测后的定向分配。

本发明提供的球形元件检测定位装置，将隔料、单一输送、测量定位和定向分配等功能集合于一体，与现有技术相比，结构紧凑，占用空间小，IO控制点大大减少，且节省成本，运行可靠性更高。

本发明提供的球形元件检测定位装置，与现有的提升器相比，运行效率高、无卡堵影响和零点漂移现象，无控制逻辑连锁，不受上游球流输送速度及下游气流影响，因而运行可靠性和维修安全性更高。

附图说明

图1为本发明实施例球形元件检测定位装置的结构示意图；

图2为本发明实施例球形元件检测定位装置中传动部件、执行部件和承压壳体的结构示意图；

图3为本发明实施例球形元件检测定位装置中箱体的局部剖视图；

图4为本发明实施例球形元件检测定位装置中转盘的结构示意图；

图5为本发明实施例球形元件检测定位装置中内衬环和限位环的结构示意图；

图6为本发明实施例球形元件检测定位装置的第一工作位置示意图；

图7为本发明实施例球形元件检测定位装置的第二工作位置示意图；

图8为本发明实施例球形元件检测定位装置的第三工作位置示意图。

图中：

100：动力部件；101：交流伺服电机；102：行星齿轮减速机；103：屏蔽套；104：金属联轴器；

200：传动部件；201：外磁组件；202：支架；203：内磁组件；204：隔离罩；205：第二紧固组件；206：第二密封组件；207：止口；

300：执行部件；301：花键；302：转轴；303：第一轴承；304：托耳；305：转盘；306：过球通孔；307：第二轴承；308：减薄槽；309：限位槽；310：支撑面；

400：承压壳体；401：端面法兰；402：第一紧固组件；403：第一密封组件；404：转子沉孔；405：进球接管；406：箱体；407：准直沉孔；408a：第一出球接管；408b：第二出球接管；409：进球通孔；410a：第一出球通孔；410b：第二出球通孔；

500：内部构件；501：内衬环；502：轴承压板；503：轴承座；504：定位销；505：限位环；506：进球孔道；508a：第一出球孔道；508b：第二出球孔道；509a：第一偏心孔道；509b：第二偏心孔道；510：停球面；

600：球形元件；601：第一球形元件：602：第二球形元件；603：第三球形元件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-8所示，本发明实施例提供一种球形元件检测定位装置，包括动力部件100、传动部件200、执行部件300、承压壳体400和内部构件500。

所述动力部件100由交流伺服电机101、行星齿轮减速机102、屏蔽套103和金属联轴器104组成。由于交流伺服电机101具有的良好矩频特性，以及其配备的旋转变压器具有高精度的分辨率，通过控制驱动器和旋转变压器执行转角反馈来精确控制转速与转角，减速机用于提供输出扭矩以保证执行机构运动平稳，可以保证伺服系统以满足频繁启停、运转平稳和输出轴精确到位的转角控制要求。所述屏蔽套103是一个钢制整体加工件，一端与磁力传动器的支架202的支架定位，并通过支撑于设备钢架或钢平台生根，所述交流伺服电机101和行星齿轮减速机102置于所述屏蔽套103，以限制周围球流管路中球形元件对电极与减速机的径向γ射线累积剂量。

所述传动部件200是一个滞后角小于0.2°的筒形磁力传动器，包括支架202、外磁组件201、隔离罩204和内磁组件203等。其钛合金隔离罩204由止口207和同轴安装的支架202法兰限位与压紧，并利用第二紧固组件205和第二密封组件206与所述承压壳体400的端面法兰401紧固连接，从而与所述箱体406一起构成完整的承压边界；其外磁组件201通过金属联轴器104与所述行星齿轮减速机102相连；内磁组件203则通过花键301与所述执行部件300的转轴302相连。在核电厂DCS主控制系统和伺服控制驱动器指令下，与交流伺服电机101直连的减速机102带动外磁组件201同步转动，在磁耦合作用下，磁场穿透隔离罩后，驱动内磁组件203以及与其直连的执行部件300同步转动，实现无接触条件下的柔性机械传动，将动密封转化为静密封，不仅实现了放射性热态氦气的密封，也改善了动力部件100的运行环境。

在燃耗测量过程中，定位在转盘通孔306内和所述内部构件500的内衬环501的停球面510上球形元件，以及停滞在转盘支撑面310上的成串球形元件600均具有很强的放射性，所述磁力传动器采用瘦长的紧凑型圆筒形结构，其外磁组件201和内磁组件203除具有足够的长度方向屏蔽厚度外，径向也具有足够的屏蔽厚度，可以保护动力部件100免受短时停球导致的过大γ射线累积放射性剂量。由于动力部件100受到球形元件流动过程中的斜射的瞬时放射性照射相对较小，仅需采用厚度不大的屏蔽103。

所述执行部件300由转轴302、转盘305、托耳304和两个轴承303、307组成，如图4所示。所述转轴302与转盘305为一个整体加工件；所述转盘305包括一个过球通孔306；所述托耳304呈“Γ”形，共有两件，采用高强度耐磨的金属制造，镜像安装于所述转盘305过球通孔306的两侧，用于分隔最低端的的球形元件和支撑成串球形元件；在过球通孔306及托耳304的支撑面310是一个耐磨面，用于支撑成串球形元件。所述转盘305置于所述内部构件500的内衬环501内，并通过第一轴承303和第二轴承307分别支撑于所述内部构件500的轴承座503和所述箱体406的转子沉孔404内。

所述承压壳体400包括端面法兰401、箱体406、进球接管405和出球接管408。所述箱体406包括一个转子沉孔404、一个进球通孔409、第一出球通孔410a、第二出球通孔410b和一个准直沉孔407。

所述进球接管405与进球通孔409同轴连通，第一出球接管408a与第一出球通孔410a同轴连通，第二出球接管408b与第二出球通孔410b同轴连通。

所述端面法兰401用于支撑所述磁力传动器，通过第一紧固组件402和第一密封组件403与所述箱体406紧固连接，通过拆卸端面法兰401，可以方便地对所述执行部件300和内部构件500进行安装、拆卸与维修更换。

所述内部构件500由内衬环501、轴承压板502、轴承座503和定位销504组成。如图5所示，所述内衬环501包括限位环505、进球孔道506、第一出球孔道508a和第二出球孔道508b。所述轴承压板502和轴承座503用于固定和支撑所述执行部件300的第一轴承303。所述定位销504与紧固件一起用于限位和固定轴承座503。所述内部构件500置于所述箱体406的转子沉孔404内，所述进球孔道506、所述进球通孔409和所述进球接管405同轴连通。第一出球孔道508a、第一出球通孔410a和第一出球接管408a同轴连通。第二出球孔道508b、第一出球通孔410a和第二出球接管408b同轴连通。

所述箱体406的进球通孔409轴线与准直沉孔407垂直相交于一点，球形元件600在内衬环501的停球面510和转盘305的过球通孔306内停稳时，球形元件600的球心与所述交点重合时测量精度最高。零部件安装和设备运转时，应保证停球球心与所述焦点基本重合。

在进行燃耗测量时，方向性好且具有一定强度的检测射线经由外部燃耗测量发出并到达检测定位装置处，与所述准直沉孔407轴线重合，并穿透所述准直沉孔的孔壁，直到停稳在内衬环501的停球面510上球形元件600的球心，为保证测量精度，要求球心位置度与准直检测射线的误差在1mm以内，且要求准直沉孔的有效直径等于球形元件直径，准直方向上的结构钢等效壁厚小于等于15mm。此外，临近球形元件之间的距离h必须大于200mm，以消除球形元件之间的相互影响。

如图1所示，球形元件直径为φ61，为保证球流畅通，通常依靠重力流动的过球管道的内径或过球孔道为φ65。本实施例中，为保证球形元件准确定位，减小测量误差，所述转盘305的过球通孔306直径d1设置为φ61，所述箱体406的进球通孔409和该过球通孔306等径。此外，在所述承压壳体400中的进球接管405设置一个变径段，其小端与所述箱体406的进球通孔409相连，且与进球通孔409等径，以引导球形元件600流动。

为满足准直方向上等效直径和等效壁厚要求，本实施例中所述箱体406准直沉孔407的直径d4等于60mm。并在所述转盘305靠近箱体准直沉孔407的一个侧面上设置一个减薄槽308，当所述转盘305位于燃耗测量位时，所述减薄槽308的槽底面与准直沉孔407的底面平行，准直沉孔407在所述减薄槽308的槽底面投影圆被减薄槽308的槽底面包络，并且在所述准直沉孔407轴线方向上，有效准直厚度d2-d3为15mm。

在处于测量停球位时，成串球形元件被所述托耳304分离，位于托耳304顶面，与所述内衬环501的停球面510之间的距离为h，本实施例中h约为250mm，h过大则检测定位装置体积过大。

为保证托耳304能够顺利分隔成串球形元件，并且不损伤球形元件，保证碎屑顺利通过，对托耳304的结构尺寸与设置需要加以限制。在本实施例中，所述托耳304的高度h2与球形元件直径相当，从而托耳304的横板正好可以从最亮球形元件的间隙中穿过。由于托耳304为L形，横板过宽则可能碰触球形元件，而不是从两球间隙中经过，过窄则强度和刚度不够，因此本实施例中，托耳304的宽度d6略大于球形元件半径。此外，本实施例中，两托耳304之间的最小间隙d5为20mm，既便于分隔球形元件，也能有效保证碎屑从间隙中经过，并进入过球通孔306。

由于托耳304镜像分布于转盘305两侧，为便于转盘安装，内衬环501的进球孔道的宽度d7必须小于球形元件以限制球形元件流动，同时d7必须大于托耳304的宽度d6，以保证转盘和托耳的顺利装拆，本实施例中，托耳宽度d6和安装口宽度d7分别为30mm和40mm。

为避免可能产生的粉尘与碎屑沉积于内衬环501的停球面510上，从而将待测球形元件垫高，影响测量结果的准确性，在所述内衬环501的第一出球孔道508a和第二出球孔道508b上，还可分别对应设置连通的第一偏心孔道509a和第二偏心孔道509b，将停球面510由内凹的圆柱面打磨加工为平面或凸起面，当粉尘或碎渣从转盘的过球通孔306掉落时，不会暂存在停球面510上，而是直接从偏心孔道滑落。

此外，所述箱体406与转盘305转子上分别设有匹配的限位柱与限位槽309，两端限位点的角度为60°，一方面可以限制转盘305的转角运动范围，另一方面，便于交流伺服系统利用其具有的力矩模式，实现位置校准，以保证该定位分配器的定位精度。

所述执行部件300的第一轴承303和第二轴承307，以及磁力传动器内部轴承，采用带聚酰亚胺保持架的耐热耐磨的合金轴承，由具有耐辐照和自润滑性能的聚酰亚胺保持架提供固体润滑膜，耐热耐磨的合金具有优于陶瓷轴承的塑形和韧性，从而满足轴承耐温和耐辐照的长寿命运行要求。

本发明所述检测定位装置的根据燃耗测量结果，在DCS指令下，以短时连续工作制运转，其循环工作流程为：接受球形元件→转动分隔球形元件→定位测量→定向分配→接受球形元件，工作原理如图6～8所示。图6中转盘305处于静止接球位，此时转盘过球通孔306和托耳304位于左限位或右限位点，来自上游的球形元件将在进料接管405和箱体的进球通孔409中串列暂存，并由转盘支撑面310支撑。在转盘305接受指令后开始转动，托耳304从第一球形元件601和第二球形元件602之间的间隙经过，当转盘到达中间位置时，将串列第二球形元件602和第三球形元件603托起，同时被分隔开的第一球形元件601依靠重力进入转盘过球通孔306，并停靠在内衬环501的停球面510上，如图7所示，停稳后，即可进行燃耗测量。测量过程中，来自上游的球形元件将停靠在第三球形元件603之上，由托耳304支撑。在完成燃耗测量后，根据测量结果和DCS指令，转盘左转或者右转，将测量后的球形元件向堆芯方向或乏燃料贮存方向的管路定向输送，同时，转盘回到接球位，串列第二球形元件602和第三球形元件603下落到转子支撑面310上，如图8所示。

综上所述，本发明实施例所述的球形元件检测定位装置，能够实现执行自动隔料、精确定位和定向输送球形燃料元件三重功能，结构紧凑、控制简单，满足强放射性环境下长期、间歇式运转的运行可靠性与可维修性要求。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是一个或多个；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种球形元件检测定位装置，其特征在于：包括承压壳体、内部构件和执行部件；

所述承压壳体包括箱体、分别设置在所述箱体上的一个进球接管和两个出球接管，所述箱体中设有一个转子沉孔、一个准直沉孔、一个进球通孔和两个出球通孔，所述进球通孔与所述进球接管相连通，两个所述出球通孔分别与两个所述出球接管对应连通，所述进球通孔、所述出球通孔分别与所述转子沉孔相连通；

所述内部构件设置于所述转子沉孔内，所述内部构件包括内衬环，所述内衬环为带有缺口的环状结构，在所述内衬环的两端连接有圆弧状的限位环，所述限位环的横截面小于所述内衬环的横截面，所述限位环的外表面与所述转子沉孔的内表面之间设有转动间隙；所述限位环设有进球孔道，所述进球孔道与所述进球通孔相连通，所述内衬环设有两个出球孔道，两个所述出球孔道分别与两个所述出球通孔对应连通；

所述执行部件包括转盘和两个托耳，所述转盘设置于所述内部构件的内衬环中且能够在所述内衬环中转动，所述转盘中设有沿径向贯通的过球通孔，两个所述托耳安装于所述过球通孔的前后两侧，两个所述托耳能够在所述转动间隙中转动；两个所述托耳均为L形，两个所述托耳相对设置，在两个所述托耳之间设有隔离空间；所述转盘上对应所述准直沉孔的侧面设有减薄槽，当所述述转盘位于检测位时，所述减薄槽的槽底面与所述准直沉孔的底面平行，且所述准直沉孔在所述减薄槽的槽底面投影圆被减薄槽的槽底面包络。

2.如权利要求1的球形元件检测定位装置，其特征在于，所述执行部件还包括转轴，所述转轴与所述转盘通过花键连接。

3.如权利要求1的球形元件检测定位装置，其特征在于，所述转盘上设有限位槽，所述箱体上设有与所述限位槽相适配的限位柱。

4.如权利要求2的球形元件检测定位装置，其特征在于，所述承压壳体还包括端面法兰，所述端面法兰通过第一紧固组件与所述箱体相连，在所述端面法兰与所述箱体之间设有第一密封组件。

5.如权利要求4的球形元件检测定位装置，其特征在于，还包括传动部件，所述传动部件包括外磁组件、设置在所述外磁组件中的隔离罩、以及设置在所述隔离罩中的内磁组件，所述转轴设置于所述内磁组件中。

6.如权利要求5的球形元件检测定位装置，其特征在于，所述传动部件还包括设置于所述外磁组件外部的支架，所述支架通过第二紧固组件与所述端面法兰相连，所述隔离罩与所述支架通过止口配合。

7.如权利要求6的球形元件检测定位装置，其特征在于，在所述端面法兰与所述传动部件之间设有第二密封组件。

8.如权利要求6的球形元件检测定位装置，其特征在于，还包括动力部件，所述动力部件包括电机、与所述电机连接的减速机、以及与所述减速机连接的联轴器，所述联轴器与所述转轴相连。

9.如权利要求8的球形元件检测定位装置，其特征在于，所述动力部件还包括屏蔽套，所述电机、减速机和联轴器均设置于所述屏蔽套中。

10.如权利要求9的球形元件检测定位装置，其特征在于，所述屏蔽套与所述支架连接固定。

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