CN86105549A - 核反应堆冷却剂泵的叶轮/转轴组件 - Google Patents

核反应堆冷却剂泵的叶轮/转轴组件 Download PDF

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Abstract

一台核反应堆冷却剂泵，包括一个叶轮(72)，及叶轮装配螺栓(68)，在与转轴的一部分相毗连的叶轮装配螺栓上加工有液体通道，以使得冷却剂可被有效地泵唧流过通道而将转轴加热至叶轮温度相近的温度，从而形成泵组件的热平衡并改进泵效率。

Description

本发明涉及一种泵，特别是涉及一种热平衡的核反应堆冷却剂泵的叶轮/转轴组件。
如在公认的美国专利4427620及4434132号中所描述的以及如本文简化示意图图1所示，一个典型的核反应堆发电设施10通常包括一个核反应堆12及汽轮发电机14和16。这个设施10还包括给核反应堆12提供冷却剂的独立的循环回路18和20。每个回路18及20包括相应的汽轮发电机14及16的一次管路22。每个回路18和22还包括一个“热”的支架24，由核反应堆12流出的热的冷却剂通过它被导入每台汽轮发电机14和16的进液口26。而在发电机的一次管路22处，热的冷却剂与注入到每个汽轮发电机14及16的冷水进行热交换。每个循环回路18及20还包括一个“冷”的支架28，经热交换降低了温度的冷却剂通过它由每台汽轮发电机14及16的出液口30返回至核反应堆12。最后，每个循环回路18及20中还包括一个用来驱动冷却剂流动的冷却剂泵32。
由于冷却剂泵32有助于核反应堆12的冷却，因而对该泵的最有效设计及无故障运行都要求极高。
如本文件图2和图3更详细示出的，传统的冷却剂泵32一般包括一个壳体或称箱体34及实心转轴36，该转轴被轴向地装配在壳体34上以在该处转动。一个热轴套38（图4中略）包住转轴36的一部分。一叶轮键40嵌在转轴36与叶轮或称转子46之间（图3）。叶轮键起保险的作用，一旦叶轮46与转轴36松脱时，叶轮键40将防止叶轮46相对转轴36旋转。
特别是叶轮46是冷却剂泵32的旋转部件，它通常有一个圆柱形中央轮体49;其上面装有多片叶片或称翼片51（图2）。往转轴36上装配时，加热叶轮46从而在它们之间形成相对紧的锥面配合。叶轮46与转轴36间这一锥面配合区域以标号47示出（图3）。
叶轮46装配到转轴36上之后，将一锁紧螺栓44穿过叶轮螺帽42上的中心孔45并以在旋螺纹52拧入转轴36。叶轮螺帽42还在一旦叶轮从它与转轴36的锥面配合松脱时起保护作用，即安装叶轮螺帽42是为了防止叶轮46突然膨胀并从转轴36上滑脱。然后将锁紧螺帽44与叶轮螺帽42焊在一起以保证叶轮螺帽42不会松退，并从而得到叶轮46牢固地与转轴36结合在一起。
当然冷却剂泵32还包括一液体入口48及液体出口50。泵32运行时，冷却剂进入液体入口48，按箭头“A”指出的方向环流过叶轮46的外表面并经液体出口50流出。此后，通过加工在叶轮46上的导管53还形成一付流，其流向由箭头B标出（图3）。
运行时冷却剂泵32的叶轮46的温度约为290℃。另一方面，由于要用一传统的热交换器（未画出），它也是冷却剂泵32的一部分，热轴套38的温度约为50～66℃。同样，转轴36处于比叶轮低得多的温度下。
因此运行时在叶轮46与实心转轴36之间产生一很大的热不平衡。这一不平衡能使叶轮46相对于转轴36膨胀，从而减小叶轮46与转轴36间的接触面压力，结果叶轮就有可能从其与转轴36的锥面配合松脱。如果这个情况发生了，这两部分之间原先承载的摩擦力就会消失，而人们所不希望的应力就会加在叶轮键40，叶轮螺帽42和锁紧螺栓44上。
本发明的主要目的是提出一种具有一叶轮/转轴组件的泵，其叶轮对转轴的锥面配合确保可靠。
有鉴于此目的，本发明为一核反应堆冷却剂循环泵，它包括：一个具有一入口及一出口的壳体，一个可旋转地被支承在该壳体上的转轴，一个装配在该转轴上并置于上述壳体内的叶轮以及一只拧入转轴中心孔的叶轮装配螺帽，其特征是：所述螺栓及转轴具有一些通道用以导流冷却剂流过转轴从而保持该转轴的温度基本同于上述叶轮的温度。
由下面以附图为基础的描述本发明将变得更为容易明白，这里：
图1是一传统的核反应堆发电设施包括冷却剂泵的示意图;
图2是一传统的核反应堆冷却剂泵的正面主视局剖图;
图3是一传统的核反应堆冷却剂泵的叶轮/转轴组件的主视局部剖面图;
图4是按本发明绘制的核反应堆冷却剂泵的叶轮/转轴组件的主视剖面图，它特别标出了冷却剂流过在叶轮螺帽上加工出的几组导孔的情况以及标出了在叶轮螺帽上加工出的通道。
与前述传统核反应堆冷却剂泵的叶轮/转轴组件相反，如图4所示，本发明的核反应堆冷却剂泵60总的说包括下述部件：一个壳体，它与图2中所示传统壳体34相比较有改变：一个轴向地装在壳体上以在那里转动的转轴64。转轴64也有一个热轴套，图4中为了更清楚地描述本发明将其略去了。一个叶轮键66嵌在转轴64与叶轮或称转子72之间。一般叶轮72有一个圆柱形中央轮体73，上面装有多片叶轮或称翼片（未画出）。同样在装配叶轮72时要加热以形成对转轴64相对紧的锥面配合叶轮72与转轴64间的锥形配合面由参考标号75标出。一个叶轮装配螺栓68与一个锁紧螺栓70被用来把叶轮72牢固地连接在转轴64上。特别是叶轮装配螺栓68具有左旋螺纹，它与转轴64上加工出的左旋螺纹71相啮合。锁紧螺栓70穿过叶轮螺栓68上加工出的中心孔77并以右旋螺纹79拧紧在转轴64上的固定孔上。装好的锁紧螺栓70与叶轮螺栓68焊在一起以确保叶轮螺栓68及叶轮72正常工作，如前面已经讨论过的那样。
叶轮螺栓68上加工有至少一个通道78。这至少一个的通道78最好形成在锁紧螺栓70和叶轮螺栓68之间的孔77内并延伸至与转轴64的包住叶轮螺栓68外表面的那一部分外表面相连接。这至少一个的通道78的最佳数目是2。不过，其它数量的通道78也是本发明所考虑的。
或者也可以把这至少一个的通道78的一部分加工在叶轮螺栓68的内部，如图4中标号78′所示，此外，可以加工至少一个其它通道78″，例如与通道78′斜交。
第一组导孔80被加工在叶轮装配螺栓68上的第一区82上并与通道78的一端相通，第一组孔80的最佳数量是6，尽管本发明也可用任何实际可行数量的导孔，第一组导孔每个孔的最佳直径是约1.3厘米。
叶轮装配螺栓68还在其第二区86上加工有第二组导孔84与通道78的另一端相通。第二组导孔的最佳数量是4，尽管任何实用的导孔数都可以采用，第二组导孔每孔的最佳直径是1.9厘米。
第一组导孔80，通道78及第二组导孔84的尺寸必须足够大以克服水与导孔80，通道78、导孔84间摩擦而产生的流动阻力。导孔和通道的合理尺寸取值确保有足够大的液流从而保证了水向转轴内部的热传递实际上与任何外界影响无关。
在选择通道78的数量以及位置时的一个重要考虑是要转轴64与叶轮72旋转时使泵60有效地平衡。因此，最好在叶轮装配螺栓68上等间距地相对加工出通道78。关于“平衡”的相同考虑也适用于在叶轮装配螺栓68上分别加工第一组和第二组导孔80和84。
当然，泵60还包括有一个液体入口74和一个液体出口76。冷却剂进入液体入口74，绕叶轮72流动，如箭头“C”标出的那样。此外，还产生一如箭头“D”标出的付流流过叶轮72。另外，由于（1）第一组导孔80和第二组导孔84直径和数量的差异;（2）泵60载有一连续冷却剂液流，即在泵60内不存在穴孔或空气隙这一事实;以及（3），液态冷却剂必须流过通道78，78′及78″这一相对很长的距离，将有效地产生泵唧作用。更确切地说，冷却剂从以箭头“C”标出的冷却剂主流中流入并经过第一组导孔80，经过箭头E标出的通道78，78′及78″内的路线而被有效地从较大的第二组导孔84泵出。
要了解，上述使冷却剂通过导孔80、84及通道78，78′及78″组合体系的泵唧作用既不包括冷却剂泵60使冷却剂流经叶轮72这一传统泵作用，也不受其影响。
本发明冷却剂泵60的叶轮72在运行时的温度仍是约260℃，另一方面，由于泵唧作用使冷却剂流过叶轮装配螺栓68上加工出的通道78，78′及78″并与转轴64接触，就使转轴64的温度接近或等于叶轮72的温度，于是叶轮72与转轴64之间不再存在热的不平衡。因此消除了叶轮72相对于温度较低的转轴64膨胀的潜在危险，也就避免了叶轮72从其与转轴64的锥面配合上可能的松脱。
因此，通过提供一个与转轴相接触的流体通道，改善了叶轮/转轴组合的配合一致性，从而在相同的21℃承扭矩能力条件下，热瞬态（一般讲是叶轮/转轴温差）对叶轮/转轴接触面压力的冲击较传统的叶轮/实心转轴组合降低了。对此结果如下列表Ⅰ和表Ⅱ所示。
表Ⅰ
传统的叶轮/实心转轴组合-稳态及等变率＊升温终点的观测值
291℃    291℃
稳态    等变率升温终点
叶轮中央轮体的平均温度    287℃    283℃
转轴平均温度    281℃    266℃
轮体/转轴温差△T    6℃    16℃
＊100°F/hr.ramp（每小时等变率地升温100华氏度）
表Ⅱ
本发明（测试条件同表Ⅰ）
291℃    291℃
稳态    等变率升温终点
轮体/转轴温差△T    2.2℃    3.9℃
此外，依本发明叶轮中央轮体73与转轴64上的应力水平下降，如表Ⅲ所示：
表Ⅲ
传统叶轮/实心转轴与本发明的对照：组合条件及相同等变率升温终点承扭矩能力条件下叶轮中央轮体与轮轴最大应力强度的对比
（21℃的应力强度）
轮体应力强度＊    转轴应力强度＊＊
叶轮轮体/转轴模式
传统叶轮/实心 1336kg/cm2-740kg/cm2
转轴组合
本发明（实心截面转轴） 890kg/cm2-472kg/cm2
（通道截面转轴） 674kg/cm2-574kg/cm2
＊在轮体孔表面处
＊＊在转轴中心或内径处
本发明也可用于对现有传统叶轮/转轴组合进行改进而无须做大的改动，也就是可将原来部件从传统实心转轴36上拆去并按本发明安装新的叶轮装配螺栓68和锁紧螺栓70。这样叶轮/转轴接触面配合就可以将21℃承扭矩能力提高至初始值（改造之前）而不至增加叶轮轮体应力水平。热承扭矩能力也可增加很多。
上文只是对本发明的原理的直观说明。进一步讲，由于对熟悉这一工艺的内行来说许多修正和改动很容易实现，因此并不能将本发明限制在所画出及所描述的特定的结构和运行条件下，而一切修正及技术等同物均应属于本发明以及所附的权利要求书的范围之内。

Claims (5)

1、一种核反应堆冷却剂循环泵，包括：
一个具有一入液口及一出口的泵壳体，
一个被可旋转地支承在泵体上的转轴(64)，
一个安装在该转轴(64)上并置于上述泵体内的叶轮(72)以及一只拧入转轴(64)中心孔内的叶轮装配螺栓(68)，其特征在于：该螺栓(68)及转轴(64)上有通道(78，80)以导流冷却剂流过该转轴(64)从而保持该转轴(64)基本处于与上述叶轮(72)相同温度下。
2、权利要求1中所述的泵，其特征为部分通道（78，80）加工在叶轮装配螺栓（68）的外表面上并与转轴孔内表面的一部分相接触。
3、如权利要求1或2中所述的泵，其特征是，上述螺栓（68）在其中心附近具有进液口（80）以导流冷却剂流至上述通道（78），该螺栓（68）还有径享出液口（84），它适合于形成泵浦作用从而泵唧冷却剂流过上述通道（78）。
4、如权利要求1至3中任一条所述的泵，其特征是，上述装配螺栓（68）具有一中心孔（77）及一锁紧螺栓（70），它穿过该装配螺栓（68）且与所说中心孔（77）的孔壁间有空隙，这样在所说锁紧螺栓（70）及所说孔（77）壁间构成上述通道（78）的一部分。
5、如权利要求4中所述的泵，其特征在于：所说装配螺栓（68）及所说锁紧螺栓（70）均拧入上述的转轴（64）内，它们的螺纹的螺旋向相反（一个左旋而另一个右旋），并在牢固地安装于该转轴（64）上之后被焊在一起。
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