EP0065922B1

EP0065922B1 - Pompe primaire d'un réacteur nucléaire à eau sous pression comportant un dispositif d'étanchéité de son arbre d'entrainement

Info

Publication number: EP0065922B1
Application number: EP82400929A
Authority: EP
Inventors: Nicolaas Bonhomme
Original assignee: Framatome SA
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1981-05-21
Filing date: 1982-05-19
Publication date: 1985-07-17
Also published as: FI71394B; EP0065922A1; JPS57198395A; FI821802A0; KR830010308A; CA1193482A; EG15240A; DE3264764D1; KR880001267B1; YU96682A; ES8406654A1; FR2506399A1; JPH0361039B2; US4587076A; ZA823471B; ES512345A0; FR2506399B1; FI71394C

Description

L'invention concerne une pompe primaire d'un réacteur nucléaire à eau sous pression comportant un dispositif d'étanchéité de son arbre d'entraînement.
Dans les réacteurs nucléaires à eau sous pression, le circuit de refroidissement du coeur du réacteur, ou circuit primaire, comporte au moins deux boucles de refroidissement comportant chacune un générateur de vapeur et une pompe primaire.
Les pompes primaires sont constituées par une volute à l'intérieur de laquelle tourne une roue à aubes fixée rigidement à l'extrémité inférieure d'un arbre d'entraînement relié à un moteur.
L'étanchéité le long de l'arbre d'entraînement est assurée par un ensemble de joints disposés dans un espace annulaire compris entre l'arbre et un boîtier qui entoure cet arbre depuis sa sortie de la volute jusqu'au moteur d'entraînement.
Le dispositif d'étanchéité de l'arbre d'entraînement des pompes primaires est généralement constitué de trois joints comportant une partie fixe solidaire du boîtier et une partie mobile solidaire de l'arbre.
Les surfaces en regard de ces éléments d'étanchéité sont soit en contact frottant, le joint est alors de type mécanique, soit séparées par une couche de fluide en circulation entre les surfaces du joint, le joint est alors du type hydrostatique.
Les joints de type mécanique sont généralement utilisés pour assurer l'étanchéité entre deux zones dont les pressions ne sont pas trop différentes, alors que les joints hydrostatiques peuvent être utilisés dans le cas d'une très grande différence de pression de part et d'autre du joint.
Dans le cas des pompes primaires, l'eau mise en circulation par la pompe est à une pression très élevée, de l'ordre de 150 bars. Le joint disposé le plus en amont sur l'arbre d'entraînement, c'est-à-dire le plus près de la partie interne de la pompe, est donc un joint hydrostatique qui permet une chute de pression importante entre sa partie amont et sa partie aval, alors que les joints disposés en aval sont généralement des joints de type mécanique.
Un circuit d'alimentation en eau froide sous haute pression permet d'amener dans l'espace annulaire limité par le boîtier, à l'amont du joint hydrostatique, de l'eau dont une partie est refoulée vers la volute de la pompe et dont une autre partie fournit le courant de fuite du joint hydrostatique. Après être passée par le joint hydrostatique, cette eau sert également au refroidissement des joints mécaniques.
Dans le brevet US-A-3.215.083, est décrite une pompe pour un fluide à haute pression, tel que l'eau primaire d'un réacteur nucléaire à eau sous pression et son moteur d'entraînement. L'arbre d'entraînement de la pompe est placé dans un boîtier cylindrique qui ménage autour de l'arbre un espace annulaire recevant le fluide sous pression. Un joint hydrostatique est disposé entre l'arbre d'entraînement et le boîtier, à l'extrémité par où sort l'arbre d'entraînement, afin d'éviter des fuites de fluide à haute pression vers l'extérieur et en particulier vers le moteur. Du fluide de refroidissement du joint hydrostatique à une pression légèrement supérieur à la pression du fluide mis en circulation par la pompe est introduit dans l'espace annulaire, en amont du joint hydrostatique, c'est-à-dire dans la partie de l'espace annulaire située vers la pompe.
Un joint hydrostatique tel qu'utilisé sur les pompes primaires comme joint amont a par exemple été décrit dans les brevets FR-A-1.435.568 et FR-A-2.049.690.
Pour qu'un tel joint hydrostatique puisse fonctionner correctement, c'est-à-dire sans que les éléments disposés en vis-à-vis limitant la fuite viennent en contact, il faut que la chute de pression à travers ce joint hydrostatique, appelée Δp, soit supérieure à une certaine limite.
Dans le cas des pompes primaires utilisées actuellement, cette limite de pression est de l'ordre de 14 bars.
Dans le cas du fonctionnement normal du réacteur nucléaire, l'eau de refroidissement du réacteur est à une pression de l'ordre de 150 bars et l'eau froide injectée en amont du joint hydrostatique est à une pression un peu supérieure, si bien que la chute de pression à travers le joint hydrostatique est très élevée et généralement voisine de 150 bars. Le bon fonctionnement du joint hydrostatique est alors assuré.
Il n'en est plus de même lorsque la pression du circuit primaire diminue par exemple dans le cas d'un arrêt du réacteur, puisqu'on est amené à diminuer la pression d'injection de l'eau froide lorsque la pression du circuit primaire diminue. Il faut en effet équilibrer les débits injectés dans la volute et dans le joint et ces débits dépendent de la pression du circuit primaire.
En deçà d'une certaine valeur de la pression dans le circuit primaire la pression d'injection en amont du joint hydrostatique n'est plus suffisante pour assurer un tel ΔP supérieur à 14 bars et le joint hydrostatique ne peut plus fonctionner correctement.
Dans le cas des pompes primaires utilisées dans les réacteurs nucléaires à eau sous pression actuellement en service, on considère que la pression minimale du fluide primaire en deçà de laquelle on ne peut plus faire fonctionner le joint hydrostatique est de l'ordre de 26 bars.
Lors de l'arrêt d'un réacteur nucléaire à eau sous pression, il est nécessaire de laisser en fonctionnement au moins une pompe primaire pour permettre la circulation du fluide primaire et assurer un bon refroidissement.
En fin de refroidissement, on est en présence d'eau à 26 bars et à une température de 70 °C. A cette température, on ne peut plus maintenir la pression de 26 bars par utilisation de l'équilibre IiquideNapeur dans le pressuriseur du réacteur et on est obligé d'utiliser des pompes de charge d'un circuit auxiliaire pour maintenir la pression.
Le but de l'invention est donc de proposer une pompe primaire d'un réacteur nucléaire à eau sous pression comportant un arbre d'entraînement, un boîtier entourant cet arbre de façon à ménager un espace annulaire autour de l'arbre et un dispositif d'étanchéité constitué par un ensemble de joints placés l'un à la suite de l'autre suivant la longueur de l'arbre dans l'espace annulaire dont l'un au moins, disposé le plus en amont, c'est-à-dire vers l'intérieur de la pompe, est du type hydrostatique à fuite de liquide entre deux éléments limitant cette fuite reliés l'un à l'arbre et l'autre au boîtier, la partie de l'espace annulaire qui se trouve en amont du joint et qui constitue une chambre en communication avec la partie interne de la pompe étant alimentée en eau à une pression supérieure à la pression primaire du réacteur par un circuit, cette pompe primaire pouvant rester en fonctionnement même si la pression du fluide dont on effectue le pompage atteint des valeurs faibles, par exemple inférieures à 26 bars.
Dans ce but, le dispositif d'étanchéité suivant l'invention comporte en outre :

- un joint auxiliaire du type mécanique dont les pièces frottantes en regard sont liées, l'une à l'arbre et l'autre au boîtier, disposé dans là chambre, en amont du point de jonction du circuit et séparant cette chambre en une partie amont et une partie aval,
- et une canalisation disposée entre la partie amont et la partie aval de la chambre, sur laquelle est placée une vanne permettant d'isoler ou de mettre en communication les deux parties de la chambre.

Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, une pompe primaire d'un réacteur nucléaire à eau sous pression équipée d'un dispositif d'étanchéité suivant l'invention.

La figure 1 représente dans une vue en perspective éclatée, une pompe primaire suivant l'art antérieur.
La figure 2 représente de façon schématique le dispositif d'étanchéité suivant l'invention.
La figure 3 représente dans une demi-vue en coupe par un plan vertical de symétrie, la partie supérieure d'une pompe primaire pour réacteur nucléaire comportant un dispositif d'étanchéité suivant l'invention.

Sur la figure 1 on voit une pompe comportant un corps de pompe ou volute 1 percée d'une ouverture d'aspiration 2 et d'une ouverture de refoulement 3.
A l'intérieur de cette volute est disposé un diffuseur 4 à l'intérieur duquel tourne la roue à aubes 5 solidaire de l'arbre d'entraînement 7 relié au moteur d'entraînement de la pompe non représenté.
La partie supérieure du corps de pompe comporte une bride d'accouplement 8 permettant de relier la pompe à son groupe moteur.
L'arbre 7 est entouré d'un boîtier 9 qui ménage autour de celui-ci un espace annulaire 10.
A sa partie supérieure le boîtier 9 comporte une bride 12 de raccordement au moteur d'entraînement de la pompe.
Dans l'espace annulaire 10 sont disposés des joints 14 permettant d'assurer l'étanchéité le long de l'arbre 7.
L'arbre 7 porte à son extrémité pénétrant dans la volute la roue à aubes 5 et sort de cette volute au niveau d'un joint labyrinthe 16 au niveau duquel est également placée une barrière thermique 17 parcourue par un serpentin de refroidissement. L'arbre 7 passe ensuite dans un palier 15 assurant son maintien et son guidage.
Le joint 14 disposé le plus en amont, c'est-à-dire vers l'intérieur de la pompe, et donc placé le plus près du palier 15, est du type hydrostatique, de l'eau froide sous une pression légèrement supérieure à la pression de l'eau dans la pompe étant injectée par des tubulures d'injection 19, dans l'espace annulaire 10 dans lequel sont placés les joints d'étanchéité.
Sur la figure 2, on voit une représentation schématique du dispositif d'étanchéité associé à une pompe primaire du même type que la pompe représentée à la figure 1.
A l'intérieur de la volute 21 de cette pompe comportant une ouverture d'aspiration 22 et une ouverture de refoulement 23, la roue à aubes 25 solidaire de l'extrémité de l'arbre 27 est mise en rotation par l'intermédiaire de cet arbre. A sa sortie de la volute 21, l'arbre passe dans un ensemble de deux joints à labyrinthe 26 eux- mêmes entourés par la barrière thermique 28 parcourue par un serpentin 29 alimenté en eau de refroidissement.
L'arbre 27 traverse alors l'espace annulaire 30 délimité par un boîtier disposé autour de l'arbre suivant toute sa longueur jusqu'à son raccordement avec le moteur d'entraînement 31.
A l'intérieur de cet espace annulaire sont disposés le palier 32 permettant le guidage de l'arbre et les joints 33, 34 et 35.
Le premier joint 33 disposé en amont est du type hydrostatique à fuite de liquide entre sa partie tournante liée à l'arbre 27 et sa partie fixe liée au boîtier.
Les joints 34 et 35 sont du type mécanique comportant deux parties flottantes dont l'une est solidaire de l'arbre et l'autre du boîtier.
Un circuit d'alimentation en eau froide sous pression 36 permet d'amener cette eau froide à une pression légèrement supérieure à la pression de l'eau mise en circulation par la pompe, dans l'espace annulaire 30, en amont du joint 33.
La pression de cette eau froide est réglée grâce à une vanne de dérivation 38 et à une pompe de charge 39 placée en dérivation sur la conduite principale du circuit 36. Un manomètre 40 permet de vérifier la pression dans le circuit 36. Des conduites 41, 42 et 43 permettent de recycler l'eau récupérée à l'aval du joint 33 dans le circuit d'alimentation 36.
Le dispositif d'étanchéité suivant l'invention comporte de plus un joint auxiliaire 45 disposé en amont du joint hydrostatique 33 dans la partie de l'espace annulaire 30 constituant une chambre 46 en communication avec la partie interne de la volute 21, par l'intermédiaire des joints labyrinthes 26.
Le joint auxiliaire 45 est un joint mécanique à surfaces frottantes qui sépare la chambre 46 en deux parties, 46a située à l'amont du joint 45 et 46b situé à l'aval du joint 45 et à l'amont du joint 33.
Une conduite 47 permet de joindre les deux parties 46a et 46b de la chambre 46. Une vanne 48 est disposée sur la canalisation 47 pour isoler ou mettre en communication les deux parties de la chambre 46.
Un clapet 49 est placé en dérivation par rapport à la vanne 48.
En se reportant à la figure 3, on retrouve les mêmes éléments que ceux représentés sur la figure 2 et avec les mêmes repères, la pompe primaire étant du même type que la pompe représentée sur la figure 1.
Sur la figure 3, le circuit 36 n'a cependant pas été représenté pour éviter de compliquer la représentation.
Le joint auxiliaire 45 est constitué d'une partie fixe 50 solidaire du boîtier 29 et d'une partie mobile 51 solidaire de l'arbre 27, dont les surfaces disposées en vis-à-vis sont en contact frottant.
Le joint hydrostatique 33 consiste en une garniture flottante et une garniture tournante séparées par un film d'eau à fuite contrôlée.
L'épaisseur du film d'eau (eau filtrée et injectée en amont du joint 33 dans la chambre 46b par le circuit 36) est régulée par le profil géométrique des parties actives en fonction de la pression dans la chambre 46b. La fuite d'eau de ce joint 33 est évacuée en partie à travers le joint 34 et le reste vers le circuit 36 par la conduite 41 (figure-2).
On va maintenant décrire, en se référant aux figures 2 et 3, le fonctionnement du dispositif d'étanchéité suivant l'invention.
Pendant le fonctionnement normal de la pompe, le réacteur nucléaire étant en service, celle-ci provoque la circulation de l'eau du circuit primaire qui est à une pression de l'ordre de 150 bars et à une température supérieure à 300 °C. La vanne 48 disposée sur la conduite 47 mettant en communication les deux parties de la chambre 46 est ouverte. De l'eau froide est amenée par le circuit 36 dans la partie 46b de la chambre, à une pression un peu supérieure à la pression du circuit primaire. La mise en communication des deux parties 46a et 46b de la chambre 46 par la conduite 47 produit un équilibrage de pression entre ces deux parties de la chambre, si bien que la différence de pression à travers le joint auxiliaire 45 est négligeable. On peut donc prévoir un contact frottant entre les surfaces en regard du joint 45, avec une pression d'application faible si bien que l'usure de ce joint est très limitée. D'autre part, le joint 45 est refroidi par l'eau du circuit 36 et travaille à température modérée.
Le dispositif d'étanchéité fonctionne alors comme les dispositifs de l'art antérieur, la différence de pression à travers le joint hydrostatique 33 étant pratiquement égale à la surpression du circuit primaire.
Lors d'un arrêt du réacteur, la pression du circuit primaire peut s'abaisser jusqu'à une valeur faible, par exemple inférieure à 26 bars. Pour maintenir la pompe en état de marche, Il suffit alors de fermer la vanne 48 et de régler le débit et la pression de l'eau froide injectée par le circuit 36, en agissant sur la vanne 38 et la pompe 39, de façon à maintenir une pression suffisante dans la chambre 46b délimitée par le joint hydrostatique 33 et par le joint auxiliaire 45. De préférence, on choisira cette pression égale à 26 bars de façon à être juste au-dessus du seuil minimal du Δp permettant le fonctionnement du joint 33.
Dans ces conditions, la différence de pression entre la chambre 46b soumise à une pression voisine de 26 bars et la chambre 46a soumise à une pression voisine de celle du circuit primaire est au plus égale à 26 bars, si bien que la chute de pression de part et d'autre du joint 45 est au plus égale à cette valeur.
Ceci est compatible avec un fonctionnement du joint 45 dans de bonnes conditions.
Dans tous les cas, les joints à surfaces frottantes du dispositif d'étanchéité représenté aux figures 2 et 3 fonctionnent dans de bonnes conditions car les chutes de pression de part et d'autre de ces joints sont faibles et la circulation de l'eau venant en contact avec ces joints permet la lubrification des surfaces frottantes. Le joint 45 est refroidi et lubrifié par l'eau injectée par le circuit 36 alors que les joints 34 et 35 sont refroidis et lubrifiés par une partie de l'eau traversant le joint 33. Cette eau permettant le refroidissement et la lubrification est finalement recyclée par les conduites 41, 42 et 43.
Le clapet 49 placé en dérivation par rapport à la vanne 48 est conçu pour rester fermé tant que la pression dans la chambre 46a est inférieure à la pression dans la chambre 46b. Ce clapet ne s'ouvre que dans le cas d'une surpression dans la chambre 46a par rapport à la chambre 46b. Pendant le fonctionnement normal du réacteur, ce clapet reste donc fermé puisque le circuit 36 introduit de l'eau en légère surpression par rapport à l'eau du circuit primaire.
Lors d'un arrêt du réacteur, la pression étant amenée à une valeur faible dans le circuit primaire et la vanne 48 étant fermée, s'il se produit une avarie sur le circuit d'alimentation 36, la pression dans la chambre 46a devient supérieure à la pression dans la chambre 46b qui n'est plus alimentée et le clapet 49 s'ouvre, si bien que l'eau du circuit primaire refroidie par la barrière thermique 28 peut pénétrer dans la chambre 46b et assurer la fonction de refroidissement et de lubrification des joints à surfaces frottantes en remplacement de l'eau froide injectée par le circuit 36.
On voit donc qu'un avantage du dispositif suivant l'invention est de permettre le fonctionnement des pompes primaires d'un réacteur nucléaire à basse pression. Pendant les phases d'arrêt du réacteur il devient possible de continuer à faire circuler l'eau du circuit primaire sans recourir à des moyens auxiliaires pour maintenir sa pression au-dessus de 26 bars.
D'autre part le circuit de refroidissement du réacteur qui permet d'abaisser la température et la pression du circuit primaire au cours des phases de mise en arrêt à froid du réacteur peut être utilisé à des pressions inférieures à 26 bars ce qui n'était pas possible antérieurement puisqu'une circulation de l'eau primaire doit être maintenue pendant les phases de mise à l'arrêt.
Il en résulte que ce circuit de refroidissement pourra être utilisé jusqu'aux phases ultimes de l'arrêt à froid du réacteur.
De façon générale, au joint hydrostatique disposé en amont du dispositif d'étanchéité peuvent être associés des joints d'un type quelconque et le nombre de ces joints n'est pas limité.

Claims

1. Pompe primaire d'un réacteur nucléaire à eau sous pression comportant un arbre d'entraînement (27), un boîtier entourant cet arbre (27) de façon à ménager un espace annulaire (30) autour de l'arbre (27) et un dispositif d'étanchéité constitué par un ensemble de joints (33, 34, 35) placés l'un à la suite de l'autre suivant la longueur de l'arbre (27) dans l'espace annulaire (30) dont l'un au moins (33) disposé le plus en amont, c'est-à-dire vers l'intérieur de la pompe, est du type hydrostatique à fuite de liquide entre deux éléments limitant cette fuite reliés l'un à l'arbre (27) et l'autre au boîtier, la partie de l'espace annulaire (30) qui se trouve en amont du joint (33) et qui constitue une chambre (46) en communication avec la partie interne de la pompe étant alimentée en eau à une pression supérieure à la pression primaire du réacteur par un circuit d'alimentation (36), caractérisé par le fait que le dispositif d'étanchéité comporte en outre :

- un joint auxiliaire (45) du type mécanique dont les pièces frottantes en regard sont liées l'une à l'arbre (27) et l'autre au boîtier, disposé dans la chambre (46), en amont du point de jonction du circuit (36) et séparant cette chambre (46) en une partie amont (46a) et une partie aval (46b),

- et une canalisation (47) disposée entre la partie amont (46a) et la partie aval (46b) de la chambre (46), sur laquelle est placée une vanne (48) permettant d'isoler ou de mettre en communication les deux parties (46a et 46b) de la chambre (46).

2. Pompe primaire suivant la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un clapet (49) est placé en dérivation par rapport à la vanne (48) permettant l'isolation ou la mise en communication des deux parties (46a et 46b) de la chambre (46), ce clapet (49) étant conçu pour s'ouvrir lorsque la pression dans la partie (46a) de la chambre située en amont est supérieure à la pression dans la partie (46b) de la chambre située en aval du joint auxiliaire (45).

3. Pompe primaire suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, comportant successivement, autour de son arbre d'entraînement (27), depuis sa volute (21) jusqu'à son moteur d'entraînement (31), une barrière thermique (28), un palier (32), le joint hydrostatique (33), un premier joint mécanique à surfaces frottantes (34) et un second joint mécanique à surfaces frottantes (35), caractérisée par le fait que le joint mécanique auxiliaire (45) est intercalé entre la barrière thermique (28) et le palier (32).