FR2812117A1 - Thermal protection screen, for rotary shaft especially for primary pump in nuclear power plant, has sleeve fixed to shaft enclosing metal ring - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un écran de protection thermique pour unThe present invention relates to a thermal protection screen for a
arbre tournant, notamment pour un arbre de pompe primaire de centrale nucléaire. De nombreuses installations industrielles comportent des arbres tournants qui sont soumis à des différentiels de températures entre deux zones rotating shaft, in particular for a primary pump shaft of a nuclear power plant. Many industrial installations have rotating shafts which are subject to temperature differentials between two zones
engendrant sur ces arbres des variations de contraintes thermiques importantes. generating on these trees variations in significant thermal stresses.
C'est le cas notamment pour les pompes primaires de centrale This is particularly the case for primary plant pumps
nucléaire qui véhiculent l'eau chaude à haute température. that carry hot water at high temperature.
Dans leur partie haute, ces pompes primaires comportent un l0 échangeur de chaleur appelé barrière thermique, qui refroidit l'eau alimentant un In their upper part, these primary pumps include a heat exchanger called a thermal barrier, which cools the water supplying a
palier hydrodynamique et les joints tournants d'étanchéité avec l'arbre longitudi- hydrodynamic bearing and rotating seals with the longitudi-
nal. Il existe donc une zone de transition entre l'eau chaude et l'eau froide située nal. There is therefore a transition zone between hot and cold water located
au bas de la barrière thermique.at the bottom of the thermal barrier.
La partie de l'arbre située dans cette zone de transition est par The part of the tree located in this transition zone is by
i5 conséquent soumise à un important gradient thermique qui favorise des instabili- i5 consequently subjected to an important thermal gradient which favors instabili-
tés thermiques pouvant créer des fissures dans l'arbre. thermal tees that can create cracks in the tree.
Afin de réduire ce risque de fissuration, un écran thermique est To reduce this risk of cracking, a heat shield is
disposé sur l'arbre dans la zone o le gradient thermique est le plus important. arranged on the tree in the area where the thermal gradient is the greatest.
Jusqu'à présent, cet écran thermique est formé par une bague en acier inoxydable entourant l'arbre dans ladite zone. Cette solution ne suffit pas pour se prémunir totalement du risque de fissuration, car après quelques années So far, this heat shield is formed by a stainless steel ring surrounding the shaft in said area. This solution is not enough to completely guard against the risk of cracking, because after a few years
de fonctionnement, des fissures peuvent apparaître en divers endroits dans l'ar- during operation, cracks may appear in various places in the ar
bre au-dessous de cette bague.bre below this ring.
L'invention a pour but de proposer un écran de protection thermi- The object of the invention is to provide a thermal protection screen
2 5 que qui permet d'améliorer l'efficacité de la protection et de ce fait de diminuer les 2 5 that which improves the effectiveness of the protection and thereby reduces the
risques de fissuration dans l'arbre. risk of cracking in the tree.
L'invention a donc pour objet un écran de protection thermique pour un arbre tournant, notamment pour un arbre de pompe primaire de centrale nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend, d'une part, un fourreau solidaire de I'arbre et comportant un logement interne et, d'autre part, une bague métallique The subject of the invention is therefore a thermal protection screen for a rotating shaft, in particular for a primary pump shaft of a nuclear power station, characterized in that it comprises, on the one hand, a sheath secured to the shaft and comprising an internal housing and, on the other hand, a metal ring
multicouche en contact avec l'arbre et disposée dans ledit logement interne. multilayer in contact with the shaft and disposed in said internal housing.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le logement interne du fourreau est ouvert à une extrémité pour According to other features of the invention - the internal housing of the sheath is open at one end for
le montage de la bague métallique et est obturé à l'autre extrémité par un épau- mounting of the metal ring and is closed at the other end with a spar-
lement fretté sur l'arbre, - l'extrémité ouverte du logement interne du fourreau est obturée par un rebord en saillie ménagé à une extrémité de la bague métallique, l'extré- mité du fourreau étant frettée sur ledit rebord, - l'extrémité ouverte du logement interne du fourreau est obturée par un anneau fretté sur l'arbre et sur lequel est frettée l'extrémité du fourreau, - I'écran comporte un pion transversal de liaison du fourreau avec 0 lI'arbre, Lement hooped on the shaft, - the open end of the inner housing of the sheath is closed by a projecting flange formed at one end of the metal ring, the end of the sheath being hooped on said flange, - the end open of the internal housing of the sheath is closed by a ring hooped on the shaft and on which the end of the sheath is hooped, - the screen comprises a transverse pin connecting the sheath with 0 lI'brebre,
- le pion est monté dans un orifice ménagé dans l'arbre et tra- - the pin is mounted in a hole in the shaft and travels
verse l'épaulement du fourreau, l'extrémité libre dudit pion étant soudé sur ledit fourreau, pours the shoulder of the sheath, the free end of said pin being welded to said sheath,
- le pion est monté dans un orifice ménagé dans l'arbre et tra- - the pin is mounted in a hole in the shaft and travels
i verse l'anneau et le fourreau, I'extrémité libre dudit pion étant soudée sur ledit fourreau, - le fourreau est réalisé en acier inoxydable, i pours the ring and the sheath, the free end of said pin being welded to said sheath, - the sheath is made of stainless steel,
- la bague métallique multicouche est formée par une bague in- - the multilayer metal ring is formed by a ring
terne en acier inoxydable sur la face externe de laquelle est appliquée une su- dull stainless steel on the outside of which a surface is applied
perposition de plusieurs couches d'oxyde de zirconium alternées avec des cou- perposition of several layers of zirconium oxide alternated with layers
ches d'alliage de nickel-chrome, la dernière couche étant une couche d'alliage de nickel-chrome, -les couches d'oxyde de zirconium et d'alliage de nickel-chrome sont placées dans un lamage cylindrique ménagé sur la face externe de la bague interne, ladite cuvette étant bordée à chacune de ses extrémités par un rebord en saillie, - les bords du lamage sont inclinés d'un angle compris entre 30 ches of nickel-chromium alloy, the last layer being a layer of nickel-chromium alloy, the layers of zirconium oxide and of nickel-chromium alloy are placed in a cylindrical counterbore formed on the external face of the internal ring, said cup being bordered at each of its ends by a projecting rim, - the edges of the counterbore are inclined at an angle between 30
et 60 .and 60.
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au The characteristics and advantages of the invention will become apparent from
cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en réfé- during the description which follows, given by way of example and made in reference to
rence aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'une partie d'une pompe primaire équipée d'un écran de protection thermique conforme à l'invention, - la Fig. 2 est une vue schématique en coupe axiale et à plus grande échelle d'un premier mode de réalisation de l'écran de protection thermi- que conforme à l'invention, - la Fig. 3 est une vue schématique en coupe axiale et à plus Refer to the accompanying drawings, in which: - FIG. 1 is a schematic half-view in axial section of a part of a primary pump fitted with a thermal protection screen according to the invention, - FIG. 2 is a schematic view in axial section and on a larger scale of a first embodiment of the thermal protection screen according to the invention, - FIG. 3 is a schematic view in axial section and more
grande échelle d'un second mode de réalisation de l'écran de protection thermi- large scale of a second embodiment of the thermal protection screen
que conforme à l'invention, - la Fig. 4 est une vue schématique en coupe axiale de la bague métallique multicouche de l'écran de protection thermique conforme à l'invention, according to the invention, - FIG. 4 is a schematic view in axial section of the multilayer metal ring of the thermal protection screen according to the invention,
- la Fig. 5 est une vue partielle et à plus grande échelle de la ba- - Fig. 5 is a partial view on a larger scale of the base
gue multicouche.multilayer coating.
Sur la Fig. 1, on a représenté schématiquement une partie d'une :]5 pompe primaire d'une centrale nucléaire et qui est destinée à véhiculer de l'eau In Fig. 1, there is shown schematically a part of a:] 5 primary pump of a nuclear power station and which is intended to convey water
chaude à une température de l'ordre de 300 C. hot at a temperature of the order of 300 C.
De manière classique, cette pompe comporte une partie infé- Conventionally, this pump comprises a lower part
rieure A dite chaude dans laquelle circule l'eau chaude à la température d'environ 300 C et une partie supérieure B dite froide dans laquelle circule l'eau froide à upper A called hot in which circulates hot water at a temperature of about 300 C and an upper part B called cold in which circulates cold water at
environ 40 C.about 40 C.
Les zones A et B sont traversées par un arbre 1 et la partie infé- Zones A and B are crossed by a tree 1 and the lower part
rieure comporte, de manière classique, une roue 2 et une volute de pompe 3. it comprises, in a conventional manner, a wheel 2 and a pump casing 3.
La partie supérieure B comporte un carter 4, un palier hydrody- The upper part B comprises a casing 4, a hydrody-
namique 5 et des joints tournants d'étanchéité 6. namique 5 and rotary seals 6.
Le carter 4 est fixé sur la volute 3 au moyen d'éléments de liaison The casing 4 is fixed to the volute 3 by means of connecting elements
7 démontables, comme par exemple des goujons. 7 removable, such as studs.
Entre la partie inférieure A et la partie supérieure B, la pompe comporte un échangeur de chaleur 8 appelé barrière thermique, qui refroidit Between the lower part A and the upper part B, the pump comprises a heat exchanger 8 called a thermal barrier, which cools
l'eau alimentant le palier hydrodynamique 5 et les joints tournants d'étanchéité 6. the water feeding the hydrodynamic bearing 5 and the rotary seals 6.
Entre la partie inférieure A dite chaude et la partie supérieure B dite froide, il existe une zone de transition C entre l'eau chaude et l'eau froide au bas de l'échangeur de chaleur 8 et dans laquelle la zone de l'arbre est soumise à Between the lower part A called hot and the upper part B called cold, there is a transition zone C between hot water and cold water at the bottom of the heat exchanger 8 and in which the shaft zone is subject to
un important gradient thermique de l'ordre de 260 C. a significant thermal gradient of the order of 260 C.
Dans cette zone de transition C,- l'arbre 1 est équipé d'un écran In this transition zone C, - the shaft 1 is equipped with a screen
de protection thermique désigné dans son ensemble par la référence 10. of thermal protection designated as a whole by the reference 10.
Ainsi que représenté sur les Figs. 2 et 3, I'écran 10 de protection As shown in Figs. 2 and 3, the protective screen 10
thermique comprend, d'une part, un fourreau 11 solidaire de l'arbre 1 et compor- thermal comprises, on the one hand, a sheath 11 integral with the shaft 1 and comprises
tant un logement interne 12 et, d'autre part, une bague métallique multicouche 21 both an internal housing 12 and, on the other hand, a multilayer metal ring 21
en contact avec l'arbre 20 et disposée dans ledit logement interne 12 du four- in contact with the shaft 20 and disposed in said internal housing 12 of the furnace-
reau 1 1.1 1.
Le fourreau 11 est en appui contre un épaulement la ménagé The sheath 11 is in abutment against a shoulder provided
sur l'arbre 1.on the tree 1.
Selon un premier mode de réalisation représenté à la Fig. 2, le According to a first embodiment shown in FIG. 2, the
logement interne 12 du fourreau 11 est ouvert à une extrémité 1 la pour le mon- internal housing 12 of the sleeve 11 is open at one end 1 la for mounting
tage de la bague métallique 21, comme on le verra ultérieurement, et est obturé à lI'autre extrémité 11b par un épaulement 13 venu de matière avec ledit fourreau tage of the metal ring 21, as will be seen later, and is closed at the other end 11b by a shoulder 13 formed integrally with said sheath
1. L'épaulement 13 du fourreau 11 est fixé sur l'arbre 1 par frettage. 1. The shoulder 13 of the sleeve 11 is fixed to the shaft 1 by shrinking.
Par ailleurs, I'extrémité ouverte l a du logement 12 du fourreau 1 est obturée par un rebord en saillie 21 a ménagé à une extrémité de la bague métallique 21 L'extrémité du fourreau 11 en contact avec le rebord en saillie 21a Furthermore, the open end 1a of the housing 12 of the sleeve 1 is closed by a protruding rim 21 formed at one end of the metal ring 21 The end of the sleeve 11 in contact with the protruding rim 21a
2 0 de la bague métallique 21 est frettée sur ce rebord en saillie 21 a. 2 0 of the metal ring 21 is hooped on this projecting rim 21 a.
De plus, la bague métallique 21 déborde de l'extrémité ouverte 11 a du fourreau 11 de façon à former une surface d'appui pour la roue 2 de la In addition, the metal ring 21 projects from the open end 11a of the sleeve 11 so as to form a bearing surface for the wheel 2 of the
pompe, comme représenté à la Fig. 2. pump, as shown in Fig. 2.
Un pion transversal 25 complète la liaison du fourreau 11 avec A transverse pin 25 completes the connection of the sleeve 11 with
I'arbre 1. Ce pion 25 est monté dans un orifice 9 ménagé dans l'arbre 1 et tra- I'arbre 1. This pin 25 is mounted in an orifice 9 formed in the shaft 1 and trav-
verse l'épaulement 13 du fourreau 11. L'extrémité libre du pion 25 est soudée sur pours the shoulder 13 of the sleeve 11. The free end of the pin 25 is welded to
le fourreau 11.the sleeve 11.
Selon un second mode de réalisation représenté à la Fig. 3, le According to a second embodiment shown in FIG. 3, the
logement interne 12 du fourreau 1 1 est ouverte à son extrémité 1 1 b pour le mon- internal housing 12 of the sleeve 1 1 is open at its end 1 1 b for the
tage de la bague métallique 21 et est obturé à son autre extrémité 11a par un of the metal ring 21 and is closed at its other end 11a by a
épaulement 14.shoulder 14.
L'épaulement 15 forme une surface d'appui pour la bague métal- The shoulder 15 forms a bearing surface for the metal ring-
lique 21 et est fretté sur l'arbre 1. lique 21 and is hooped on the shaft 1.
L'extrémité ouverte llb du logement interne 12 du fourreau 11 est, dans ce mode de réalisation, obturé par un anneau 14 fretté sur l'arbre 1 et sur lequel est frettée l'extrémité du fourreau 11. La solidarisation entre le fourreau 11 et l'arbre 1 est complétée The open end llb of the internal housing 12 of the sheath 11 is, in this embodiment, closed by a ring 14 hooped on the shaft 1 and on which the end of the sheath 11 is hooped. The connection between the sheath 11 and tree 1 is completed
par un pion 25 monté dans un orifice 9 ménagé dans l'arbre 1. Ce pion 25 tra- by a pin 25 mounted in an orifice 9 formed in the shaft 1. This pin 25 travels
verse l'anneau 14 et le fourreau 11 et l'extrémité libre de ce pion 25 est soudée pours the ring 14 and the sheath 11 and the free end of this pin 25 is welded
sur le fourreau 11.on the scabbard 11.
i0 Comme représenté à la Fig. 3, le fourreau 11 et l'anneau 14 sont i0 As shown in Fig. 3, the sleeve 11 and the ring 14 are
en appui sur l'épaulement 1 a ménagé sur l'arbre 1. resting on the shoulder 1 formed on the shaft 1.
De préférence, le fourreau 11 est en acier inoxydable. Preferably, the sheath 11 is made of stainless steel.
En se reportant maintenant aux Figs. 4 et 5, on va décrire la ba- Referring now to Figs. 4 and 5, we will describe the ba-
gue métallique multicouche 21.multilayer metallic coating 21.
Cette bague métallique multicouche 21 est formée par une bague interne 23 en acier inoxydable comportant, d'une part, un alésage interne 23 dont le diamètre correspond sensiblement au diamètre de la zone C de l'arbre 1 et, d'autre part, sur sa face externe, un lamage 24 cylindrique et concentrique audit This multilayer metal ring 21 is formed by an internal ring 23 made of stainless steel comprising, on the one hand, an internal bore 23 whose diameter corresponds substantially to the diameter of the zone C of the shaft 1 and, on the other hand, on its external face, a counterbore 24 cylindrical and concentric with said
alésage 23.bore 23.
Les bords internes de chaque rebord en saillie, respectivement The inner edges of each protruding rim, respectively
21 a et 21 b du lamage 24 sont inclinés d'un angle compris entre 30 et 60 . 21 a and 21 b of the counterbore 24 are inclined at an angle between 30 and 60.
La bague métallique multicouche 21 comporte également sur la face externe de la bague interne 22, c'est à dire dans le lamage circulaire 24, une superposition de plusieurs couches d'oxyde de zirconium 30 alternées avec les The multilayer metal ring 21 also comprises on the external face of the internal ring 22, that is to say in the circular counterbore 24, a superposition of several layers of zirconium oxide 30 alternating with the
couches d'alliage de nickel-chrome 31. nickel-chromium alloy layers 31.
De préférence, la première couche appliquée sur la face externe de la bague interne 22 est constituée par une couche 30 d'oxyde de zirconium et la dernière couche est constituée par une couche d'alliage de nickelchrome 31 Preferably, the first layer applied to the outer face of the inner ring 22 is formed by a layer 30 of zirconium oxide and the last layer is formed by a layer of nickel-chromium alloy 31
dont l'épaisseur est supérieure à l'épaisseur des autres couches d'alliage de nic- whose thickness is greater than the thickness of the other layers of nickel alloy
kel-chrome 31.kel-chrome 31.
A titre d'exemple, I'ensemble est constitué par six couches d'oxyde de zirconium ayant chacune une épaisseur de 0,5mm et par six couches For example, the assembly consists of six layers of zirconium oxide each having a thickness of 0.5 mm and by six layers
d'alliage de nickel-chrome ayant chacune une épaisseur de O,25mm, à l'excep- of nickel-chromium alloy each having a thickness of 0.25mm, except
tion de la dernière qui a une épaisseur de 0,5mm pour permettre un usinage de cet ensemble et ainsi obtenir un diamètre extérieur correspondant aux critères de montage. Les différentes couches 30 et 31 sont réalisées par revêtement tion of the last one which has a thickness of 0.5mm to allow machining of this assembly and thus obtain an outside diameter corresponding to the mounting criteria. The different layers 30 and 31 are produced by coating
par projection.by projection.
Par ailleurs, le profil incliné des bords du lamage circulaire 24 permet d'obtenir dans cette zone le recouvrement parfait des différentes couches Furthermore, the inclined profile of the edges of the circular counterbore 24 makes it possible to obtain in this zone the perfect overlap of the different layers
et 31.and 31.
:0 Dans le cas du premier mode de réalisation représenté à la Fig. 2, le montage de l'écran de protection thermique 10 sur l'arbre 1 est réalisé de la : 0 In the case of the first embodiment shown in FIG. 2, the thermal protection screen 10 is mounted on the shaft 1 using the
façon suivante.next way.
Tout d'abord, le fourreau 11 est emmanché sur l'arbre 1 et l'épau- First, the sleeve 11 is fitted onto the shaft 1 and the shoulder
lement 1 a de cet arbre 1 assure la butée axiale dudit fourreau 11. Ensuite, l'épau- 1a of this shaft 1 provides the axial abutment of said sheath 11. Then, the shoulder
lement 13 du fourreau 11 est fretté sur l'arbre 1 dans sa position axiale. Lement 13 of the sleeve 11 is hooped on the shaft 1 in its axial position.
La bague métallique multicouche 21 est emmanchée sur l'arbre 1 et placée dans le logement 12 du fourreau 11 de telle manière qu'il subsiste un The multilayer metal ring 21 is fitted onto the shaft 1 and placed in the housing 12 of the sleeve 11 so that there remains a
jeu entre le rebord 21b et l'épaulement 13 et que le rebord 21a déborde de l'ex- clearance between the rim 21b and the shoulder 13 and that the rim 21a projects beyond the former
trémité du fourreau 11, ainsi que représenté à la Fig. 2. end of the sheath 11, as shown in FIG. 2.
L'extrémité du fourreau 11 en contact avec le rebord 21a de la bague métallique multicouche 21 est frettée sur ce rebord 21a et le pion 25 est The end of the sheath 11 in contact with the rim 21a of the multilayer metal ring 21 is hooped on this rim 21a and the pin 25 is
mis en place et est soudé sur le fourreau 11. installed and is welded to the sleeve 11.
Le diamètre extérieur du fourreau 11 est usiné pour le mettre à la The outer diameter of the sleeve 11 is machined to bring it to the
cote souhaitée et la roue 2 est montée sur l'arbre 1. desired dimension and the wheel 2 is mounted on the shaft 1.
Dans le cas du second mode de réalisation représenté à la Fig. In the case of the second embodiment shown in FIG.
3, le montage de l'écran de protection thermique 10 est réalisé de la façon sui- 3, mounting of the thermal protection screen 10 is carried out as follows:
vante. Tout d'abord, I'anneau 14 est emmanché sur l'arbre I de telle manière qu'il soit en butée sur l'épaulement la de cet arbre 1. Cet anneau 14 est boasts. First of all, the ring 14 is fitted on the shaft I in such a way that it abuts on the shoulder 1a of this shaft 1. This ring 14 is
3 o fretté sur l'arbre 1 dans sa position axiale. 3 o hooped on the shaft 1 in its axial position.
La bague métallique multicouche 21 est ensuite introduite sur l'arbre 1 et est placée en butée sur l'anneau 14. Le fourreau 11 est mis en place The multilayer metal ring 21 is then introduced on the shaft 1 and is placed in abutment on the ring 14. The sheath 11 is put in place
et assure le recouvrement à la fois de l'anneau 14 et de la bague métallique mul- and covers both the ring 14 and the multi-metal ring
ticouche 21.ticouche 21.
L'épaulement 14 du fourreau 11 vient en butée sur le rebord 21a de la bague métallique multicouche 21 et cet épaulement 14 est fretté sur I 'arbre 1. De plus, I'extrémité du fourreau 11 en contact avec l'anneau 14 The shoulder 14 of the sheath 11 abuts on the rim 21a of the multilayer metal ring 21 and this shoulder 14 is hooped on the shaft 1. In addition, the end of the sheath 11 in contact with the ring 14
est également frettée sur cet anneau. is also hooped on this ring.
Le pion 25 est alors mis en place et son extrémité libre est sou- The pin 25 is then put in place and its free end is supported
dée sur le fourreau 11.dée on the scabbard 11.
Le diamètre extérieur du fourreau 11 est usiné à la cote désirée The outer diameter of the sleeve 11 is machined to the desired dimension
et la roue 2 est mise en position sur l'arbre 1. and the wheel 2 is placed in position on the shaft 1.
L'alternance des couches d'oxyde de zirconium et d'alliage de nickelchrome de la bague métallique 21 permet de garder une certaine ductilité The alternation of the zirconium oxide and nickel-chromium alloy layers of the metal ring 21 makes it possible to keep a certain ductility
à l'ensemble de la bague.to the entire ring.
L'écran de protection thermique selon l'invention présente l'avan- The thermal protection screen according to the invention has the advantage
tage par rapport à la solution utilisée jusqu'à présent, d'obtenir une protection thermique plus efficace de l'arbre grâce à la résistance thermique plus importante compared to the solution used until now, to obtain a more effective thermal protection of the tree thanks to the higher thermal resistance
de la bague métallique multicouche, tout en conservant un encombrement identi- of the multilayer metal ring, while retaining an identically
que. Dans ces conditions, les gradients thermiques dans l'arbre sont atténués et se font de manière plus progressive si bien que les risques de fissuration de l'arbre notamment dans le cas d'un arbre de pompe primaire, sont than. Under these conditions, the thermal gradients in the shaft are attenuated and occur more gradually so that the risks of cracking of the shaft, in particular in the case of a primary pump shaft, are
de ce fait diminués.thereby diminished.
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2000
- 2000-07-24 FR FR0009689A patent/FR2812117B1/en not_active Expired - Fee Related
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---|---|
FR2812117B1 (en) | 2003-01-31 |
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