JP2015075039A - ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】高温水と冷却水との混合による高サイクル熱疲労の影響を低減することが可能なポンプを提供する。
【解決手段】軸線Ｏ回りに回転する回転軸６と、回転軸６との間に軸線Ｏの方向の一方側となる下方に向かって冷却水Ｗ２が流通する間隙Ｓ１を画成するとともに、間隙Ｓ１の下方に冷却水Ｗ２よりも高温の高温水Ｗ１が存在する下部空間Ｓ２を画成するケーシング２と、ケーシング２に設けられて、下部空間Ｓ２と間隙Ｓ１との間にキャビティＣを画成するキャビティ形成部９とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷却水と高温水とが回転軸周りに存在するポンプに関する。

従来から、例えば原子力プラントの原子炉では、発生した熱を冷却することで高温となった冷却材を蒸気発生器へ連続循環させるいわゆる一次冷却材ポンプが用いられている。このようなポンプでは、ケーシングと回転軸との間に低温の封水を流通させて回転軸の冷却を行っている。ここで、ケーシングと回転軸との間の隙間には、回転軸の回転にともなってテイラー渦が形成される。

このようなテイラー渦が形成された状態で、高温となった冷却材、即ち高温水が上記隙間に流れ込むことで封水と高温水とが混合されると、この混合水の温度が周期的に変動する温度揺らぎ現象が発生する。

そしてこの温度揺らぎ現象によって、回転軸には熱応力による引張力、及び、圧縮力が作用し、高サイクル熱疲労の影響を受けて耐久性が低下してしまう可能性がある。

ここで、特許文献１には、回転軸（主軸）とケーシングとの間に高温水及び冷却水（低温の封水）の周波数を高くする突起物等の周波数増加手段を設けて、温度揺らぎの周波数を危険領域から脱するようにし、高サイクル熱疲労の影響を低減する構造が記載されている。

特開２００４−１２４８０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された構造では、回転軸とケーシングとの間の狭隘部で高温水と冷却水とが混合してしまうことを避けることはできず、仮に周波数増加手段が十分に機能しない場合には、高サイクル熱疲労の影響を低減することは難しい。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、高温水と冷却水との混合による高サイクル熱疲労の影響を低減することが可能なポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係るポンプは、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸との間に前記軸線の方向の一方側に向かって冷却水が流通する間隙を画成するとともに、該間隙の前記一方側に前記冷却水よりも高温の高温水が存在するチャンバーを画成するケーシングと、前記ケーシングに設けられて、前記チャンバーと前記間隙との間にキャビティを画成するキャビティ形成部と、を備えることを特徴とする。

このようなポンプによれば、回転軸とケーシングとの間の間隙へ向かって流入しようとする高温水は、軸線の一方側に向かって、即ち、高温水が存在するチャンバーに向かって流通する冷却水と混合することになる。ここで、キャビティ形成部によってキャビティがチャンバーと間隙との間に形成されていることで、高温水がキャビティ内で冷却水と混合されることになる。従って、高温水が間隙内に直接流入し、間隙内で冷却水と混合してしまうことを防止できる。よって、冷却水と高温水とが混合しつつ間隙内で形成されたテイラー渦によって冷却水と高温水との混合水が撹拌されることで、混合水の温度が周期的に変動する温度揺らぎ現象が発生してしまうことを抑制できる。また、高温水が間隙へ直接流入せず、キャビティ内で冷却水と混合することで高温水の温度は低下するため、高温水が間隙内へ直接流入する場合と比較して、間隙内での水の温度変化が小さくなり、温度揺らぎの影響を低減することができる。

また、前記キャビティ形成部は、前記一方側に向かうに従って前記回転軸に近接するように傾斜する傾斜面を有していてもよい。

このように傾斜面は、軸線の一方側に向かって延びていることになり、間隙及びキャビティに向かって流通する高温水が、間隙及びキャビティから離間するように案内される。このため、間隙及びキャビティへの高温水の流入を抑制でき、間隙内での温度揺らぎの影響をさらに低減することができる。

さらに、前記間隙内で前記ケーシング又は前記回転軸に設けられて、前記間隙内の冷却水を前記一方側に向かって導く流動力付与部をさらに備えていてもよい。

このような流動力付与部によって、冷却水を間隙から一方側へ向かって流出させる力を増長させることができ、高温水が間隙に流入することを抑制することができる。また、間隙内で形成されたテイラー渦についても、間隙から流出するように一方側に移動することになり、温度揺らぎ現象が間隙内で生じてしまうことを抑制できる。

また、前記流動力付与部は、前記ケーシング及び前記回転軸のうちの一方から他方へ突出し、前記軸線の周方向に螺旋状に延びる突起部であってもよい。

このような突起部によって、高温水の間隙への流入抑制効果をさらに向上し、また、テイラー渦を一方側へと移動させ、温度揺らぎ現象が間隙内で生じてしまうことを抑制できる。

本発明のポンプによれば、キャビティ形成部によってキャビティを形成したことで、高温水と冷却水との混合による回転軸への温度揺らぎの影響を低減することができ、回転軸への高サイクル熱疲労の影響を低減することが可能である。

本発明の第一実施形態に係るポンプの全体縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係るポンプの要部を拡大して示す縦断面図である。 本発明の第二実施形態に係るポンプの要部を拡大して示す縦断面図である。 本発明の第三実施形態に係るポンプの要部を拡大して示す縦断面図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態に係るポンプ１について説明する。
本実施形態で説明するポンプ１は、原子炉で発生した熱を回収して高温水Ｗ１となった冷却材を、不図示の蒸気発生器へ連続循環させるいわゆる一次冷却材ポンプである。

図１に示すように、ポンプ１は、下部に設けられて高温水Ｗ１を導入する吸込口１５、及び、側部に設けられて高温水Ｗ１を吐出する吐出口１６を有するケーシング２と、ケーシング２を上下に貫くように配された回転軸６と、高温水Ｗ１をケーシング２内で流通させる羽根車８とを備えている。

ケーシング２は、ポンプ１の壁部を構成しており、上部が開口したケーシング本体３と、ケーシング本体３の内部で回転軸６との間に空間Ｓを有した状態で回転軸６を外周側から覆うとともに、ケーシング２上部の開口を閉塞するように設けられたケーシングカバー４とを有している。

ケーシング本体３には、上記の吸込口１５、及び、吐出口１６が形成されている。

ケーシングカバー４は、上部にフランジ状部４ｂを有し、このフランジ状部４ｂがケーシング本体３に上部から接触して、ケーシング本体３の上部の開口を閉塞している。

さらに、このフランジ状部４ｂには、上記空間Ｓとケーシングカバー４（ケーシング２）の外部とを連通する冷却水路４ｃが形成されている。空間Ｓは、冷却水路４ｃを通じてケーシングカバー４の外部から導入される冷却水Ｗ２（高温水Ｗ１よりも低温の水）が流通する冷却室となっている。また、空間Ｓは、回転軸６が貫通可能となるように上下でケーシングカバー４の外部に連通している。即ち、ケーシングカバー４は、上下で開口しており、上部の開口には冷却水Ｗ２が空間Ｓから漏れ出さないように、軸シール１１が設けられている。

また、ケーシングカバー４では、回転軸６の外周面に対向するケーシングカバー４の内壁面の一部が突出するように形成されることで、ケーシングカバー４と回転軸６との間で空間Ｓが狭くなっている。即ち、ケーシングカバー４は、回転軸６との間に小さな間隙Ｓ１を画成している。そして、ケーシングカバー４における間隙Ｓ１を画成する部分が、回転軸６をケーシングカバー４に対して相対回転可能に支持する軸受部４ａとなっている。
この間隙Ｓ１では、回転軸６の回転にともなってテイラー渦ＴＦが生じている。
ここで、上記空間Ｓにおける軸受部４ａよりも下方の領域を下部空間Ｓ２とし、軸受部４ａよりも上方の領域を上部空間Ｓ３とする。

回転軸６は、上下方向に延びる軸線Ｏを中心として形成され、軸線Ｏ回りに回転可能となっている。また、回転軸６には、間隙Ｓ１よりも下方で下部空間Ｓ２内に配されるとともに回転軸６に固定されて、回転軸６とともに軸線Ｏ回りに回転する回転円板１２が設けられている。この回転円板１２は、回転軸６とケーシングカバー４との間から下部空間Ｓ２に侵入しようとする高温水Ｗ１を、この下部空間Ｓ２に侵入し難くするものである。

羽根車８は、ケーシングカバー４と吸込口１５との間で、ケーシング本体３内に配されて回転軸６に固定され、回転軸６とともに軸線Ｏ回りに回転可能となっている。そして羽根車８は回転によって、吸込口１５からの高温水Ｗ１を下方から取り込んで、ケーシング本体３とケーシングカバー４との間を流通させ、吐出口１６からケーシング本体３（ケーシング２）の外部へ吐き出す。
ここで、高温水Ｗ１の一部は下部空間Ｓ２へと流入し、この下部空間Ｓ２は、高温水Ｗ１が存在するチャンバーとなっている。

ここで、図２に示すようにポンプ１は、下部空間Ｓ２に配されたキャビティ形成部９をさらに備えている。

キャビティ形成部９は、軸受部４ａの下面から下方に突出して軸線Ｏの周方向に環状に設けられた側壁部２０と、側壁部２０の下端部から回転軸６に向かって軸線Ｏの径方向内側に向かって、回転軸６の外周面に近接する位置まで延びる底壁部２１とを有している。これにより、キャビティ形成部９は軸線Ｏを含む断面の形状がＬ字状をなしている。

このようにして、キャビティ形成部９によって下部空間Ｓ２と間隙Ｓ１との間に回転軸６の外周面に沿って環状に広がるキャビティＣが画成されている。

このようなポンプ１によれば、回転軸６とケーシング２との間の間隙Ｓ１へ向かって、下部空間Ｓ２から高温水Ｗ１が流入しようとする。

ここで、仮に冷却水Ｗ２と高温水Ｗ１とが間隙Ｓ１内で混合される場合には、間隙Ｓ１に生じたテイラー渦ＴＦによって冷却水Ｗ２と高温水Ｗ１との混合水が撹拌され、混合水の温度が周期的に変動する温度揺らぎ現象が発生してしまう。この点、本実施形態ではキャビティ形成部９によってキャビティＣが下部空間Ｓ２と間隙Ｓ１との間に形成されていることで、高温水Ｗ１がキャビティＣ内で冷却水Ｗ２と混合される。従って、温度揺らぎ現象が発生を抑制することができる。

また、高温水Ｗ１が間隙Ｓ１へ直接流入せず、キャビティＣ内で冷却水Ｗ２と混合することで高温水Ｗ１の温度は低下するため、高温水Ｗ１が間隙Ｓ１内へ直接流入する場合と比較して、間隙Ｓ１内での水の温度変化が小さくなり、温度揺らぎの影響を低減することができる。

本実施形態のポンプ１によると、キャビティ形成部９によってキャビティＣを形成したことで、温度揺らぎ現象の発生によって回転軸６に熱応力による引張力、及び、圧縮力が作用してしまうことを抑制でき、回転軸６への高サイクル熱疲労の影響を低減できる。この結果、回転軸６の耐久性を向上することが可能である。

〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態に係るポンプ１Ａについて説明する。
本実施形態のポンプ１Ａでは、キャビティ形成部９Ａが第一実施形態とは異なっている。
図３に示すように、キャビティ形成部９Ａは、側壁部２０と底壁部２１Ａとを有し、底壁部２１Ａは、軸線Ｏの方向の一方側となる下方に向かうに従って、回転軸６に近接するように傾斜している、即ち底壁部２１Ａの下面は傾斜面となっている。本実施形態では、この傾斜面は上方に向かって凸な曲面となっている。
なお、この底壁部２１Ａの下面は、必ずしも曲面状をなしていなくともよく、平面状をなしていてもよい。

本実施形態のポンプ１Ａによると、底壁部２１Ａの下面が傾斜面となって下方に向かって延びていることで、間隙Ｓ１及びキャビティＣに向かって流通する高温水Ｗ１が、間隙Ｓ１及びキャビティＣから離間するように案内される。このため、間隙Ｓ１及びキャビティＣへの高温水Ｗ１の流入を抑制でき、間隙Ｓ１内での温度揺らぎの影響をさらに低減することができる。

〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態に係るポンプ１Ｂについて説明する。
本実施形態のポンプ１Ｂは、第一実施形態のポンプ１に加え、冷却水Ｗ２に流動力を付与する流動力付与部３１をさらに備えている。

図４に示すように、流動力付与部３１は、間隙Ｓ１内に設けられてケーシングカバー４の内壁面に形成された突起部となっている。そして、この流動力付与部３１は、回転軸６の回転にともなって間隙Ｓ１内の冷却水Ｗ２を下方に向かって導くものである。即ち、流動力付与部３１としての突起部は、軸線Ｏの周方向に延びて、冷却水Ｗ２を下方に向かって導くように捩れる螺旋状に形成されている。

本実施形態のポンプ１Ｂによると、流動力付与部３１によって、冷却水Ｗ２を間隙Ｓ１から下方へ向かって流出させる力を増長させることができ、高温水Ｗ１が間隙Ｓ１に流入することを抑制することができる。また、間隙Ｓ１内で生じたテイラー渦ＴＦについても、間隙Ｓ１から流出するように下方に移動することになり、温度揺らぎ現象が間隙Ｓ１内で生じてしまうことを抑制できる。

なお、本実施形態では、流動力付与部３１としてケーシングカバー４の内壁面に設けられた螺旋状の突起部を採用しているが、この突起部は回転軸６の外周面に設けられていてもよい。また、流動力付与部３１は、ケーシングカバー４の内壁面に形成された螺旋状をなす溝であってもよいし、ケーシングカバー４の内壁面に形成された雌ねじであってもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
上述した各実施形態は適宜組み合わせてもよく、例えば、第二実施形態のキャビティ形成部９Ａに第三実施形態の流動力付与部３１を組み合わせてもよい。

上記のポンプによれば、チャンバー（下部空間）と間隙との間にキャビティＣを形成したことで、高温水と冷却水との混合による回転軸への温度揺らぎの影響を低減することができ、回転軸への高サイクル熱疲労の影響を低減することが可能である。

１、１Ａ、１Ｂ…ポンプ ２…ケーシング ３…ケーシング本体 ４…ケーシングカバー ４ａ…軸受部 ４ｂ…フランジ状部 ４ｃ…冷却水路 ６…回転軸 ８…羽根車 ９、９Ａ…キャビティ形成部 １１…軸シール １２…回転円板 １５…吸込口 １６…吐出口 ２０…側壁部 ２１、２１Ａ…底壁部 ３１…流動力付与部 Ｓ…空間 Ｓ１…間隙 Ｓ２…下部空間（チャンバー） Ｓ３…上部空間 Ｏ…軸線 Ｗ１…高温水 Ｗ２…冷却水 Ｃ…キャビティ ＴＦ…テイラー渦

Claims (4)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   前記回転軸との間に前記軸線の方向の一方側に向かって冷却水が流通する間隙を画成するとともに、該間隙の前記一方側に前記冷却水よりも高温の高温水が存在するチャンバーを画成するケーシングと、
   前記ケーシングに設けられて、前記チャンバーと前記間隙との間にキャビティを画成するキャビティ形成部と、
   を備えることを特徴とするポンプ。
2. 前記キャビティ形成部は、前記一方側に向かうに従って前記回転軸に近接するように傾斜する傾斜面を有することを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 前記間隙内で前記ケーシング又は前記回転軸に設けられて、前記間隙内の冷却水を前記一方側に向かって導く流動力付与部をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のポンプ。
4. 前記流動力付与部は、前記ケーシング及び前記回転軸のうちの一方から他方へ突出し、前記軸線の周方向に螺旋状に延びる突起部であることを特徴とする請求項３に記載のポンプ。

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