JP3327934B2

JP3327934B2 - 蒸気インジェクタ

Info

Publication number: JP3327934B2
Application number: JP22701891A
Authority: JP
Inventors: 直奈良林; 廣宮野; 脩尾崎; 渉水町; 章田辺; 礼利根川; 章夫塩入
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-09-06
Filing date: 1991-09-06
Publication date: 2002-09-24
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: JPH0565900A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子炉やボイラなどの注
水に用いる高吐出圧・大容量で、特に軽水炉の隔離時や
非常時の炉心注水装置に好適な蒸気インジェクタに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】蒸気インジェクタは従来、蒸気機関車や
ボイラの給水用として使用されており、例えば図５およ
び図６に示した構成のものが知られている。すなわち、
図５に示した蒸気インジェクタは蒸気供給口１を有する
ケーシング２にニードル弁３を有する蒸気噴出ノズル４
を設け、この蒸気噴出ノズル４に水吸込口５を隣接して
いる。この蒸気噴出ノズル４の下流側に蒸気・水混合ノ
ズル６および昇圧用ディフューザ７を配設し、逆止弁８
を介して吐出口９に連通している。蒸気・水混合ノズル
６のスロート部10には、オーバーフロー排水管11に連通
するオーバーフロー排水口12が開口している。

【０００３】そして、例えばニードル弁３をハンドル13
により蒸気噴出ノズル４から引き抜き、蒸気供給口１か
ら供給された蒸気が蒸気噴出ノズル４から噴出すると、
水吸込口５から吸い込まれる低温水（供給蒸気の飽和温
度よりも約70℃低い水温）により蒸気が凝縮されつつ蒸
気・水混合ノズル６に流入し、スロート10で高速水流と
なる。

【０００４】このような蒸気インジェクタを「中心蒸気
噴流式蒸気インジェクタ」と呼ぶことにする。

【０００５】図６は「外周蒸気噴流式蒸気インジェク
タ」と呼ばれるもので、たとえば特開昭63−289300号公
報や米国特許第4,569,635 号明細書および同第4,673,33
5 号明細書などに記載されているものと類似の蒸気イン
ジェクタの断面を一部欠除して示したものである。

【０００６】すなわち、図６における蒸気インジェクタ
は一次液体入口ノズル14を中心部に配置し、この一次液
体入口ノズル14を包囲して内部に蒸気入口ノズル15を有
するケーシング16を設け、このケーシング16の側面に二
次液体入口ノズル17を取着し、かつ下部に拡開部18を有
するディフューザ19を取着し、一次液体入口ノズル14の
先端部下方および蒸気ノズル15内に混合室20を形成した
ものである。

【０００７】この外周蒸気噴流式蒸気インジェクタでは
水噴流が環状の蒸気超音速噴流により外側から保持さ
れ、混合室壁に接することなく加速されるため、流動損
失が少なく、吐出圧が上昇する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、「外周
蒸気噴流式蒸気インジェクタ」のこのよな優れた利点も
例えば原子力発電プラントに適用するような、毎分約1.
5 トン（90トン／時）を超える大容量の蒸気インジェク
タの場合には、以下に説明する理由で吐出圧が低下する
傾向がある。また、大容量の大型蒸気インジェクタを開
発する上で、試験用の大容量の蒸気源を確保するのが難
しい点もあげられる。例えば、毎分1.5 トンの蒸気イン
ジェクタの試験には、18ＭＷの大型ボイラーを必要とす
る。

【０００９】では、大容量の蒸気インジェクタになると
吐出圧が低下する傾向がある理由について図７を用いて
説明する。図７中（ａ）は小容量の場合、（ｂ）は大容
量の場合である。流量は寸法の２乗にほぼ比例して増え
るため、水ノズル21、21ａから噴出する水噴流の太さ
は、小容量（ａ）の場合より大容量（ｂ）の方が太くな
る。なお、符号22、22ａは蒸気ノズルを示している。し
かしながら、水と蒸気の接する水噴流23、23ａの表面積
は水噴流の太さと長さにより決定される。仮に、蒸気イ
ンジェクタの形状を相似形にして、水噴流の表面積を寸
法の２乗にとれたとしても、大型になるほど蒸気に接す
る水噴流の表面から中心に熱が伝わりにくくなる。この
ため、蒸気凝縮の効率が低下し、吐出圧が低下する傾向
となる。このように、蒸気インジェクタの作動そのもの
が、蒸気噴流が衝突・凝縮する水噴流の表面から中心部
への伝熱現象に支配されているため、大型の蒸気インジ
ェクタほど効率よく水を凝縮させることが難しくなる課
題がある。また、水ノズル21、21ａ先端の流路断面積Ａ
ｗが一定のため、蒸気インジェクタへの給水流量を変化
させることが難しく、吐出流量を絞ったときに蒸気イン
ジェクタのオーバーフロー孔から流出するドレン流量が
多くなるといった課題がある。オーバーフロー水は圧力
容器に注水できずに、サプレッションプールや排水ピッ
トにドレンしてしまう無駄な水であり、これを極力減少
させることが必要である。

【００１０】なお、図７中Ｘ部は臨界流の閉塞点で、こ
れより下流の蒸気は超音速流となる。（ａ）の斜線部分
Ｙは蒸気の超音速流が水噴流を加速する領域で、小容量
の場合、大部分の水（噴流表面から中心まで）が加速さ
れる。（ｂ）の斜線部分Ｚは蒸気の加速領域が水の噴流
の表面近傍にしか及んでいない。面積Ａｗは一定であ
る。

【００１１】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、従来の「中心蒸気噴流式蒸気インジェクタ」
と「外周蒸気噴流式蒸気インジェクタ」の両方の利点を
兼ね備え、蒸気流路断面積を蒸気圧力や必要な吐出流量
に応じて最適となるように可変とした高効率の蒸気イン
ジェクタを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明はケーシングと、
このケーシング内に配設された水ノズルと、この水ノズ
ル内に配設された中心蒸気ノズルと、前記水ノズルの外
周に配設された蒸気・水混合ノズルと、この蒸気・水混
合ノズルに連設された昇圧用ディフューザと、前記蒸気
・水混合ノズル内に外周蒸気を流入する外周蒸気供給管
と、前記中心蒸気ノズル内に中心蒸気を流入する中心蒸
気供給管と、前記水ノズル内に水を供給する給水管と、
前記昇圧用ディフューザの下流側に接続された吐出管と
を具備した蒸気インジェクタにおいて、前記中心蒸気ノ
ズルと前記水ノズルとを軸方向に沿って駆動する駆動機
構を設けてなることを特徴とする。

【００１３】

【作用】ケーシング内の中心蒸気ノズルに中心蒸気が、
水ノズルに水が、蒸気・水混合ノズルに外周蒸気が供給
され、昇圧デフューザにより高吐出圧で大容量の注水が
得られ。すなわち、水噴流の外周部と中心部に蒸気を噴
出するため、効率よく多量の水を駆動することができ
る。また、水ノズル先端の流路断面積を可変にできるた
め、吐出流量に応じて蒸気インジェクタへの給水流量を
最適値に設定できる。さらに、吐出圧とオーバーフロー
水温を検知する手段と吐出圧の脈動を減衰させる制御回
路と水ノズルを軸方向に移動する駆動機構を設けること
によって蒸気流路断面積を蒸気圧力や必要な吐出流量に
応じて最適となるように可変でき、供給蒸気流量を最適
値に設定可能である。

【００１４】

【実施例】図１および図２を参照しながら本発明に係る
蒸気インジェクタの一実施例を説明する。なお、図２は
図１における蒸気インジェクタの主要部を拡大して示す
縦断面図である。

【００１５】図中、符号24はたての筒状ケーシングで、
このケーシング24内上部に中心蒸気ノズル25と中空の水
ノズル駆動用シャフト26が同心円状に配設され、このシ
ャフト26の先端部には水ノズル26ａが形成されている。
中心蒸気ノズル25の上部はケーシング24の上端を突出し
ており、中心蒸気ノズル25の上端部には中心蒸気ノズル
駆動用ハンドル27が取着されている。この中心蒸気ノズ
ル駆動用ハンドル27には中心蒸気ノズル駆動用アクチュ
エータ28が設けられている。また、中心蒸気ノズル25の
側面には蒸気流入孔29が複数個設けられ、この蒸気流入
孔29を通して中心蒸気ノズル25内に蒸気を流入する。水
ノズル駆動用シャフト26の上部側面には水流入孔30が設
けられており、そのシャフト26の上部には小径円筒部31
が形成され、小径円筒部31はケーシング24の上端部を突
出し、上端部に水ノズル駆動用ハンドル32が取着されて
いる。水ノズル駆動用ハンドル32には水ノズル駆動用ア
クチュエータ33が設けられている。小径円筒部31の側面
には中心蒸気供給管31ａが接続され、この中心蒸気供給
管31ａから中心蒸気が供給され、蒸気流入孔29を通して
中心蒸気ノズル25内に流入する。ケーシング24の内面と
水ノズル駆動用シャフト26の外面との間にはガイドメタ
ル34が介挿されている。ガイドメタル34の下方に位置し
たケーシング24の側面には外周蒸気供給管35が取着され
ている。この外周蒸気供給管35よりも下方で水ノズル26
ａを取り囲むようにして蒸気・水混合ノズル36がケーシ
ング24の内面に取り付けられている。蒸気・水混合ノズ
ル36の下端にはスロート37が取り付けられ、スロート37
の下端には昇圧用ディフューザ38が取り付けられてい
る。蒸気・水混合ノズル36の下方にはオーバーフロー孔
39，40が設けられており、一方のオーバーフロー孔39に
はオーバーフロー圧力センサ41とオーバーフロー温度セ
ンサ42が信号線43を介して接続されている。オーバーフ
ロー圧力センサ41とオーバーフロー温度センサ42の出力
側は信号線44，45を介して制御装置46に接続している。
制御装置46の入力側にはＰ_D設定信号線47、Ｑ_D設定信
号線48および吐出圧力センサ（Ｐ_D）49の信号線50が接
続されている。他方のオーバーフロー孔40にはオーバー
フロー逆止弁51を介してオーバーフロー排出管52が接続
されている。ケーシング24の下端には吐出管54が接続さ
れ、吐出管54には吐出側逆止弁53が接続されている。な
お、ケーシング24の上部側面には給水管55が接続されて
おり、この給水管55から水流入孔30を通して水ノズル26
ａ内に水が流れ込むようになっている。

【００１６】図２は図１における蒸気インジェクタの要
部を拡大して詳細に示した縦断面図で、図１と同一部分
には同一符号で示し重複する部分の説明は省略する。す
なわち、中心蒸気流入用管31ａと中心蒸気ノズル25とは
水ノズル駆動用シャフト26と中心蒸気ノズル25の両方に
設けた蒸気流入孔29により中心蒸気ノズル25内に流入す
る。水ノズル駆動シャフト26や蒸気ノズル駆動シャフト
25ａの温度が上昇しないように駆動用シャフト冷却水を
ケーシング24の上部に設けた軸封ケーシング24ａに注入
している。水ノズル26ａはガイドメタル34により偏心し
ないように案内される。中心蒸気ノズル25の外面には水
ノズル26ａの内面との間に隙間を有して蒸気ノズルガイ
ドベーン56が取着されている。中心蒸気ノズル25は水ノ
ズル26ａ内の高速水流により偏心や流体振動が発生しな
いよう蒸気ノズルガイドベーン56によって保護される。
水ノズル26ａは水ノズル駆動ねじ57によって軸方向に移
動する。

【００１７】上記第１の実施例においては中心部蒸気ノ
ズル25が、この中心蒸気ノズル25の外周部に水噴流を流
す水ノズル駆動用シャフト26および水ノズル26ａと蒸気
・水混合ノズル36が設けられている。水ノズル26ａの外
周と蒸気・水混合ノズル36の内周とで環状の外周蒸気が
形成される。水ノズル26ａには給水管55から給水し、蒸
気・水混合ノズル36には外周蒸気供給管35から蒸気が供
給される。中心蒸気と外周蒸気の圧力は同一でなくとも
よく、作動状況に応じて最適値を選択すればよい。

【００１８】昇圧用ディフーザ38ではベルヌーイの定理
に基づき、高速水流を減速昇圧して、高吐出圧を得て、
吐出側逆止弁を開けて、吐出水を炉心に供給することが
できる。蒸気インジェクタが正常作動に入り、スロート
37に高速水流が流れる様になると、ベルヌーイの定理に
より圧力が低下するのでオーバーフロー逆止弁51が閉
じ、オーバーフロー排出管52に流出するオーバーフロー
は止まる。

【００１９】水ノズル駆動用ハンドル32と中心蒸気ノズ
ル駆動用ハンドル27はそれぞれ、水ノズル駆動用アクチ
ュエータ33と中心蒸気ノズル駆動用アクチュエータ28と
で駆動される。図１および図２ではアクチュエータとし
て電動機の場合を示したが、手動、電動機、空気作動ピ
ストン、水圧作動あるいは油圧作動のピストン等いずれ
でも良い。この水ノズル駆動用アクチュエータ33が作動
し、水ノズル26ａが押し下げられると、外側の蒸気・水
混合ノズル36と接して環状部の蒸気流路が狭くなり、蒸
気の供給が減少し、吐出圧Ｐ_Dが低下する。また、蒸気
ノズル駆動用アクチュエータ28が作動し、中心蒸気ノズ
ル25が引き抜かれると、水ノズル26ａ先端の水の流路断
面積が増加して、吐出流量Ｑ_Dが増える。

【００２０】この特性を利用すると蒸気インジェクタの
作動状態を常に最適になるようにマイクロコンピュータ
を内蔵した制御装置46により制御することができる。こ
の制御装置46にはオーバーフロー口の圧力Ｐ₀を測定す
るオーバーフロー圧力センサ41と、オーバーフロー水の
温度Ｔ₀を測定するオーバーフロー温度センサ42と吐出
圧力Ｐ_Dを圧力脈動を減衰させるフィルタ機構を用いて
測定する吐出圧力センサ49からの電気信号が接続され、
吐出圧力Ｐ_Dの設定信号47と吐出流量Ｑ_Dの設定設信号
48が入力されると、水ノズル駆動信号Ａと中心蒸気ノズ
ル駆動信号Ｂが出力される。

【００２１】図３は図２における蒸気インジェクタの中
心蒸気ノズル25を長さＬだけ引き抜いた状態を示した断
面図である。水噴流58は中心蒸気噴流59と外周蒸気噴流
60により、蒸気・水混合ノズル36の壁面に接することな
く高い効率で加速される。また、中心蒸気ノズル25を引
き抜くことにより図４に示す如く水ノズル26ａの出口の
等価流路断面積Ａｗ’は次第に増加し、給水流量を増加
させることができる。図４は等価流量断面積Ａｗ’と給
水流量Ｌとの関係を示している。

【００２２】なお、本発明の実施態様を要約すればつぎ
のとおりである。 (1) 多量の水を駆動するため、水噴流の外周部と中心部
に蒸気を噴出すること。 (2) 水ノズル駆動用シャフトを中空とし、この水ノズル
駆動用シャフト内に中心蒸気ノズルを配設し、また前記
水ノズルの外周に外周蒸気ノズルを配設すること。 (3) 蒸気ノズルを軸方向に移動する駆動機構と給水流量
と吐出流量を測定する手段を備え、吐出流量に応じて水
ノズル先端流路断面積を可変とすること。 (4) 吐出圧とオーバーフロー水温を検知する手段と吐出
圧の脈動を減衰させる制御回路と水ノズルを軸方向に移
動する駆動機構を備え、蒸気流路断面積を蒸気圧力や必
要な吐出流量に応じて最適となるように可変とするこ
と。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば給水流量が可変で、か
つ、高い効率を有している。したがって、原子力発電プ
ラントを始めとする高度の信頼性が要求される産業用プ
ラントに好適であり、また、コスト的にも優れたシステ
ムを構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る蒸気インジェクタの一実施例を一
部線図的に示す構成図。

【図２】図１における蒸気インジェクタの主要部を示す
縦断面図。

【図３】本発明に係る蒸気インジェクタの中心蒸気ノズ
ルを若干引抜いた状態を示す縦断面図。

【図４】本発明に係る蒸気インジェクタの作用を説明す
るための特性図。

【図５】従来の蒸気インジェクタの第１の例を示す縦断
面図。

【図６】従来の蒸気インジェクタの第２の例を示す縦断
面図。

【図７】（ａ）は従来の小容量蒸気インジェクタの作用
を説明するための概略断面図、（ｂ）は従来の大容量蒸
気インジェクタの作用を説明するための概略断面図。

【符号の説明】

24…ケーシング、25…中心蒸気ノズル、26…水ノズル駆
動用シャフト、26ａ…水ノズル、27…中心蒸気ノズル駆
動用ハンドル、28…蒸気ノズル駆動用アクチュエータ、
29…蒸気流入孔、30…水流入孔、31…小径部、31ａ…中
心蒸気供給管、32…水ノズル駆動用ハンドル、33…水ノ
ズル駆動用アクチュエータ、34…ガイドメタル、35…外
周蒸気供給管、36…蒸気・水混合ノズル、37…スロー
ト、38…昇温用ディフューザ、39，40…オーバーフロー
孔、41…オーバーフロー圧力センサ、42…オーバーフロ
ー温度センサ、43，44，45…信号線、46…制御装置、4
7，48…設定信号線、49…吐出圧力センサ、50…信号
線、52…オーバーフロー排出管、53…吐出側逆止弁、54
…吐出管、55…給水管、56…蒸気ノズルガイドベーン、
57…水ノズル駆動ねじ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水町渉神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者田辺章神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者利根川礼東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内 (72)発明者塩入章夫神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (56)参考文献特開平１−196000（ＪＰ，Ａ) 特開平２−75800（ＪＰ，Ａ) 特開平３−233200（ＪＰ，Ａ) 特許69553（ＪＰ，Ｃ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F04F 5/24 F04F 5/36

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシングと、このケーシング内に配設
された水ノズルと、この水ノズル内に配設された中心蒸
気ノズルと、前記水ノズルの外周に配設された蒸気・水
混合ノズルと、この蒸気・水混合ノズルに連設された昇
圧用ディフューザと、前記蒸気・水混合ノズル内に外周
蒸気を流入する外周蒸気供給管と、前記中心蒸気ノズル
内に中心蒸気を流入する中心蒸気供給管と、前記水ノズ
ル内に水を供給する給水管と、前記昇圧用ディフューザ
の下流側に接続された吐出管とを具備した蒸気インジェ
クタにおいて、前記中心蒸気ノズルと前記水ノズルとを
軸方向に沿って駆動する駆動機構を設けてなることを特
徴とする蒸気インジェクタ。