JP3597079B2 - インターナルポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉圧力容器の底部に取り付けられ、原子炉冷却材を循環させるウェットモータ型のインターナルポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子力発電所では、原子炉内の炉心に冷却材を供給し、この冷却材が炉心において加熱され発生した蒸気をタービンに導き、発電機を駆動して発電を行う。近年、従来の沸騰水型原子炉をさらに改良したいわゆる改良型沸騰水型原子炉（以下適宜、ＡＢＷＲという）が提唱されており、このＡＢＷＲでは、原子炉内の冷却材を循環させるポンプとして原子炉圧力容器の底部に取り付けたインターナルポンプが採用されている。原子炉圧力容器内の冷却材は、圧力容器内の外周側を圧力容器側壁面に沿って下降し、圧力容器内の外周側底部近傍の周方向複数箇所（例えば１０箇所）に設けられたインターナルポンプへ吸い込まれた後、加圧されて吐出され、圧力容器下部の下部プレナムから上昇して炉心へと循環される。
【０００３】
インターナルポンプは、最上部に位置し回転駆動される羽根車（インペラ）と、この羽根車の下方に位置する固定案内羽根（ディフューザ）とを備えている。羽根車は、圧力容器の底面を貫通するように鉛直方向に立設された回転軸（シャフト）に固定されており、この回転軸が圧力容器外に設けられたウェットモータで駆動されることによって回転する。回転軸の下端には上部・下部スラスト軸受によって上下方向から回転自在に支持されたスラストディスクが配置されている。また回転軸は、ウェットモータの上方及び下方においてそれぞれ上部・下部ラジアル軸受によって径方向から回転自在に支持されている。
【０００４】
上記構成において、原子炉冷却材は、上方から羽根車内に流入し、羽根車で加圧された後にディフューザへと導入され、圧力回復した後にディフューザ下方へと流出する。一方このとき、ウェットモータ内を冷却するモータ冷却水は、スラストディスクが回転することにより補助インペラから吐出された後、ウェットモータのモータケーシングの内部を上昇して回転子（モータロータ）及び固定子（モータステータ）を冷却し、さらに配管を介してモータ外に配置された熱交換器に導かれて冷却される。冷却された冷却水は、配管を介して再び補助インペラへと導入される。
【０００５】
インターナルポンプは、原子力発電所の運転を左右する最も重要な設備の一つであるため、高い信頼性が要求される。また、一般に、モータ駆動電源の喪失等によるポンプ停止時においても、慣性力によってある程度の期間回転を維持し、原子炉冷却材流量の急激な減少を防止する設計が要求される。特に、近年の設備合理化の傾向に伴い、インターナルポンプの高慣性化のニーズが生じている。
【０００６】
これに対応するために、例えば、特許第２７１４０２０号公報に記載のように、回転子（モータロータ）の上部の回転軸に、ポンプ回転体の慣性モーメントを増加させるためのフライホイールを設け、これによってモータ駆動電源喪失時の回転数低下速度を極力緩やかにする構成が提唱されている。この構成によれば、フライホイールから発生する熱量をウェットモータに与えることなく、回転系の固有振動数の低下を例えば１０〜２０％程度の低減に抑えることができ、さらにポンプ回転体自身の慣性モーメントを大幅に増加できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によるインターナルポンプでは、フライホイールを設けることによりインターナルポンプの高慣性化を図るものであったが、この場合、さらに以下のような改善可能な事項が存在する。
【００１０】
（１）大流量運転時におけるポンプ安定性
前述したように、インターナルポンプは、圧力容器内の外周側底部近傍の周方向複数箇所（例えば１０箇所）に設けられ、通常時はこの複数台の全てが運転さされる。
【００１１】
ところで、一般に、インターナルポンプには、回転中において、主に羽根車に発生する上向きの流体スラスト力と、ポンプ回転体の自重による下向きスラスト力とが同時に作用している。羽根車の流体スラスト力は回転数の増加と共に大きくなるため、ポンプ停止状態から定格運転回転数に至る昇速過程において、前述の上下方向のスラスト力が釣り合う回転数領域が存在することになる。この上下方向のスラスト力が釣り合う領域では、特にポンプの振動特性が不安定となりやすい。そのため、インターナルポンプの設計では、通常、ポンプの定格運転回転数における上向きの流体スラスト力が自重による下向きのスラスト力よりも大きくなるように設計し、定格運転時にはポンプにある程度の上向きスラスト力が作用した状態とすることで、ポンプ振動特性の安定化を図っている。
【００１２】
ここで、インターナルポンプにフライホイールを設けた場合、フライホイールのないインターナルポンプに比べ、フライホイール重量が付加される分、下向きスラスト力が増加する。そのため、定格運転時における前記の上向き流体スラスト力と下向き自重スラスト力の差は相対的に小さくなる。
【００１３】
ここで、実際のプラント運転上、複数台のポンプのうち一部を停止させた部分台数運転状態での運転にも対応できるような設計が求められるのが通常であり、この場合、停止せず運転を継続するポンプでは、大流量運転状態となる。この大流量運転状態では、ポンプ全揚程が低下し前記の上向きの流体スラスト力が低下するため、前記の上・下スラスト力の差がさらに小さくなりやすい傾向となる。したがって、大流量運転時でのポンプ安定性の向上という点で、改善の余地がある。
【００１４】
本発明の目的は、インターナルポンプへのフライホイール設置に伴う上記課題を解決でき、設備の信頼性向上に寄与できるインターナルポンプを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、原子炉圧力容器の底面を貫通するように配設された回転軸と、前記原子炉圧力容器内で前記回転軸に固定された羽根車と、前記原子炉圧力容器外に設けられ前記回転軸を回転駆動するウェットモータ部と、このウェットモータ部の上下にそれぞれ設けられ前記羽根車を径方向に支持する上・下ラジアル軸受と、前記ウェットモータ部と前記上ラジアル軸受との間で前記回転軸に固定されたフライホイールとを備え、前記羽根車で原子炉冷却材を加圧し前記原子炉圧力容器内を循環させるインターナルポンプにおいて、前記フライホイール外周部に形成される隙間流路開放部に軸方向細隙部を設け、この軸方向細隙部に、該フライホイールの上下方向変位に応じて前記隙間流路への絞り度が変化する可変絞り機構を設ける。
【００２１】
例えばフライホイールの下端部に、フライホイール外周部に形成される隙間流路の外周側壁面に臨むように略リング状部材を設けることにより、ポンプ回転体に作用する上方向スラスト力が小さくなりフライホイールが下方に変位したときには略リング状部材とフライホイールの下端部との隙間が小さくなり、ポンプ回転体に作用する上方向スラスト力が大きくなりフライホイールが上方に変位したときにはリ略リング状部材とフライホイールの下端部との隙間が大きくなるというように、フライホイールの上下方向変位に応じて隙間流路への絞り度を変化させる可変絞り機構を実現することができる。
【００２２】
このような可変絞り機構を設けることにより、フライホイール設置によって上向きの流体スラスト力と下向きの自重によるスラスト力との差が小さくなり、定格運転時における上向きスラストが小さくなる傾向となっても、その変位に応じて上記のように絞りの程度を大きくしてフライホイール前後の差圧を大きくし、これによって上向きのスラスト力を付加させることができる。したがって、上記上向き・下向きスラスト力の差を適切に確保することができるので、ポンプの安定した運転を確保することができる。特に、大流量運転時において、ポンプ全揚程が低下して上向きの流体スラスト力が低下した場合であっても、この上向きスラスト力の低下分を補うことができるので、上向きのスラスト力の減少によるポンプ安定性の低下を防止することができる。
【００２３】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記可変絞り機構は、前記隙間流路の外周側壁面に、前記フライホイールの下端部に臨むように設けられた略リング状部材を備えている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照し、説明する。まず、本発明の第１の参考例を図１〜図６により説明する。図１は、本参考例によるインターナルポンプの全体構造を表す縦断面図であり、図２（ａ）及び（ｂ）は図１中のフライホイール（後述）の詳細構造を表す上面図及び縦断面図である。これら図１及び図２において、本参考例によるインターナルポンプは、水力部３と、水力部３を駆動するウェットモータ部４と、ウェットモータ部４を内包るモータケーシング２とからなり、原子炉圧力容器１の外壁側底部に複数台（例えば１０台）配置される。
【００２５】
水力部３は、ポンプシャフト５に取付けられ、原子炉圧力容器１の内部に配置された羽根車（インペラ）６と、同じく原子炉圧力容器１の内部に設置されるディフューザ７とにより構成されている。
【００２６】
ウェットモータ部４は、ポンプシャフト５に嵌め込まれたモータシャフト８に取り付けられた回転子（モータロータ）１０ａと、モータハウジング９に取り付けられた固定子（モータステータ）１０ｂとから構成されている。
【００２７】
モータシャフト８の下端には、スラストディスク１１ａがボルト１９により連結され、さらにスラストディスク１１ａの下部に逆転防止装置１２が設けられている。なおこのスラストディスク１１ａには補助インペラ部１１ｂが一体に形成されている。
【００２８】
インペラ６、ポンプシャフト５、モータシャフト８、モータロータ１０ａ、スラストディスク１１ａ、及び補助インペラ部１１ｂにより構成されるポンプ回転体は、モータ部４直上の上部ラジアル軸受１３ａ、モータ部４直下の下部ラジアル軸受１３ｂ、上部スラスト軸受１４ａ、及び下部スラスト軸受１４ｂにより支持されている。このとき、上部・下部スラスト軸受１４ａ，１４ｂは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を主成分とする樹脂材料で構成されており、スラストディスク１１を軸方向に支持している。また上部・下部スラスト軸受１４ａ，１４ｂには、通常のこの種のポンプと同様、軸方向ギャップが設けられており、ポンプ回転体は、このギャップ分、軸方向に上下動可能となっている。
【００２９】
また、このポンプ回転体の慣性モーメントを増加させ、モータ駆動電源断時の回転数低下速度を緩やかにすることを目的として、モータロータ１０ａの上部と上部ラジアル軸受１３ａとの間のモータシャフト８には、フライホイール２０が設けられている。そしてこのフライホイール２０には、モータ冷却水の通水孔として、複数個の穴２０ａがモータシャフト８と略平行に設けられている。
【００３０】
フライホイール２０は、図２に詳細に図示するように、円形の通水孔２０ａを円周上に等分配置している。またフライホイール２０は、図１におけるモータロータ１０ａと上部ラジアル軸受１３ａ間にて形成される配置スペースで効率的に慣性モーメントを大きくできるように、外周側上下に段付部２０Ｕ，２０Ｌが設けられている。そして、通水孔２０ａは、図２のように、これら段付部２０Ｕ，２０Ｌを貫通するように通水孔を設けている。これにより、通水孔２０ａの寸法を比較的大きくでき、また数を増やすことができることから通水面積を大きくできるようになっている。
【００３１】
ポンプ運転時、モータ冷却水は、スラストディスク１１ａが回転することにより補助インペラ部１１ｂから吐出され、モータケーシング２の内部を上昇し、ウエットモータ部４を冷却する。ウエットモータ部４を冷却した後、フライホイール２０に設けた通水孔２０ａとフライホイール２０の外周とモータハウジング９の内周により形成される隙間とを通り、モータ上部室１５へと到達する。その後、モータ上部室１５より配管１６を通り、熱交換器１７により冷却されたのち、配管１８を介して、再び補助インペラ部１１ｂに入る。
【００３２】
次に、本参考例の作用を説明する。
【００３３】
（１）スラスト軸受にＰＥＥＫ材使用による耐熱性向上
ポンプシャフト５は、上部・下部スラスト軸受１４ａ，１４ｂ及び上部・下部ラジアル軸受１３ａ，１３ｂによって回転自在に支持されており、これらの軸受はポンプ運転中ポンプシャフト５との摺動によって発熱する。またウェットモータ部４のモータロータ１０ａの巻線（図示せず）及びモータステータ１０ｂの巻線１０ｂ１（図１参照）についても、同様に、ポンプシャフト５の駆動中には発熱する。これらの熱は、モータ冷却水によって冷却される。
【００３４】
ここで、フライホイール２０のないインターナルポンプにおいては、それら軸受や巻線は、通常、冷却水温度に対して例えば５℃程度の温度上昇になっていたため、それら軸受やモータ巻線の耐熱温度の観点で充分に余裕があった。しかし、フライホイール２０を設けた場合、このフライホイール２０、インペラ６、ポンプシャフト５、モータシャフト８、モータロータ１０ａ、スラストディスク１１ａ、及び補助インペラ部１１ｂにより構成されるポンプ回転体の重量が増大するため、この重量を支持する下部スラスト軸受１４ｂの発熱量が増大し、特に、地震による軸受荷重の増加や、何らかの異常によりモータ冷却水流量が減少する場合等、ポンプの特殊状態時を想定したときには、この軸受１４ａ，１４ｂの耐熱性の点で、フライホイール２０の重量が制約される場合もありうる。
【００３５】
本参考例においては、上・下スラスト軸受１４ａ，１４ｂをポリエーテルエーテルケトンを含むいわゆるＰＥＥＫ系の材料で構成することにより、軸受の十分な耐熱的な余裕を確保することができる。その理由は、以下のようである。すなわち、通常の沸騰水型原子炉用のインターナルポンプの吸込圧力の値はほぼ決まっており、例えば約７１ｋｇ／ｃｍ^２ である。この圧力の下では、水の沸点は約２８７℃となるため、軸受１４ａ，１４ｂまわりの水の温度は、理論上２８７℃を超えることはない。したがって、上記の多少のばらつきを考慮したとしても、軸受１４ａ，１４ｂの材料の融点が３００℃以上あれば実使用上は十分な耐熱性能を確保できる。上記のポリエーテルエーテルケトンの融点は３００℃以上であることから、上・下スラスト軸受１４ａ，１４ｂの十分な耐熱性能を確保することができる。特に、地震時やモータ冷却水流量減少時等のポンプ特殊状態時を想定した場合であっても、冷却性能低下につながる樹脂材料の気化を生じることのない設計が可能であり設備の信頼性向上に有効である。またこれによって、フライホイール２０の重量の制限を大幅に緩和することが可能となる。なお、この軸受材料は、フライホイールのないインターナルポンプに使用しても信頼性がよりいっそう向上する効果が得られることは言うまでもない。
【００３６】
なお、以上の説明でも明らかなように、上記のように上・下スラスト軸受１４ａ，１４ｂの両方をポリエーテルエーテルケトンを含むＰＥＥＫ系の材料で構成せずに、荷重条件の厳しい軸受のみをその材料で構成しても良い。また、ポリエーテルエーテルケトンを含むＰＥＥＫ系の材料に限られるものでもなく、従来と同等の摺動性能を有し融点が３００℃以上ある樹脂材料であれば足りる。また、この作用を得る限りにおいては、上記のようにフライホイール２０に通水孔２０ａを設ける場合に限られるものではない。
【００３７】
（２）通水孔設置によるモータ冷却水流量確保
この作用を説明するための第１の比較例によるインターナルポンプを図３に、第２の比較例によるインターナルポンプを図４に示す。図３に示すインターナルポンプは、図１に示す本参考例のインターナルポンプからフライホイール２０を取り去った構造である。また図４に示すインターナルポンプは、図１に示すインターナルポンプにおいて、フライホイール２０の通水孔２０ａをなくした構造であり、ほぼ、特許第2714020号公報に記載のインターナルポンプに相当するものである。各比較例において、図１に示す本参考例と同一の部材には同一の符号を付している。
【００３８】
本参考例によるモータ冷却水の循環特性をそれら第１及び第２の比較例と比較して示した概念図を図５に示す。図５は、横軸にモータ冷却水の循環流量Ｑ、縦軸に差圧Ｈをとって表したものであり、補助インペラ特性Ｓは、補助インペラ１１ｂのポンプ定格運転時における補助インペラ入口（各図中点Ａ）・出口（各図中点Ｂ）間における差圧特性を示しており、ケーシング内圧力損失特性Ｒ1〜Ｒ2は、補助インペラ出口（各図中点Ｂ）から出たモータ冷却水がモータケーシング２内を上方へ流れモータ上部室１５から配管１６へ流出した位置（各図中点Ｃ）までの圧力損失特性を示している。
【００３９】
また、圧力損失特性Ｒ1〜Ｒ3のうち、Ｒ1は、フライホイール２０を有しない第１の比較例（図３）によるインターナルポンプのポンプ定格運転時におけるポンプ定格運転時における圧力損失特性を示しており、Ｒ2は、同様に通水孔２０ａのないフライホイール２０を備えた第２の比較例（図４）によるインターナルポンプの圧力損失特性を示しており、Ｒ3が本参考例によるインターナルポンプの圧力損失特性を示している。補助インペラ特性Ｓは、第１の比較例、第２の比較例、及び本参考例ともに同一構造であることから共通となる。
【００４０】
図５において、第１の比較例のインターナルポンプにおけるポンプ定格運転時の運転点は、補助インペラ特性Ｓと圧力損失特性Ｒ１との交点Ｐ１となる。したがって、ポンプ定格運転時におけるモータ冷却水循環流量は、図５中の流量Ｑ１となる。
【００４１】
ここで、モータ駆動電源断時の回転数低下速度を緩やかにすることを目的として、慣性モーメントを増加するために第２の比較例のようにモータロータ１０ａ上部と上部ラジアル軸受１３ａの間にフライホイール２０を単純に追加設置した場合、上記圧力損失特性Ｒ１に比べてモータ冷却水循環経路の圧力損失が増加してＲ２の特性となるため、ポンプ定格運転時における運転点は交点Ｐ２となり、モータ冷却水循環流量は流量Ｑ２に減少してしまうことになる。
【００４２】
これに対し、本参考例においては、フライホイール２０に通水孔２０ａを設置してモータ冷却水の循環流路を確保することにより、上記圧力損失特性Ｒ2に比べてモータ冷却水循環経路の圧力損失を低減したＲ3の特性となり、ポンプ定格運転時における運転点は交点Ｐ3となり、モータ冷却水循環流量は流量Ｑ2よりは増加させＱ3とすることができる。すなわち、モータ冷却水循環流量の減少を抑制して循環流量を確保しつつ、ポンプ回転体の慣性モーメントを増加してモータ駆動電源断時の回転数低下速度を緩やかにすることができる。
【００４３】
（３）通水孔の軸並行配置による動力低減作用
上記（２）の作用に関連し、従来、特許第２５６９１３７号に開示のように、スラストディスクに補助インペラの機能を持たせるとともにフライホイールに通水孔を設けることにより、モータ冷却水の循環流量を向上させる構造が提唱されている。しかし、この従来構造では、フライホイールの通水孔がテーパ状に形成され、これによって冷却水に対し推力を与えるようになっている。すなわち、フライホイールがモータ冷却水に対しポンプの機能を果たすこととなるため、その動力が新たに必要となり、その分、モータの容量増加による設備大型化を招く。
【００４４】
これに対し、本参考例のインターナルポンプでは、フライホイール２０の通水孔をモータシャフト８と平行に設けることにより、少なくともフライホイールがモータ冷却水に対し推力を作用させることはない。したがって、モータの容量増加による設備大型化を防止できる。上記従来構造でも本参考例でもモータ冷却水の循環は主として補助インペラによって生起されており、本参考例では、当該通水孔２０ａの大きさや設置個数を適宜調整することで、必要なモータ冷却水の流量を確保することができる。
【００４５】
なお、フライホイール２０の通水孔２０ａは、製作性の観点から図２に示すように同一寸法の円形孔を円周上に等分配置するのが好ましいが、必ずしもそれに限られるものではなく、モータ冷却水の流動状況に対応して数種類の寸法のものを設置したり、不均等に配置したりしてもよい。また、同一寸法の通水孔を等分配置する場合であっても、図２の配置に限られるものではなく、例えば図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、フライホイール２０の内周側に段付部２０Ｕ，２０Ｌを避けて通水孔２０ａを設けてもよい。この場合、通水孔を設けることによる慣性モーメントの低下を抑制できるという効果もある。
【００４６】
本発明の第２の参考例を図７〜図１０により説明する。本参考例は、フライホイールに設けた通水孔に絞り機構を設けたものである。第１の参考例と同等の部材には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００４７】
本参考例の要部であるフライホイール２０周辺構造の詳細縦断面図を図７に示す。この図７に示すように、本参考例では、フライホイール２０の通水孔２０ａの下端に絞り機構２０ｂを設けたものである。なお、絞り機構２０ｂの位置は、フライホイール２０の下端、又は上端が加工性、作業性の点で有利であるが、減圧効果の観点では上記による必然性はなく、フライホイール２０の中間部でもよいことは言うまでもない。その他の構造は第１の参考例と同様である。
【００４８】
本参考例においては、上記第１の参考例と同様の効果に加え、以下のような効果を奏する。
【００４９】
図８は、インターナルポンプに生じるスラスト力の定性的挙動を表すものであり、縦軸に発生するスラスト力（上下方向のスラスト力が釣り合う時を基準値０とし、上向きスラスト力をプラス、下向きスラスト力をマイナスとして表示）、横軸にポンプ回転数Ｎをとって表している。
一般に、インターナルポンプには、回転中においては、主に羽根車（インペラ）に発生する上向きの流体スラスト力と、ポンプ回転体の自重による下向きスラスト力とが同時に作用している。羽根車の流体スラスト力は回転数Ｎの増加と共に大きくなるため、図８に示すように、ポンプ停止状態から定格運転回転数Ｎ０に至る昇速過程において、前述の上下方向のスラスト力が釣り合う回転数Ｎｅが存在することになる。この回転数Ｎｅでは、特にポンプの振動特性が不安定となりやすい。そのため、インターナルポンプの設計では、通常、回転数Ｎｅはそのポンプの定格運転回転数Ｎ０から離れるようにする。すなわち、図８中の特性線アは、フライホイールを設けない従来構造のインターナルポンプの特性を示しており、上下スラスト力が釣り合う回転数Ｎｅ１が、ポンプの定格回転数Ｎ０よりも小さくなるように設計されている。
【００５０】
ここで、インターナルポンプにフライホイールを設けた場合を想定すると、フライホイールのないインターナルポンプに比べ、フライホイール設置重量が付加される分、下向きスラスト力が増加することとなる。そのため、図８中の特性線イのような特性となり、上記した上下方向スラスト力の釣り合う回転数がＮｅ２となってポンプ定格回転数Ｎ０に近づく傾向となり、定格運転時におけるポンプの安定性が低下することとなる。
【００５１】
但し、フライホイールに通水孔を設けない場合は、フライホイール前後の差圧に基づく上向きスラスト力の発生が期待できるため、図８中の特性線イ′に示すように上記の傾向は多少緩和されている。しかしながら、前述した特許第2569137号のインターナルポンプのようにフライホイールに通水孔を設ける場合、フライホイールを通過する際の圧力損失が非常に小さくなってこの上向きのスラストが期待できないため、上記した特性線イに近い特性となり、ポンプの安定性を確保するのが困難となる。そこで、本参考例においては、フライホイール２０の通水孔２０ａに絞り機構２０ｂを設けることにより、通水孔２０ａの設置効果による冷却水の循環流量の確保と同時に、フライホイール２０前後に差圧を生じさせて上向きのスラスト力を得ることができ、図８中の特性線ウに示すように特性を変化させ、上下方向スラスト力の釣り合う回転数を例えばＮe1側のＮ3に戻してポンプ定格回転数Ｎ0から確実に遠ざけ、定格運転時におけるポンプの安定性を確保することができる。
【００５２】
そしてまた、ポンプの各種寸法や仕様態様等に応じ、フライホイール２０に生じる上下スラスト力のバランスを適宜調整することが可能となる。例えば、モータ冷却水の循環流量を必要最小限に抑える絞りに設定することで、フライホイールによる上向きスラスト力の効果を最大限に活かすことができ、逆に、フライホイールによる上向きスラスト力の効果を必要最小限に抑えることにより、冷却水の循環流量を最大限に確保することも可能となる。すなわち、モータ冷却水の循環流量、上下方向のスラスト特性、定格運転時の上向きスラスト力の発生挙動等の観点から、インターナルポンプのスラスト特性を運転状態に応じて最適なバランスに調整することが可能である。さらに、絞り機構２０ｂは、一度通水孔２０ａに形成した後にも、事後のさらなる設計変更（流路拡大・縮小）を容易に行えるといというメリットもある。
【００５３】
以上説明したように、本参考例によれば、第１の参考例と同様の効果に加え、上下方向スラスト力の釣り合う回転数領域とポンプ定格回転数とを確実に遠ざけ、ポンプの安定性を確保できるという効果がある。
【００５４】
なお、図８を用いて上述したように上下方向スラスト力の釣り合う回転数Ｎeとポンプ定格回転数Ｎ0とを遠ざけるための他の方策として、スラストディスク１１ａに差圧を発生させるためのシール装置を設け、上下スラスト力の調整を行うことも考えられなくもない。すなわち例えば、スラストディスク１１ａ外周の補助インペラ部１１ｂ出口孔より上部の通水路にシールリングを設け、このシールリングを用いて減圧を行えば、スラストディスク１１ａに上向きスラスト力を発生させることが可能である。しかしながらこの場合、補助インペラ部１１ｂの全吐出量に対してウェットモータ部４側に循環する冷却水流量の比率が低くなり、その結果、モータ冷却水の循環流量の減少を招くという課題を生じる。これに対し、上記第２の参考例の構成によれば、このような課題を生じることもなく、モータ冷却水循環流量を確保しつつ、ポンプの安定性を確保できる。
【００５５】
なお、上記第２の参考例においては、通水孔２０ａに対して絞り機構２０ｂを直接形成したが、これに限られず、例えば図９に示すように、フライホイール２０に設けられた通水孔２０ａにネジ部を設け、絞り機構２０ｂのみを取り外せる構造にしてもよい。この場合、絞り寸法をさらに容易に調整できるという効果がある。
【００５６】
本発明の第３の参考例を図１０により説明する。本参考例は、絞り機構に加え減圧機構を設けた場合のものである。第１及び第２の参考例と同等の部材には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００５７】
本参考例の要部であるフライホイール２０周辺構造の詳細縦断面図を図１０に示す。この図１０に示すように、本実施形態では、図７に示す第２の実施形態のインターナルポンプにおいて、フライホイール２０の外周側とモータハウジング９の内周側で形成される環状隙間流路２２に減圧機構２１を設けたものである。減圧機構２１は、モータハウジング９内周に取り付けられ、その減圧機構２１の内周とフライホイール２０の外周との間で形成される隙間２３は、フライホイール２０の外周とモータハウジング９の内周側で形成される環状隙間流路２２よりも狭い構造となっている。なお、この減圧機構２１の設置位置は、フライホイール２０の上端側、下端側、及び中間部のどこでもよい。但し、上部ラジアル軸受１３ａに近いフライホイール２０の上端側の方が、運転時の回転体のたわみが小さく、モータハウジング９の内周側で形成される隙間を小さく設定でき、高い減圧効果を得ることができる。また、組立作業性も有利となる。
【００５８】
その他の構造は、第２の参考例とほぼ同様である。
【００５９】
本参考例によれば、第２の参考例と同様の効果に加え、減圧機構２１の減圧効果によってフライホイール２０の前後差圧を大きくでき、より効果的に上向きスラスト力が得られるという効果がある。
【００６０】
なお、上記した出願時請求項に記載の発明には含まれないが、上記第３の参考例による減圧機構２１を、例えば特許第2569137号公報に記載の従来構造に組み合わせることも可能であり、この場合も、フライホイールに生じる上向きスラストの拡大効果が得られる。すなわち例えば、図１１のように、テーパ状の通水孔２０ａを設けたフライホイール２０に減圧機構２１を設けることにより、フライホイール２０に生じるスラスト力を調整することも可能である。
【００６１】
次に、本発明の第１の実施形態を図１２〜図１５により説明する。本実施形態は、フライホイールの下端部に臨むように可変絞り機構を設けた実施形態である。第１〜第３の参考例と同等の部材には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００６２】
図１２は、本実施形態によるインターナルポンプの全体構造を表す縦断面図であり、図１３は、本実施形態の要部であるフライホイール２０周辺構造の詳細縦断面図である。
【００６３】
これら図１２及び図１３において、本実施形態が第１の参考例と異なる点は、フライホイール２０の通水孔２０ａが省略されたことと、フライホイール２０外周部に形成される環状隙間流路２２の下端部に、フライホイール２０の上下方向変位に応じて環状隙間流路２２への絞り度が変化する可変絞り機構２４を設けたことである。
【００６４】
可変絞り機構２４は、図１３中の拡大部分に示すように、隙間流路２２の外周側壁面を構成するモータハウジング９の内壁面９ａに、フライホイール２０の下端部２０ｃに臨むように設けられた略リング状部材２５を備えている。この略リング状部材２５は、モータハウジング内壁面９ａに設けられた段付き部９ａ１上に下面が接するように載置された後、前記の段付き部９ａ１よりさらに上部に形成された凹溝部９ａ２に、略Ｃ形状の公知の止め具２６を差し込むことにより固定される。
【００６５】
このとき、この止め具２６は、自身の弾性力により径方向外側に突っ張る力を付勢可能となっており、あらかじめ径方向内側に外力を加えて径方向寸法を縮ませた後凹溝部９ａ２に挿入されることで、凹溝部９ａ２内に強固に固定されるようになっている。なお、略リング状部材２５についてはこのような固定方法に限られず、例えば溶接等により直接モータハウジング内壁面９ａに固定しても良いことはいうまでもない。また完全なリング状でなくても、周方向少なくとも１箇所が部分的に欠落していても、全体として略リング状であれば後述の作用と同等の作用を得ることはできることはいうまでもない。
【００６６】
可変絞り機構２４は、上記のような構成により、ポンプ回転体に作用する上方向スラスト力が小さくなってフライホイール２０が下方に変位したときには略リング状部材２５とフライホイール下端部２０ｃとの隙間ｔ（図１３中拡大部参照）が小さくなり（すなわち絞りの程度が大きくなり）、ポンプ回転体に作用する上方向スラスト力が大きくなってフライホイール２０が上方に変位したときには略リング状部材２５とフライホイール下端部２０ｃとの隙間ｔが大きくなる（すなわち絞りの程度が小さくなる）ようになっている。なおこのとき、フライホイール下端部２０ｃと略リング状部材２５とが接触することのないように、ポンプ回転体がポンプ構造上最も下がった位置になったとしても、隙間ｔは所定の最小隙間寸法ｔｍｉｎが確保されるようになっている。
【００６７】
その他の構造は、第１の参考例とほぼ同様である。
【００６８】
本実施形態においては、ポンプ運転時、モータ冷却水は、ウエットモータ部４を冷却した後、フライホイール２０の外周面とモータハウジング内周面９ａとの間に形成された環状隙間流路２２を通って、モータ上部室１５へと到達する。
【００６９】
このような冷却水流れにおいて、本実施形態においては、可変絞り機構２４を設けたことにより、フライホイール２０設置によって上向きの流体スラスト力と下向きの自重によるスラスト力との差が小さくなりポンプ回転体（すなわちインペラ６、ポンプシャフト５、モータシャフト８、フライホイール２０、モータロータ１０ａ、スラストディスク１１ａ、及び補助インペラ部１１ｂ）が下方へ変位する傾向となっても、その変位に基づき上記のように絞りの程度を大きくしてフライホイール２０前後の差圧を大きくし、これによって上向きのスラスト力を発生させることができる。したがって、上記上向き・下向きスラスト力の差を十分に確保することができるので、ポンプ安定性を十分に確保することができる。
【００７０】
特に、上記の安定化効果は、いわゆる大流量運転時において有効に作用する。このことを図１４及び図１５により説明する。
【００７１】
図１４は、本実施形態における原子炉冷却水（炉水）の循環特性を、通常運転時と大流量運転時とで比較して示した概念図であり、横軸に原子炉冷却水の循環流量Ｑｏ、縦軸にポンプ全揚程Ｈｏをとって表したものであり、インペラ特性Ｓｏは、インペラ６のポンプ定格回転数時におけるインペラ入口〜ディフューザ出口間における全揚程特性を示しており、炉内流路圧力損失特性Ｒｏ１〜Ｒｏ２は、インペラ６の出口から出た原子炉冷却水が原子炉圧力容器１内を上方へ流れた後に再度インペラ６の入口から流入する位置までの圧力損失特性を示している。
【００７２】
また、圧力損失特性Ｒｏ１及びＲｏ２のうち、Ｒｏ１は、本実施形態のインターナルポンプから可変絞り機構２４を削除した比較例（すなわち単にフライホイール２０のみを設けた場合）のポンプ定格運転時における圧力損失特性の一例を示しており、Ｒｏ２が本実施形態によるインターナルポンプの圧力損失特性の一例を示している。インペラ特性Ｒｏは、上記比較例及び本実施形態ともに同一構造であることから共通となる。
【００７３】
図１４において、比較例のインターナルポンプにおけるポンプ定格運転時の運転点は、インペラ特性Ｓｏと圧力損失特性Ｒｏ１との交点Ｐｏ１となる。したがって、ポンプ定格運転時における原子炉冷却水循環流量は図１４中の流量Ｑｏ１となり、このときのポンプ全揚程Ｈｏは、図１４中のＨｏ１となる。
【００７４】
ここで、実際のプラント運転上、複数台（この実施形態では１０台）のインターナルポンプのうち一部を停止させた状態での運転（部分台数運転）にも対応できるような設計が求められるのが通常であり、この場合、停止せず運転を継続する各インターナルポンプでは、流量Ｑｏが増加しポンプ全揚程Ｈｏが低下する。すなわち、図１４において上記圧力損失特性Ｒｏ１に比べて炉内流路の圧力損失が減少して例えばＲｏ２の特性となり、これに応じてポンプ運転点は交点Ｐｏ２となり、原子炉冷却水循環流量は流量Ｑｏ２に増大する。そしてこのときの全揚程はＨｏ２に減少する。
【００７５】
大流量運転時には、このようなポンプ全揚程の低下によって上向きの流体スラスト力が低下し、定格運転時の上向きスラストが小さくなる。上向きの流体スラスト力が大流量運転により小さくなるとポンプ回転体（すなわちインペラ６、ポンプシャフト５、モータシャフト８、フライホイール２０、モータロータ１０ａ、スラストディスク１１ａ、及び補助インペラ部１１ｂ）が下方へと変位する。しかしながら、上記した可変絞り機構２４がその下方への変位に基づき絞りの程度を大きくしてフライホイール２０前後の差圧を大きくし、これによって上向きのスラスト力を発生させ、大流量運転による上向きスラスト力の低下分を補うように作用し、上下方向のスラスト力の適正化が図られる。このことを具体的に図１５を用いて説明する。
【００７６】
図１５は、インターナルポンプに生じるスラスト力の定性的挙動を表すものであり、第２の参考例における図８と同様の特性を表す図である。図８と同様に、縦軸に発生するスラスト力、横軸にポンプ回転数Ｎをとって表している。前述したように、インターナルポンプでは、羽根車の流体スラスト力は回転数Ｎの増加と共に大きくなり、図１５に示すように、ポンプ停止状態から定格運転回転数Ｎ0に至る昇速過程において上下方向のスラスト力が釣り合う回転数Ｎeでは、特にポンプの振動特性が不安定となりやすい。そのため、インターナルポンプの設計では、通常、回転数Ｎeはそのポンプの定格運転回転数Ｎ0から大きく離れるようにし、言い換えれば、ポンプ定格運転回転数Ｎ0での上方向スラスト力Ｆがなるべく０よりも大きな値となるようにする。
【００７７】
図１５において、図８と同様、図中の特性線エは、本実施形態のインターナルポンプから可変絞り機構２４を削除した上記比較例（すなわち単にフライホイール２０のみを設けた場合）の通常運転状態における特性を示しており、上下方向のスラスト力が釣り合う回転数Ｎｅ４は定格運転回転数Ｎ０から離れ、定格回転数Ｎ０における上方向スラスト力Ｆ１は比較的大きな値を維持しており、ポンプの安定性は良好となっている。
【００７８】
しかしながら、大流量運転状態においては、前述のように全揚程が低下する分、上向きスラスト力が減少するため、図１５中の特性線オのような特性となり、上記した上下方向スラスト力の釣り合う回転数がＮｅ５となってポンプ定格回転数Ｎ０に近づく傾向となるとともに、定格回転数Ｎ０における上方向スラスト力が０に近づいた比較的小さな値Ｆ２となり、ポンプの安定性が低下することとなる。
【００７９】
そこで、本実施形態においては、可変絞り機構２４を設けることにより、フライホイール２０の下方変位に応じて上記のように上向きのスラスト力を得ることができ、例えば図１５中の特性線カに一例を示すように特性を変化させ、上下方向のスラスト力が釣り合う回転数Ｎｅ６を定格運転回転数Ｎ０から離す方向に変え、定格回転数Ｎ０における上方向スラスト力を比較的大きな値Ｆ３に戻し、ポンプの安定性を向上することができる。
【００８０】
そしてまた、このときの可変絞り機構２４による絞りの程度は、前述した第２の参考例の絞り機構２０ｂと同様に、ポンプの各種寸法や仕様態様等に応じ、フライホイール２０に生じる上下スラスト力のバランスを適宜調整することが可能であり、原子炉冷却水の循環流量、上下方向のスラスト特性、定格運転時の上向きスラスト力の発生挙動等の観点から、インターナルポンプのスラスト特性を運転状態に応じて最適なバランスに調整することが可能であり、これによって特性線カは、特性線エと特性線オとの間で最適化できる。
【００８１】
なお、上記実施形態においては、フライホイール２０外周部に形成される環状隙間流路２２の下端部に可変絞り機構２４を設けたが、これに限られず、環状隙間流路２２の上端部に設けてもよい。要は、隙間流路開放部に軸方向細隙部を設け、この軸方向細隙部に、フライホイールの上下方向変位に応じて隙間流路への絞り度が変化する可変絞り機構を設ければ足りる。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、フライホイール外周部に形成される隙間流路の下端部に、フライホイールの上下方向変位に応じて隙間流路への絞り度が変化する可変絞り機構を設けるので、ポンプ大流量運転時であっても、ポンプの安定性を十分に確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の参考例によるインターナルポンプの全体構造を表す縦断面図である。
【図２】図１中のフライホイール（後述）の詳細構造を表す上面図及び縦断面図である。
【図３】第１の比較例によるインターナルポンプの全体構造を表す縦断面図である。
【図４】第２の比較例によるインターナルポンプの全体構造を表す縦断面図である。
【図５】図１に示したインターナルポンプにおけるモータ冷却水の循環特性を第１及び第２の比較例と比較して示した概念図である。
【図６】フライホイールに関する変形例を示す図である。
【図７】本発明の第２の参考例によるインターナルポンプの要部であるフライホイール周辺構造の詳細縦断面図である。
【図８】図７に示したインターナルポンプに生じるスラスト力の定性的挙動を表す図である。
【図９】フライホイールに関する変形例を示す図である。
【図１０】本発明の第３の参考例によるインターナルポンプの要部であるフライホイール周辺構造の詳細縦断面図である。
【図１１】従来構造に図１０に示した構造を組み合わせた例を示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態によるインターナルポンプの全体構造を表す縦断面図である。
【図１３】図１２の要部であるフライホイール周辺構造の詳細縦断面図である。
【図１４】
図１２に示すインターナルポンプにおける原子炉冷却水（炉水）の循環特性を、通常運転時と大流量運転時とで比較して示した概念図である。
【図１５】
図１２に示したインターナルポンプに生じるスラスト力の定性的挙動を表す図である。
【符号の説明】
１ 原子炉圧力容器
４ ウエットモータ部
５ ポンプシャフト（回転軸）
６ インペラ（羽根車）
８ モ−タシャフト
９ モータハウジング
９ａ モータハウジング内壁面（隙間流路の外周側壁面）
１１ａ スラストディスク
１３ａ 上部ラジアル軸受
１３ｂ 下部ラジアル軸受
１４ａ 上部スラスト軸受（上スラスト軸受）
１４ｂ 下部スラスト軸受（下スラスト軸受）
２０ フライホイール
２０ａ 通水孔
２０ｃ フライホイール下端部
２２ 隙間流路
２４ 可変絞り機構
２５ 略リング状部材

Claims (3)

1. 原子炉圧力容器の底面を貫通するように配設された回転軸と、前記原子炉圧力容器内で前記回転軸に固定された羽根車と、前記原子炉圧力容器外に設けられ前記回転軸を回転駆動するウェットモータ部と、このウェットモータ部の上下にそれぞれ設けられ前記羽根車を径方向に支持する上・下ラジアル軸受と、前記ウェットモータ部と前記上ラジアル軸受との間で前記回転軸に固定されたフライホイールとを備え、前記羽根車で原子炉冷却材を加圧し前記原子炉圧力容器内を循環させるインターナルポンプにおいて、
   前記フライホイール外周部に形成される隙間流路開放部に軸方向細隙部を設け、この軸方向細隙部に、該フライホイールの上下方向変位に応じて前記隙間流路への絞り度が変化する可変絞り機構を設けたことを特徴とするインターナルポンプ。
2. 請求項１記載のインターナルポンプにおいて、前記可変絞り機構は、前記隙間流路の外周側壁面に、前記フライホイールの端部に臨むように設けられた略リング状部材を備えていることを特徴とするインターナルポンプ。
3. 請求項１記載のインターナルポンプにおいて、ポンプ部分運転状態において下方向のスラストを調整可能な構造としたことを特徴とするインターナルポンプ。

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