JP3787516B2 - Ａｂｗｒのインターナルポンプシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、原子炉内蔵型再循環ポンプ（インターナルポンプ、以下、ＲＩＰと略記する）のモータ冷却水の圧力を上昇させる改良発展沸騰水型原子炉（以下ＡＢＷＲと略記する）のインターナルポンプシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＲＩＰのスラストディスクである補助インペラの構造を図９に示す。図１０は、ＡＢＷＲ用ＲＩＰシステムの全体の概略図である。ＲＩＰ（原子炉内蔵型再循環ポンプ）１は原子炉内の炉水を循環するため、原子炉の下部に複数台設置されるポンプである。補助インペラ２はＲＩＰケーシング３内の下部に位置し、インペラ４及びシャフト５と同期して回転するように製作されている。ＲＩＰは、発熱したＲＩＰのモータ６の熱を除熱するため、ケーシング３内部にモータ冷却水７を循環させている。モータ６の部分の発熱により加温されたモータ冷却水７は、配管８で接続されたＲＩＰの熱交換器９により冷却され、再びモータ６の部分に流入する閉ループを構成し、ループ内を循環している。このモータ冷却水７は補助インペラ２による昇圧により循環し、モータ冷却水７の流路抵抗によりモータ冷却水７の流量は変化する。
【０００３】
図９は従来の補助インペラ２の構造を示す横断面を図９の（Ａ）に、縦断面概略図を図９の（Ｂ）に示す。図示のように、モータ冷却水７は補助インペラ２の流路入口１０（１０ａ，１０ｂ、…）から流入し、流路１１（１１ａ、１１ｂ、…）内を通過して、流路出口１２（１２ａ，１２ｂ、…）において流出する。補助インペラは、回転による流体角運動量の増加により、流路１１内で流体を昇圧（ポンプ揚程の増加）するが、角運動量は補助インペラ外径の周速度が速いほど大きくなる。そして、補助インペラの全揚程によりモータ冷却水の流量は変化する。
【０００４】
補助インペラ２は、スラストディスクを兼ねており、スラストベアリング１３を設置することができる外径が必要である。その結果、外径が比較的大きくなっており、周速度は外径に比例するため、比較的高い揚程を供給するインペラである。また、従来の補助インペラの流路は単純な横穴であり、製作性の面からは適した構造である。
【０００５】
また、先行技術として特開昭５９−１８０３９３号公報がある。これはインターナルポンプのスラストディスクの改良に関し、駆動停止中に伝導熱を除去し、冷却のために十分な流量のポンプ冷却水が自然循環し得るようにしたものである。具体的にはスラストディスクに複数の貫通孔を円周方向に間隔を置いて穿設して、これらの貫通孔を介してポンプ冷却水が循環するようにした記載が見受けられる。この場合は、単純な横穴である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来構造において、揚程およびＲＩＰ電力を変化させることは容易でない。例えば、補助インペラ（２）は炉内循環用のＲＩＰインペラと同期して回転しているため、回転速度を変更して揚程を変化することはできない。また、流路径の減少、流路数の減数及び流路抵抗体の増設により、揚程及び流量を低下させることができるが、これらの手法を採用すると、圧力損失を増加させて揚程を低下させてしまう。この方法では、補助インペラで生成した流体エネルギは、流路損失（熱損失）となり、ＲＩＰ電力を低減できない。また、出口角を減少させて、ＲＩＰ電力及び揚程を低下させる方法がある。しかし、この方法では回転速度に比較して軸方向流速が小さい場合、大きな揚程の低下を実現することは困難である。
【０００７】
そのほかに、補助インペラの外径を減少させることにより、ＲＩＰ電力及び揚程を低下させることができる。しかし、補助インペラはスラストディスクを兼ねており、スラストベアリングを設置できる外径が必要となっているため、単純に外径を減少することはできない。
【０００８】
このように、従来の構造は製作性、信頼性、安全性、モータ冷却性能等に優れているが、ＲＩＰの電力を抑制するためには、従来構造の設計変更だけでは不十分である。
【０００９】
そのため、本発明は補助インペラの全揚程及びＲＩＰ電力を適切に低減できる補助インペラの構成をもつポンプシステムを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題は以下の手段によって解決することができる。
ＲＩＰのモータの発熱により加温された冷却水を導く配管と、交換器とで閉ループを構成し、前記補助インペラもしくはスラストディスクに放射状流路を有するポンプシステムであって、前記補助インペラもしくはスラストディスクに設けられた前記放射状流路は、周方向出口側に流路断面積を増加させた部分を有する流路であり、しかも前記放射状流路はその総断面積が
流路総断面積≦１１００ｍｍ^２であることに特徴がある。
【００１２】
また、前記補助インペラもしくはスラストディスクに設けられる放射状の流路の総断面積Ａ（m^２）とＲＩＰモータ回転数Ｎ（ｒｐｍ）と補助インペラの外形Ｄ（ｍ）との関係は、
（Ａ／（Ｎ×Ｄ））≦１．６×１０^−３（ｍｍ／ｒｐｍ）
であることに特徴がある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について説明する。はじめに、本発明の要点について述べる。前記課題を解決するため、補助インペラもしくはスラストディスクの回転する部材に挟まれる流路において、放射状の流路の下流にリング状の流路を設置する。補助インペラでは、補助インペラの出口周方向速度の２乗に比例して全揚程は変化する。したがって、補助インペラの外径を小さくして、周方向速度を低下させることも考えられるが、補助インペラはスラストディスクを兼ねており、スラストベアリングを設置できる外径が必要となっているため、単純に外径を減少することはできない。そこで、放射状の流路の下流にリング状の流路を設置する。その結果、リング状の流路では、補助インペラから負荷される流体の角運動量増加はほとんど無いため、結果的に全揚程を低下させることができる。すなわち、全揚程の低下によりモータ冷却水流量も低下し、補助インペラに消費される電力の適切化が可能となる。また、補助インペラの流路断面積を減少させ、補助インペラより各運動量を負荷される流体の質量を減らすことにより、モータ冷却水流量を減少することができる。
【００１５】
以下、本発明の具体的な実施例について述べる。図１、図２を用いて説明する。前記従来技術で説明したが、図１０は、ＡＢＷＲ用ＲＩＰシステムの全体の概略図であり、ＲＩＰは原子炉の炉水を循環するため、原子炉の下部に複数台設置されたポンプである。本発明の補助インペラ２（スラストディスク）はＲＩＰケーシング３内の下部に位置し、インペラ４及びシャフト５と同期して回転するように製作されている。ＲＩＰ１では、発熱したモータ６を除熱するため、ケーシング３内部にモータ冷却水７を循環している。モータ６部の発熱により加温されたモータ冷却水７は配管８で接続されたＲＩＰの熱交換器９により冷却され、再びモータ６部に流入する閉ループ内を循環している。
【００１６】
このモータ冷却水７は補助インペラ２の昇圧により循環し、モータ冷却水７の流路抵抗によりモータ冷却水流量は変化する。図１は補助インペラ構造の縦断面概略図である。ケーシング下部から流入した流体は、補助インペラ２の流路の入口１０から放射状流路１１を経てリング状流路１４へ流出する。このリング状流路１４は各放射状の流路出口を結ぶ流路である。または、放射状流路の断面積が周方向に増加して、各流路が結合している。そして、スラストベアリング１３を冷却して、ＲＩＰモータ部へ向かって上昇する。
【００１７】
スラストベアリング１３は数個配置され、各スラストベアリング１３の間は流路となっている。また、補助インペラ２はスラストディスクを兼ねており、インペラ４及びシャフト５のスラスト力をスラストベアリング１３により支持している。図２は本発明の補助インペラ構造の横断面概略図である。本発明では、モータ冷却水７は補助インペラ２の入口側１０から放射状の流路１１に流入して、補助インペラ２の回転により角運動量を増加させた後、本発明のリング状の流路１４を通過する。この部分を設けたことが本発明の特徴の一つで、リング状流路１４を設けることにより、補助インペラ２から流体への角運動量の伝達はない。
【００１８】
理論上、補助インペラ２の全揚程は、補助インペラ２の外径部分の周速度により特徴づけられる。補助インペラは角運動量の増加により流体を昇圧するが、その角運動量の増加は外径の周速度が速いほど大きくなる。本発明においては、補助インペラによる揚程は図２の外径１５ではなく、放射状流路の外径１６で決定される。その結果、外径１６の寸法を適切に変化させることにより、補助インペラの揚程を変え、適正化を図ることが可能となる。そして、補助インペラの全揚程によりモータ冷却水の流量は変化し、補助インペラで消費されるＲＩＰの電力の適正化を図ることができる。
【００１９】
図３に本発明の効果を示す。外径を現状の１００％から６０％まで減少した場合における流量、揚程及び電力の変化を示す。図中には、流路の圧力損失曲線、補助インペラのＱ−Ｈ曲線および補助インペラの必要電力（Ｑ−Ｐ曲線）を示す。図は現状の外径１００％時における流量、揚程及び電力を１００％とした。本発明対象のポンプシステムでは、流量及び揚程は流路圧力損失曲線と補助インペラＱ−Ｈ曲線の交点に収束する。図示のように、例えば外径１６を外径１５の９０％にすると流量は９０％に減少し、その流量及び補助インペラ外径に対する水電力は７５％まで低下する。また、外径１６を外径１５に対して８０％にすると流量は８０％になり、水電力は半減する。また、本発明の補助インペラの流路は単純な横穴及びリング形状であり、製作性に優れた構造である。
【００２０】
本発明では、図２に示したように完全にリング状にする必要はない。補助インペラ流路（放射状流路）１１の出口に断面積の大きい部分を設ければよい。例えば、図４および図５に示すように、補助インペラ流路（放射状流路）１１の出口の断面積を大きくすること、あるいは、多角形や曲線形状でも同等の効果が得られる。ただし、十分な効果を期待するには、図５に示した広がり角２１を、９０°以下であることが望ましい。すなわち９０°以上に設定すると補助インペラは流体に運動量を負荷しにくい。すなわち、９０°以上では、流体を押し出す斜面が無いため、効果はほぼ同じである。また、リングの断面形状は四角形、多角形及び曲線形状等でも効果を期待できる。
【００２１】
また、補助インペラ２の流路穴数を減らすこと、あるいは穴径を小さくすることにより、流路総断面積を減少し、揚程及び流量を低下することができる。図６の（Ａ）に示すように流路面積が大きい場合、流路内に大きな循環渦が発生し、渦による圧力損失が生じる。一方、断面積を小さくしていくと渦が小さくなり、図６の（Ｂ）に示すような真っ直ぐな流れとなる。一般的に、圧力損失は断面積の２乗に反比例して大きくなり、揚程を低下させる。しかし、渦があると、渦の消滅効果により、複雑な現象となる。
【００２２】
そこで、３次元流動解析により、流路総断面積と揚程低下量の関係を計算し、図７にその結果を示す。図７は、流路総断面積Ａが１１００mm²以下において、大きな循環渦の影響が消滅し、揚程を低下することがはじめて可能となることを、示している。ここでいう流路断面積は、流路１１もしくは流路１４の一方もしくは両方の流路断面積を意味する。また、部分的に流路断面積を変化（１１００ｍｍ^２以下に）させても同様の効果が得られる。また、現状ＲＩＰの補助インペラ以外に適用する場合、定格回転数Ｎ及び直径Ｄにより変化し、関数となることが考えられる。すなわち、これらの変数を考慮すると、流路総断面積Ａと定格回転数Ｎとディスク（補助インペラ）外径Ｄの積、Ａ／（Ｎ×Ｄ）が
（Ａ／（Ｎ×Ｄ））≦１．６×１０^−３（ｍｍ／ｒｐｍ）
以下であることが必要となる。
【００２３】
圧力損失を増加させて流量を減少させる方法も考えられるが、この場合、図８に示すように補助インペラの直前にあるインナーレース１７の穴径１８を、モータカバー１９の穴径２０よりも小さくして圧力損失を増加する方法が最適である。
【００２４】
すなわち、前記放射状流路の上流側に設けられたインナーレースの穴径を更に上流側に設けられたモータカバーの穴径よりも小さくして設ける。
【００２５】
ＲＩＰ下部から流入したモータ冷却水７はモータカバー２０の流路穴を通過して、インナーレース１７の流路穴に流入して、補助インペラの入口に向かう。インナーレース１７はＲＩＰの下端にあり、下部のモータカバーを外すだけで、簡単に取り外しできるため、メンテナンス性及び製作性に優れているとともに、簡単に取り外せるため、現行のＲＩＰにも直ぐに適用できる最適な場所である。
【００２６】
また、部材が小さいため、加工が容易であり、コスト面にも優れている。その上、モータケーシング３内の内部構造物であるインナーレース１７は耐圧境界を持たないため、構造強度に対する検討の必要はほとんど無い。また、流路径が小さいため、断面積を少し変更するだけで、モータ冷却水流量を著しく変化させることができ、モータ冷却水流量のインナーレース流路径による制御は容易である。モータ冷却水流路には、抵抗体を設置する場所は無数にあるが、上記の観点から、圧力損失を増加するにはインナーレース１７の径を減少させることが最も優れており、インナーレース１７の部分に比較して抵抗体設置に関して優る場所はないと考える。この場合、部分的にインナーレース１７の流路径を絞っても同様の効果が得られる。
【００２７】
また、現状以下に揚程を抑制すると、補助インペラ前後の圧力差を低く抑えることができ、補助インペラのアンバランスが増加することはない。その結果、モータ冷却水流量及び全揚程を低下することが可能となり、ＲＩＰ電力を低減できる効果がある。
【００２８】
また、補助インペラもしくはスラストディスクの回転する部材に挟まれた放射状の流路において、放射状流路の数を８個未満に減数することにより、個々の流路穴径を変更せずに、放射状流路出口１２の流路総断面積を低減できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の適用により、全揚程及びモータ冷却水流量を適切に抑制することが可能となり、ＲＩＰ電力を低減できる。その結果、インターナルポンプシステムの信頼性及び健全性の向上をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の補助インペラ構造の縦断面概略図である。
【図２】 本発明の補助インペラ構造の横断面概略図である。
【図３】 本発明の効果の概略図である。
【図４】 本発明の補助インペラ構造の横断面概略図である。
【図５】 補助インペラ構造の他の実施例を示す横断面概略図である。
【図６】 本発明の流動現象の概略を示す図である。
【図７】 本発明の効果の概略図である。
【図８】 本発明のインナーレースまわりの縦断面概略図である。
【図９】 従来の補助インペラ構造の横断面概略図である。
【図１０】 ＡＢＷＲ用ＲＩＰシステムの概略図である。
【符号の説明】
１；ＲＩＰ ２；補助インペラ（スラストディスク） ３；ケーシング ４；インペラ ５；シャフト ６；モータ ７；モータ冷却水 ８；モータ冷却水配管 ９；熱交換器 １０；補助インペラ流路入口 １１；補助インペラ流路（放射状流路） １２；補助インペラ流路出口（放射状流路出口） １３；スラストベアリング １４；流路（リング状流路） １５；外径 １６；外径（放射状流路外径） １７；インナーレース １８；穴径 １９；モータカバー ２０；穴径 ２１；広がり角。

Claims (2)

1. 原子炉の再循環ポンプと、前記ポンプのケーシング内の下部に設けられインペラおよびシャフトと同期して回転する補助インペラおよびスラストディスクと、インターナルポンプのモータと、前記モータの発熱により加温された冷却水を導く配管と、熱交換器とで閉ループを構成し、前記補助インペラもしくはスラストディスクに放射状流路を有するポンプシステムにおいて、前記補助インペラもしくはスラストディスクに設けられた前記放射状流路は、周方向出口側に流路断面積を増加させた部分を有し、しかも前記放射状流路はその総断面積が
   流路総断面積≦１１００ｍｍ^２
   であることを特徴とするＡＢＷＲのインターナルポンプシステム。
2. 原子炉の再循環ポンプと、前記ポンプのケーシング内の下部に設けられインペラおよびシャフトと同期して回転する補助インペラおよびスラストディスクと、インターナルポンプのモータと、前記モータの発熱により加温された冷却水を導く配管と、熱交換器とで閉ループを構成し、前記補助インペラもしくはスラストディスクに放射状流路を有するポンプシステムにおいて、前記補助インペラもしくはスラストディスクに設けられた前記放射状流路は周方向出口側に流路断面積を増加させた部分を有し、しかも前記放射状流路は、その総断面積Ａ（ｍ^２）とＲＩＰモータ定格回転数Ｎ（ｒｐｍ）と補助インペラの外形Ｄ（ｍ）との関係が、
   （Ａ／（Ｎ×Ｄ））≦１．６×１０^−３（ｍｍ／ｒｐｍ）
   であることを特徴とするＡＢＷＲのインターナルポンプシステム。

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