JP4615806B2 - 軸方向ドレインを具備した高圧水蒸気ディフューザ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は高圧インジェクタの分野に関係し、機械又は加圧水槽を収容した設備に水を注入することを目的とする。一般的に、前記設備は蒸気ボイラーの蒸気発生槽である。これは特に加圧水型などの原子炉で使用される蒸気ジェネレータの場合である。しかし、この類のインジェクタは、原動的エネルギー源としてこの蒸気の一部及び水源として低圧槽を使用する蒸気発生槽のいずれに対しても適用可能と思われる。
【０００２】
【従来技術と提起課題】
一世紀以上前から蒸気インジェクタは機関車及び船などの特に蒸気機械（エンジン）として利用されてきた（１８５０年のGiffard特許を参照）。今日では、こういった装置は、とりわけ従来のポンプ方式を急激に悪化させる危険性がある溶液又は廃液の移し替えを要する産業施設において使用されている。水型原子炉において、非常給水用としてのインジェクタの利用が研究されてきた。こういった給水は余熱の除去を目的とする。加圧水型原子炉におけるスチームジェネレータへの非常給水は電気式動力ポンプ又はターボ式ポンプを使用して行われる。こういった装置は回転部材のために設計が困難であり、ある特定のものは電源に依存する。このため、低圧非常給水槽の水圧を蒸気圧より高い圧力まで昇圧できる蒸気インジェクタといった受動装置の利用が調査されてきた。現在に至るまでに様々なインジェクタの原型が提議されてきたが、どれも機能が不十分で、原子炉で使用するには信頼性が低いということがわかっている。
【０００３】
図１を参照すると、蒸気インジェクタの原理は、蒸気が管から出たときに達せられる速度が超音速となり、その圧力が空気圧より低くなるように、ラバールノズルなどの末広ノズル２の狭まり部分で加圧された蒸気の圧力を下げることである。混合室(mixing chamber)４に、環状型の吸水室(entry chamber)３を通じて水が流れ込む。混合室４において、吸水室３から引き込まれた水は圧力の低下を受けて吸引され、それから、蒸気は凝縮により水にエネルギーを解放する。
【０００４】
混合室４は一般的に円錐形であり、首部５の方向に収束する。その位置で、水は最大速度に達する。首部５の次に排出ディフーザ７があり、それを介して混合２相流の運動エネルギーは圧力に変換され、続いて、混合室４から排出された時点では凝縮されていない蒸気が凝縮される。圧力は急激に上昇し、時折、定常衝撃波と比較される。装置を確実に始動させるためには、混合室４に配設されたドレイン６が蒸気インジェクタに必要となる。この始動を達成するには、当該ドレインを適切に位置決めする必要があるので、始動が困難となる場合もある。さらに、一旦インジェクタに吸水を行ったあと、ドレイン６を閉鎖すると、蒸気インジェクタの動力源が断たれることもある。（一般的には徐々に閉鎖することが推奨される）。最大放出圧力は混合室４とディフューザ７との間に位置する首部５の流路が狭いほど高くなる。しかし、この部分を狭めることにより装置の始動がさらに困難となる。
【０００５】
さらに２箇所でドレイン６を利用すること（図２）により、任意のインジェクタは７０バールから９０バールの圧力を達成することができる。その場合、蒸気インジェクタが通常に機能している間、山側のドレインだけが閉鎖され、谷側のドレインは多かれ少なかれ開放したままで、高圧で機能するために非常に多量の水、約５０％の水量を排水する。複雑な機能性及び排水により、このタイプの蒸気インジェクタを原子炉施設に採用することができなかった。
【０００６】
従って、本発明の目的は加圧水型原子炉で使用することができ、約８０バールまでの範囲の圧力で注水することができる蒸気インジェクタを利用可能にすることにより前記欠点を改善することである。
【０００７】
【本発明の要旨】
そのために、本発明の主題は、
混合室と、
混合室に通じている環状型の吸水室と、
混合室の出口部に配設された首部と、
首部の出口部に配設されたディフューザと、
ディフューザの下流に配設された排出口とに通じている、
蒸気吸入口と、
混合室と、
混合室に通じている環状型の吸水室と、
混合室の出口部に配設された首部と、
首部の出口部に配設されたディフューザと、
ディフューザの下流に配設された排出口とに通じている、
蒸気ノズルと、
混合室と、
混合室に通じている環状型の吸水室と、
混合室の出口部に配設された首部と、
首部の出口部に配設されたディフューザと、
ディフューザの下流に配設された排出口と、
を含む、高圧蒸気インジェクタである。
【０００８】
本発明によれば、排出管の形状の軸方向ドレインは、首部分を小さくし、凝縮されなかった一部の蒸気を取り除き、及びそれを外部に排出するために首部の中央に配設される。実際に、水流は襟首部までほぼ環状循環していることが示される。
【０００９】
ドレインを一時的に使用できるように、或いは、流路部を最も狭く改良できるように、軸方向ドレインは首部に対して移動可能となるように軸方向に可動であるように組み立てられていてもよい。
【００１０】
このドレインの有効性を上げるために、ドレインは可変部を有していてもよい。
【００１１】
別の実施例では、徐々に蒸気を排出できるように、排出孔を具備する軸方向ドレインの第１番目の部分が円錐形状になっている。
【００１２】
【本発明の実施形態の詳細な説明】
図３に記載した本発明によるインジェクタは、側面排出ドレイン６を除いて、従来技術の参照図１に記載された蒸気インジェクタの主要部を再現したものである。ラバルノズル２に通じている蒸気入口部１、排気ノズル２の出口部に配置され、首部５まで続く混合室４に通じている環状型の吸水室３がある。排出口８に通じている首部５の出口部にはディフューザ７が配置される。首部５の位置に、排出管の形状をした軸方向ドレイン１０がディフューザ７を通って外部９、つまり本出願の蒸気インジェクタの外まで延びて配置される。２相流は首部までほぼ環状循環しており、水膜は当該混合室４の内壁に対して均一化されることが示された。この実験から得た事実は、吸引された水膜が多かれ少なかれ急激に噴霧するという従来の知識とは矛盾する。前記軸方向ドレイン１０は首部５を通って流れる水流の中央部に位置し、よって、混合室４内で凝縮されていない大量の蒸気を捕獲する。しかし、この蒸気は混合室４の入口と出口の間で減速するので、注入される液体にその大部分のエネルギーを放出してしまっている。同様に、中央部の蒸気の流れが弱いので、ディフューザ７の水圧の上昇には利用できない。首部５を通る流れの環状部、つまり、水流だけがディフューザ７内を高速で流れて排出口８に向かう。
【００１３】
さらに、当該軸方向ドレイン１０により、混合室４とディフューザ７との間の首部５の流路部を狭めることも可能となり、それにより、同じディフューザで前記軸方向ドレインを使用しない場合と比べて、排出口８に流れる水流の最大圧力を上昇させることが可能となる。圧力の上昇と首部５の流路部の広さはほぼ逆比例することが一般的には認められる。
【００１４】
当該軸方向ドレイン１０は、蒸気インジェクタを始動する際にも使用されることに注目すべきである。その場合、蒸気注入口１は閉鎖され、給水口が開放される。つまり、水は環状型の吸水室３内で循環して混合室４内に達する。その水の全て又は一部は、流れを下って排出口８で排水するという理解に従い、軸方向ドレイン１０を通って外部に排出される。蒸気注入口１が開放されると、混合室４内で強力な凝縮作用が起こる。混合室４内の圧力は、公称値に達するまで低下する。流れはノズル２の出口では超高速になる。首部５の中央部の最初は液状だった流れは蒸気になり、軸方向ドレイン１０により捕獲される。首部５の内壁に対して環状の水流が発生し、ディフューザ７内まで続く。
【００１５】
軸方向ドレイン１０に入る際の蒸気の適当な速度を保証するために、軸方向ドレイン１０は可変断面部を有していてもよい。軸方向ドレイン１０は、首部５からディフューザ７の内部に進むにつれて増大する直径を有していてもよい。
【００１６】
図４を参照して、さらに漸進的な蒸気の排出を保証するために、このドレイン軸１０を、混合室４内を貫通可能なものとすることも検討する。当該ドレインの第１部分は十分な数の排出孔を有する円錐形１１とすることも可能であろう。
【００１７】
図４の点線部で描かれたように、このような技術的な特徴を組み合わせるために、軸方向ドレイン１０を、本発明の蒸気インジェクタの軸方向に沿って移動可能なものとし、よって挿入及び引出しが可能なものとすることも同様に規定される。このように、蒸気インジェクタの始動中に首部５の下流、つまりディフューザ７内に引出し可能である。一旦蒸気インジェクタの流速が確立されると、軸方向ドレインは首部５内に再配置され、蒸気排出機能と首部５の流路部を狭める機能が回復する。
【００１８】
軸方向ドレイン１０の全ての実施形態の変形が蒸気インジェクタの働きをさらに正確に調整し、蒸気インジェクタの始動をさらに容易化し、若しくは出口部で最大圧力を得ることが可能となるが、固定ドレイン１０は実施作業数を最少化する例示的な解決法である。
【００１９】
図５に記載した本発明の蒸気インジェクタの第１番目の使用例は、加圧水型原子炉のスチームジェネレータ１６に給水することである。蒸気インジェクタ１３は、スチームジェネレータ１６によって生成された蒸気エネルギーを利用して、当該スチームジェネレータに水を注入するために使用される。低圧槽１７は蒸気インジェクタ１３が停止している際は閉鎖される給水弁２２を介してインジェクタ１３の吸水室に供給する。よって、蒸気インジェクタは大気圧状態となる。軸方向ドレイン１０は開放され、蒸気インジェクタ１３は水又は水蒸気により清浄することができる。排水弁２３はインジェクタ１３の下流側に配設されると同時に閉鎖されている。
【００２０】
スチームジェネレータ１６の作動時の圧力は１０バールから８０バールの間である。蒸気インジェクタ１３から放出する加圧水をスチームジェネレータ１６に導く導水管１８は、閉鎖された仕切り弁１５により閉じられている。
【００２１】
給水弁２２と浄化弁２３が開放され、重力により蒸気インジェクタ１３の内部で冷水流が発生し、軸方向ドレイン１０と浄化弁２３を介して流れ出る。前記インジェクタは水槽１７より低い位置にある。
【００２２】
それから、蒸気インジェクタ１３の上流部に配設された蒸気吸気仕切り弁２１が、蒸気圧に応じて数ｋｇ／ｓの流量が達成されるまで開放される。予め得られた冷水が流れる混合室４内の凝縮により蒸気インジェクタ１３を始動することができる。一旦、混合室４と首部５の位置で環状の流れが生じ始めれば、軸方向ドレイン１０は外部９の方向に蒸気を放出するだけである。それにより、浄化弁２３が閉鎖され、導水管１８の第１部分の圧力はディフューザ７で急上昇した圧力にまで上昇する。この導水管１８の第１部分の圧力が十分になると、バルブ１５が開き、当該システムは公称機能を達成したことになる。その間、水槽１７から吸上げられた水は、スチームジェネレータの水の所要量に応じて５から２０ｋｇ／ｓの割合でスチームジェネレータ１６に注入される。この割合は給水弁２２を調節することにより得られる。システムは蒸気補給弁２１を閉鎖してから給水弁２２を閉鎖することにより停止する。
【００２３】
本発明による複数のインジェクタ設備の変形が可能である。例えば、給水弁２２を軸方向ドレイン１０の排出線上に、つまり、参照番号９の外側に配置してもよい。そうすると、システムに水を補充することが容易である。始動は、基本構造と同じ条件で行われる。
【００２４】
図６に示したように、システムの始動段階で浄化弁２３を抜きにして設計される場合がある。この場合、作動されなければならないのは、３つではなく、２つの弁だけである。管１８の寸法に従い、該管１８に直接接続されたプライマ容器(primer recipient)２４を、蒸気インジェクタ１３とバルブ１５との間に挿入することが必要となる場合がある。まず、大気圧に達すると、プライマ容器２４は放出圧力の上昇時の遅延時間を保証し、その後、弁１５が開放される。
【図面の簡単な説明】
本発明及び様々な技術的な特徴が各添付図に従って本説明文を熟読することによりさらに理解されるであろう。
【図１】 図１は従来技術のインジェクタである。
【図２】 図２は従来技術のインジェクタである。
【図３】 図３は本発明によるインジェクタの第１実施形態である。
【図４】 図４は本発明によるインジェクタの第２実施形態である。
【図５】 図５は本発明による蒸気インジェクタをスチームジェネレータ上に配置した第１実施例である。
【図６】 図６は本発明による蒸気インジェクタをスチームジェネレータ上に配置した第２実施例である。

Claims (4)

1. 混合室（４）と、
   環状型の吸水室（３）と、
   混合室（４）の出口部に配設された首部（５）と、
   首部（５）の出口部に配設されたディフューザ（７）と、
   ディフューザ（７）の下流側に配設された排出口（８）とに通じている、
   蒸気吸入口（１）と、
   混合室（４）と、
   環状型の吸水室（３）と、
   混合室（４）の出口部に配設された首部（５）と、
   首部（５）の出口部に配設されたディフューザ（７）と、
   ディフューザ（７）の下流側に配設された排出口（８）とに通じている、
   蒸気ノズル（２）と、
   混合室（４）と、
   環状型の吸水室（３）と、
   混合室（４）の出口部に配設された首部（５）と、
   首部（５）の出口部に配設されたディフューザ（７）と、
   ディフューザ（７）の下流側に配設された排出口（８）と、
   を含む、高圧用蒸気インジェクタであって、
   首部（５）を狭め、一部の蒸気を取出してそれを外部（９）に排出するための、排出管の形状をした軸方向ドレイン（１０）を含むことを特徴とする前記インジェクタ。
2. 軸方向ドレイン（１０）は、混合室（４）及び／又は首部（５）で配設可能、又は首部そこから引出可能であるように軸方向に移動できることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。
3. 軸方向ドレイン（１０）が可変断面部分を有することを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。
4. 軸方向ドレイン（１０）が、蒸気を徐々に排出することができ、排出孔を具備する円錐形（１１）で終端することを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。

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