JP4627543B2

JP4627543B2 - ジェットポンプ及びジェットポンプを用いた沸騰水型原子炉

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Publication number: JP4627543B2
Application number: JP2007258504A
Authority: JP
Inventors: 直行石田; 久道井上
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2027-10-02
Also published as: JP2009085864A

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の圧力容器に設置されるジェットポンプ及びジットポンプを用いた沸騰水型原子炉に関する。

沸騰水型原子炉では炉心に循環させる冷却水となる炉水の流量を少ない駆動流体流量で確保するため、特開昭５９−１８８１００号公報に記載されているように原子炉の圧力容器内にジェットポンプを設置している。

このジェットポンプの駆動流体は、圧力容器の内部から配管で炉水を引き出して再循環ポンプで昇圧してジェットポンプのノズルから下流側のスロートに噴出させている。

このノズルから噴出された駆動流体によってジェットポンプのスロート内部の静圧が低下し、スロートの上部のベルマウス周囲の被駆動流体がベルマウスを通ってスロート内に吸い込まれて該スロート部で前記駆動流体と運動量を交換しながら混合してスロートの下部のディフューザへ流入する。

ディフューザでは流れが剥離しない程度に流路面積が緩やかに拡大され、ディフューザを通過する間に運動エネルギーを圧力に変換して、吸い込まれる前の被駆動流体の圧力よりも高い圧力にしてディフューザから吐出して炉心に炉水を供給する。

以上の原理により、ジェットポンプでは駆動流体の流量よりも多くの流量を下流へ吐出することができる。

沸騰水型原子炉に用いられているジェットポンプの例として前記特開昭５９−１８８１００号公報に記載されたジェットポンプでは５本のノズルが取り付けられており、各ノズルはその先端付近で流路を一段階で絞った形状として駆動流体が高速で噴出するように構成した技術が開示されている。

また、特開平７−１１９７００号公報に記載されたジェットポンプでは、ジェットポンプの中心軸に長尺ノズルを取り付け、その長尺ノズルを取り囲むように複数の短尺ノズルを周方向に等ピッチで取り付けて、被駆動流体を長尺ノズルと短尺ノズルとの２段階でスムーズに加速させてジェットポンプの効率向上を図る技術が開示されている。

特開昭５９−１８８１００号公報特開平７−１１９７００号公報

ジェットポンプの効率を向上させると炉心に供給される炉水の流量が増加し、炉心流量の制御幅を拡大させて燃料経済性を向上させることができる。

ジェットポンプはノズルから噴出された高速の駆動流体がスロート部の静圧を低下させることによって周囲の被駆動流体を吸込むようになっており、駆動流体はノズルからある拡がり角でスロートへ向けて噴出される。

この拡がり角を小さくすると駆動流体がスロート部へ到達したときの噴流速度の低下が抑制され、スロート部の静圧をより低下させることができるので、被駆動流体をより多く吸込むことができる。

この駆動流体の拡がり角を小さくする手段としてジェットポンプのノズル先端の絞り角を大きくする方法があり、特開昭５９−１８８１００号公報にジェットポンプのノズルの流路を一段階で絞った構造の技術が開示されている。

しかしながら特開昭５９−１８８１００号公報に記載されたジェットポンプのノズルの流路を一段階で絞った構造では、ノズルの噴出口径を一定に保ってノズル先端の絞り角を大きくするとノズル直線部の径または長さが大きくならざるを得ず、この結果、ノズル自体が被駆動流体の流路抵抗となるのでジェットポンプの効率低下が避けられない。

また、被駆動流体をスムーズに加速させると損失が少なくジェットポンプの効率が向上するが、特開平７−１１９７００号公報に記載された長尺ノズルと複数の短尺ノズルを備えた構造のノズルでは、長尺ノズルとその周囲に複数配置された短尺ノズルの流量配分を適切に取るのが困難でどちらかに流量が偏りやすく、流量配分が偏ると被駆動流体のスムーズな加速が行われずにジェットポンプの効率向上が図れない可能性が大である。

本発明の目的は、スロート入口での駆動流体の速度低下を抑制すると共に被駆動流体の吸い込み量を増加させて、ジェットポンプのＭ比とジェットポンプの効率を向上させたジェットポンプを提供することにある。

本発明のジェットポンプは、駆動流体をノズルへ導くライザ管と、このライザ管の下流側に設置され該ライザ管から導かれた駆動流体の流れを転向させるベント管と、このベント管の下流側に設置され該ベント管で転向された駆動流体を噴出するノズルと、周囲の被駆動流体の吸い込み口であるベルマウスと、このベルマウスの下流側に設置され該ベルマウスから吸い込まれた被駆動流体と前記ノズルから噴射された駆動流体とが混合するスロートと、このスロートの下流側に設置されこの混合した流体の圧力を昇圧して吐出させるディフューザを備えたジェットポンプにおいて、前記ノズルを取り付けるノズル台座に複数本のノズルを同心円状に配置し、前記各ノズルには流路径が一定のノズル直管部と、このノズル直管部の下流側で流路径が絞られたノズル絞り部とをそれぞれ複数設置し、前記ノズル絞り部のうちノズル噴出口に近いノズル絞り部のノズル絞り角度が他のノズル絞り部のノズル絞り角度よりも大きくなるように形成し、更にノズル噴出口部に近い前記ノズル絞り部の下流側にノズル噴出口を先端に備えた流路径が一定又は流路径がノズル先端のノズル噴出口に向かって減少するようにノズル絞り角θが２度未満に形成されたノズル絞り部を用いたノズル下端部を設置することを特徴とする。

本発明によれば、スロート入口での駆動流体の速度低下を抑制して被駆動流体の吸い込み量を増加させて、ジェットポンプのＭ比とジェットポンプの効率を向上させたジェットポンプが実現できる。

本発明の実施例である沸騰水型原子炉に設置されたジェットポンプについて、図面を用いて以下に説明する。

沸騰水型原子炉に設置された本発明を適用した一実施例のジェットポンプについて図１及び図２を用いて説明する。

図２は沸騰水型原子炉を示す縦断面図であり、圧力容器３の内部の下部には外周をシュラウド２で覆われた炉心５が設置されている。

そして、圧力容器３の内部の炉心５の上部には気水分離器６が設置され、この気水分離器６の上部には蒸気乾燥器７が設置された構造となっている。

炉心５に炉水を供給するジェットポンプ１は、圧力容器３の内部における炉心５を覆うシュラウド２の外周側と圧力容器３の内周側との間に形成される空間のダウンカマ４に設置されている。

このジェットポンプ１によってダウンカマ４から炉心５に送り込まれた炉水は、核熱により沸騰し、炉心５の上部に設置された気水分離器６に流入して蒸気と水に分離され、更に気水分離器６の上部に設置された蒸気乾燥器７に流入して乾燥した蒸気が分離される。

そして分離された乾燥した蒸気は圧力容器３の上部に配設された主蒸気配管８を通じて圧力容器３の内部から蒸気タービン（図示せず）に供給されて該蒸気タービンを駆動する。

また、圧力容器３の内部の気水分離器６で分離された炉水は再びダウンカマ４へ戻される。

ダウンカマ４に戻った炉水は圧力容器３に配設された給水配管９を通じて圧力容器３の外部から供給された給水と混合して再びダウンカマ４に設置されたジェットポンプ１に吸い込まれ、炉心５に送られる。

ジェットポンプ１の駆動流体はダウンカマ４の炉水を用いている。

即ち、ダウンカマ４から炉水を導出する配管１１を圧力容器３の外部に配設し、この配管１１に設置された再循環ポンプ１２によって配管１１を通じて引き出されたダウンカマ４の炉水を昇圧し、昇圧した炉水をこの配管１１を通じてダウンカマ４に設置されたジェットポンプ１に駆動流体として送り込んでいる。

図３は図２に示した沸騰水型原子炉に設置されたジェットポンプ１を拡大した図であり、再循環ポンプ１２から配管１１を通じて送られた駆動流体は、ジェットポンプ１を構成するライザ管１３を通って上方に供給され、この供給された駆動流体はライザ管１３の下流側となるジェットポンプ１の上部に配設されたベント管１４で１８０°流れの向きを変えた後に、ベント管１４の下流側に設置されたノズル３１に導かれる。

そしてこのノズル３１から駆動流体は下流側のベルマウス１６及びスロート１７に向かって高速で噴出される。

ノズル３１の下部にはその上部にベルマウス１６を備えたスロート１７が設置されており、ベルマウス１６はノズル３１からスロート１７に駆動流体を高速で噴出することによってスロート１７内の静圧を低下させ、この静圧の低下を利用してダウンカマ４の周辺流体（被駆動流体）をベルマウス１６から吸い込んでスムーズにスロート１７へ導く役割をしている。

既設の原子炉では、噴出した駆動流体の約２倍の周囲流体（被駆動流体）を吸い込むことができる。

そしてノズル３１から噴出された駆動流体と、ベルマウス１６から吸い込まれた被駆動流体はスロート１７の内部で運動量交換を行いながら混合し、スロート１７の下部に配設されたディフューザ１８に送り込まれる。

ディフューザ１８は流れが剥離を起こさないよう程度に流路が徐々に拡大して形成されており、このディフューザ１８で運動エネルギーが圧力に変換される。

このディフューザ１８において、被駆動流体は吸い込まれた位置における圧力よりもその圧力を高めて、この駆動流体と被駆動流体とが混合した混合流体がディフューザ１８から吐出されて、ジェットポンプ１から炉水を炉心５へ送り込んでいる。

このように、ジェットポンプ１は少ない駆動流体の流量で多くの炉水の流量を炉心５に送り込むことができるため、再循環系の配管径を小さくすることができる。

また、原子炉出力は炉心を流れる炉水の流量でも制御しているが、再循環ポンプ１２の動力を制御することによりジェットポンプ１のノズル３１から噴出される駆動流体の流量を変化させて、炉心流量を制御することができる。

ところで、ジェットポンプ１の性能は、駆動流体流量と被駆動流体流量の比であるＭ比と圧力比であるＮ比で示すことができる。

Ｍ比の定義はＭ＝Ｑｓ／Ｑｎ、Ｎ比の定義は、Ｎ＝（Ｐｄ−Ｐｓ）／（Ｐｎ−Ｐｄ）である。

ここで、Ｑは流量、Ｐは全圧で、添字ｎ、ｓ、ｄはノズル部３１、ベルマウス１６の吸い込み部、ディフューザ部１８をそれぞれ示す。

ジェットポンプ効率ηはＭ比とＮ比の積η＝Ｍ×Ｎ×１００（％）で表される。

ジェットポンプ１のＭ比、ジェットポンプ効率ηを向上させると、より少ない駆動水流量で所定の炉心流量を確保できるので、再循環ポンプ１２の動力を削減してランニングコストを抑えることが可能となる。

また、炉心流量を増加させて炉心流量の制御幅を拡大すると原子炉の燃料サイクル末期での燃焼度を向上させることができるため、燃料経済性が向上する。

また、高Ｍ比、高効率のジェットポンプを用いれば、炉心流量を増加させるために再循環ポンプ１２を高性能なポンプに交換する必要性がなくなる。

したがって、ジェットポンプのＭ比とジェットポンプ効率が向上すると、より少ない再循環ポンプ動力で所定の炉心流量を確保することができ、再循環ポンプ１２のランニングコストを低減することができる。

また、炉心出力の増加に対応して炉心流量を増加させると燃料経済性が向上するが、Ｍ比とジェットポンプ効率を向上させたジェットポンプを用いることにより、再循環ポンプ１２を同じポンプ動力のままで炉心出力増加に対応した炉心流量を確保することができるので、再循環ポンプ１２を高性能なポンプに交換することが不要で出力向上に伴う機器交換のコストを抑えることができる。

図１及び図４は、図２に示した本実施例のジェットポンプに設置されたノズル３１の詳細構造を示すものである。

図１及び図４において、本実施例のジェットポンプ１に設置されるノズル３１はノズル台座２０に下方に伸延した略円筒形状のノズル３１ａを合計６本、同心円状に等間隔で配置した構造となっている。

これらのノズル３１ａの詳細について図５を用いて更に説明する。

図５に示すように、ノズル３１ａは流路径となるノズル内径をノズルの上流側から下流側にかけてＤ１〜Ｄ５と順次定義した場合、ノズル内径の大小は、Ｄ１＞Ｄ２＝Ｄ３＞Ｄ４＝Ｄ５となるように形成されている。

つまり、本実施例のジェットポンプ１では、ノズル３１ａはノズルの最上流側で流路径を一定に形成したノズル内径Ｄ１のノズル直管部３２と、このノズル直管部３２の下流側に位置して流路径が絞られたノズル内径Ｄ１からＤ２に減少する長さＬ１の第一段のノズル絞り部３３と、このノズル絞り部３３の下流側に位置して流路径を一定に形成した内径Ｄ２と同径のノズル内径Ｄ３を有するノズル直管部３４と、このノズル直管部３４の下流側に位置して流路径が絞られたノズル内径がＤ３からＤ４へ減少する長さＬ２の第２段のノズル絞り部３５と、このノズル絞り部３５の下流側となる最下流側に位置して流路径を一定に形成した内径Ｄ４と同径のノズルＤ５を有するノズル噴出口４０を備えたノズル下端部３６とから構成されている。

そして本実施例のジェットポンプ１のノズル３１ａにおいては、上記した第１段のノズル絞り部３３及び第２段のノズル絞り部３５の２箇所でノズルの流路が絞られた構成となっている。

そして上記したようにノズル絞り部３３及びノズル絞り部３５の上流側にノズル直管部３２とノズル直管部３４をそれぞれ設けた構成となっている。

本実施例のジェットポンプ１のノズル３１ａでは、第１段のノズル絞り部３３の絞り角θ１と第２段のノズル絞り部３５の絞り角θ２はそれぞれ次の（１）式、（２）式で計算できる。

θ１＝ｔａｎ^−１（（Ｄ１−Ｄ２）／２／Ｌ１）・・・（１）
θ２＝ｔａｎ^−１（（Ｄ３−Ｄ４）／２／Ｌ２）・・・（２）
本実施例のジェットポンプ１のノズル３１ａにおいては、上記した第１段のノズル絞り部３３及び第２段のノズル絞り部３５の各ノズル絞り角θ１、θ２はノズル噴出部４０に近い第２段のノズル絞り部３５のノズル絞り角θ２の方が第１段のノズル絞り部３３のノズル絞り角θ１よりも角度が大きくなるように、θ２＞θ１に形成されている。

さらに、第２段のノズル絞り部３５の下流側にはノズル下端部３６が接続されており、このノズル下端部３６の先端には駆動流体を噴出するノズル噴出口４０が形成されている。

前記したノズル下端部３６としては、流路径を一定に形成した内径Ｄ４と同一径の内径Ｄ５のノズル直管部、または流路径が緩やかに絞られた内径Ｄ４がノズル先端に向かって少々減少するノズル絞り部によって形成する。

このノズル下端部３６には、流路径を一定に形成した内径Ｄ５で先端に駆動流体を噴出するノズル噴出口４０が形成されたノズル直管部を用いるのが望ましいが、このノズル下端部３６から噴出する駆動流体の噴流の流速を向上させるために前記ノズル直管部に替えて流路径が緩やかに絞られて内径Ｄ４がノズル先端のノズル噴出口４０に向かって少々減少するノズル絞り部を用いても良い。

ノズル下端部３６に流路径が緩やかに絞られた前記ノズル絞り部を用いる場合には、ノズル下端部３６の噴出口４０から噴出する駆動流体の広がりを所望の範囲内に抑制するためにこのノズル絞り部のノズル絞り角θは２度未満程度の小さな角度で形成するのが望ましい。

上記した図５に示した構成の本実施例のジェットポンプ１におけるノズル３１ａにおいて、図３に示したライザ管１３及びベント管１４を経由してノズル３１ａに流入した駆動流体１０は、まずこのノズル３１ａを構成している最上流側のノズル内径Ｄ１を有するノズル直管部３２を流れ、次にノズル直管部３２の下流側に位置してノズル内径がＤ１からＤ２に減少する第１段のノズル絞り部３３を流下して徐々に加速される。

その後、駆動流体１０はノズル絞り部３３の下流側に位置してノズル内径Ｄ３を有するノズル直管部３４を流れ、更にこのノズル直管部３４の下流側に位置してノズル内径がＤ３からＤ４に減少する大きい絞り角θ２を持つ第２段のノズル絞り部３５を流下して加速される。

この第２段のノズル絞り部３５の絞り角θ２は、上流側の第１段のノズル絞り部３３の絞り角θ１よりも大きい絞り角を有するように構成されている。

そしてノズル絞り部３５を流下して加速された駆動流体１０はノズル絞り部３５の下流側に位置してノズル内径Ｄ５を有するノズル直管部又はノズル内径がＤ５から緩やかに絞られたノズル絞り部で形成されたノズル下端部３６の先端に設けたノズル噴出口４０から下流側のスロート１７に向かう噴流２１となって噴出される。

駆動流体１０は第２段のノズル絞り部３５でノズル３１ａの中心軸に向かう速度成分が与えられるが、流体は壁面に沿って流れる性質があるため、ノズル絞り部３５の下流側にノズル直管部又は緩やかに絞られたノズル絞り部から形成された前記ノズル下端部３６を設けることによって、ノズル下端部３６の先端に形成したノズル噴出口４０から直径Ｄ５で噴出される。

このとき、第２段のノズル絞り部３５の絞り角θ２が大きいほどノズル中心軸に向かう運動量が残るため、ノズル下端部３６のノズル噴出口４０から噴出される噴流２１ａの拡がりが抑えられて、ノズル噴出口４０から下流へＬ３進んだときの噴流２１ａの直径Ｄ６を所望の範囲内に抑制して小さく形成させることができる。

噴流２１ａの直径Ｄ６は噴流２１の流路幅であり、噴流２１の直径Ｄ６が小さいほど噴流２１の速度が大きいことになる。

噴流２１ａの拡がりを抑制して速度を維持したままノズル３１ａから駆動流体がスロート１７へ流入すると、スロート１７内部の静圧がより低下するため該スロート１７上部のベルマウス１６から周囲の被駆動流体２２をスロート１７内部により多く吸込むことができる。

仮にこのノズル下端部３６がノズル絞り部３５の下流側に設置されていない場合には、第２段のノズル絞り部３５で与えられたノズル３１ａの中心軸に向かう駆動流体の運動量により噴流２１の直径が噴出後も小さくなる。

すなわち、ノズル噴出口４０から距離Ｌ３での噴流２１の直径Ｄ６が望ましくは直径Ｄ４＝Ｄ５のノズル直管部から形成されたノズル下端部３６の直径Ｄ５よりも小さくなり、噴流速度が上昇して加速損失が増大するため、駆動流体の流量が減少する。

このため、ノズル絞り部３５の下流側にノズル下端部３６を設置してノズル噴出口４０から噴出する噴流２１ａの直径がノズル直管部を形成する直径Ｄ５以下にならないようにして、加速損失増大による駆動流体の流量減少を防いでいる。

なお、加速損失の増加が無視できる程度にノズル下端部３６は、前述したようにノズル直管部に替えてノズル絞り部３５より小さい絞り角をつけたノズル絞り部から形成してもよい。

また、ノズル絞り部はノズル３１ａに２箇所以上設けると、ノズル３１ａの圧力損失を抑制しつつ、被駆動流体の流路を広くすることができる。

次に、仮にノズル噴出口４０の内径をＤ５で固定して、Ｄ２の内径をＤ１＝Ｄ２としてノズル絞り部３３を直管とし、ノズル絞り部をノズル絞り部３５の１箇所にした場合を考える。

ノズル絞り部３５の長さＬ２を変更しない場合、ノズル直管部３２とノズル絞り部３３の流路が狭くなって内部を流れる駆動流体１０の流速が増加するため、摩擦損失が増大して駆動流体１０の流量が減少する。

また、ノズル絞り部３５の長さＬ２を大きくしてノズル絞り部３５の上流の流路面積を大きくする場合には、ノズル３１ａの外径が大きくなり、複数のノズル３１ａ間に形成される被駆動流体２２の流路面積を狭くするので、被駆動流体２２の吸い込み量が減少してしまう。

したがって、本実施例のジェットポンプ１のノズル３１ａのように２箇所以上のノズル絞り部をノズル３１ａに設けることによって、ノズル３１ａ内の流路が狭くなり内部を流れる駆動流体１０の流速が増加して摩擦損失が増大する領域を小さくし、且つノズル３１ａの外径の大きい領域を小さくして吸い込む被駆動流体２２の流路面積を確保することができる。

本実施例のジェットポンプ１によれば、図１に示すようにノズル台座２０に流入した駆動流体１０はノズル３１ａを通って加速され、噴流２１ａとなってスロート１７に噴出される。

前述したように噴流２１ａの拡がりを抑えることができるため、スロート１７に到達した噴流２１ａの速度は大きくなってスロート１７内の静圧がより低下し、その結果、被駆動流体２２をスロート１７により多く吸込むことができる。

１段階で絞られた絞り部と直管部からなる従来構造のジェットポンプのノズルと比較して、本実施例のジェットポンプ１のノズル３１ａにおいては、図５に示した実施例を用いて詳細に説明したように２箇所の絞り部を設けたことによって、ノズル３１a内の圧力損失を１段階で絞られた絞り部を有するノズルと同等で、かつ、ノズル間に形成される被駆動流体の流路面積の減少を最小限に抑えることが可能となる。

図６は、実験で得られた実線で示した本発明のジェットポンプ１のポンプ特性であるＭ比とジェットポンプ効率を、破線で示した比較例の従来の１段階で絞られた絞り部と直管部からなるノズルを備えたジェットポンプのポンプ特性のそれと共に示したものである。

本実施例のジェットポンプ１においては、前記した構成のノズル３１ａの効果によって同流量の駆動流体に対して吸込める被駆動流体の流量を多くすることができるため、図７に実線で示したようにジェットポンプのポンプ特性がＭ比が高くなる方に遷移しているだけでなく、ピークのジェットポンプ効率も向上している。

上記した本実施例のジェットポンプは、駆動流体を噴出するノズル３１ａと、周囲の被駆動流体の吸い込み口であるベルマウス１６と、駆動流体と被駆動流体が混合するスロート１７と、前記駆動流体と前記被駆動流体の混合流体の圧力を昇圧して吐出させるディフューザ１８で構成されるジェットポンプであって、ノズルを取り付けるノズル台座２０に複数本のノズル３１ａを同心円状に等間隔で配置し、前記各ノズル３１ａにはノズル直管部３２、３４、３６と流路が絞られたノズル絞り部３３、３５とをそれぞれ備えると共に前記ノズル絞り部３３、３５は複数設置するようにし、前記ノズル３１ａのノズル噴出口部４０に近いノズル絞り部３５のノズル絞り角θ２が他のノズル絞り部３３のノズル絞り角θ１よりも大きくなるように形成している。

このノズル絞り部３５の絞り角θ２を大きく形成することによって駆動流体が噴出された後の拡がりを抑制してスロート１７の入口での駆動流体の速度低下を抑制するとともに、ノズル絞り部３５の下流側に下端にノズル噴出口４０を備えたノズル直管部又は流路が緩やかに絞られたノズル絞り部を形成するノズル下端部３６を設けて、絞りによって過度に速度が上昇してノズル部の圧力損失が大きく上昇するのを防いでいる。

スロート１７での駆動流体の速度が維持されているため、スロート１７の内部の静圧がより低下して被駆動流体の吸い込み量が多くなり、ジェットポンプのＭ比と効率を向上させることができる。

以上の説明から明らかなように、本実施例のジェットポンプによれば、スロート入口での駆動流体の速度低下を抑制すると共に被駆動流体の吸い込み量を増加させて、ジェットポンプの流量比（Ｍ比）とジェットポンプの効率を向上させたジェットポンプが実現できる。

沸騰水型原子炉に設置された本発明を適用した他の実施例であるジェットポンプ１について図７及び図８を用いて説明する。

本実施例のジェットポンプ１は、図１、図３〜図６に示した先の実施例であるジェットポンプ１とは基本構成とが共通しているので、共通の構成についてはその説明を省略し、相違する部分についてのみ説明する。

図７及び図８に示した本実施例のジェットポンプ１では、ジェットポンプ１を構成するノズルはノズルの長さが異なる長尺ノズル３１ａと短尺ノズル３１ｂの２種類を備えており、長尺ノズル３１ａと短尺ノズル３１ｂはそれぞれ３本ずつ合計６本を同心円状に交互に等間隔に配置している。

また、本実施例のジェットポンプ１を構成するノズルである長尺ノズル３１ａと短尺ノズル３１ｂの下端のノズル先端となる先端位置の差をｘとしている。

また、短尺ノズル３１ｂの第１段のノズル絞り部３３ｂと第２段のノズル絞り部３５ｂのうち、ノズル噴出部４０ｂに近い位置の第２段のノズル絞り部３５ｂにおけるノズル絞り角θ２bは、第１段のノズル絞り部３３ｂにおけるノズル絞り角θ１bよりも大きくなるように、θ２ｂ＞θ１ｂに形成している。

同様に、長尺ノズル３１ａの第１段のノズル絞り部３３ａと第２段のノズル絞り部３５ａのうち、ノズル噴出部４０ａに近い位置の第２段のノズル絞り部３５ａにおけるノズル絞り角θ２aは、第１段のノズル絞り部３３ａにおけるノズル絞り角θ１ａよりも大きくなるように、θ２ａ＞θ１aに形成している。

また、本実施例のジェットポンプ１に設置されたノズルを構成する長尺ノズル３１ａの第２段のノズル絞り部３５ａにおけるノズル絞り角θ２aと、短尺ノズル３１ｂの第２段のノズル絞り部３５ｂにおけるノズル絞り角θ２ｂでは、短尺ノズル３１ｂの第２段のノズル絞り部３５ｂにおけるノズル絞り角θ２ｂが長尺ノズル３１ａの第２段のノズル絞り部３５ａにおけるノズル絞り角θ２aよりも大きくなるように、θ２ｂ＞θ２aに形成している。

更に本実施例のジェットポンプ１に設置されたノズルを構成する長尺ノズル３１ａの第２段のノズル絞り部３５ａ及び短尺ノズル３１ｂの第２段のノズル絞り部３５ｂの下流側にはノズル下端部３６ａ、３６ｂがそれぞれ接続されており、これらのノズル下端部３６ａ、３６ｂの先端には駆動流体を噴出するノズル噴出口４０ａ、４０ｂがそれぞれ形成されている。

そして前記したノズル下端部３６としては、流路径を一定に形成した内径Ｄ４と同一径の内径Ｄ５のノズル直管部、または流路径が緩やかに絞られた内径がノズル先端に向かって少々減少するノズル絞り部によって形成する。

これらのノズル下端部３６ａ、３６ｂには、流路径を一定に形成されて先端に駆動流体を噴出するノズル噴出口４０ａ、４０ｂが形成されたノズル直管部を用いるのが望ましいが、これらのノズル下端部３６ａ、３６ｂから噴出する駆動流体の噴流の流速を向上させるために前記ノズル直管部に替えて流路径が緩やかに絞られて内径がノズル先端のノズル噴出口４０ａ、４０ｂに向かって少々減少するノズル絞り部を用いても良い。

ノズル下端部３６ａ、３６ｂに流路径が緩やかに絞られたノズル絞り部を用いる場合には、ノズル下端部３６ａ、３６ｂの噴出口４０ａ、４０ｂからそれぞれ噴出する駆動流体の広がりを所望の範囲内に抑制するためにこのノズル絞り部のノズル絞り角θは２度未満程度の小さな角度で形成するのが望ましい。

また以上の構成からなるジェットポンプにおいて、ノズル台座２０に流入した駆動流体１０は複数設置された長尺ノズル３１ａ及び短尺ノズル３１ｂを通って加速され、噴流２１ａおよび噴流２１ｂとしてスロート１７内に噴出される。

長尺ノズル３１ａと短尺ノズル３１ｂに設置された前記ノズル絞り部３５ａ、３５ｂでの各ノズル絞り角θ２a、θ２bとノズル長さの違いによる圧力損失の増減は無視できる程度なので、ノズル台座２０に流入した駆動流体１０は６本のノズル（３本の長尺ノズル３１ａと３本の短尺ノズル３１ｂ）をほぼ均等に流量配分されて流れる。

長尺ノズル３１ａ及び短尺ノズル３１ｂからスロート１７内に噴出した噴流２１ａ及び噴流２１ｂによってベルマウス１６からスロート１７内に吸い込まれる被駆動流体２２は、まず、短尺ノズル３１ｂから噴出される駆動流体１０の半分の流量の噴流２１ｂにより加速される。

短尺ノズル３１ｂから噴出された噴流２１ｂで加速された被駆動流体２２は、距離ｘ進んだところで長尺ノズル３１ａから噴出される噴流２１ａによりさらに加速される。

このように、被駆動流体２２を２段階で加速すると、駆動流体１０の全流量で一度に加速するよりも、被駆動流体２２をスムーズに加速できるため、損失が少なくジェットポンプ効率が向上する。

また、距離ｘ分だけ被駆動流体２２の流路面積が拡がっているため、被駆動流体２２をスロート１７に吸込みやすく、Ｍ比とジェットポンプ効率が向上する。

本実施例のジェットポンプ１においても、詳細な説明は省略するが図６に実線で示した本発明のジェットポンプ１のポンプ特性であるＭ比とジェットポンプ効率と同様のポンプ特性を得ることができる。

また本実施例のジェットポンプ１においては、前記した構成のノズル３１ａの効果によって同流量の駆動流体に対して吸込める被駆動流体の流量を多くすることができるため、図７に示されたようにジェットポンプのポンプ特性がＭ比が高くなる方に遷移しているだけでなく、ピークのジェットポンプ効率も向上している。

ところで短尺ノズル３１ｂから噴出された噴流２１ｂは、噴流２１ａと比較して、距離ｘだけ先に被駆動流体２２と運動量交換を行うため、長尺ノズル３１ａのノズル絞り部３５ａと短尺ノズル３１ｂのノズル絞り部３５ｂの各ノズル絞り角θ２a、θ２ｂを同じに設定すると、スロート１７内部の同じ位置で噴流速度を比較した場合、噴流２１ｂの速度のほうが小さくなる。

しかしながら、本実施例のジェットポンプ１では、短尺ノズル３１ｂのノズル噴出部４０ｂの直上となるノズル絞り部３５ｂにおけるノズル絞り角θ２ｂを、長尺ノズル３１ａのノズル噴出部４０ａの直上となるノズル絞り部３５ａにおけるノズル絞り角θ２aよりも大きくなるように、θ２ｂ＞θ２aと形成しているため、噴流２１ｂの拡がり角が噴流２１ａの拡がり角よりも小さい。

特に、スロート１７内部の同じ高さにおいて噴流２１ａと噴流２１ｂの速度が同じになるようにノズル絞り角θ２a、θ２ｂを調整しておけば、スロート１７部における噴流速度のアンバランスがなくなりエネルギー損失を低減できるため、ジェットポンプ効率が向上する。

本実施例のジェットポンプでは、ノズル本数を偶数とし、ノズルをノズル台座の同心円上に等間隔で配置し、ノズルの長さを２種類とし、短尺ノズル３１ｂと長尺ノズル３１ａを交互に配置する。

短尺ノズル３１ｂからの噴流で被駆動流体を第１段階に加速し、次に長尺ノズル３１ａで第２段階に加速する。

このように２段階に加速することにより被駆動流体をスムーズに加速することができるため圧力損失を低減でき、かつ、被駆動流体の吸い込み面積が増加するためジェットポンプのＭ比及び効率を向上させることができる。

また本実施例のジェットポンプでは、短尺ノズル３１ｂのノズル噴出口４０ｂの直上に位置するノズル絞り部３５ｂの絞り角θ２ｂが長尺ズル３１ａのノズル噴出口４０ａの直上に位置するノズル絞り部３５ａの絞り角θ２aよりも角度を大きく形成する。

短尺ノズル３１ｂのノズル噴出口４０ｂの直上のノズル絞り部３５ａのノズル絞り角θ２ｂを長尺ズル３１ａのノズル噴出口４０ａの直上のノズル絞り部３５ｂのノズル絞り角θ２aよりも大きく形成することにより、ノズル先端とスロート１７の入口部までの距離が長尺ノズル３１ａよりも長いことによるスロート１７の入口での長尺ノズル３１ａと短尺ノズル３１ｂの駆動流体の速度差を緩和して、安定的に被駆動流体を吸い込めるようにしてジェットポンプのＭ比と効率を向上させることができる。

本発明は、沸騰水型原子炉の圧力容器に設置されるジェットポンプに適用可能である。

本発明の一実施例であるジェットポンプのノズルを拡大して示す部分断面図。本発明のジェットポンプが設置される沸騰水型原子炉の概略構造を示す断面図。沸騰水型原子炉に設置した本発明の実施例であるジェットポンプの全体構成を示す斜視図。図１に示した本発明の実施例であるジェットポンプのノズルを設置した状況を示すノズルの水平断面配置図。図１に示した本発明の実施例であるジェットポンプのノズルの詳細構造を示す断面図。本発明の実施例であるジェットポンプの性能を比較例と共に示した特性図。本発明の他の実施例であるジェットポンプのノズルを拡大して示す部分断面図。図７に示した本発明の他の実施例であるジェットポンプのノズルを設置した状況を示すノズルの水平断面配置図。

符号の説明

１：ジェットポンプ、２：シュラウド、３：圧力容器、４：ダウンカマ、５：炉心、６：気水分離器、７：蒸気乾燥器、８：主蒸気配管、９：給水配管、１０：駆動流体、１１：再循環系配管、１２：再循環ポンプ、１３：ライザ管、１４：ベント管、３１ａ、３１ｂ：ノズル、１６：ベルマウス、１７：スロート、１８：ディフューザ、２０：ノズル台座、２１ａ、２１ｂ：噴流、２２：被駆動流体、３２、３２a、３２ｂ、３４、３４a、３４ｂ：ノズル直管部、３３、３３ａ、３３ｂ、３５、３５a、３５ｂ：ノズル絞り部、３６、３６ａ、３６ｂ：ノズル下端部、４０、４０ａ、４０ｂ：ノズル噴出口。

Claims

駆動流体をノズルへ導くライザ管と、このライザ管の下流側に設置され該ライザ管から導かれた駆動流体の流れを転向させるベント管と、このベント管の下流側に設置され該ベント管で転向された駆動流体を噴出するノズルと、周囲の被駆動流体の吸い込み口であるベルマウスと、このベルマウスの下流側に設置され該ベルマウスから吸い込まれた被駆動流体と前記ノズルから噴射された駆動流体とが混合するスロートと、このスロートの下流側に設置されこの混合した流体の圧力を昇圧して吐出させるディフューザを備えたジェットポンプにおいて、前記ノズルを取り付けるノズル台座に複数本のノズルを同心円状に配置し、前記各ノズルには流路径が一定のノズル直管部と、このノズル直管部の下流側で流路径が絞られたノズル絞り部とをそれぞれ複数設置し、前記ノズル絞り部のうちノズル噴出口に近いノズル絞り部のノズル絞り角度が他のノズル絞り部のノズル絞り角度よりも大きくなるように形成し、更にノズル噴出口部に近い前記ノズル絞り部の下流側にノズル噴出口を先端に備えた流路径が一定又は流路径がノズル先端のノズル噴出口に向かって減少するようにノズル絞り角θが２度未満に形成されたノズル絞り部を用いたノズル下端部を設置することを特徴とするジェットポンプ。
請求項１に記載のジェットポンプにおいて、前記ノズルをノズル台座の同心円状に偶数本等間隔で配置すると共に、前記ノズルは長さの短い短尺ノズルと長さの長い長尺ノズルとが交互に位置するように配置したことを特徴とするジェットポンプ。
請求項２に記載のジェットポンプにおいて、前記ノズルに備えた短尺ノズルのノズル噴出口部に近いノズル絞り部のノズル絞り角度が長尺ノズルのノズル噴出口に近いノズル絞り部のノズル絞り角度よりも大きくなるように形成されていることを特徴とするジェットポンプ。
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載されたジェットポンプを用いた沸騰水型原子炉。