JP4859162B2 - 原子炉冷却材ポンプの熱障壁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、原子炉冷却水を循環するポンプに関し、さらに詳細には、ポンプのシール及び軸受けを高温の原子炉冷却水から保護する熱障壁と、かかる熱障壁を組み込んだポンプとに関する。
【０００３】
【背景情報】
原子炉に冷却水を循環するポンプは過酷な条件に曝される。加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の原子炉冷却水は通常、圧力が約２２５０ｐｓｉ、温度が５００°Ｆを超える。ポンプ軸の軸受け及びシールは、熱障壁によりこれらの条件から保護される。よく使用されるタイプの熱障壁は、ポンプ軸がポンプ室内に延びるポンプハウジングの凹部に配設された円筒状カバーを含む。このカバーの端壁を、ポンプ軸が貫通してポンプ室内に延びる。ポンプハウジング内のカバーの反対端部上のフランジを介して注入される冷却水は、ポンプ軸と、カバー端壁の開口との間の間隙を通ってポンプ室に流入する。この注入水による冷却をバックアップするために、パンケーキ形コイルの積層体がカバーの下方において軸を取り囲む。パンケーキ形冷却コイルの入口及び出口部分は、コイル積層体の周面から軸方向にカバーのフランジを貫通する。別の水源からの冷却水をこの閉ループシステムに循環することができる。さらに別の熱的保護を与えるものとして、カバー側壁の内側表面に配置される環状の断熱材がある。かかる熱障壁は、カバー内の水の温度を、吸排される原子炉冷却水の温度５５０°Ｆより十分に低く、またシール及び軸受けの最高温度である２２０°Ｆよりも低い値に維持する。
【０００４】
しかしながら、原子炉を長期間運転すると、カバー端壁と側壁との間の交差部に、またカバー側壁とフランジとの間の溶接部に、さらにパンケーキ形冷却コイルの入口及び出口の貫通部分及び注入水の貫通部分に隣接するフランジに割れが生じることがある。
【０００５】
原子炉冷却水ポンプの改良型熱障壁、及びかかる改良型熱障壁を組み込んだ原子炉冷却水ポンプが求められている。
【０００６】
【発明の概要】
上記及び他の需要は、原子炉冷却水ポンプの熱障壁の現在の構成では、カバー内に約１３０°Ｆの温度で、また毎分約８ガロンの流量で流入する比較的低温の注入水と、熱障壁内部の高温（約１８０°Ｆ）の水との混合が不充分であるとの認識に基づく本発明により充足される。混合が不充分なため生じる流れの成層状態により、熱障壁のカバーの内壁が温度が変動する水に曝されることになる。熱障壁の定常壁温度が高くなればなるほど、水の温度変動が熱障壁に周期的な熱応力を発生させる効果が大きくなる。ポンプ軸の高速回転により生じる渦は、熱障壁のカバー端壁の温度分布を不均一にする１つの原因である。最後に、内部のカン状断熱材と、カバーの壁の内側表面との間にギャップがあり、これが熱変動効果を悪化させることが判明している。
【０００７】
従って、本発明の熱障壁では、ほぼ円筒状のカバーの内側表面は、パンケーキ形冷却コイルの周面の軸方向に延びる入口及び出口管により画定されるパンケーキ形冷却コイル積層体の不規則な周面と相補的である。これにより、パンケーキ形冷却コイル積層体と、ほぼ円筒状のカバーの内側表面との間の環状空間を自由に流れる水の体積が最小限に抑えられ、そのため流れの成層傾向が減少し、乱流が増加して、高温と低温の流れが十分に混合されることになる。
【０００８】
本発明の別の特徴として、カラーが、ポンプ軸に沿ってほぼ円筒状の本体の端壁から延びることにより、端壁とパンケーキ形冷却コイル積層体との間の渦の発生が阻止される。このカラーは、円周方向に分布した半径方向に延びる複数の通孔を有する。このカラーは、ほぼ円筒状のカバーの端壁と、パンケーキ形冷却コイル積層体との間に配置された環状シムと協働して、コイルに予負荷を与える。この構成によると、カラーがシムを確実にセンタリングすることができる。
【０００９】
本発明のさらに別の特徴として、内側のカン形断熱材の代わりに、ほぼ円筒状のカバーの少なくとも一部に、軸方向に沿って円周方向に延びる外側断熱手段を設ける。外側断熱手段は、ほぼ円筒状のカバーと共に実質的に停滞した原子炉冷却水を含む環状室を形成する外側スリーブより成る。好ましくは、同心配置される環状の複数のカン部材は、この環状室を各々が原子炉冷却水を含む複数の同心部分に分割する。環状室、従って同心部分は、圧力を等化させしかも冷却室の水を実質的に停滞した状態に維持するに十分な態様でポンプ室と連通関係にある。
【００１０】
外側スリーブは、ほぼ円筒状のカバーの上に焼き嵌めされ、ほぼ円筒状のカバーの軸方向に離隔した肩部より空間的に固定される。スリーブの熱膨張係数は、好ましくは、このほぼ円筒状のカバーより小さい。
【００１１】
【好ましい実施例の説明】
図１を参照して、原子炉冷却水ポンプ１は、ポンプ室５を形成するポンプハウジング３を有する。ハウジング３に装着された軸受け９により支持されるポンプ軸７は、ポンプ室５に延びる。インペラ１１は、ポンプ室５内のポンプ軸７の自由端部に固定されている。ポンプ軸７は、総括的に１３で示すモーターにより回転されて、インペラ１１を駆動するが、このインペラは原子炉冷却水を入口１５から吸い込み、出口１７から排出する。図２に最もよく示されるように、スリーブ１９は、ポンプ軸７を密封する上方及び下方のラビリンスシール２１ｕ、２１ｌを支持している。
【００１２】
上述したように、ポンプ室５の原子炉冷却水は、温度が約５５０°Ｆ、圧力が約２２５０ｐｓｉである。シール２１及び軸受け９をこれらの過酷な条件から保護するために、熱障壁２３が設けられている。この熱障壁２３は、端壁２７を有するほぼ円筒状のカバー２５より成り、この端壁にはポンプ軸７が貫通する中央開口２９がある。断熱スリーブ３１は、この開口２９のポンプ軸７上に設けられている。
【００１３】
多数の取付けボルト３３は、ほぼ円筒状のカバー２５の対角線方向対向部分において縦方向の孔部３５を貫通して、このカバーをポンプハウジング３に固定する。この構成により、以前はカバーをハウジングに固定していた溶接部における割れがなくなる。環状のシール３７は、ほぼ円筒状のカバーとハウジングの間に設けられている。
【００１４】
図３を参照して、冷却水は半径方向の孔部４１がハウジング３の軸方向の孔部４３と連通する通路３９を介してほぼ円筒状のカバー２５の内部へ注入される。軸方向の孔部４３は、半径方向の孔部４１との交差部で細くなっているため、流量計（図示せず）のための所要の圧力降下が得られ、しかもほぼ円筒状のカバー２５の内側へ流れが高速注入されることがない。この注入冷却水は、ポンプ軸及びシールを冷却し、カバーの端壁２７の開口２９と、ポンプ軸の断熱スリーブ３１とにより形成される環状ギャップを通ってカバーからポンプ室５へ流れ出る。
【００１５】
ポンプ軸及びシールの二次的冷却は、パンケーキ形冷却コイル４７の積層体４５により行われる。図４に最もよく示されるように、各パンケーキ形冷却コイル４７は、コイル周面の対角線方向に対向する点から軸方向に延びる入口及び出口管４９を有する。積層体４５の一連のパンケーキ形コイルの入口及び出口管は、隣接するコイルの入口及び出口管から角度的に変位している。これにより、積層体４５の周面５１が不規則形状になる。全ての入口及び出口管４９がポンプハウジングの方へ上方に延びるため、この不規則形状の周面５１は、対角線方向に対向する２組５３ａ、５３ｂの縦続段部５５を形成する。従来技術の熱障壁では、カバーの内側表面は円筒状であり、その直径はパンケーキ形コイルの入口及び出口管を収容する大きさであった。従って、パンケーキ形冷却コイル積層体４５と、冷却管が延びるところ以外の積層体部分に隣接するカバーとの間には、かなり大きな環状空間が存在する。発明者らは、これにより流れの成層状態が生じて、カバーの壁が温度が変動する水に曝されることを発見している。これが周期的な熱応力を発生させるが、本発明者らは、これがカバー、特に、側壁と端壁との間の界面の割れの原因であると思っている。
【００１６】
本発明によると、ほぼ円筒状のカバー２５は、パンケーキ形冷却コイル積層体４５の不規則な外側周面５１と相補的な内側周面５７を有する。かくして、図５及び６からわかるように、カバーのこの内側周面５７には、対角線方向に対向する２組（５９ａ及び５９ｂ）の縦続段部６１が設けられ、これらの段部は冷却コイル積層体４５上の縦続段部の組５３ａと５３ｂと嵌合する。この構成により、パンケーキ形冷却コイル積層体４５と、ほぼ円筒状のカバーの内側表面５７との環状空間６３（図３を参照）が最小限に抑えられ、注入水のためのほぼ環状の流路が提供される。この流路の半径方向の寸法は約０．１２５インチ（３．１７５ｍｍ）乃至０．２５インチ（６．３５ｍｍ）、好ましくは、約０．１２５インチ（３．１７５ｍｍ）である。これにより２つの利点が得られる。冷却水の流れの成層現象が最小限に抑えられ、乱流が増加して、注入水と熱障壁内の水との良好な混合が促進される。
【００１７】
上述したように、パンケーキ形冷却コイル積層体４５は、シール２１と軸受け９とを冷却する別の手段を提供する。別の冷却水をこれらパンケーキ形冷却コイルを介する閉ループに循環させる。通路３９に冷却水を注入しない場合、ポンプ室５内の冷却水がカバー端壁２７の開口２９と、ポンプ軸７との間のギャップを通って、冷却コイル積層体４５の下半分に流入し、上方および外方に流れる。図２からわかるように、スリーブ１９は、その下方端部に半径方向フランジ６５を有し、このフランジは、パンケーキ形冷却コイル積層体の上半分と下半分との間を外方に延びる。これにより、原子炉冷却水は積層体の下半分を半径方向外方に流れた後、上半分を半径方向内方に流れることになる。その後、冷却水はラビリンスシール２１と軸受けを通過する。
【００１８】
本発明の熱障壁２３は、図２に示すように、ポンプ軸７に沿って端壁２７の中央開口２９から軸方向にパンケーキ形冷却コイル４５内に延びる円筒状カラー６７をさらに有する。図７に断面を示すこのカラー６７は、ポンプ軸７の回転により生じる渦がカバーの下方領域を半径方向に流れて、カバーの下方内側表面上に温度の変動を生じさせないようにする。このカラー６７は、円周方向に離隔した半径方向に延びる多数の開口６９を有するが、これにより熱交換器コイルの温度条件がカラーの存在により有意に変化しないようになる。好ましくは、環状フランジ７１は、端壁２７に隣接するカラーの下方端部から半径方向外方に延びる。パンケーキ形コイル積層体と端壁２７との間に挿入されるこのフランジ７１は、パンケーキ形冷却コイル積層体に予負荷を与える従来技術で使用するシムの機能を有し、ポンプによりばらつきのある組立体の公差を補償するように機械加工することができる。開口６９は、フランジ７１を延びて、保守のためにこのカバーを完全に排水する。
【００１９】
上述したように、従来技術で使用する内部の断熱スリーブは、高温の冷却水が内側にある障壁の下方端部と円筒状カバーとの間のギャップに流入するようになっているため、熱応力の発生源となることがわかっていた。
【００２０】
本発明は、この内側の断熱手段をなくし、代わりに、外側の断熱手段７３を提供するものである。図８−１０に最も良く示されるように、外側の断熱手段７３は、ほぼ円筒状のカバー２５の外側表面７７と共に環状室７９を形成するスリーブ７５を有する。この環状室は、ほぼ円筒状のカバー２５の周面７７の環状溝８１により形成するのが好ましい。この環状室７９は、小さな開口８３を介してポンプ室５と連通関係にある。この開口８３により、原子炉冷却水が環状室７９を充填できる。開口８３のサイズは、環状室７９の圧力がポンプ室５の圧力と等化されるが、環状室７９内の原子炉冷却水は実質的に停滞した状態を維持するようなものである。本発明の実施例によると、この開口８３は、直径が約０．１２５インチ（３．１７５ｍｍ）である。原子炉冷却水のこの停滞した層により、カバーのための環状の断熱層が得られる。
【００２１】
好ましくは、環状室７９は、一連の互いに嵌合する環状カン８５ａ−８５ｃにより多数の同心環状部分７９ａ−７９ｄに分割されている。実施例の外側断熱手段７３では、溝８１は一連の環状段部８７ａ−８７ｃを有し、カン８５ａ−８５ｃの上方端部がそれぞれこれらに溶接される。従って、カンの下方端部は開いた状態にあるため、環状室７９の同心部分７９ａ−７９ｄは連通関係にある。環状室７９の同心部分７９ａ―７９ｄの半径方向寸法は、カン８５ａ−８５ｃ上のディンプルにより維持される。同心部分７９ａ−７９ｄの半径方向寸法は、好ましくは、０．０５インチまたはそれ以下である。
【００２２】
断熱スリーブ７５は、円筒状の本体２５上に焼き嵌めされる。さらに、断熱スリーブ７５は円筒状の本体２５よりも小さい熱膨張係数を有する材料で作られている。実施例の熱障壁では、円筒状のカバーを熱膨張係数が約９．５乃至９．６インチ／インチ／°Ｆ（１７．１９５乃至１７．３７６ｍｍ／ｍｍ／℃）の３０４ステンレススティールで形成し、断熱スリーブ７５を熱膨張係数が約７．１／インチ／インチ／°Ｆ（１２．８５ｍｍ／ｍｍ／℃）の合金６２５で作製する。断熱スリーブ７５はさらに、環状肩部９１、９３により円筒状のカバー２５上の定位置に確実に保持されるようにする。これらの肩部は、上方端部の半径方向寸法が約０．１９０インチ（４．８２６ｍｍ）、下方端部の半径方向寸法が０．０３０インチ（約０．７６２ｍｍ）である。この断熱スリーブ７３を円筒状のカバー２５上への焼き嵌めのため約９００°に加熱し、０．３０インチ（０．７６２ｍｍ）の肩部上に挿入する。
【００２３】
本発明の熱障壁は、パンケーキ形冷却コイル積層体と、円筒状のカバーの内側表面に機械加工により形成された段部との嵌合により、注入冷却水の体積を最小限に抑えて成層効果を減少することにより割れの発生を減少すると予想される。カバーの下方領域に拡がる渦を抑制するカラーを設けることにより、割れを減少させる。また、円筒状のカバーの外側表面上に外側断熱手段を設けることにより、円筒状のカバーの温度勾配が減少する。これにより、従来技術の内側断熱手段の端縁部下方に水が流入するため生じる温度応力もなくなる。従来技術の熱障壁の取付けフランジを固定する溶接部の割れは、代わりにボルト接続を用いることによりなくなった。
【００２４】
本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、当業者は、本願の教示全体に鑑みてこれら実施例の種々の変形例及び設計変更を想到できることが明らかである。従って、図示説明した特定の構成は例示的なものであて、本発明の範囲を限定するものではなく、この範囲は任意及び全ての均等物の全幅を与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明による原子炉冷却水ポンプの縦方向断面図である。
【図２】 図２は、図１のポンプの断片的な拡大断面図である。
【図３】 図３は、図１のポンプを図２から角度的に変位させた状態の断片的断面図である。
【図４】 図４は、図１のポンプの一部を形成するパンケーキ形冷却コイル積層体を上下反転して示す斜視図である。
【図５】 図５は、カバーの壁の内側表面の縦続段部を示す、ポンプの一部を形成するカバーの頂部平面図である。
【図６】 図６は、縦続段部を示す円筒状カバーの垂直断面図である。
【図７】 図７は、図１のポンプの一部を形成する渦流防止ダムの縦方向断面図である。
【図８】 図８は、本発明の一部を形成する外側断熱手段の構成を示す、円筒状カバーの拡大断面図である。
【図９】 図９は、図８の拡大断面図である。
【図１０】 図１０は、図８の別の拡大断面図である。

Claims (29)

1. ポンプ室を有するポンプハウジングと、原子炉冷却水をポンプ室を介して吸排するためにポンプ室内のポンプ軸に装着されたインペラと、ポンプ室に隣接するポンプ軸を密封するシールとを備えた原子炉冷却水ポンプの熱障壁であって、
   中央開口をポンプ軸が貫通する円形の端壁を有するほぼ円筒状のカバーと、
   ほぼ円筒状のカバーの内部にポンプ軸に沿って配置され、周面にある軸方向に延びる入口及び出口管が軸方向に延びる不規則形状の周面を有するコイル積層体を形成する複数のパンケーキ形冷却コイルとより成り、ほぼ円筒状のカバーの軸方向に延びる内側表面は、コイル積層体の軸方向に延びる不規則形状の周面と相補的である原子炉冷却水ポンプの熱障壁。
2. コイル積層体の軸方向に延びる不規則形状の周面と、ほぼ円筒状のカバーの軸方向に延びる相補的な内側表面とは、半径方向寸法が０．１２５インチ（３．１７５ｍｍ）である注入水のためのほぼ環状の流路を形成する請求項１の熱障壁。
3. コイル積層体の軸方向に延びる不規則形状の周面と、ほぼ円筒状のカバーの軸方向に延びる相補的な内側表面との間のほぼ環状の流路は、半径方向寸法が０．１２５インチ（３．１７５ｍｍ）乃至０．２５インチ（６．３５ｍｍ）である請求項１の熱障壁。
4. 複数のパンケーキ形冷却コイルの周面の軸方向に延びる一連の入口及び出口管は互いに角度的に変位しており、ほぼ円筒状カバーの軸方向に延びる内側表面は複数のパンケーキ形冷却コイルの周面の軸方向に延びる角度的に変位した入口及び出口管と嵌合する複数の縦続段部を有する請求項１の熱障壁。
5. 複数のパンケーキ形冷却コイルの周面の軸方向に延びる入口及び出口部分は対角線方向に対向しており、ほぼ円筒状のカバーの軸方向に延びる内側表面は対角線方向に対向する２組の縦続段部を有する請求項４の熱障壁。
6. ほぼ円筒状のカバーの円周方向に、また該カバーの少なくとも一部に沿って軸方向に延びる外側断熱手段をさらに含む請求項１の熱障壁。
7. 外側断熱手段は、ほぼ円筒状のカバーの上に配設されて、ほぼ円筒状のカバーと共に原子炉冷却水を含む環状室を形成するスリーブより成る請求項６の熱障壁。
8. 環状室は、内部圧力をポンプ室の圧力に実質的に等化させるに十分な通路を介してポンプ室と連通し、しかも、環状室内の原子炉冷却水を実質的に停滞した状態に維持する請求項７の熱障壁。
9. 外側断熱手段はさらに、環状室を各々が原子炉冷却水を含む同心部分に分割する少なくとも１つの環状カンよりなる請求項７の熱障壁。
10. 少なくとも１つの環状カンは、環状室を各々が原子炉冷却水を含む複数の同心部分に分割する同心配置の複数の環状カンより成る請求項９の熱障壁。
11. 環状室の同心部分は互いに連通関係にある請求項１０の熱昇壁。
12. 環状カンは、環状室の同心部分の半径方向寸法を設定する半径方向に延びるディンプルを有する請求項１０の熱障壁。
13. 環状室はほぼ円筒状のカバーの外側表面の環状溝と、環状溝を軸方向に覆うスリーブとにより形成される請求項１０の熱障壁。
14. 環状溝は一方の端部に軸方向に離隔した複数の段部を有し、複数の環状カンはそれぞれ１つの段部に固定される請求項１３の熱障壁。
15. スリーブは、ほぼ円筒状のカバーの環状溝の上に焼き嵌めされて環状室を形成する請求項１４の熱障壁。
16. スリーブは、ほぼ円筒状のカバーより小さい熱膨張係数を有する請求項１５の熱障壁。
17. ほぼ円筒状のカバーは、環状室を包囲するためにスリーブの軸方向位置を固定する少なくとも１つの半径方向外方に延びる肩部を有する請求項１５の熱障壁。
18. ほぼ円筒状のカバーの端壁の中央開口からポンプ軸に沿って軸方向にコイル積層体内に延びるカラーをさらに含む請求項１の熱障壁。
19. カラーは、円周方向に分布する半径方向に延びる複数の通孔を有する請求項１８の熱障壁。
20. カラーは、端壁に隣接して、該端壁と、コイル積層体との間を延びて、コイル積層体の環状シムを形成する半径方向フランジを有する請求項１８の熱障壁。
21. カラーは、円周方向に分布した半径方向に延びる複数の通孔を有する請求項２０の熱障壁。
22. 通孔は軸方向に少なくとも環状シムまで延びる請求項１９の熱障壁。
23. 原子炉冷却水ポンプであって、
    ポンプ室を有するポンプハウジングと、
    ポンプ室内に延びるポンプ軸と、
    原子炉冷却水をポンプ室を介して吸排するためにポンプ室内のポンプ軸に装着されたインペラと、
    ポンプ軸をポンプ室に隣接して密封するシールと、
    熱障壁とより成り、熱障壁は、
    中央開口をポンプ軸が貫通する円形の端壁を有し、ポンプ室内に装着されたほぼ円筒状のカバーと、
    ほぼ円筒状のカバーの内部をポンプ軸に沿って延び、周面の軸方向に延びる入口及び出口管が軸方向に延びる不規則形状の周面を有するほぼ環状のコイル積層体を形成するパンケーキ形冷却コイルの積層体より成り、ほぼ円筒状のカバーの軸方向に延びる内側表面は、パンケーキ形冷却コイル積層体の軸方向に延びる不規則形状の周面と相補的である原子炉冷却水ポンプ
24. 熱障壁はさらに、ほぼ円筒状のカバーの円周方向に、また該カバーの少なくとも一部に沿って軸方向に延びる外側断熱手段を含む請求項２３の原子炉冷却水ポンプ。
25. 熱障壁はさらに、中央開口と同心的に、端壁とパンケーキ形冷却コイル積層体との間に配設された環状シムと、ポンプ軸の周りを軸方向に端壁から離れる方向に延び、円周方向に分布した半径方向に延びる複数の通孔を有するカラーとより成る請求項２３の原子炉冷却水ポンプ。
26. 外側断熱手段は、ほぼ円筒状のカバーの上に焼き嵌めされ、ほぼ円筒状のカバーと共に実質的に停滞した原子炉冷却水を含む環状室を形成するスリーブより成る請求項２４の原子炉冷却水ポンプ。
27. 熱障壁はさらに、ほぼ円筒状のカバーの内部にポンプ軸に沿って軸方向に配置された複数のパンケーキ形冷却コイルと、端壁の中央開口と同心的に、端壁と複数のパンケーキ形冷却コイルとの間に配設され、ポンプ軸の周りを端壁から離れる方向に延びるカラーを有する環状シムとより成る請求項２６の原子炉冷却水ポンプ。
28. カラーは、円周方向に分布した半径方向に延びる複数の通孔を有する請求項２７の原子炉冷却水ポンプ。
29. ほぼ円筒状のカバーは、ポンプハウジングに取付けボルトにより固定されている請求項２３の原子炉冷却水ポンプ。

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