JPH06230173A

JPH06230173A - インターナルポンプの吐出流量測定装置

Info

Publication number: JPH06230173A
Application number: JP50A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Shioyama; 勉塩山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1993-02-05
Publication date: 1994-08-19
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: JP3192797B2

Abstract

(57)【要約】【目的】保守点検が容易で、しかも高い測定精度が得ら
れるインターナルポンプの吐出流量測定装置を提供す
る。【構成】インターナルポンプにおけるポンプ軸（３）の
変位を計測する変位計（２１〜２４）と、インターナル
ポンプの回転数を計測する回転計（２７）と、この回転
計（２７）の出力と変位計（２１〜２４）の出力とを導
入し、この両値が関与する関係に予め求められている吐
出流量データを参照して吐出流量値を出力する吐出流量
較正手段（２５，２６，２８，２９，３０，３１，３
２）とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉圧力容器の底部
周縁に配置される再循環用インターナルポンプの吐出流
量を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、沸騰水型原子炉では圧力
容器の底部周縁に再循環用インターナルポンプを設けて
いるものが多い。インターナルポンプは、通常、軸流型
に構成されている。そして、インペラを圧力容器の内側
に位置させ、このインペラを駆動するモータを圧力容器
の底部から吊り下げられたモータケース内に収納してい
る。

【０００３】図１２にはインターナルポンプの構成例が
示されている。すなわち、図中１は沸騰水型原子炉の圧
力容器を示している。この圧力容器１の底部周縁からモ
ータケース２が吊り下げられている。このモータケース
２内には、ロータ３とステータ４とからなるモータ５が
組込まれており、ロータ３の内側にはポンプ軸６が一体
的に固着されている。ロータ３の下端および上端と静止
部との間にはそれぞれジャーナル軸受７，８が組込まれ
ており、これらによってロータ３が回転自在に支持され
ている。ポンプ軸６の上端部はモータケース２から圧力
容器１の内側へと突出しており、この突出部の先端部に
インペラ９が固着されている。このインペラ９の周囲お
よび下流側にはディフューザ１０が配置されている。

【０００４】沸騰水型原子炉には、図１３に示すよう
に、上記構造のインターナルポンプが通常１０台前後取
付けられており、これらで炉心に冷却水を送込むように
している。この図は圧力容器１内の冷却水の循環を縦断
面図と横断面図とを使って模式的に示したもので、図中
１１はシュラウドを示し、１２は炉心支持板部を示し、
実線矢印１３は冷却水の流れを示している。

【０００５】モータ５によって回転駆動されたインペラ
９の駆動力でインターナルポンプから吐出された冷却水
は、圧力容器１の底壁内面に沿って流れて炉心部下方で
合流する。原子炉の運転に必要な炉心流量の計測は炉心
支持板部１２に設けられた差圧計によって行われる。

【０００６】一方、各インターナルポンプの運転状態を
知るために必要なインターナルポンプ個々の吐出流量
は、インターナルポンプの上流・下流の圧力差（ポンプ
デック差圧）を計測する方法や、インターナルポンプの
上流部あるいは下流部の冷却水流路にフローノズルやベ
ンチュリ管のような流量測定素子を設けるなどの方法で
計測される。

【０００７】しかしながら、ポンプデック差圧を計測す
る方法では、複数台のインターナルポンプ間で回転数に
ばらつきのある場合には測定精度が落ちる問題があっ
た。また、冷却水流路に直接、流量測定素子を設ける方
式では、圧力容器内部の構造が複雑になり、インターナ
ルポンプの分解点検等の保守作業を難しくする欠点があ
った。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の測
定手法では、各インターナルポンプの回転数にばらつき
のある場合に測定精度が落ちたり、あるいは保守性を悪
化させたりする問題があった。

【０００９】そこで本発明は、上述した不具合を解消で
き、保守点検が容易で、個々のインターナルポンプ吐出
流量を精度良く測定できるインターナルポンプの吐出流
量測定装置を提供することを目的にしている。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するために、本発明では、インターナルポンプのインペ
ラの回転による駆動力でポンプ吐出流量が発生する際
に、吐出冷却水からの反力でインペラに流体力が加わ
り、さらにこの流体力の方向・大きさがポンプ回転数と
吐出流量に依存することに着目している。

【００１１】すなわち、本発明に係る吐出流量測定装置
は、インターナルポンプにおけるポンプ軸の変位を計測
する変位計と、インターナルポンプの回転数を計測する
回転計と、この回転計の出力と変位計の出力とを導入
し、この両値が関与する関係に予め求められている吐出
流量データを参照して吐出流量値を出力する吐出流量較
正手段とを備えている。

【００１２】

【作用】インペラに加わる流体力の方向・大きさがポン
プ回転数と吐出流量に依存することに着目して構成され
ているので、ポンプデック差圧を計測する方式や冷却水
流路にフローノズルやベンチュリ管を設ける方式に較べ
て構成の複雑化を招くことなく、しかも精度の高い測定
が可能となる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。まず、具体的な実施例を説明する前に、本発明装置
の測定原理を説明する。

【００１４】今、図２(a) に示すように、１つのインタ
ーナルポンプのインペラ９に着目してみると、このイン
ターナルポンプの吐出流量とインペラ９に加わる水平方
向の流体力Ｆｅとの間には、図２(b),(c) に示すよう
に、吐出流量の変化に応じて流体力Ｆｅの大きさおよび
方向が変化し、流量の多いときには流体力Ｆｅの大きさ
が増大し、その方向が圧力容器１の中心に向かう関係が
ある。

【００１５】これは、図３(a),(b) に示すように、イン
ペラ９より下流の曲り流路の影響を受け、吐出流量の多
い場合には圧力容器壁の内面により近い部分を多くが流
れ、その反力としての流体力Ｆｅが圧力容器１の中心に
向かう力としてインペラ９に加わるためである。また、
吐出流量の少ないときは、圧力容器壁の内面より離れた
シュラウド１１に近い部分を多くが流れるため、その反
力としての流体力Ｆｅが圧力容器壁側に向かう力として
インペラ９に加わる。

【００１６】インターナルポンプの回転数が変化する
と、インペラ９に加わる水平方向の流体力Ｆｅと吐出流
量との関係も変化する。したがって、流体力Ｆｅと吐出
流量との関係を論じるときには、ポンプの回転数毎に流
体力Ｆｅと吐出流量との関係を求めておく必要がある。
流体力Ｆｅの大きさは概ねポンプ回転数の二乗〜三乗に
比例する。

【００１７】上記説明から明らかなように、インペラ９
に加わる水平方向の流体力Ｆｅとポンプ吐出流量および
ポンプ回転数との間の関数関係は、インターナルポンプ
吐出部の流路形状が同じであれば一意的に決定される。
このようにインターナルポンプ吐出流量および回転数と
インペラ９に加わる水平方向の流体力Ｆｅとの間には一
意的な関係があるので、予め原子炉圧力容器下部の流路
を模擬した較正用の試験流路を用いて吐出流量，回転数
と流体力Ｆｅとの関係を求めておき、このデータと実運
転時に測定された水平方向の流体力Ｆｅ，回転数とを比
較することによって実運転時のポンプ吐出流量を測定で
きることになる。本発明に係る測定装置は上記の考えに
立脚している。

【００１８】なお、上記手法でインターナルポンプの吐
出流量を測定するには、インペラ９に加わる水平方向の
流体力Ｆｅを何等かの手段で計測する必要がある。この
計測は次のような方法で簡単に実現できる。

【００１９】インペラ９に加わる水平方向の流体力Ｆｅ
は、図４に示すように、ロータの上部・下部に設けられ
た２個のジャーナル軸受の軸受力Ｆ₁，Ｆ₂と、ロータ
・ステータ間の電磁吸引力Ｆ_mと、インペラ・ディフュ
ーザ間の軸受効果力Ｆ_Dとによって釣り合うモデルで近
似される。すなわち、インペラ９に加わる流体力Ｆｅ
は、力とモーメントのバランスにより、Ｆｅ＋Ｆ_D＋Ｆ₁＋Ｆ_m＋Ｆ₂＝０ …（力のバランス）Ｆ₁＊Ｌ₁＋Ｆ_m＊Ｌ_m＋Ｆ₂＊Ｌ₂＝０ …（モーメントのバランス）で表すことができる。

【００２０】ここで、Ｌ₁，Ｌ_m，Ｌ₂はそれぞれイン
ペラから上部ジャーナル軸受，モータ部，下部ジャーナ
ル軸受までの代表的な距離である。また、軸受力Ｆ₁，
Ｆ₂およびインペラ・ディフューザ間の軸受効果力Ｆ_D
は、図５(a),(b),(c) に示すように、軸受中心あるいは
ディフューザ中心からの回転軸の変位量（以下、偏心量
と呼ぶ）ｘ₁，ｘ₂，ｘ_Dの関数である。具体的には、
ポンプ回転数毎に係数の決まるレイノルズ方程式を解く
ことによって求められる。偏心量と軸受力Ｆ₁，Ｆ₂と
の関係の例を図６に示す。同図において、実線矢印１５
は回転軸の回転方向を示し、×印１６は上部および下部
ジャーナル軸受７（８）の軸受中心を示し、・印１７は
回転軸の偏心位置（偏心量）を示し、実線矢印１８は軸
受力Ｆ₁（Ｆ₂）の方向と大きさとを示している。ロー
タ・ステータ間の電磁吸引力Ｆ_mはロータ・ステータ間
の偏心量ｘ_mに比例するので、ｘ₁，ｘ₂，ｘ_Dおよび
ｘ_mの各偏心量とポンプ回転数とから知ることができ
る。したがって、前記力のバランスよりインペラ９に加
わる水平方向流体力Ｆｅを求めることができる。

【００２１】実用上は、図７に示すように、ポンプ軸６
が剛体であると仮定して、ポンプ軸６あるいはロータ３
の軸方向の任意の位置での周方向２箇所の変位を計測
し、ポンプ軸６の傾きαを決定すればよい。すなわち、
ポンプ軸６が直線上にあると仮定すると、ポンプ軸６の
軸方向における任意の２箇所の偏心量を計測することに
より、ｘ₁，ｘ₂，ｘ_Dおよびｘ_mの各偏心量を全て求
めることができる。

【００２２】図８には本発明装置の機能ブロックが示さ
れている。すなわち、本発明装置では、ポンプ軸の任意
の個所での周方向２箇所の変位を測定して、ジャーナル
軸受部，インペラ・ディフューザ間，ロータ・ステータ
間での各回転軸の偏心量と方向を検出し、ポンプ回転数
の測定値を用いて軸受力と電磁力とを算出する。このと
き、軸受力あるいは電磁力のどれか１つはモーメントの
バランスからも求められる。次に力のバランスから流体
力Ｆｅの大きさと方向を算出し、予め較正された流体力
Ｆｅと吐出流量との関係を参照してインターナルポンプ
吐出流量を求めるようにしているのである。次に、図１
を参照しながら一実施例を説明する。

【００２３】図中１は原子炉の圧力容器を示し、２はモ
ータケースを示し、３はインターナルポンプのロータ
（ポンプ軸）を示し、９はインターナルポンプのインペ
ラを示している。これらは図１２と同様に構成され、圧
力容器１に対して同様に配置されている。

【００２４】モータケース２内にはロータ（ポンプ軸）
３の変位を計測するための変位計２１，２２，２３，２
４が配置されている。変位計２１と２２とは対をなし、
上部ジャーナル軸受の近傍の変位を互いに周方向に９０
度離れて計測している。同様に、変位計２３と２４とが
対をなし、下部ジャーナル軸受の近傍の変位を互いに周
方向に９０度離れて計測している。

【００２５】各変位計２１〜２４の出力信号は、モータ
ケース２の外部へ導かれ、平均回路２５に導入されて時
間平均値信号に変換される。そして、平均回路２５の出
力は、この出力から前述した上部・下部ジャーナル軸受
の偏心量ｘ₁・ｘ₂およびインペラ・ディフューザ間の
偏心量ｘ_Dおよびロータ・ステータ間の偏心量ｘ_mを算
出する偏心量演算器２６に導入される。

【００２６】一方、ロータ３の回転数を計測する回転計
２７が設けてあり、この回転計２７の出力と偏心量演算
器２６の出力とは軸受力演算器２８に導入される。この
軸受力演算器２８は、回転計２７の出力と偏心量演算器
２６の出力とを使って軸受での偏心量と軸受力との関係
を表形式で記憶している記憶装置２９をアクセスし、記
憶装置２９に記憶されているデータを参照して前述した
上部ジャーナル軸受での軸受力Ｆ₁，下部ジャーナル軸
受での軸受力Ｆ₂，インペラ・ディフューザ間軸受効果
力Ｆ_Dおよび電磁吸引力Ｆ_mを算出する。

【００２７】算出された上記各値は流体力演算器３０に
導入される。この流体力演算器３０は入力された各値に
基き、インペラ９とポンプ軸に加わる外力のバランス式
からインペラ９に加わる前述した水平方向流体力Ｆｅを
算出する。そして、流体力演算器３０の出力Ｆｅと回転
計２７の出力とは吐出流量演算器３１に導入される。吐
出流量演算器３１は、出力Ｆｅと回転計２７の出力とを
使ってＦｅとポンプ吐出流量との関係を較正した結果を
記憶している記憶装置３２をアクセスし、記憶装置３２
に記憶されている較正値を参照してポンプ吐出流量を算
出し、算出された流量信号を出力する。出力された流量
信号は、ＣＲＴなどの適当な表示器やプロセスコンピュ
ータ等の他の制御器に与えられる。

【００２８】記憶装置２９は、ポンプの各回転数毎に偏
心量と軸受力との関係を表形式で記憶している。そし
て、軸受力演算器２８は回転数と偏心量の値とから記憶
装置２９に記憶されているデータを内挿補間して軸受力
を算出している。同様に、記憶装置３２は、ポンプの各
回転数毎に流体力Ｆｅとポンプ吐出流量との関係を較正
した結果を表形式で記憶している。そして、吐出流量演
算器３１は回転数と流体力Ｆｅとから記憶装置３２に記
憶されているデータを内挿補間して吐出流量を算出して
いる。また、変位計２１〜２４の出力を平均回路２５に
通して偏心量演算器２６に入力しているのは、流体力以
外の原因に起因してポンプ軸が振れ回ることの影響を除
去するためである。

【００２９】ところで、記憶装置３２に記憶される較正
データは、たとえば図９に示すような較正試験装置を用
いて予め取得されたものである。すなわち、圧力容器の
下部に設けられるインターナルポンプ１台分のポンプ吐
出部流路を模擬した較正用流路４０を用意し、この較正
用流路４０の出口に、たとえばタービン式流量計４１を
設ける。この較正用流路４０を使い、図１と同様に変位
計２１〜２４と回転計２７とを用いてロータ３の変位と
ポンプ回転数とを計測し、このときに偏心量演算器２６
と記憶装置２９と軸受力演算器２８と流体力演算器３０
とを使って流体力Ｆｅを算出し、算出されたＦｅと流量
計４１の出力Ｒとを各回転数Ｎ毎に取得する。そして、
取得データを記憶装置３２に記憶させている。なお、図
中４２は圧力容器の下部中心部を模擬したタンクを示し
ている。また、較正用データを得るときに用いる流量計
４１として容積式流量計を使用することもできる。

【００３０】このように構成されたインターナルポンプ
の吐出流量測定装置では、実際に内部に設置する計測器
は、ポンプ軸（ロータ）の変位を計測する小型の変位計
２１〜２４と回転計２７とだけでよい。したがって、保
守，点検の容易な流量測定装置を実現できる。また、各
インターナルポンプ毎に独立して流量を測定できるの
で、各インターナルポンプの回転数が異なる場合でも、
その影響を受けることなく、対象とするポンプの吐出流
量を測定できる。図１０には本発明の別の実施例に係る
吐出流量測定装置が示されている。この図では図１およ
び図１２と同一部分が同一符号で示されている。したが
って、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００３１】この実施例に係る吐出流量測定装置は、図
７を用いて説明した手法を採用したもので、下部ジャー
ナル軸受８の近傍に２つの変位計２３，２４を周方向に
９０度ずらして設け、これらでロータ（ポンプ軸）３の
変位を計測している。そして、変位計２３，２４の出力
を平均回路２５ａに導入して時間平均値を算出させ、こ
の時間平均値信号を偏心量演算器２６ａに導入してロー
タ３の偏心量を算出させている。算出された偏芯量値と
回転計２７の出力とを吐出流量演算器３１ａに導入して
いる。吐出流量演算器３１ａは、偏芯量信号と回転計２
７の出力とを使って吐出流量とロータの偏心量との関係
を記憶している記憶装置３２ａをアクセスし、記憶装置
３２ａに記憶されている較正値を参照してポンプ吐出流
量を算出し、算出された流量信号を出力する。出力され
た流量信号は、ＣＲＴなどの適当な表示器やプロセスコ
ンピュター等の他の制御器に与えられる。

【００３２】なお、ロータ偏心量とポンプ吐出流量との
関係を較正した結果を記憶している記憶装置３２ａは、
ポンプの回転数毎に表形式でデータを記憶し、吐出流量
演算器３１ａでは回転数とロータ偏心量とから記憶装置
３２ａのデータを内挿補間して吐出流量を算出してい
る。

【００３３】記憶装置３２に記憶される吐出流量とロー
タ偏心量との較正データは、図１１に示す較正装置によ
って取得されたものである。すなわち、図９に示した場
合と同様に、圧力容器の下部に設けられるインターナル
ポンプ１台分のポンプ吐出部流路を模擬した較正用流路
４０を用意し、この較正用流路４０の出口に、たとえば
タービン式流量計４１を設ける。そして、実機のインタ
ーナルポンプと全く同じ軸受７，８を持つ同一のポンプ
に対して、高さ方向および水平方向の位置，方向が実機
と同じ関係となるように変位計２３，２４を設置する。

【００３４】較正用流路４０を使い、図１０と同様に変
位計２３，２４と回転計２７とを用いてロータ３の変位
とポンプ回転数とを計測し、このときの偏心量演算器２
６ａの出力Ｓと流量計４１の出力Ｒとを各回転数Ｎ毎に
取得する。このようにして取得されたデータが記憶装置
３２ａに記憶されている。

【００３５】このように、較正装置と実機が同じポンプ
で、ロータ変位計も同等であると、軸受力および流体力
の算出過程も同等となり、吐出流量とロータ偏心量とを
直接、関係づけることができる。

【００３６】したがって、図１０に示される吐出流量測
定装置でも図１に示される装置と同等の測定性能を発揮
させることができる。そして、この場合には、変位計を
２個に減らすことができるばかりか、軸受力演算器およ
び流体力演算器を不要化できる。通常、実機に多くの変
位計を装備することはコスト的にも保守の面からも好ま
しくはない。したがって、この実施例のように変位計の
個数を減らせることは大きなメリットとなる。

【００３７】このように、本発明装置は、従来の測定装
置とは全く異なる測定原理を採用したもので、吐出流量
の変化でインペラに加わる水平方向流体力にも変化が生
じることを利用し、ロータ（ポンプ軸）の変位を測定す
ることによりインペラに加わる水平方向流体力の変化を
検出し、間接的にインターナルポンプ吐出流量を測定し
ている。したがって、保守点検の容易化は勿論のこと、
各インターナルポンプの吐出流量を精度よく測定でき
る。

【００３８】なお、上述した各実施例では、ポンプ軸を
支えるジャーナル軸受の個数が上部と下部との２個であ
るが、ジャーナル軸受の個数が１個もしくは３個以上で
あっても原理的には同じで、本発明を適用できることは
勿論である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
保守点検が容易で、個々のインターナルポンプ吐出流量
を精度良く測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るインターナルポンプの
吐出流量測定装置のブロック構成図

【図２】同装置の測定原理を説明するための図

【図３】同装置の測定原理を説明するための図

【図４】同装置の測定原理を説明するための図

【図５】同装置の測定原理を説明するための図

【図６】同装置の測定原理を説明するための図

【図７】同装置の測定原理を説明するための図

【図８】同装置の機能ブロック図

【図９】同装置を較正する較正装置の概略図

【図１０】本発明の別の実施例に係るインターナルポン
プの吐出流量測定装置のブロック構成図

【図１１】同装置を較正する較正装置の概略図

【図１２】原子炉用インターナルポンプの縦断面図

【図１３】圧力容器内の冷却水の循環を説明するための
図

【符号の説明】

１…原子炉の圧力容器２…モータケー
ス３…ロータ４…ステータ５…モータ６…ポンプ軸７…上部ジャーナル軸受８…下部ジャー
ナル軸受９…インペラ１０…ディフュ
ーザ１１…シュラウド１２…炉心支持
板部２１〜２４…変位計２５，２５ａ…
平均回路２６，２６ａ…偏芯量演算器２７…回転計２８…軸受力演算器２９…記憶装置３０…流体力演算器３１，３１ａ…
吐出流量演算器３２，３２ａ…記憶装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子炉圧力容器の底部周縁に配置される再
循環用インターナルポンプの吐出流量を測定するための
ものであって、前記インターナルポンプにおけるポンプ
軸の変位を計測する変位計と、前記インターナルポンプ
の回転数を計測する回転計と、この回転計の出力と前記
変位計の出力とを導入し、この両値が関与する関係に予
め求められている吐出流量データを参照して吐出流量値
を出力する吐出流量較正手段とを具備してなることを特
徴とするインターナルポンプの吐出流量測定装置。
【請求項２】前記吐出流量較正手段は、前記変位計の出
力と前記回転計の出力と予め求められている偏心量−軸
受力データとを入力して前記インターナルポンプのイン
ペラに加わる流体力を算出する手段と、この手段で算出
された流体力値と前記回転計の出力とを導入し、この両
値が関与する関係に予め求められている吐出流量データ
を参照して吐出流量値を出力する手段とを備えてなるこ
とを特徴とする請求項１に記載のインターナルポンプの
吐出流量測定装置。