JPH081361U - モジュール型気水分離器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧力低下が小さいモジュール型遠心気水分離
器を提供する。 【構成】 モジュール型遠心気水分離器は、環状上昇管
（36）、上昇管内をそれと同軸に延びるハブ（38）、ハ
ブと上昇管との間に取り付けられた複数の翼（50）、外
径が上昇管の内径より小さく、上昇管の出口端部に隣接
してそれと同軸に取り付けられたオリフィスリング（4
2）、及び内径が上昇管の外径より大きい、上昇管を囲
むようにそれと同軸に取り付けた環状降水管（44）から
なる。翼の前縁（48）及び前端表面（52）は、実質的に
上昇管の入口端部に隣接して気体−液体の混合物の流れ
方向に平行な平面内に配設されている。翼の後縁（50）
及び後端表面（54）は、ハブの軸心に垂直な平面に対し
てほぼ３７°の角度をなす平面内に配設されている。ハ
ブの軸心に垂直な平面で見た一つの翼の前縁の突出部と
それに隣接する翼の後縁の突出部は約２２．５°の角度
をなす

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、再循環式蒸気発生器の圧力容器に用いる気水分離器に関し、更に詳 細には、圧力低下が少ないモジュール型遠心気水分離器に関する。

【０００２】

【従来の技術】

加圧水型原子炉は密閉サイクルのシステムである。すなわち、原子炉サイクル 内の放射性冷却材がタービン−発電機サイクルから完全に隔離されている。しか しながら、原子炉からの高温の冷却水によりタービン−発電機サイクルで使用す る蒸気を発生する必要があるため、これら２つのサイクルを連結するものとして 蒸気発生器を用いる。ごく一般的な設計の蒸気発生器は一体的に構成された蒸発 器部及び蒸気ドラム部の２つの部分より成る。蒸発器部はＵ字管型熱交換器によ り構成され、蒸気ドラムには気水分離器が収納される。

【０００３】 沸騰水型原子炉用蒸気発生器の圧力容器に用いる気体−液体即ち蒸気−水分離 器は、ジェイ・ティー・コクラン外（J.T.Cochran et al.）の米国特許第３，２ １６，１８２号、同じくJ.T.Cochran の米国特許第３，３２９，１３０号、シー ・エイチ・ロビンス外（C.H.Robbins et al.）の米国特許第３，６０３，０６２ 号、ティー・エム・モドラック外（T.M.Modrak et al. ）の米国特許第３，７８ ８，２８２号、アール・エイチ・モーエン外（R.H.Moen et al. ）の米国特許第 ４，１６２，１５０号に開示されている。かかる装置の分離器は僅かに隔離配置 した複数の分離器ユニットにより構成され、これらは原子炉の炉心上部の蒸気室 の上のドームまたは蓋の上に取り付けられる。これらの一次分離器ユニットは蒸 気−水の混合流体を旋回させる螺旋翼を組み込み、二次分離器ユニットと共に用 いる。

【０００４】 一次分離器ユニットの主要な目的は蒸気発生器の管束から出る蒸気−水の混合 流体から湿分をほとんど除去することにある。分離器内で２つの相の流れに関連 する複雑な現象が生起するため、新しい設計の一次分離器がこれらの仕様書通り の性能を持つかどうかを分析により予測しようとすると不確定要素が多すぎるこ とがわかる。従って、原子炉への取り付け前に新しい設計の分離器をテストする ことが望ましい。経済的な理由により、新しい設計の装置を蒸気−水テストルー プでテストし、フルスケールでの蒸気の流速、入口における性質及び圧力でテス トすることが好ましい。しかしながら、現在利用できる分離器用テストループは フルスケールでテスト可能な分離器の大きさに上限がある。蒸気の流速が最も大 きい分離器用テストループ出も大型の蒸気発生器に普通用いられる寸法の一次分 離器をフルスケールでテストするには不充分である。

【０００５】 この問題を解決するために、蒸気発生器内で一緒に束ねて用いることのできる 小型のモジュール型分離器が開発されている。この型の蒸気発生器では、各モジ ュールが実質的に互いに独立して機能し、それら全体の効果はこれらが加算され たものとなる。従って、新しい設計のフルスケールでのテストが一つのモジュー ルを用いることにより可能となる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、小型の、例えば17.78 ｃｍ（７インチ）のモジュール型分離器 は完全にテスト可能であるが、蒸気発生器内で小型の上昇管を束にして用いると 既存の大型の分離器と比較して上昇管面積が減少する。上昇管面積の減少は循環 ループの２つの相部分の圧力低下を著しく増加させ、蒸気発生器の安定性を低め る傾向がある。

【０００７】 従って、本考案の目的は、充分に小型でフルスケールでのテストが完全に行な えるが圧力低下が大型の一次分離器に比べて低いモジュール型一次気水分離器を 提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

原子力蒸気発生器において蒸気と水を分離する本考案のモジュール型気水分離 器は、入口端部及び出口端部とを有する上昇管と、上昇管と同軸のハブと、ハブ と上昇管の内壁との間にハブの軸心の回りに等しい間隔を持つように取り付けた ４つの翼と、上昇管の出口端部に隣接してそれと同軸に取り付けたオリフィスリ ングと、上昇管を囲むようにそれと同軸に取り付けた降水管とより成る。上昇管 にはその出口端部に隣接して互いに離隔する孔が形成されている。各翼は前縁及 び後縁、前縁に隣接する前端表面、後縁に隣接する後端表面、並びに前端表面と 後端表面の間の移行表面を有する。各翼の前縁及び前端表面は上昇管入口端部に 実質的に隣接し、気体−液体の混合物の流れ方向に平行な平面内にある。後縁及 び後端表面はハブの軸心に垂直な平面とほぼ３７°の角度をなす平面内にある。 互いに隣接する翼の前縁及び後縁の突出部をハブの軸心に垂直な平面で見るとそ れらはほぼ２２．５°の角度をなす。移行表面はほぼ２．５４ｃｍ（１インチ） の半径を持つように形成される。移行表面の半径部の中心線はハブの軸心に垂直 な平面とほぼ−３７°の角度をなす。

【０００９】

【実施例】

第１図は原子力蒸気発生器８を示す。図面上の垂直、上方、下方、入口及び出 口等の方向を示す表示は流体の流れ方向に関連しており、それ以外は任意的であ る。

【００１０】 蒸気発生器８は垂直胴１０を有し、蒸発器部１２と蒸気ドラム部１４とより成 る。蒸発器部１２はＵ字形の伝熱管１６を収納する。蒸気ドラム部１４は一次気 水分離器集合体１８を含む湿分分離装置を収納する。

【００１１】 高温高圧の原子炉冷却材はチャンネルヘッド２２の入口ノズル２０からＵ字管 １６を通ってチャンネルヘッド２２の出口ノズル２４へ流れる。給水は蒸気ドラ ム部１４のノズル２６を介して供給され、給水リング２８により管束包囲部３０ と蒸気発生器の胴１０により形成去れる降水環状部に分配される。給水は循環流 と混合されて管板３２の近くで管束に侵入する。流体が管束１６を上昇すると沸 騰し蒸気と水の混合物が形成される。蒸気に同伴する水はほとんど一次分離器集 合体１８で除去される。この集合体はモジュール型の遠心気水分離器３４を束ね たものである。

【００１２】 第２図を参照すると、遠心気水分離器３４は、入口端部３６ａ及び出口端部３ ６ｂを有し、蒸気−水の混合物を含む上昇管３６と、下方端部３８ａ及び上方端 部３８ｂ並びに垂直軸Ｙ（第４図）を有し上昇管３６と同軸のハブ３８と、上昇 管３８の内壁とハブ３８の間に取り付けられて蒸気−水の混合物の流れを旋回さ せる４つの翼４０と、上昇管３６の出口端部に隣接してそれと同軸に取り付けら れ上昇管３６の出口端部３６ｂから出る水を分散させるオリフィスリング４２と 、上昇管３６を同軸に囲んで水を蒸気ドラム部１４へ戻す降水管４４とより成る 。降水管４４の内径は上昇管３６の外径より大きくそれらの間に環状の通路が形 成される。上昇管３６にはその内壁上の水を分散させるために出口端部３６ｂに 隣接して複数の平行な列の孔４６が形成される。翼４０は孔４６の下方の上昇管 ３６とハブ３８の間に取り付けられる。

【００１３】 第４図を参照すると、各分離器３４の４つの翼がハブ３８の軸Ｙの周りに等し い間隔で取り付けられていることがわかる。各翼４０は前縁４８、後縁５０、前 縁４８に隣接する前端表面５２、後縁５０に隣接する後端表面５４、及び前端表 面５２と後端表面５４の中間の移行表面５６を有する。前縁４８と前端表面５２ は矢印Ａ（第２図）で示した蒸気−水混合物の流れ方向に平行な平面内にある。 ハブ３８に隣接する前端表面５２の縁部はハブ３８の輪郭に追従することが好ま しい。後縁５０と後端表面５４はハブ３８の軸に垂直な平面と３７°の角度をな す平面内にある。第３図に示すように、一つの翼の前縁４８とそれに隣接する翼 の後縁５０の突出部をハブ３８の軸に垂直な平面で見るとそれらはほぼ２２．５ °の角度をなす。移行表面５６はほぼ２．５４ｃｍ（１インチ）の半径を持つよ うに形成される。移行表面の半径部の中心線はハブの軸に垂直は平面とほぼ−３ ７°の角度をなす。

【００１４】 ハブ３８は下方端部３８ａと上方端部３８ｂの間に円筒部を有し、その上に翼 ４０の後端表面５４及び移行表面５６が取り付けられる。下方端部３８ａ及び上 方端部３８ｂは実質的に円錐状でありその円錐の先端は丸くなっている。従って 、その下方端部３８ａと上昇管３６の内側表面の間には環状の開口部が形成され 、その面積は上昇管３６の入口端部３６ａから離れるにしたがって減少する。翼 ４０の前端表面５２はこの環状開口部内にある。

【００１５】 再び第１図及び第２図を参照して、一次気水分離器３４は蒸気ドラム部１４内 で直立管７０の頂部に溶接される。降水管４４はほぼ１２０°の間隔で配設され た半径方向に延びる３つのピン（図示せず）により上昇管３６に連結されている 。オリフィスリング４２がその後中間デッキ板５８に溶接される。

【００１６】 動作について説明すると、蒸発器部１２内で形成された蒸気−水の混合流体は 点線の矢印Ａで示すように直立管７０を垂直に上昇し上昇管３６に入る。この時 点では蒸気−水の混合流体の流れ方向は直線である。蒸気−水の混合流体の流速 は上昇管３６の内側表面とハブ３８の下方端部３８ａの間の環状開口部を通過す ると増加する。流れ方向に平行な翼４０の前端表面５２により蒸気−水の混合流 体は翼４０の傾斜部分に滑らかに向けられ、垂直方向の流れが旋回流となる。前 端表面５２を流れに平行にするのは分離器３４に導入される蒸気−水の混合流体 の流れが急激に変化して圧力損失が増加するのを防ぐためで、非常に重要なこと である。前端表面５２を通過すると、蒸気−水の混合流体はその後端部５４の輪 郭により旋回流となる。チューブの直径を小さくすると旋回流を長い距離にわた って維持できるため、上昇管３６の直径をできるだけ小さくすることが望ましい 。この旋回運動により生じる遠心力により蒸気−水の混合流体の重い部分、即ち 水が第２図の実線の矢印Ｂで示すように上昇管３６の方に押し出される。この水 は上昇管３６の内側表面上に薄い膜を形成し、これが孔４６を介して降水管４４ と上昇管３６の間の環状領域に流れ出て再循環される。除去される水の量は上昇 管３６の上方部分になればなるほど多くなる。残留する水を強制的に降水管４４ 内に送るためにオリフィスリングの外径は上昇管３６の内径より小さい。残留す る水はオリフィスリング４２の直径が小さく水の流れる連続通路がないためオリ フィスリング４２の周りに分散される。

【００１７】 単一相の水テストループでテストするために製造されウエスチングハウスのＡ ＰＷＲ型蒸気発生器への使用に好適の構成では、上昇管３６は内径17.78 ｃｍ（ ７．０インチ）、外径18.42 ｃｍ（７．２５インチ）、長さ50.8ｃｍ（２０イン チ）のチューブで作られ、そのチューブには直径が0.79ｃｍ（０．３１インチ） の孔４６が２７８個それらの中心間の間隔を1.75ｃｍ（１１／１６インチ）とし て１８°の弧を描くように（全気孔率１０％）形成された。オリフィスリング４ ２の内径は14.61 ｃｍ（５．７５インチ）、外径は15.9ｃｍ（６．２５インチ） であった。降水管４４は内径24.1ｃｍ（９．５インチ）、外径27.7ｃｍ（１０． ９インチ）、長さ25.4ｃｍ（１０インチ）であった。ハブ３８の最大の直径部分 は6.05ｃｍ（２．３８インチ）で長さは41.15 ｃｍ（１６．２インチ）であった 。翼４０の頂部は上昇管３６の頂部よりその直径の２倍すなわち35.56 ｃｍ（１ ４インチ）下方であり、翼の頂部と底部の間の距離は15.39 ｃｍ（６．０６イン チ）であった。この構造をテストループでテストしたところ水頭損失係数は３． ９であった。

【００１８】 別の設計のものを比較のためにテストした。この第２のものはハブの寸法、翼 の数、翼の角度が第１のものと同じであったが、その翼は前縁と前端表面が上昇 する流れ方向に平行に延びるような形状ではなかった。この第２のものの水頭損 失係数は６．４であった。従って、翼の前端表面を流れ方向に平行にする構成は 圧力低下の減少にとって非常に重要であることがわかる。

【００１９】 第１図に示した蒸気発生器８の気水分離装置１８内に組み込むために、中間デ ッキ板５８に17.78 ｃｍ（７インチ）の分離器５４が１５０個、26.04 ｃｍ（１ ０．２５インチ）の方形ピッチで配設される。さらに、中間デッキ板５８には分 離器３４の間に複数の割り込み孔６２を配設する。これらの孔の半分はデッキ板 の水切り用で蒸気発生器８の液面より下方に延びるパイプ（図示せず）が取り付 けられる。残りの孔６２は蒸気抜き孔であってデッキ板の上の水が再び同伴され るのを防ぐためにカラー６６が取り付けられる。

【００２０】 従って、本考案は気体−液体の混合物から液体を除去する改良型の気水分離器 を提供することがわかる。以上本考案の好ましい実施例について述べたが、本考 案の精神及び範囲は実用新案登録請求の範囲においてのみ限定され、図示の実施 例には多くの変形が当業者にとって相到し得ることを理解されたい。

【００２１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案のモジュール型遠心気水分離器を組み入
れた原子力蒸気発生器の一部破断斜視図である。

【図２】本考案のモジュール型遠心気水分離器の一部破
断斜視図であって、特に分離器を蒸気発生器に取り付け
る態様及び蒸気と水の流れ方向を示す。

【図３】図２に示した遠心分離器の上部斜視図であり、
分離器の翼の位置関係を示す。

【図４】図３の線４−４に沿う分離器の横断面図であ
り、分離器の翼の細部を示す。

【符号の説明】

３４ 気水分離器 ３６ 上昇管 ３８ ハブ ４２ オリフィスリング ４４ 降水管 ５０ 翼

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000156938 関西電力株式会社 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 (71)出願人 000180368 四国電力株式会社 香川県高松市丸の内２番５号 (71)出願人 000164438 九州電力株式会社 福岡県福岡市中央区渡辺通２丁目１番82号 (71)出願人 000230940 日本原子力発電株式会社 東京都千代田区大手町１丁目６番１号 (72)考案者 ジョン・デビッド・イコルス アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ウィ ルキンズバーグ ビドル・アベニュー 405

Claims (6)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体−液体の混合物から気体を分離する
   ためのモジュール型分離器であって、入口端部と出口端
   部とを有し、出口端部に隣接して互いに離隔する孔が形
   成されている上昇管、上方及び下方端部とそれらの間で
   上昇管内をそれと同軸に延びる円筒部とを有するハブ、
   ハブの円筒部と上昇管との間において上昇管の孔の下方
   に取り付けた複数の翼、外径が上昇管の内径より小さ
   い、上昇管の出口端部に隣接してそれと同軸に取り付け
   たオリフィスリング、及び内径が上昇管の外径より大き
   い、上昇管を囲むようにそれと同軸に取り付けた降水管
   より成り、前記翼はハブの軸心の周りに実質的に等しい
   間隔を持つように配設され、各翼は前縁、後縁、前縁に
   隣接する前端表面、後縁に隣接する後端表面、及び前端
   表面と後端表面の中間の移行表面を有し、前縁及び前端
   表面は実質的に上昇管の入口端部に隣接して気体−液体
   の混合物の流れ方向に平行な平面内に配設され、後縁及
   び後端表面はハブの軸心に垂直な平面に対してほぼ３７
   °の角度をなす平面内に配設され、ハブの軸心に垂直な
   平面で見た一つの翼の前縁の突出部とそれに隣接する翼
   の後縁の突出部は約２２．５°の角度をなすことを特徴
   とするモジュール型気水分離器。
2. 【請求項２】 上昇管の内径はほぼ１７．７８ｃｍ（７
   インチ）であることを特徴とする請求項１記載のモジュ
   ール型気水分離器。
3. 【請求項３】 上昇管の入口端部に隣接して蒸気−水の
   混合物の流速を増加する手段が設けられていることを特
   徴とする請求項１又は２記載のモジュール型気水分離
   器。
4. 【請求項４】 翼の前縁の一部が流速を増加する領域内
   にあることを特徴とする請求項３記載のモジュール型気
   水分離器。
5. 【請求項５】 ハブの下方端部は実質的に円錐状であ
   り、前記流速増加手段はそのハブの下方部分により構成
   されることを特徴とする請求項３又は４記載のモジュー
   ル型気水分離器。
6. 【請求項６】 翼の数が４個であることを特徴とする請
   求項１〜５のうち一つに記載のモジュール型気水分離
   器。