JPS61168701A - モジユール型気水分離器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明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。

加圧木型原子炉は間接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ー発
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ー発電機サ
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。

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．　（：ｏｃｈｒａｎｅｔ　ａｔ．）の米
国特許第３，２１６．１８２゜号、同じくＪ．Ｔ．　Ｃ
ｏｃｈｒａｎの米国特許第３，３２９，１３０号、シー
・エイチ・ロビンス外（　Ｃ．Ｈ．　Ｒｏｂｂｉｎｓ　
ｅｔａｌ　、）の米国特許第３，６０３，０６２号、テ
ィー・エム・モトラック外（Ｔ．Ｍ．　Ｍｏｄｒａｋ　
ｅｔ　ａｌ．）の米国特許第３　、７８８　、２８２号
、アール・エイチ―天一エン外（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離隔配置した
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二二ットは蒸気−水の混
合流体を旋回させる螺旋翼を組み込み、２次分離器ユニ
ットと共に用いる。

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過ぎることがわかる。従
って、原子炉への取り付は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シ、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で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。

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そ
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。

しかしながら、小型の、たとえば１７．７８ｃｍ（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。

従って、本発明の目的は、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−次分離器を提供すること
にある。

原子力蒸気発生器において蒸気と水を分離する本発明の
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周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。多翼は前縁及び後縁、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
と後端表面の間の遷移表面を有する。多翼の前縁及び前
端表面は上昇管人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。遷移表面はほぼ２．５４ｃｍ（１インチ）の半径
を持つように形成される。遷移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一３７°の角度をなす。

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。

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。

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２
２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により形成される
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。

第２図を参照して、遠心気水分離器３４は、人口端部３
６ａ及び出口端部３６ｂ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４
６の下方の上昇管３６とハブ３８の間に取り付けられる
。

第４図を参照すると、各分離器３４の４つの翼がハブ３
８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。多翼４゜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５
４、及び前端表面５２と後端表面５４の中間の遷移表面
５６を有する。前縁５８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。遷移表面５６はほぼ２．５４ｃｍ（１インチ）の半
径を持つように形成される。遷移表面の半径部の中心線
はハブの軸に垂直な平面とほぼ一３７°の角度をなす。

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及び遷移表面
５６が取り付けられる。下方端部３８ａ及び上方端部３
８ｂ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の人口端部３６ａから離れるに従って減少する
。翼４０の前端表面５２はこの環状開口部内にある。

再び第１図及び第２図を参照して、−吹気水分離器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
ツキ板５８に溶接される。

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
７ｏ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−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４
４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。

単−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ＡＰＷＲ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１７．７８ｃｏ＋（７
，０インチ）、外径１８．４２ｃａ＋（７，２５インチ
）、長さ５０．８ｃｏ＋　（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（０，３
１インチ）の孔４６が２７８個それらの中心間の間隔を
１．７５ｃｍ（１１７１６インチ）として１８°の弧を
描くように（全気孔率ｌｏ！　）形成された。オリフィ
スリング４２の内径は１４．６１ｃ＋＋＋（５，７５イ
ンチ）、外径１５．９ｃｎ＋（ｌｉ、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２５．４
ｃｍ（１０インチ）であった。ハブの３８の最大の直径
部分は８．０５ｃａ＋（２，３８インチ）で長さは４１
．１５ｃ＋ａ（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
．５６ｃｍ（１４インチ）下方であり、翼の頂部と底部
の間の距離は１５．３９ｃｍ（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木頭損
失係数は３．９であった。

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。

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、中間デツキ板５８に１７．７８ｃ＋ａ（
７インチ）の分離器５４が１５０個、２６．０４ｃｏ＋
（１０，２５インチ）の方形ピッチで配設される。更に
、中間デツキ板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ツキ板の水
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
孔であってデツキ板の１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。

従って、本発明は気体−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
発明の好ましい実施例について述べたが、本発明の精神
及び範囲は特許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想到し得るこ
とを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明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。 第２図は本発明のモジュール型遠心気水分跣器の一部破
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。 第３図は第２図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。 第４図は第３図の線４−４に沿う分離器の横断面図であ
り、分離器の翼の詳細を示す。 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 ５００・・翼 どｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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を形成した上昇管
   、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
   の遷移表面を有し、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２０
   ．５乃至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、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特許請求の範囲第１項記載のモジ
   ュール型気水分離器。 ３、上昇管の入口端部に隣接して蒸気−水の混合物の流
   速を増加する手段を設けて成ることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項または第２項に記載のモジュール型気水
   分離器。 ４、翼の前縁の一部が流速を増加する領域内にあること
   を特徴とする特許請求の範囲第３項に記載のモジュール
   型気水分離器。 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特許請求の範囲第３項または第
   ４項記載のモジュール型気水分離器。 ６、翼の数が４個であることを特徴とする前記特許請求
   の範囲第１乃至５項のうち任意の１項に記載したモジュ
   ール型気水分離器。