KR101194107B1 - 증기 발생기의 관 지지판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기 발생기에 배치하는 관 지지판(200)에 있어서의 압력 손실을 저감시키는 동시에, 충분한 강도를 확보하는 것을 목적으로 하고 있다. 관 지지판(200)에는 전열관(210)이 관통하기 위한 다수의 관통 구멍(100)이 형성되어 있다. 관통 구멍(100)의 형상은 육각 형상으로 되어 있다. 또한, 육각 형상을 형성하는 변 중 하나 걸러의 변(102, 104, 106)에는 돌출부(100a, 100b, 100c)가 형성되어 있다. 또한, 각 관통 구멍(100)의 배열은, 소위 허니캠 형상 배열로 하고 있다. 이에 의해, 관통 구멍(100)의 개구 면적을 넓게 하여 압력 손실을 저감시키면서 관 지지판의 강도를 확보할 수 있다.

증기 발생기, 관 지지판, 전열관, 관통 구멍, 냉각수

Description

증기 발생기의 관 지지판 {TUBE SUPPORT PLATE OF STEAM GENERATOR}

본 발명은 증기 발생기의 관 지지판에 관한 것으로, 압력 손실을 저감시키는 동시에 충분한 강도를 확보할 수 있도록 연구한 것이다.

가압수형 원자력 발전 플랜트에서는 원자로에 있어서 가열된 1차 냉각수를 증기 발생기로 공급한다. 증기 발생기에 있어서는, 1차 냉각수의 열에 의해 2차 냉각수를 가열하여 2차 증기를 생성한다. 이 2차 증기를 증기 터빈에 공급하여 증기 터빈을 회전하여 발전기를 구동하도록 하고 있다.

여기서, 도 5를 참조하여, 가압수형 원자력 발전 플랜트에서 사용되고 있는 증기 발생기(10)의 구조를 설명한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 증기 발생기(10)의 수직형의 외통(11)의 하부에는 관판(12)이 일체적으로 접속되어 있다. 이 외통(11)의 상부에는 주증기관(13)이나 급수관(14)이 접속되어 있다.

관판(12)은 두께가 두꺼운 판상 부재로, 외통(11)의 하부를 막는 상태로 배치되어 있고, 이 관판(12)에는 다수의 구멍이 형성되어 있다.

관판(12)의 하측은 구획판(15)에 의해, 고온측 수실(水室)(16)과 저온측 수실(17)로 구획되어 있다.

외통(11)의 내부에는 내통(18)이 배치되어 있다. 그리고, 역U자형의 전열관(19)이 내통(18)의 내부에 다수개 배치되어 있다. 도면에서는 간략적으로 도시하고 있지만, 전열관(19)의 배치 개수는 극히 다수이고, 이들 전열관(19)은 연직 방향으로 신장되는 상태로 배치되는 동시에, 각 전열관(19)의 상단부는 역U자형으로 만곡되어 있다. 또한, 각 전열관(19)의 하측의 양단부는 관판(12)에 형성된 다수의 구멍에 삽입되어 관 확장에 의해 고정되어, 각각 고온측 수실(16)과 저온측 수실(17)에 접속되어 있다.

또한, 내통(18)의 높이 방향을 따르는 복수 개소에는 수평 방향으로 확장된 관 지지판(20)이 배치되어 있다. 관 지지판(20)에는 다수의 전열관(19)이 관통하기 위한 관통 구멍이 형성되어 있다. 관 지지판(20)은 전열관(19)의 진동 방지나 상호간의 간격 유지를 위해 사용되고 있다. 즉, 관 지지판(20)에 다수의 전열관(19)이 관통되어 있으므로, 전열관(19) 상호간의 간격을 유지할 수 있는 동시에 전열관(19)의 진동 방지를 도모하고, 또한 지진 등에 의해 횡하중이 작용했을 때에, 이 횡하중을 관 지지판(20)이 지지하고 있다.

또한, 외통(11)의 상부에는 기수(氣水) 분리기(21)나 증기 건조기(22)가 배치되어 있다.

원자로에서 가열된 1차 냉각수(W1)는 고온측 수실(16)에 공급된 후, 전열관(19) 내를 유통하여, 저온측 수실(17)을 통해 원자로로 복귀된다.

한편, 2차 냉각수(W2)는 급수관(14)을 통해, 외통(11)과 내통(18) 사이의 공간(다운커머;downcomer) 내에 공급되어 다운커머 내를 하강하고, 내통(18)의 하단 부로부터 내통(18) 내로 들어가 내통(18) 내를 상승한다. 2차 냉각수(W2)는 내통(18) 내를 상승하면서 유통할 때에, 전열관(19)을 통해 1차 냉각수(W1)로부터 열을 받아 가열된다. 이로 인해, 증기(S)가 발생하고, 이 증기(S)는 기수 분리기(21), 증기 건조기(22) 및 주증기관(13)을 통해 증기 터빈으로 보내진다.

이와 같이 하여, 증기(S)가 발생하는 상태에 있어서, 다운커머 내의 수위(H)는 대략 일정하게 유지된다.

도 6은 관 지지판(20)을 상방으로부터 본 평면도로, 관 지지판(20)의 중앙 부분(도면에서는 크로스 해칭을 실시한 부분)에는 다수(예를 들어, 수천개)의 관통 구멍(20a)이 형성되어 있다.

종래에는, 이 관통 구멍(20a)의 형상은, 도 7에 도시한 바와 같은 삼엽형(클로버형)이었다. 도 7에서는 2개의 관통 구멍(20a)만을 도시하고 있지만, 실제로는, 관 지지판(20)에는 이와 같은 삼엽형의 관통 구멍(20a)이, 바둑판의 눈금 형상으로 종횡 방향으로 정렬된 상태로 배치되어 있다.

관통 구멍(20a)은 전열관(19)을 지지하는 기능과, 내통(18) 내를 상승 유통하는 2차 냉각수(W)나 증기(S)를 유통시키는 유통로로서의 기능을 발휘하고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 평3-255892호 공보

그런데, 2차 냉각수(W2)나 증기(S)가, 관 지지판(20)의 관통 구멍(20a)을 유통해 갈 때에 발생하는 압력 손실이 크면, 다운커머부에서의 수위(H)의 불안정성이 증가해 버린다.

다운커머부에서의 수위(H)가 불안정해져 그 수위 높이가 진동한 경우에는, 기수 분리기(21)에 물이 걸려, 증기 발생기(10)의 효율이 저하되어 버린다.

이로 인해, 관 지지판(20)에서의 압력 손실을 저감시킬 필요가 있지만, 압력 손실을 저감시키기 위해 관통 구멍(20a)의 구멍 면적을 크게 하면, 관 지지판(20)의 강도가 저하되어 버린다.

지진 등에 의해 증기 발생기(10)가 큰 횡하중을 받으면, 관 지지판(20)에도 횡하중이 부하된다. 그때, 관 지지판(20)의 면내 압축 강도가 약하면, 관통 구멍(20a)이 찌그러져 전열관(19)에 접촉하여, 전열관(19)이 변형(손상)될 우려가 있다. 이와 같은 사태의 발생을 방지하기 위해, 관 지지판(20)은 일정한 면내 강도를 가질 필요가 있다.

본 발명은 상기 종래 기술에 감안하여, 저압력 손실이고, 또한 충분한 강도를 갖는, 증기 발생기의 관 지지판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하는 본 발명의 구성은,

증기 발생기의 내부에 배치되는 동시에, 전열관이 관통하는 다수의 관통 구멍이 형성된 관 지지판에 있어서,

상기 관통 구멍의 구멍 형상은 육각 형상이고, 이 육각 형상을 형성하는 변 중, 하나 걸러의 변에는 상기 관통 구멍의 중심을 향해 돌출되는 돌출부가 형성되는 동시에,

상기 관통 구멍의 배열은 상기 관통 구멍이 일정한 피치로 직선 형상으로 배열된 관통 구멍열이, 평행 상태로 다수 배열된 상태로 배치되어 있고, 또한 인접하는 관통 구멍열끼리에는 관통 구멍의 배치 위치가, 상기 피치의 절반의 거리만큼 시프트되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변의 단부는 만곡되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 관통 구멍의 구멍 형상을 육각 형상으로 하는 동시에, 관통 구멍의 배열을, 소위 허니캠 배열로 함으로써, 관통 구멍의 면적을 종래에 비해 증가시킬 수 있어 압력 손실을 저감시킬 수 있고, 또한 면내 강도는 종래의 것과 동등한 것으로 할 수 있었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 관한 관 지지판을 도시하는 평면도.

도 2는 본 실시예 관 지지판에 형성한 관통 구멍을 도시하는 평면도.

도 3은 본 실시예 관 지지판에 형성한 관통 구멍을 도시하는 평면도.

도 4a는 삼엽형(클로버형)의 관통 구멍을 갖는 관 지지판에 압축 하중이 부하된 경우의 응력 분포도.

도 4b는 육각 형상의 관통 구멍을 갖는 관 지지판에 압축 하중이 부하된 경우의 응력 분포도.

도 5는 증기 발생기를 도시하는 구성도.

도 6은 종래의 관 지지판을 도시하는 평면도.

도 7은 종래의 관 지지판에 형성한 관통 구멍을 도시하는 평면도.

[부호의 설명]

10 : 증기 발생기

11 : 외통

12 : 관판

13 : 주증기관

14 : 급수관

15 : 구획판

16 : 고온측 수실

17 : 저온측 수실

18 : 내통

19 : 전열관

20 : 관 지지판

20a : 관통 구멍

21 : 기수 분리기

22 : 증기 건조기

W1 : 1차 냉각수

W2 : 2차 냉각수

S : 증기

100 : 관통 구멍

101 내지 106 : 변

100a, 100b, 100c : 돌출부

200 : 관 지지판

210 : 전열관

L : 리거먼트

이하에, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태를 실시예에 기초하여 상세하게 설명한다.

(실시예)

도 1은 실시예에 관한, 관 지지판(200)을 상방으로부터 본 평면도로, 관 지지판(200)의 중앙 부분(도 1에서는 크로스 해칭을 실시한 부분)에는 다수(예를 들어, 수천개)의 관통 구멍(100)이 형성되어 있다.

관 지지판(200)은 도 5에 도시한 것과 동일한 구조로 되어 있는 증기 발생기 내부에 수평 상태로 배치되는 것으로, 전열관(210)이 관통 구멍(100)을 연직 방향으로 관통한다.

또한, 관통 구멍을 총칭하여 나타낼 때에는 부호 「100」을 사용하고, 각 관통 구멍을 구별하여 나타낼 때에는 부호 「110, 120, …」 등의 100번대의 수치를 사용하여 설명을 한다.

관통 구멍(100)의 형상은, 도 2에 도시한 바와 같이 육각 형상으로 되어 있다. 즉, 관통 구멍(100)의 구멍 형상은 6개의 변(101, 102, 103, 104, 105, 106)에 의해 둘러싸인 육각 형상으로 되어 있다. 또한, 각 변(101, 102, 103, 104, 105, 106)의 양단부 부분은 만곡되어 있고, 변끼리의 접속 부분은 만곡 형상(구멍의 중심으로부터 볼 때 외주측으로 볼록해지는 만곡 형상)으로 되어 있다.

또한, 6개의 변(101, 102, 103, 104, 105, 106) 중 하나 걸러의 변(102, 104, 106)에는 관통 구멍(100)의 중심을 향해[즉, 전열관(210)측을 향해] 돌출되는 돌출부(100a, 100b, 100c)가 형성되어 있다. 각 돌출부(100a, 100b, 100c)는 변(102, 104, 106)의 중앙 부분에 형성되어 있고, 전열관(210)과의 사이의 클리어런스를 유지하는 기능과, 전열관(210)을 지지하는 기능을 발휘한다.

또한, 관통 구멍(100)과, 전열관(210)의 외주면 사이의 공간이, 2차 냉각수나 증기의 유통로로 된다.

다음에, 관통 구멍(100)의 배열에 대해, 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 관통 구멍(111, 112, 113, 114, 115 …)이 일정한 피치로 직선 형상으로 배열되어, 관통 구멍열(110)로 되어 있고, 관통 구멍(121, 122, 123, 124, 125 …)이 일정한 피치로 직선 형상으로 배열되어, 관통 구멍열(120)로 되어 있고, 관통 구멍(131, 132, 133, 134, 135 …)이 일정한 피치로 직선 형상으로 배열되어, 관통 구멍열(130)로 되어 있다.

이와 같은 관통 구멍열(110, 120, 130 …)이 평행 상태로 되어 다수 배열되어 배치되어 있다.

또한, 인접하는 관통 구멍열끼리에는 관통 구멍의 배치 위치가, 상기 피치의 절반의 거리만큼 관통 구멍의 직선 형상의 배열 방향(α 방향)을 따라서 시프트되어 있다.

예를 들어, 관통 구멍열(110)의 관통 구멍(111, 112, 113, 114, 115 …)과, 관통 구멍열(120)의 관통 구멍(121, 122, 123, 124, 125 …)은 α 방향에 관하여, 상기 피치의 절반의 거리만큼 시프트되어 배치되어 있다.

다른 인접하는 관통 구멍열에 있어서도, 동일한 시프트 배치로 하고 있다.

말하자면, 관통 구멍(100)은 허니캠 형상의 배치(삼각 배치)로 되어 있다. 삼각 배치라 함은, 예를 들어 관통 구멍(111, 112, 121)의 구멍 중심을 연결하면 삼각형이 되는 배치로 되어 있는 것을 의미한다.

이와 같은 관통 구멍(100)의 허니캠 형상의 배치(삼각 배치)에 따라서 전열관(210)의 배치 위치도 설정되어 있다.

본 실시예에서는 관통 구멍(100)의 구멍 형상을 육각 형상으로 하였으므로, 구멍 면적이 넓어져, 압력 손실을 종래 기술(도 7에 도시하는 삼엽형)에 비해, 약 3할 감소시킬 수 있었다.

또한, 관통 구멍(100)의 배열 상태를 허니캠 형상의 배열(삼각 배열)로 하였으므로, 관 지지판(200)의 면내 강도는 종래와 동등한 강도를 확보할 수 있었다.

이와 같이 관 지지판(200)의 강도를 확보할 수 있었던 것은, 유한 요소법을 사용한 해석에 의해 확인하였다.

유한 요소법에 의한 강도의 확인 결과를, 도 4a 및 도 4b를 사용하여 설명한다.

도 4a는 도 7에 도시한 삼엽형(클로버형)의 관통 구멍을 갖는 관 지지판에 압축 하중이 부하된 경우의 응력 분포도이다. 도 4b는 도 2에 도시한 육각 형상의 관통 구멍을 갖는 관 지지판에 압축 하중이 부하된 경우의 응력 분포도이다.

도 4a로부터, 삼엽형(클로버형)의 관통 구멍에서는 도면 중 A 부분에 굽힘 변형이 발생하고 있는 것을 알 수 있다.

한편, 도 4b로부터, 육각 형상의 관통 구멍에서는 굽힘 변형의 발생이 거의 없는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 삼엽형(클로버형)에 비해 구멍 면적을 넓게 한 육각 형상의 관통 구멍은 굽힘 변형이 억제되어 있고, 그 결과로서, 도 2에 도시하는 리거먼트(L)를 작게 해도 종래의 삼엽형(클로버형)과 동등한 강도를 얻을 수 있었던 것을 확인하였다.

본 발명은 원자력 플랜트에 사용하는 증기 발생기에 채용하고 있는 관 지지판뿐만 아니라, 다수의 전열관을 갖는 각종 증기 발생기에 채용하고 있는 관 지지판에도 적용할 수 있다.

Claims (2)

1. 증기 발생기의 내부에 배치되는 동시에, 전열관이 관통하는 다수의 관통 구멍이 형성된 관 지지판에 있어서,

   상기 관통 구멍의 구멍 형상은 육각 형상이고, 이 육각 형상을 형성하는 변 중, 하나 걸러의 변에는 상기 관통 구멍의 중심을 향해 돌출되는 돌출부가 형성되는 동시에,

   상기 관통 구멍의 배열은 상기 관통 구멍이 일정한 피치로 직선 형상으로 배열된 관통 구멍열이, 평행 상태로 다수 배열된 상태로 배치되어 있고, 또한 인접하는 관통 구멍열끼리에는 관통 구멍의 배치 위치가, 상기 피치의 절반의 거리만큼 시프트되어 있고, 이것에 의해 상기 관통 구멍의 배열 상태는 허니캠 형상의 배열 상태로 되어 있으며,

   또한, 상기 변의 단부는 만곡되는 동시에, 상기 변끼리의 접속 부분은 상기 관통 구멍의 중심으로부터 보아 외주측으로 볼록해지는 만곡 형상으로 되어 있고,

   어느 하나의 관통 구멍의 변과, 상기 하나의 관통 구멍에 인접하는 다른 관통 구멍의 변 중에서 상기 하나의 관통 구멍에 대향하는 변 중, 한쪽의 변에만 상기 돌출부가 형성되는 상태로 상기 돌출부가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 증기 발생기의 관 지지판.
2. 삭제

Images