KR101409880B1

KR101409880B1 - 백블레이드부를 갖는 원자로 냉각재 펌프

Info

Publication number: KR101409880B1
Application number: KR1020120153531A
Authority: KR
Inventors: 박화규; 방상윤; 추성민
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-06-20
Also published as: KR20130079249A

Abstract

본 발명은 백블레이드부를 갖는 원자로 냉각재 펌프에 관한 것이다. 본 발명은, 임펠러의 상부면 또는 이에 대응하는 면에 백블레이드부가 형성되어 그 임펠러의 상면에서의 내 외측 간 차압을 높이게 됨으로써, 밀봉수가 신속하게 펌프 케이싱의 내부공간으로 배출되어 순환되도록 할 수 있다. 이를 통해 펌프 케이싱의 내부공간에 채워지는 고온고압의 냉각재가 임펠러와 서비스 실의 간극을 통해 역류하는 것을 방지하여 펌프축이 열충격으로 인해 변형되는 것을 방지할 수 있다.

Description

백블레이드부를 갖는 원자로 냉각재 펌프{REACTOR COOLANT PUMP WITH BACK BLADES}

본 발명은 원자로에 냉각재를 공급하는 원자로 냉각재 펌프에서 임펠러의 배면에 차압이 발생되도록 백블레이드부를 갖는 원자로 냉각재 펌프에 관한 것이다.

일반적으로 원자력 발전은 원자로에서 발생된 에너지로 물을 가열하고 이 때 발생되는 증기를 이용하여 터빈 발전기를 가동시키는 원리이다. 이를 위해, 원자력 발전기는 크게 에너지를 발생시키는 원자로, 물을 순환시키는 펌프, 물을 증기로 변환시키는 증기발생기 및 원자로 냉각재 계통의 압력과 체적 제어를 위한 가압기로 구성되어 있다. 원자로 냉각재 계통에는 냉각재를 순환시키기 위한 원자로 냉각재 펌프가 구비되어 있다.

원자로 냉각재 펌프는 약 150ton 이상의 무거운 중량체이다. 원자로 냉각재 펌프는 상측에는 구동원인 모터유닛이 설치되고, 하측에는 모터유닛에 의해 작동하면서 냉각재를 펌핑하여 순환시키기 위한 펌핑유닛이 설치되어 있다. 그리고 모터유닛의 축(이하, 모터축)과 펌핑유닛의 축(이하, 펌프축)은 커플링으로 연결되어 동시 회전하도록 이루어져 있다.

여기서, 펌핑유닛은 높은 온도와 압력, 예를 들면 290.6℃(555℉)와 15.306㎫(2220psi)에서 많은 양의 원자로 냉각재를 이동시킬수 있도록 통상 하단에 임펠러(impeller)를 가지는 수직형 원심펌프로 이루어져 있다.

상기와 같은 원자로 냉각재 펌프의 펌핑유닛은 정상운전시 화학 및 체적제어 계통의 충전펌프로부터 3단 실(seal)의 각 단으로 밀봉수가 공급되고, 이 중 1단 실로 주입되는 밀봉수 중의 일부는 하부 베어링을 냉각 윤활하게 되며, 임펠러와 그 임펠러에 대향되는 디퓨져(diffusor), 그리고 서비스 실(service seal) 사이의 간극(gap)을 통해 펌핑유닛의 펌프 케이싱 안으로 밀봉수를 회수하고 있다.

이때, 밀봉수의 공급 기능이 상실되는 경우에는 재순환 실 주입 라인(recirculation seal injection line)을 개방하여 펌프 케이싱 내의 원자로 냉각수가 재순환되어 밀봉수로 공급되도록 하고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 냉각재 펌프의 펌핑유닛에 있어서는, 임펠러 상부면(이하, 임펠러 배면과 혼용함)의 간극에 충분한 차압이 생성되지 않으면 하부베어링을 냉각 윤활하고 빠져 나오는 밀봉수가 펌프 케이싱의 내부공간으로 원활하게 회수되지 못하면서 재순환되지 못할 뿐만 아니라, 펌프 케이싱 내 고온고압의 원자로 냉각수가 하부 베어링쪽으로 역류하여 펌프축에 심한 열충격(thermal shock)이 가해질 우려가 있었다.

선행기술 문헌 1: 공개특허공보 10-1987-0002605호.
선행기술 문헌 2: 공개특허공보 10-1991-0014959호.

본 발명의 목적은, 임펠러 상부면의 간극에 충분한 차압이 생성되도록 하여 하부베어링을 냉각 윤활한 밀봉수가 펌프 케이싱의 내부공간으로 원활하게 회수되어 재순환되도록 함으로써 펌프축에 열충격이 가해지는 것을 방지할 수 있는 백블레이드부를 갖는 원자로 냉각재 펌프를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 모터축에 결합되는 펌프축과, 상기 펌프축에 결합되어 회전하면서 냉각재를 펌핑하도록 임펠러가 구비되는 펌핑유닛; 및 상기 펌프축과 그 펌프축을 지지하는 축수부 사이에 밀봉수를 공급하는 실링유닛;을 포함하고, 상기 임펠러의 배면과 이에 대응하는 면에는 복수 개의 백블레이드부가 형성되는 백블레이드부를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 펌프가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 백블레이드부는 방사상으로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 백블레이드부는 임펠러의 회전방향에 대해 순방향으로 곡면지거나 경사지게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 펌핑유닛은 그 축과 일체로 결합되는 임펠러가 펌프 케이싱의 내부공간에 설치되고, 상기 임펠러의 배면에는 그 임펠러의 배면으로 냉각재가 유입되는 것을 방지하는 실링부재가 설치되며, 상기 백블레이드부는 상기 실링부재와 대응되도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 실링유닛은 상기 펌프축과 그 펌프축을 지지하는 축수부 사이에 밀봉수를 공급하는 복수 개의 실링라인이 상기 펌프축방향을 따라 각각 높이차를 두고 구비되며, 상기 실링라인은 그 실링라인을 통해 공급되는 밀봉수가 순환되는 인젝션 라인과 연결되고, 상기 인젝션 라인의 중간에는 상기 펌프 케이싱의 내부공간과 연통되는 재순환 실 주입 라인과 연결되며, 상기 재순환 실 주입 라인의 중간에는 그 재순환 실 주입 라인을 선택적으로 개폐하는 재순환 밸브가 설치될 수 있다.

본 발명에 의한 백블레이드부를 갖는 원자로 냉각재 펌프는, 임펠러의 상부면 또는 이에 대응하는 면 중에서 적어도 어느 한 쪽 면에 백블레이드부가 형성되어 그 임펠러의 상부면에서의 내 외측 간 차압을 상승시킴으로써, 밀봉수가 신속하게 펌프 케이싱의 내부공간으로 배출되어 순환되도록 할 수 있고 이를 통해 펌프 케이싱의 내부공간에 채워지는 고온고압의 냉각재가 임펠러와 서비스 실의 간극을 통해 역류하는 것을 방지하여 펌프축이 열충격으로 인해 변형되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 원자로 냉각재 펌프에서 밀봉수가 순환 공급되는 구성을 개략적으로 보인 계통도,
도 2는 도 1에 따른 원자로 냉각재 펌프의 일부를 보인 종단면도,
도 3은 도 2에 따른 원자로 냉각재 펌프에서 임펠러 주변을 확대하여 보인 종단면도,
도 4 및 도 5는 도 3의 'I-I'선단면도로서, 백블레이드부에 대한 실시예들을 보인 평면도.

이하, 본 발명에 의한 백블레이드부를 갖는 원자로 냉각재 펌프의 임펠러를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 원자로 냉각재 펌프에서 밀봉수가 순환 공급되는 구성을 개략적으로 보인 계통도이고, 도 2는 도 1에 따른 원자로 냉각재 펌프의 일부를 보인 종단면도이며, 도 3은 도 2에 따른 원자로 냉각재 펌프에서 임펠러 주변을 확대하여 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 원자로 냉각재 펌프(1)는, 모터축(미도시)에 결합되는 펌프축(11)이 구비되어 냉각재를 펌핑하는 펌핑유닛(10)과, 펌프축(11)과 그 펌프축(11)을 지지하는 축수부(미부호) 사이에 밀봉수를 공급하는 실링유닛을 포함한다.

펌핑유닛(10)은 도 1 및 도 2에서와 같이, 펌프 케이싱(12)의 내부에 임펠러(13)가 회전 가능하게 설치되고, 임펠러(13)의 토출측에는 그 임펠러(13)를 통해 펌핑되는 냉각재의 압력을 높이도록 디퓨져(14)가 설치될 수 있다.

임펠러(13)는 펌프축(11)에 임펠러 스터드 볼트(15)에 의해 일체로 결합되고, 펌프축(11)의 하단부위에는 축수부를 이루는 하부베어링(16)이 설치되며, 하부베어링(16)과 임펠러(13)의 사이에는 펌프 케이싱(12)의 내부공간에 담긴 원자로 냉각재가 하부베어링 방향으로 역류하는 것을 방지하기 위한 서비스 실(service seal)(17)이 고정 설치될 수 있다. 서비스 실(17)은 그 저면이 임펠러(13)의 상면과 소정의 간극(gap)만큼 이격되도록 설치될 수 있다.

펌프 케이싱(12)은 소정의 체적을 갖는 내부공간(121)이 형성되고, 펌프 케이싱(12)의 하단에는 흡입구(122)가 형성되며, 펌프 케이싱(12)의 측면에는 원자로의 냉각재 입구와 연통되도록 토출구(123)가 형성될 수 있다. 그리고 펌프 케이싱(12)의 내부공간(121)은 후술할 실링유닛의 재순환 실 주입 라인(257)이 연결될 수 있다.

실링유닛은 도 1 및 도 2에서와 같이 펌핑유닛(10)의 펌프 케이싱(12)에 접촉되도록 설치되고 펌프축(11)의 하단부를 감싸는 실 하우징(seal housing)(21)과, 실 하우징(21)에 관통 결합되어 펌프축(11)의 외주면에 밀봉수를 공급하는 밀봉수 공급부(25)로 이루어질 수 있다. 밀봉수 공급부(25)는 펌프축(11)의 축방향을 따라 복수 단(도면에선, 3단의 예가 개시됨)으로 이루어질 수 있다.

밀봉수 공급부(25)는 원자로 충전펌프(미도시)와 연결되는 인젝션 라인(251)과, 인젝션 라인(251)의 중간에 설치되어 밀봉수를 냉각하는 쿨러(252)와, 쿨러(252)의 출구측에서 펌프축(11)을 향해 복수 단으로 분관되어 연통되는 회수형 실링 라인(253)(254)과, 펌프축(11)의 상단부에서 폐루프를 이루며 밀봉수가 순환 공급되는 순환형 실링 라인(255)으로 이루어질 수 있다.

회수형 실링 라인(253)(254)은 펌핑유닛(10)을 기준으로 그 펌핑유닛(10)에 가까운 1단 실링 라인(253)과 2단 실링 라인(254)이 포함되고, 순환형 실링 라인(255)은 펌핑유닛(10)으로부터 가장 멀고 모터에 가장 가까운 3단 실링 라인(255)이 포함될 수 있다. 이 중에서 2단 실링 라인(254)은 3단 실링 라인(255)과 함께 합관되어 배수라인(256)을 형성할 수 있다.

한편, 펌핑유닛(10)의 펌프 케이싱(12)과 인젝션 라인(251)은 도 1에서와 같이 재순환 실 주입 라인(257)으로 연결되고, 재순환 실 주입 라인(257)의 중간에는 그 재순환 실 주입 라인을 선택적으로 개폐하는 재순환 밸브(258)가 설치될 수 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 원자로 냉각재 펌프는 다음과 같은 작용 효과가 있다.

즉, 인젝션 라인(251)을 통해 공급되는 밀봉수는 회수형 실링 라인인 1단 실링 라인(253)과 2단 실링 라인(254)을 통해 펌프축(11)과 그 펌프축(11)을 지지하는 축수부 사이로 공급되어 그 펌프축(11)의 외주면과 축수부의 내주면 사이로 펌프 케이싱(12)의 냉각재가 누설되는 것을 방지하는 동시에, 펌프축(11)이 원활하게 회전을 할 수 있도록 윤활 작용을 하게 된다.

여기서, 인젝션 라인(251)을 포함한 인젝션 공급 유로에서 고장이 발생하면 인젝션 라인(251)을 통한 밀봉수의 공급이 중단되는 동시에, 재순환 밸브(258)가 열리면서 펌프 케이싱(12)의 내부공간(121)에 담긴 원자로 냉각수가 재순환 실 주입 라인(257)을 통해 각 실링라인(253)(254)(255)으로 공급된다.

이때, 도 3에서와 같이 임펠러(13)의 상부면측, 즉 서비스 실(17)과 대향되는 임펠러의 배면과 서비스 실 사이의 간극(t)에서 충분한 차압이 형성되지 않으면 1단 실링 라인(253)을 통해 공급되는 밀봉수가 펌프 케이싱(12)의 내부공간으로 회수되지 못하고 오히려 임펠러(13)를 통해 펌핑되는 고온고압의 냉각재가 임펠러(13)와 서비스 실(17) 사이의 간극(t)을 통해 하부 베어링(16)쪽으로 역류하게 될 수도 있다. 그러면 고온고압의 냉각재가 펌프축(11)과 접촉되면서 그 펌프축에 열충격을 가해 열변형을 야기시켜 축수부와의 마찰손실이나 마모를 일으키게 될 수도 있다.

이를 감안하여, 본 실시예에서는 도 3 내지 도 5에서와 같이 임펠러(13)의 상부면에는 소정의 높이를 가지는 복수 개의 백블레이드부(back blade portion)(131)가 형성될 수 있다. 백블레이드부(131)는 도 4에서와 같이 축중심을 중심으로 하여 방사상으로 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 임펠러(13)의 회전방향에 대해 순방향으로 곡선진 스파이럴 형상이나 경사지게 형성될 수도 있다.

백블레이드부(131)는 원주방향을 따라 대략 45°의 등간격을 두고 8개 정도가 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 30°의 등간격으로 12개가 형성되거나 60°의 등간격으로 6개, 또는 90°의 등간격으로 4개가 형성되는 등 다양하게 배치될 수 있다.

상기와 같이 임펠러(13)의 배면에 복수 개의 백블레이드부(131)가 등간격으로 형성되는 경우에는 임펠러(13)가 회전을 할 때 발생되는 원심력을 증가시켜 그 임펠러의 상부면에서의 내 외측 간 차압을 높일 수 있고 이를 통해 하부 베어링(16)을 통해 흘러내리는 밀봉수가 신속하게 펌프 케이싱(12)의 내부공간(121)으로 배출되어 순환되도록 할 수 있다. 그리고 이를 통해 펌프 케이싱(12)의 내부공간에 채워지는 고온고압의 냉각재가 임펠러(13)와 서비스 실(17)의 간극(t)을 통해 하부 베어링(16)쪽으로 역류하는 것을 방지하여 펌프축이 열충격으로 인해 변형되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 전술한 실시예에서는 백블레이드부가 임펠러의 상부면에 형성되는 것이었으나, 경우에 따라서는 임펠러의 상부면에 대응하는 면, 즉 서비스 실의 하부면에 백블레이드부가 형성될 수도 있다. 이에 따른 기본적인 구성과 작용 효과는 전술한 임펠러의 상부면에 형성하는 것과 대동소이하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

11 : 펌프축 12 : 펌프 케이싱
13 : 임펠러 131 : 백블레이드부
14 : 디퓨져 16 : 하부 베어링
17 : 서비스 실

Claims

모터축에 결합되는 펌프축과, 상기 펌프축에 결합되어 회전하면서 냉각재를 펌핑하도록 임펠러가 구비되는 펌핑유닛; 및
상기 펌프축과 그 펌프축을 지지하는 축수부 사이에 밀봉수를 공급하는 실링유닛;을 포함하고,
상기 임펠러의 배면 또는 이에 대응하는 면 중에서 적어도 어느 한 쪽 면에는 복수 개의 백블레이드부가 형성되는 백블레이드부를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 펌프.
제1항에 있어서,
상기 백블레이드부는 방사상으로 형성되는 백블레이드부를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 펌프.
제1항에 있어서,
상기 백블레이드부는 임펠러의 회전방향에 대해 순방향으로 곡면지거나 경사지게 형성되는 백블레이드부를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 펌프.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,
상기 펌핑유닛은 그 축과 일체로 결합되는 임펠러가 펌프 케이싱의 내부공간에 설치되고, 상기 임펠러의 배면에는 그 임펠러의 배면으로 냉각재가 유입되는 것을 방지하는 실링부재가 설치되며,
상기 백블레이드부는 상기 실링부재와 대응되도록 형성되는 백블레이드부를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 펌프.
제4항에 있어서,
상기 실링유닛은 상기 펌프축과 그 펌프축을 지지하는 축수부 사이에 밀봉수를 공급하는 복수 개의 실링라인이 상기 펌프축방향을 따라 각각 높이차를 두고 구비되며,
상기 실링라인은 그 실링라인을 통해 공급되는 밀봉수가 순환되는 인젝션 라인과 연결되고,
상기 인젝션 라인의 중간에는 상기 펌프 케이싱의 내부공간과 연통되는 재순환 실 주입 라인과 연결되며, 상기 재순환 실 주입 라인의 중간에는 그 재순환 실 주입 라인을 선택적으로 개폐하는 재순환 밸브가 설치되는 백블레이드부를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 펌프.