KR101447035B1 - 원자로 냉각재 펌프의 축 정렬 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 냉각재 펌프의 축 정렬 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 펌프축과 임펠러에 복수 개의 정렬핀이 반경방향으로 결합되도록 함으로써, 열충격시 펌프축이나 임펠러 중에서 열팽창율이 큰 부재가 상대적으로 더 많이 반경방향으로 열팽창되더라도 그 열팽창되는 부재가 상기 정렬핀을 따라 반경방향으로 균일하게 팽창될 뿐 상기 정렬핀이 파손되지도 않을 뿐만 아니라 축중심은 원래의 축중심을 유지하게 되므로 상기 펌프축과 임펠러의 축중심 정렬상태는 틀어지지 않고 정렬상태를 유지할 수 있게 된다.

Description

원자로 냉각재 펌프의 축 정렬 장치{SHAFT ALIGNE DEVICE FOR COOLANT PUMP}

본 발명은 원자로에 냉각재를 공급하는 원자로 냉각재 펌프에서 임펠러에 대해 펌프축을 고정하는 원자로 냉각재 펌프의 축 정렬 장치에 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.

한편, 종래의 원자로 냉각재 펌프는 임펠러 스터드 볼트에 의해 임펠러가 펌프축에 일체로 결합되어 있다. 그리고 도 1에서와 같이 펌프축(101)과 임펠러(102)는 스크류(103)와 도웰핀(dowel pin)(104)이 축방향으로 결합되어 있다. 즉, 임펠러(102)와 펌프축(101)은 열충격(thermal shock)을 받으면 열팽창을 하게 되는데, 이때 펌프축(101)과 임펠러(102)는 열팽창 하는 정도가 서로 다르게 될 수 있고 이로 인해 펌프축(101)과 임펠러(102)의 정렬상태가 틀어질 수 있다. 따라서, 종래에는 스크류(103)와 도웰핀(104)을 축방향으로 결합하여 펌프축(101)과 임펠러(102)를 반경방향으로 구속되도록 함으로써 펌프축(101)과 임펠러(102)가 항상 축중심이 일치되는 정렬상태를 유지하도록 하고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 냉각재 펌프의 펌핑유닛에 있어서는, 펌프축(101)과 임펠러(102)가 스크류(103)와 도웰핀(104)과 같은 축방향 체결부재에 의해 조립됨에 따라 열충격시 펌프축(101)과 임펠러(102)의 열팽창율이 서로 달라 축방향 체결부재의 일부가 파손될 수 있고 이로 인해 체결부재가 파손된 쪽으로 펌프축(101)과 임펠러(102)가 변형되면서 결국 축중심이 틀어져 진동과 마모가 발생하는 문제점이 있었다.

선행기술 문헌: 등록특허공보 제10-0285671호.

본 발명의 목적은, 펌프축과 임펠러를 체결하는 체결부재가 열충격시 파손되는 것을 미연에 방지하고 이를 통해 임펠러와 펌프축의 축중심이 틀어지는 것을 막아 진동과 마모를 미연에 방지할 수 있는 원자로 냉각재 펌프의 축 정렬 장치를 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 펌프축과 임펠러 중에서 적어도 어느 한 쪽에는 복수 개의 핀홀이 반경방향으로 형성되며, 상기 핀홀에는 각각 정렬핀이 반경방향으로 삽입되어 결합되는 원자로 냉각재 펌프의 축 정렬 장치가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 펌프축과 임펠러가 접하는 면에는 서로 합쳐져 한 쌍의 핀홈을 이루도록 반홈이 각각 형성되고, 상기 정렬핀이 한 쌍의 핀홈을 이루는 양쪽 반홈에 각각 겹치도록 삽입될 수 있다.

그리고, 상기 정렬핀은 모터축 또는 임펠러에 체결나사에 의해 축방향으로 나사 체결되도록 그 정렬핀의 반경방향으로 체결홀이 형성될 수 있다.

그리고, 상기 펌프축과 임펠러가 서로 접하는 면중에서 어느 한 쪽 면에는 핀홈이 형성되고, 상기 핀홈에 정렬핀이 반경방향으로 삽입되며, 상기 정렬핀은 체결나사에 의해 핀홈이 형성되지 않은 면에 나사 체결될 수 있다.

본 발명에 의한 원자로 냉각재 펌프의 축 정렬 장치는, 펌프축과 임펠러에 복수 개의 정렬핀이 반경방향으로 결합되도록 함으로써, 열충격시 펌프축이나 임펠러 중에서 열팽창율이 큰 부재가 상대적으로 더 많이 반경방향으로 열팽창되더라도 그 열팽창되는 부재가 상기 정렬핀을 따라 반경방향으로 균일하게 팽창될 뿐 정렬핀이 파손되지도 않을 뿐만 아니라 축중심은 원래의 축중심을 유지하게 되므로 펌프축과 임펠러의 축중심이 정렬상태를 유지할 수 있어 원자로 냉각재 펌프의 진동과 마모를 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 종래 원자로 냉각재 펌프에서 펌프축과 임펠러를 체결하는 체결부재의 체결방향을 설명하기 위해 보인 부분 단면도,
도 2는 본 발명에 의한 원자로 냉각재 펌프에서 밀봉수가 순환 공급되는 구성을 개략적으로 보인 계통도,
도 3은 도 2에 따른 원자로 냉각재 펌프의 일부를 보인 종단면도,
도 4는 도 3의 'A'부를 확대하여 보인 종단면도로서, 정렬핀에 대한 실시예들을 보인 단면도,
도 5는 도 4에 따른 정렬핀의 조립상태를 보인 평면도,
도 6은 도 3의 'A'부의 다른 예를 확대하여 보인 종단면도로서, 정렬핀에 대한 다른 실시예들을 보인 단면도.

이하, 본 발명에 의한 원자로 냉각재 펌프의 축 정렬 장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 원자로 냉각재 펌프에서 밀봉수가 순환 공급되는 구성을 개략적으로 보인 계통도이고, 도 3은 도 2에 따른 원자로 냉각재 펌프의 일부를 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 2 및 도 3에서와 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 2 및 도 3에서와 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 충전펌프와 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 2에서와 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, 펌핑유닛(10)이 과도조건에서 작동을 하게 되면, 펌핑유닛(10)에 의해 펌핑되는 냉각재가 과도하게 고온고압이 되면서 상기 펌프축(11)과 임펠러(13)가 열충격을 받게 된다. 그러면 펌프축(11)과 임펠러(13)가 서로 다른 열팽창율을 가지고 반경방향으로 팽창을 하게 될 수 있다. 종래에는 펌프축과 임펠러를 축방향으로 체결하여 반경방향을 구속하였으나, 이로 인해 펌프축과 임펠러를 축방향으로 구속하는 스크류와 도웰핀 등이 파손되어 오히려 더 큰 진동과 마모를 유발시킬 수 있었다.

이를 감안하여, 본 실시예에서는 도 4에서와 같이, 펌프축(11)과 임펠러(13)가 반경방향으로 균일하게 열변형될 수 있도록 정렬핀(18)을 반경방향으로 삽입하여 펌프축(11)과 임펠러(13)를 연결함으로써 열충격에 의한 급격한 온도 변화시 펌프축(11)과 임펠러(13)의 축중심이 항상 정렬된 상태를 유지할 수 있다.

이를 위해, 도 4 및 도 5에서와 같이, 펌프축(11)과 임펠러(13)가 서로 접하는 접촉면에는 합쳐져 한 쌍의 핀홈을 이루도록 각각 반홈(11a)(13a)이 서로 대칭되게 형성될 수 있다. 핀홈은 복수 개가 펌프축(11)과 임펠러(13)의 원주방향을 따라 등간격으로 형성될 수 있다.

그리고 핀홈에 삽입되는 정렬핀(18)은 반경방향으로 삽입될 수 있도록 소정의 길이를 갖는 봉 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 정렬핀(18)은 중앙부위에 반경방향으로 관통되어 체결홀(18a)이 형성되고, 체결홀(18a)이 대향되는 펌프축(11)의 접촉면에는 체결홀(18a)을 통해 체결나사(19)가 정렬핀(18)을 체결할 수 있도록 체결홈(11b)이 형성될 수 있다.

핀홈과 정렬핀(18)은 도 4에서와 같이 원형 단면 형상으로 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 도 6에서와 같이 사각단면 또는 도면으로 도시하지는 않았으나 반원형이나 기타 다른 형상으로 형성될 수 있다. 핀홈과 정렬핀(18)이 사각단면 형상일 경우에는 핀홈과 정렬핀(18)이 펌프축(11)이나 임펠러(13) 중에서 어느 한 쪽에 형성될 때 용이할 수 있다. 다만, 이와 같이 상기 핀홈과 정렬핀(18)이 펌프축(11)이나 임펠러(13) 중에서 어느 한 쪽에만 형성될 경우에는 정렬핀(18)은 핀홈이 형성되지 않는 쪽에 체결나사(19)로 고정되어야 한다. 이 경우, 체결나사(19)는 펌프축(11)과 임펠러(13) 사이를 견고하게 결합시킬 수 있어야 하므로 종래의 스크류와 도웰핀 정도의 강도를 갖는 크기와 재질로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기와 같이 상기 펌프축과 임펠러에 복수 개의 정렬핀이 반경방향으로 결합되는 경우에는 열충격시 펌프축이나 임펠러 중에서 열팽창율이 큰 부재가 상대적으로 더 많이 반경방향으로 열팽창되더라도 그 열팽창되는 부재가 상기 정렬핀을 따라 반경방향으로 균일하게 팽창될 뿐 상기 정렬핀이 파손되지도 않을 뿐만 아니라 축중심은 원래의 축중심을 유지하게 되므로 상기 펌프축과 임펠러의 축중심 정렬상태는 틀어지지 않게 된다.

11 : 펌프축 11a : 반홈
11b : 체결홈 13 : 임펠러
13a : 반홈 18 : 정렬핀
18a : 체결홀 19 : 체결나사

Claims (4)

1. 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 펌프축과 임펠러 중에서 적어도 어느 한 쪽에는 복수 개의 핀홈이 반경방향으로 형성되며,
   상기 핀홈에는 각각 정렬핀이 펌프축의 반경방향으로 삽입되어 결합되되,
   상기 펌프축과 임펠러가 접하는 면에는 서로 합쳐져 한 쌍의 핀홈을 이루도록 반홈이 각각 형성되고,
   상기 정렬핀이 한 쌍의 핀홈을 이루는 양쪽 반홈에 각각 겹치도록 삽입되는 원자로 냉각재 펌프의 축 정렬 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 정렬핀은 펌프축 또는 임펠러에 체결나사에 의해 축방향으로 나사 체결되도록 그 정렬핀의 반경방향으로 체결홀이 형성되는 원자로 냉각재 펌프의 축 정렬 장치.
4. 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 펌프축과 임펠러가 서로 접하는 면 중에서 어느 한 쪽 면에 복수 개의 핀홈이 반경방향으로 형성되고,
   상기 핀홈에 각각 정렬핀이 펌프축의 반경방향으로 삽입되어 결합되되, 상기 정렬핀은 체결나사에 의해 핀홈이 형성되지 않은 면에 나사 체결되는 원자로 냉각 펌프의 축 정렬 장치.

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