KR20160077092A - 소형 또는 중형 크기의 모듈라 원자로의 일차 회로를 위한 모터 구동식 원심 펌프 - Google Patents

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Abstract

본원은 원자로의 일차 회로에서 열전달 유체를 순환시키는 모터 구동식 원심 펌프에 관한 것이다. 상기 모터 구동식 펌프는 밀봉된 모터 유닛 (12), 유압부 (13) 및 샤프트 (17) 를 포함하고, 상기 샤프트 (17) 는 열전달 유체에 침지되며, 상기 밀봉된 모터 유닛 (12) 에 의해 회전되고, 그리고 상기 샤프트 (17) 에 단단히 연결된 상기 유압부 (13) 의 임펠러 (22) 에 의해 상기 열전달 유체를 펌핑한다. 상기 모터 유닛 (12) 은 드라이 스테이터 (18) 와 상기 샤프트 (17) 에 단단히 연결된 침지된 로터 (19) 를 포함한다. 상기 모터 구동식 펌프는 또한 상기 모터 유닛 (12) 의 로터 (19) 와 상기 유압부 (13) 의 임펠러 (22) 사이의 상기 샤프트 (17) 에 단단히 연결된 침지된 플라이휠 (23) 을 포함하여, 전력 공급원이 차단된 후에 최소한의 감속 시간을 허용하고; 미리 정해진 방향으로 상기 샤프트 (17) 의 회전을 기계적으로 차단하도록 구성된 침지된 역회전 방지 디바이스 (60) 를 포함한다.

Description

소형 또는 중형 크기의 모듈라 원자로의 일차 회로를 위한 모터 구동식 원심 펌프 {MOTOR-DRIVEN CENTRIFUGAL PUMP FOR THE PRIMARY CIRCUIT OF SMALL OR MEDIUM-SIZED MODULAR NUCLEAR REACTORS}
본 발명은, 원자로의 냉각을 제공하고 그리고 일차 회로를 통하여 냉매 (coolant) 를 순환시키는 일차 모터 구동식 펌프 유닛들의 분야에 관한 것으로서, 보다 특히 소형 및 중형 크기의 모듈라 반응로들에 적합한 모터 구동식 일차 펌프의 설계에 관한 것이다.
1000 MW 초과의 전력을 배급할 수 있는 보다 강력한 원자로들과는 다르게, 통상적으로 SMR (Small Modular Reactors) 라고 하는 소형 및 중형 모듈라 반응로 섹터는 상당한 팽창을 겪게 된다. SMR 의 많은 설계들이 진행중이고, 일반적으로 50 ~ 700 MW (소형 반응로들에 대해서는 300 MW 미만; 중형 반응로들에 대해서는 700 MW 미만) 범위이다. 종래의 설치물들보다 덜 비싸고 그리고 더 가요적임으로써, SMR 은 특히 개발도상국에서 전기 에너지에 대한 수요 증가에 대한 해답을 제공해준다.
SMR 의 모듈라 구성은 수요에 적합한 개수의 모듈들을 사용함으로써 생산 용량을 점차적으로 증가시키도록 한다. 보다 컴팩트함으로써, 이들은 운반되고 그리고 최종 사용자 사이트에서 조립하기 전에 부분적으로 미리 제조될 수 있다. 플러그 앤 플레이 솔루션 (plug and play solution) 으로 설계됨으로써, SMR 설치물들은 보다 신속하게 형성될 수 있어서, 경제적인 면에서, 사이트에서 실시할 설치 작업의 관점에서, 크기 및 최종 사용의 면에서 보다 더 큰 유연성을 제공해준다.
SMR 에 대해 상정되는 다수의 반응로 유형들, 특히 가압수 반응로 (PWR), 고온 반응로 (HTR) 또는 심지어 용융염 반응로 (MSR) 가 있다. PWR 에서, 냉매를 구성하는 통상의 물은 150 bar 정도의 고압하에서 액체로 유지된다. 일차 회로에서, 물은 원자 연료에 의해 생성된 열을 집속하고 그리고 이 열을 증기 발생기들을 사용하여 이차 회로의 유체에 전달한다. SMR 에 대하여 상정되는 통합된 PWR 에서, 1 개 이상의 증기 발생기(들)는 반응로와 동일한 포위체들 (enclosures) 에 위치된다. 반응로로부터의 열은 이차 회로에 의해 증기 터빈으로 전달되고, 이 증기 터빈은 전기를 생성하는 일을 하는 교류발전기를 구동시킨다.
1 개 이상의 일차 펌프들은, 반응로 코어와 증기 발생기들 사이에서, 일차 회로를 통하여 물을 순환시킨다. 일차 냉매 펌프는 PWR 설비의 작동 및 안전에 중요한 구성요소이다. 하나의 모듈에 반응로, 일차 회로 및 증기 발생기들을 갖는 통합형 PWR 의 구조 (architecture) 는 새로운 요건들, 기하학적 형상과 기능 둘 다 그리고 내구성면에서 또는 안전 요건들을 부여하기 때문에, SMR 의 설계는 일차 펌프의 구조에 대한 재고를 동반한다.
간단하고, 컴팩트하며, 덜 값비싸며 그리고 가장 엄격한 안전 요건들을 충족하는 반응로용 대규모의 사양의 시트는 이들의 구성 부품들에 대해서는 논리적으로 통과되었다. 현존하는 일차 펌프들은 이러한 새로운 요건에 대해 예시된다. 본 발명의 비한정적인 실시예에 의해, SMR 에 적합한 모터 구동식 일차 펌프는, 기능적인 요건들에 의해, 60 년의 내구성, 300 ~ 350℃ 의 모터 구동식 펌프 유입 유체 온도, 140 ~ 160 bar 의 작동 압력, 600 ~ 700 kg/㎥ 의 냉매 밀도, 및 다수의 기하학적 요건들 (예를 들어, 수직으로 또는 수평으로 장착하기 위한 능력, 전체 크기의 포위체), 설치 요건들 (예를 들어, 용접에 의해 설치되지 말아야 하고, 구성요소가 포위체 내부에 남아 있지 않으면서, 반응로 외부와 완전히 분리시킬 수 있어야 하는 사실), 및 외부 요건들 (예를 들어, 내진 요건들) 을 가진다.
따라서, 새로운 요건들 및 대규모의 요건들을 충족하는 모터 구동식 일차 펌프를 구비하는 것이 바람직하다. 적합한 모터 구동식 일차 펌프는 간단한 설계, 견고성, 경제성, 대량 생산에 대한 적합성을 가져야 하고 그리고 가장 엄격한 기능 및 규칙 요건들을 충족해야 한다.
이를 위해, 본원의 과제는 원자로의 일차 회로에서 냉매를 순환시키기 위한 모터 구동식 원심 펌프이다.
상기 모터 구동식 펌프는 밀봉된 모터 유닛, 유압부 및 샤프트를 포함하고, 상기 샤프트는, 냉매에 침지되며, 상기 밀봉된 모터 유닛에 의해 회전되고, 그리고 상기 샤프트에 고정된 상기 유압부의 임펠러에 의해 상기 냉매를 펌핑한다. 상기 모터 유닛은 드라이 스테이터와 상기 샤프트에 고정 장착된 침지된 로터를 포함한다. 상기 모터 구동식 펌프는 또한 상기 모터 유닛의 로터와 상기 유압부의 임펠러 사이의 상기 샤프트에 고정 장착된 침지된 플라이휠을 포함하여, 상기 모터 유닛이 상기 샤프트의 회전을 중지하면 최소한의 감속 시간을 보장할 수 있도록 하고; 미리 정해진 방향으로 상기 샤프트의 회전을 기계적으로 차단하도록 구성된 침지된 역회전 방지 디바이스 (anti-backpsin device) 를 포함한다.
유리하게는, 침지된 역회전 방지 디바이스는 고정부 및 샤프트에 부착된 가동부를 포함한다. 상기 가동부는 상기 고정부에 대면하는 적어도 하나의 공동과 적어도 하나의 가동 핀을 포함하고, 상기 가동 핀은, 원심력의 영향으로 상기 공동 내측에 유지되며, 그리고 상기 가동부의 회전 속도가 미리 정해진 한계값 이하로 떨어지면 중력의 영향으로 공동을 부분적으로 나온다. 상기 고정부는 2 개의 경사진 평면들, 얕은 구배의 제 1 평면과 급격한 구배의 제 2 평면으로 구성된 적어도 하나의 램프를 포함한다. 상기 역회전 방지 디바이스는, 미리 정해진 속도 한계값 이하에서:
- 상기 가동부가 허용된 회전 방향으로 회전하면, 상기 가동 핀은 얕은 구배의 경사진 평면과 접촉함으로써 상기 공동안으로 다시 푸시되고,
- 상기 공동 외측의 상기 핀의 일부가 급격한 구배의 경사진 평면과 접촉함으로써 반대 방향으로 상기 가동부의 회전을 차단하도록 구성된다.
유리하게는, 상기 역회전 방지 디바이스의 가동부는 상기 플라이휠에 형성되어, 통합된 하위조립체를 형성한다.
유리하게는, 적어도 하나의 핀은 외부가 메인 축을 따라서 실질적으로 원통형 형상으로 된다. 공동은 핀의 메인 축을 따라서 실질적으로 원통형인 적합한 내부 형상을 가진다.
유리하게는, 적어도 하나의 상기 핀은 상기 핀의 메인 축에 실질적으로 평행한 단부가 개방된 덕트를 포함하고, 상기 단부가 개방된 덕트는 상기 핀이 이동함에 따라 상기 냉매가 상기 공동 내측에서 더 용이하게 유동하도록 해준다.
유리하게는, 적어도 하나의 상기 핀은 적어도 일 단부에 모따기된 프로파일 또는 라운딩처리된 프로파일을 포함하여, 상기 프로파일은 상기 핀이 제 1 평면을 보다 더 용이하게 오르게 하고 그리고 상기 가동부와 상기 고정부 사이의 충격을 보다 더 용이하게 제한하도록 해준다.
유리하게는, 상기 역회전 방지 디바이스는, 상기 샤프트의 회전 축으로부터 동일한 거리에 형성되고 그리고 상기 가동부에 균일한 각도로 분포된 복수의 핀들 및 공동들을 포함하고, 동일한 개수의 램프들이 상기 고정부에 균일하게 분포되어, 회전방향으로의 차단은 램프와 상기 핀들 각각의 접촉 결과를 유발한다.
유리하게는, 상기 역회전 방지 디바이스는, 상기 샤프트의 회전 축으로부터 동일한 거리에 형성되고 그리고 상기 가동부에 균일하게 분포된 복수의 핀들 및 공동들을 포함하고, 다른 개수의 램프들이 상기 고정부에 균일하게 분포되어, 회전방향으로의 차단은 램프와 단일의 핀의 접촉 결과를 유발한다.
유리하게는, 적어도 하나의 램프, 적어도 하나의 핀 또는 적어도 하나의 공동의 적어도 표면부는 표면 경화 프로세스에 의해 기계적으로 강화된다.
유리하게는, 적어도 하나의 램프, 적어도 하나의 핀 또는 적어도 하나의 공동의 적어도 일부는 기계적 강도가 향상된 금속 합금으로 제조된다.
유리하게는, 모터 구동식 펌프는 일차 회로로부터 상기 모터 유닛을 열적으로 격리하도록 상기 모터 유닛과 상기 유압부 사이에 열차폐부를 포함한다. 샤프트는 플라이휠과 임펠러 사이의 열차폐부를 통과한다.
유리하게는, 고정부는 가동부에 대면하는 열차폐부의 표면에 형성된다.
유리하게는, 모터 구동식 펌프는 수직으로 장착된다. 적어도 하나의 공동은 공동내에서 핀의 수직방향 운동을 허용하도록 구성된다. 미리 정해진 한계값 이하로 떨어지는 회전 속도는 역회전 방지 디바이스의 모든 핀들이 떨어지도록 한다.
유리하게는, 모터 구동식 펌프는 수평으로 장착된다. 적어도 하나의 공동은 공동내에서 핀의 반경방향 운동을 허용하도록 구성된다. 미리 정해진 한계값 이하로 떨어지는 회전 속도는 역회전 방지 디바이스의 일부 핀들이 떨어지도록 한다.
이하의 도면들에서 실시예의 방식으로 주어진 일부 실시형태들의 자세한 설명을 판독함으로써, 본원은 더 잘 이해될 것이고 그리고 추가의 장점이 명백할 것이다.
도 1a 및 도 1b 는 본원에 따른 모터 구동식 일차 펌프 및 SMR 에 수직방향 형상으로 통합되는 방법을 도시한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c 는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 모터 구동식 일차 펌프를 도시한다.
도 3 은 본원의 바람직한 실시형태에 사용되는 한 세트의 베어링들을 도시한다.
도 4a 및 도 4b 는 본원의 바람직한 실시형태에 사용되는 베인형 휠이 장착된 플라이휠을 도시한다.
도 5a 및 도 5b 는 본원의 바람직한 실시형태에 사용되는 외부 냉각 회로를 도시한다.
도 6a 및 도 6b 는 본원의 바람직한 실시형태에 사용되는 역회전 방지 디바이스를 도시한다.
명확성을 위해서, 동일한 요소들은 다양한 도면들에서 동일한 도면부호를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b 는 본원에 따른 모터 구동식 일차 펌프 및 SMR 에 수직방향 형상으로 통합되는 것을 도시한다. 도 1a 는 본원에 따른 모터 구동식 일차 펌프 (10) 및 반응로 (11) 의 상부를 도시한다. 반응로 (11) 의 상부는, 이 반응로 (11) 의 하부에서 제어된 원자 반응의 영향하에서 냉매를 고압 및 고온으로 유지하는 가압기를 포함한다. 반응로 일차 회로는 1 개 이상의 모터 구동식 펌프들을 포함하고, 이 펌프들은 가압기와 1 개 이상의 증기 발생기(들) 사이에서 유체를 순환시킨다. 도 1a 및 도 1b 에 도시된 반응로 (11) 의 상부는 돔 형상부 및 실질적으로 원통형 베이스를 포함한다. 도 1a 는 다이어프램을 보다 쉽게 이해시키기 위해서 하나의 모터 구동식 일차 펌프 (10) 만이 장착된 반응로 (11) 를 도시한다. 하지만, 반응로 (11) 의 상부의 실질적으로 원통형 베이스 및 그 상부 주변에 고정된 여러 개의 모터 구동식 일차 펌프들이 있음을 상정할 수 있다. 도 1a 에서, 8 개의 모터 구동식 일차 펌프들은 베이스 주변에 배열될 수 있고, 8 개의 펌프들의 연결 계면들을 다이어그램에서 볼 수 있다. 이러한 실시예에서, 반응로의 설계는 모터 구동식 일차 펌프가 수직으로 헤드가 아래로 장착되는 것을 나타낸다. 모터 구동식 일차 펌프 (10) 는, 열차폐부 (14) 에 의해 분리된 모터 유닛 (12) 과 유압부 (13) 를 포함한다. 베이스는 일차 회로의 일부를 포함한다. 도 1b 에 도시된 바와 같이, 일차 펌프들은 반응로 코어에 연결된 공통의 매니폴드 (15) 에 연결된다. 냉매는 증기 발생기들에 연결된 공통의 배출 포위체 (16) 에 펌핑된다. 모터 구동식 펌프가 매우 타이트하게 한정된 환경, 특히 반응로의 벽들에 매우 근접하게 통합된다는 사실은 모터 구동식 펌프의 설계시, 특히 임펠러의 유체 상류측의 유동, 임펠러를 통과하는 유동 및 임펠러의 하류측 유동의 면에서 큰 제약을 주는 것에 매우 유의해야 한다.
도 1a 및 도 1b 에 도시된 모터 구동식 일차 펌프 및 이 일차 펌프의 반응로에의 통합은, 실시예의 방식으로 주어지고 그리고 본 발명을 한정하지 않는다. 이 실시예에서, 모터 구동식 펌프는 수직방향 형상으로 되어 있고, 냉매는 보통의 물이다. 보다 일반적으로, 본원은 원자로의 일차 회로에서 냉매를 순환시키는 모터 구동식 원심 펌프에 관한 것이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c 는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 모터 구동식 일차 펌프를 도시한다. 모터 구동식 일차 펌프는, 열차폐부 (14) 에 의해 분리된 밀봉된 모터 유닛 (12) 과 유압부 (13) 를 포함하는 모터 구동식 원심 펌프이다. 이러한 3 개의 요소들은 종축선을 중심으로 회전하는 샤프트 (17) 가 이들을 관통한다. 회전방향으로의 가동 조립체는 일차 회로의 냉매에 침지된다.
모터 유닛 (12) 은 드라이 스테이터 (18) 와 샤프트 (17) 에 고정 장착된 침지된 로터 (19) 를 포함하고, 이 로터는 샤프트 (17) 및 그로 인한 유압부 (13) 의 가동 요소들을 회전시킨다.
유압부 (13) 는, 공통의 매니폴드 (15) 에 연결된 흡기 덕트 (20) 와 공통의 배출 포위체 (16) 에 연결된 배기 덕트 (21) 를 포함하고, 이러한 덕트들은 샤프트에 고정된 임펠러 (22) 에 의해 분리된다. 샤프트 (17) 에 의해 구동되는 임펠러 (22) 의 회전은 냉매를 펌핑시킨다.
열차폐부 (14) 는 모터 구동식 펌프를 반응로에 고정시키는 수단을 포함한다. 이러한 고정 수단은 모터 구동식 펌프의 분해를 용이하게 하도록 스터드-너트 유형인 것이 바람직하다. 열차폐부 (14) 는 모터 유닛 (12) 을 포함하는 냉각부 및 일차 회로에 연결된 유압부 (13) 를 포함하는 고온부 사이에서 모터 구동식 펌프를 분리시킨다. 통상적으로, 냉각부에 대해서는 70℃ ~ 160℃ 의 온도가 추구되는 반면, 고온부는 냉매의 온도, 즉 300 ~ 350℃ 의 온도에 근접하다. 이를 달성하기 위해서, 본원에 따른 모터 구동식 일차 펌프는 이하 자세히 설명된 냉각 회로를 포함한다.
반응로의 냉각은 반응로의 안전에 있어서 결정적인 요소이다. 모터 구동식 펌프 또는 이를 통전시키는 전기 네트워크가 고장나는 경우에, 냉매의 유동을 유지하고 그럼으로써 최소량의 반응로 냉각을 유지하도록 상당한 유체 유량을 유지할 필요가 있다. 실시예의 방식으로, 이러한 요건은, 전력 공급원의 고장으로 인해 모터가 정지한 후 3 초에 공칭 유량의 50% 와 동일하거나 그보다 많은 유량을 유지하도록 요건 면에서 정량적으로 표현될 수 있다. 그리하여 샤프트 및 로터의 관성은 이러한 유형의 요건을 충족시키는데 충분하지 않은 것으로 나타났다. 이러한 이유로, 모터 구동식 펌프는 또한 모터 구동식 펌프의 고온부와 냉각부 사이에 또는 다르게는 모터 유닛 (12) 의 로터 (19) 와 유압부 (13) 의 임펠러 (22) 사이에 샤프트 (17) 에 고정 장착되는 침지된 플라이휠 (23) 을 포함한다. 플라이휠은 전력 공급원의 정지 또는 고장 후 수 초 동안 충분한 냉매 유량을 유지하도록 할 수 있다. 유리하게는, 플라이휠은 또한 샤프트 (17) 의 회전 속도를 원활하게 하고 그리고 모터 구동식 펌프가 시동 또는 정지되면 약동 (jerks) 을 한정하도록 할 수 있다. 플라이휠은 또한 모터 구동식 펌프 연결 계면을 통하여 반응로로부터 빠져나올 수 있는 방사능 누출을 제한할 수 있도록 방사능 배리어를 구성한다. 플라이휠의 사양은 샤프트의 관성, 마찰 손실들 및 그럼으로써 모터의 전력 및 냉각 회로의 용량에 직접적인 영향을 준다. 스테인리스 강보다 더 큰, 바람직하게는 8 kg/l 보다 큰 고밀도의 재료로 제조되고 그리고 샤프트에 고정 장착되는 두꺼운 디스크 형태의 플라이휠을 가지는 것이 유리하다. 유리하게는, 플라이휠은 니켈 및 크롬계 합금, 바람직하게는 Inconel 625 이라는 등록 상표명으로 알려진 NiCr22Mo9Nb 합금으로 제조된다.
도 3 에서는 신뢰가능한 로터의 동역학을 보장하도록 본원의 바람직한 실시형태에 사용되는 한 세트의 베어링들을 도시한다. 샤프트 (17) 및 이 샤프트에 연결된 구성요소들, 특히 로터 (19), 플라이휠 (23) 및 임펠러 (22) 는, 유압부 및 열차폐부 (14) 중 모터 유닛의 고정 요소들로 구성되는 모터 구동식 펌프 본체 (26) 에 대하여 회전 운동성을 가진 조립체 (25) 를 형성한다. 가동 조립체 (25) 는 모터 구동식 펌프를 통하여 순환하는 냉매에 침지된다. 모터 구동식 펌프는 냉매를 펌핑함으로써 윤활되는 한 세트의 베어링들을 포함하여, 가동 조립체 (25) 가 모터 구동식 펌프 본체 (26) 에 대하여 회전할 수 있음을 보장한다. 도 3 에 도시된 바람직한 실시형태에 있어서, 이 세트의 베어링들은:
- 로터 (19) 와 샤프트의 상단부 사이에 위치된 제 1 래디얼 베어링 (30),
- 로터와 플라이휠 사이에 위치된 제 2 래디얼 베어링 (31),
- 플라이휠 근방 및 제 2 베어링으로의 플라이휠의 반대측에 위치된 제 3 래디얼 베어링 (32),
- 임펠러 (22) 근방에 위치된 제 4 래디얼 베어링 (33) 을 포함한다.
제 1 및 제 2 래디얼 베어링들 (30, 31) 은 모터 유닛 (12) 의 고정부에서 샤프트 (17) 의 회전을 안내한다. 이러한 베어링들은 드라이 스테이터 (18) 에 대하여 침지된 로터 (19) 의 회전을 안내한다. 이러한 베어링들 (30, 31) 은 모터 구동식 펌프의 냉각부에 위치된다.
유리하게는, 베어링들 (30, 31) 로서는 평면 베어링들 또는 패드타입 베어링들 및 바람직하게는 등록 상표명 Ekasic 의 탄화규소로 제조된 5 개의 패드들 및 탄화텅스텐 표면 처리한 스테인리스 강 부싱을 포함하는 패드타입 베어링들이다.
제 3 및 제 4 래디얼 베어링들 (32, 33) 은 열차폐부 (14) 의 고정부에서 샤프트 (17) 의 회전을 안내한다. 이러한 베어링들 (32, 33) 은 모터 구동식 펌프의 고온부에 위치된다. 유리하게는, 베어링들 (32, 33) 은 유압 및/또는 삼엽 베어링 유형이다. 이러한 베어링들은 스텔라이트 또는 Colmonoy
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유형의 합금으로 제조될 수 있거나 표면 처리 또는 코팅에 의해 획득되는 표면 경화를 가질 수 있다.
모터 구동식 펌프의 세트의 베어링들은, 또한 샤프트의 축방향 운동을 차단하도록 제 1 래디얼 베어링 (30) 근방에 위치된 축류 베어링 (34) 을 포함한다. 자유롭게 접근가능한 모터 구동식 펌프의 상부를 통하여 모터 구동식 펌프의 분해를 용이하게 하도록, 축류 베어링 (34) 을 로터와 샤프트의 상단부 사이에 위치시키는 것이 유리하다. 유리하게는, 축류 베어링 (34) 은 등록 상표명 Ekasic G 인 탄화규소로 제조된 15 개의 패드들과 등록 상표명 Ekasic C 인 탄화규소로 제조된 디스크를 바람직하게 포함하는 경사 패드 베어링으로 제조된다.
도 4a 및 도 4b 는 본원의 바람직한 실시형태에 사용되는 베인형 휠이 장착된 플라이휠을 도시한다. 회전방향으로의 가동 조립체는 냉매에 침지된다. 따라서, 자연적으로 고온으로 상승된다. 샤프트의 비교적 높은 회전 속도 (통상적으로 분당 2000 ~ 4000 회전) 는 베어링들에서, 보다 일반적으로 플라이휠 (23) 과 침지된 로터 (19) 와 같은 회전부들에서 열을 발생시킨다. 이러한 이유로, 모터 구동식 펌프 및 특히 모터 유닛 (12) 을 냉각시킬 필요가 있다. 본 발명의 특히 유리한 일 특징에 따라서, 플라이휠 (23) 은 모터 유닛을 냉각시키는 냉매의 순환을 유발하는 베인형 휠 (40) 을 포함한다.
이러한 아이디어는 냉각될 가동부들 근방의 유체에서 운동을 발생시키도록 샤프트의 회전을 사용하는 것이다. 이러한 베인형 휠에 대해 상정되는 다수의 실시형태들이 있다. 이는 플라이휠의 표면에 형성된 채널들 또는 홈들로 구성될 수 있다. 본원의 바람직한 실시형태에 있어서, 도 4a 및 도 4b 에 도시된 바와 같이, 베인형 휠 (40) 은 플라이휠 (23) 의 상부면에 형성된 복수의 직선 핀들 (41) 을 포함하고; 플라이휠의 상부면은 로터쪽으로 대면하는 표면이다. 이는 도 4b 에서 화살표의 부호로 나타낸 유체의 순환을 발생시킨다. 이러한 순환은, 한편으로는, 후술되는 외부 냉각 회로 (42) 에 유체가 공급되도록 하며, 다른 한편으로는, 냉각부로부터 모터 구동식 펌프의 고온부 쪽으로 플라이휠 (23) 주변에 유체 스트림이 발생되도록 한다. 이러한 유체 스트림은 특히 플라이휠 아래에 위치된 제 3 래디얼 베어링 (32) 에 대하여 윤활을 제공해준다. 도면들에 도시된 바람직한 실시형태에 있어서, 제 3 베어링은 유압 및/또는 삼엽 베어링이다. 이러한 경우에, 공급 덕트 (44) 는 유리하게는 열차폐부 (14) 에 형성되어, 베인형 휠 (40) 에 의해 발생된 냉각 유체의 순환으로 인해 냉매는 제 3 래디얼 베어링 (32) 을 윤활시킬 수 있다.
플라이휠에 형성된 베인형 휠에 의해 유발되는 이러한 냉매의 순환의 사용은, 마찰 손실을 제한하면서 동시에 어떠한 구성요소들의 직접적인 냉각, 베어링들의 윤활 및 외부 냉각 회로에의 냉매 공급을 한번에 허용하기 때문에 특히 유리하다. 이는 냉각부, 즉 플라이휠의 상부면에서 80℃ 정도의 온도 및 고온부, 즉 플라이휠의 하부면에서 150℃ 정도의 온도 사이에서 플라이휠에서의 분리를 효율적으로 실시할 수 있도록 해준다.
다른 형상에 있어서, 플라이휠의 하부면에 베인형 휠을 형성하는 것을 상정할 수 있다.
도 5a 및 도 5b 는 본원의 바람직한 실시형태에 사용되는 외부 냉각 회로를 도시한다. 외부 냉각 회로 (42) 를 통하여 냉매는 플라이휠 (23) 의 베인형 휠 (40) 에 의해 구동된다. 냉각 회로 (42) 는 모터 구동식 펌프 본체 (26) 주변에 권취된 1 개 이상의 코일들 (50) 을 포함한다. 적어도 하나의 코일 (50) 을 통하여 순환하는 냉매는 원통형 쉘 (51) 에서 본체 (26) 둘레에서 순환하는 이차 냉매에 의해 냉각된다. 이차 냉매를 가압 및 냉각시키도록 하는 이차 회로라고도 하는 이차 냉매의 유압 회로는 도시되어 있지 않다. 어떠한 종래의 회로도 본원 발명에 적합하다.
외부 냉각 회로 (42) 는, 적어도 하나의 코일 (50) 의 벽을 가로질러 열 교환함으로써 냉매를 냉각시키고 그리고 모터 구동식 펌프 본체 (26) 의 벽에 의해 모터 구동식 펌프의 직접적인 냉각을 한번에 가능하게 한다.
베인형 휠 (40) 에 의해 전달되는 냉매의 가속으로 모터 구동식 펌프 본체 (26) 에 형성된 공급 덕트 (43) 를 통하여 적어도 하나의 코일 (50) 이 공급되도록 한다. 냉매는 코일을 통하여 통과함에 따라 냉각된 후 로터의 상단부 근방에서 모터 유닛에 재도입된다. 유리하게는, 유체는 제 1 래디얼 베어링 (30) 및/또는 축류 베어링 (34) 에 대면하는 모터 구동식 펌프 본체 (26) 에 형성된 공급 덕트 (52) 를 통하여 재도입된다. 따라서, 외부 냉각 회로 (42) 와 협력하는 베인형 휠 (40) 은 유체 회로를 형성하고, 이 유체 회로는 작동 및 내구성에 적합한 온도 창 (temperature window) 내측에 밀봉된 유닛이 유지되도록 한다. 이러한 디바이스는 간단하고 매우 효율적이며; 60 ~ 100℃ 의 온도 창에 유지되는 냉각부가 달성된다.
도 6a 및 도 6b 는 본원의 바람직한 실시형태에 사용되는 침지된 역회전 방지 디바이스를 도시한다. 펌프의 신뢰성은 설치물의 안전에 있어서 핵심이다. 펌프의 계획된 또는 의도치 않은 정지시 펌핑 방향이 역전될 수 없음을 보장할 필요가 있다. 이는, 다른 구성요소들이 여전히 회전하는 동안 모터 구동식 펌프가 정지되면, 펌프의 전달측에서의 압력이 흡입측에서의 압력보다 높기 때문이다. 역전 유동은 모터 구동식 펌프를 통과하고 이 모터 구동식 펌프를 반대 방향으로 회전시킨다. 이 속도는 높을 수 있고 그리고 동적, 유압적 및 기계적 관점에서 허용가능한 한계를 초과할 수 있다.
이러한 이유로, 본원에 따른 모터 구동식 펌프는, 미리 정해진 방향으로 샤프트가 회전하지 못하도록 기계적으로 가능한 역회전 방지 디바이스를 포함한다. 냉매에 침지된 역회전 방지 디바이스 (60) 는 고정부 (61) 및 샤프트에 부착된 가동부 (81) 를 포함한다. 가동부는 도 6a, 도 6b 및 도 6c 에 도시되어 있지 않다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 이는 초기에 기재된 플라이휠 (23) 이다. 이러한 경우에, 고정부는 플라이휠 (23) 에 대면하는 열차폐부 (14) 의 표면에 형성될 수 있다. 이 실시형태는 도 5a 에 도시된다.
역회전 방지 디바이스 (60) 의 가동부 (81) 는 고정부 (61) 에 대면하는 적어도 하나의 공동 (80) 및 적어도 하나의 가동 핀 (62) 을 포함한다. 역회전 방지 디바이스 (60) 는, 샤프트 (17) 가 충분히 높은 속도로 회전하자마자, 원심력의 영향으로 상기 공동 (80) 내측에 적어도 하나의 가동 핀 (62) 이 유지되도록 구성된다. 가동부 (81) 의 회전 속도가 미리 정해진 한계값 이하로 떨어지면, 가동 핀 (62) 은 중력의 영향으로 아래로 떨어지고 그리고 부분적으로 공동 (80) 을 나온다.
고정부 (61) 는 2 개의 경사진 평면들 (64, 65), 얕은 구배의 제 1 평면 (64) 과 급격한 구배의 제 2 평면 (65) 으로 구성된 적어도 하나의 램프 (63) 를 포함한다. 도 6a, 도 6b 및 도 6c 에 도시된 실시형태에 있어서, 제 2 평면 (65) 은 수직하다. 또한, 이는 만입부 (66) 를 포함하고, 회전 속도가 충분히 낮으면, 중력의 영향으로 핀이 떨어지면 이 핀 (62) 은 만입부안으로 삽입될 수 있다.
따라서, 역회전 방지 디바이스 이면의 원리는 다음과 같다: 모터 구동식 펌프가 시동되면, 공동 (80) 에 부분적으로 삽입된 핀 (62) 은 허용된 방향으로 회전 구동되어, 급격한 구배의 평면 (65) 에 형성된 만입부 (66) 로 하방으로 다시 떨어지기 전에 얕은 구배의 평면 (64) 을 오른다. 회전 속도가 미리 정해진 한계값을 초과하면, 원심력은 핀 (62) 을 공동 (80) 내의 위치에 유지시킨다. 속도가 상기 한계값 아래로 떨어지자마자, 역전이 발생하고; 핀 (62) 은 중력의 영향으로 떨어진다. 필요하다면, 샤프트 (17) 의 회전 방향의 역전은 핀 (62) 을 평면 (65) 의 만입부 (66) 에 대하여 구동시킨다. 평면 (65) 의 급격한 구배 (이 평면은 도면들에 도시된 실시형태에서 수직함) 는 핀 (62) 이 상기 평면 (65) 을 오르는 것을 방지하여 허용되지 않은 방향으로의 샤프트 (17) 의 회전을 차단한다.
즉, 역회전 방지 디바이스 (60) 는, 속도 한계값 이하에서:
- 가동부 (81) 가 허용된 회전 방향으로 회전하면, 핀 (62) 은 얕은 구배의 경사진 평면 (64) 과 접촉함으로써 공동 (80) 안으로 다시 푸시되고,
- 가동부 (81) 가 반대 방향으로 회전하면, 공동 (80) 외측의 핀 (62) 의 일부가 급격한 구배의 경사진 평면 (65) 과 접촉함으로써 회전을 차단하도록 고려된다.
이러한 역회전 방지 디바이스에 대하여 상정되는 다수의 실시형태들이 있다. 도 6a, 도 6b 및 도 6c 에 도시된 본원의 바람직한 실시형태에서, 가동부 (81) 는 플라이휠 (23) 에 형성된다. 하나 또는 바람직하게는 여러 개의 공동들 (80) 은 플라이휠의 하부면에 형성된다. 이러한 공동들은 샤프트 (17) 의 종축에 평행한 축을 따라서 실질적으로 원통형인 내부 형상을 가진다. 그리하여, 역회전 방지 디바이스는 공동들 (80) 만큼 많은 핀들 (62) 을 포함한다. 핀들 (62) 은 외부가 메인 축을 따라서 실질적으로 원통형 형상으로 되고 그리고 중력 영향으로 종축을 따라서 공동 (80) 내에서 슬라이딩하도록 구성된다. 마찬가지로, 아크 형상의 만입부 (66) 는 원통형 핀 (62) 에 적합한 형상으로 수직 평면 (65) 에 형성된다.
도 6b 및 도 6c 에 도시된 바와 같이, 핀들 (62) 은, 이 핀의 중심에 형성되고 그리고 핀 (62) 의 메인 축에 실질적으로 평행한 단부가 개방된 덕트 (70) 를 포함한다. 단부가 개방된 덕트 (70) 는 핀 (62) 이 이동함에 따라 냉매가 공동 (80) 내측에서 더 용이하게 유동하도록 해준다.
적어도 하나의 핀 (62) 은 또한 이들의 2 개의 종방향 단부들에 모따기된 프로파일 또는 라운딩처리된 프로파일 (71) 을 포함할 수 있다. 도 6b 의 측면도에 도시된 모따기된 프로파일 또는 라운딩처리된 프로파일 (71) 은 실린더의 베이스와 실린더의 모선 (generatrix) 사이에 직각이 없도록 한다. 이러한 형상은 유리하게는 핀이 얕은 구배의 평면 (64) 을 보다 용이하게 오르도록 하고 그리고 가동부와 고정부 (61) 사이의 충격을 미리 정해진 속도 한계값 이하로 한정할 수 있도록 해준다.
초기에 언급한 바와 같이, 복수의 공동들 (80) 과 핀들 (62) 을 포함하는 역회전 방지 디바이스를 상정할 수 있다. 따라서, 이 공동들 (80) 은 샤프트 (17) 의 회전 축으로부터 동일한 거리에 형성되고 그리고 가동부 (81) 의 원주를 중심으로 균일한 각도로 분포된다. 예를 들어, 디바이스는 플라이휠 (23) 의 4 개의 기본 지점들에 배열된 4 개의 핀들 (62) 을 포함하는 4 개의 공동들 (80) 을 포함한다.
동일한 개수의 공동들 (80) 과 램프들 (63) 을 포함하는 역회전 방지 디바이스를 또한 상정할 수 있다. 램프들 (63) 은 가동부 (81) 의 공동들 (80) 에 대면하는 고정부 (61) 에 형성될 수 있고 그리고 고정부 (61) 의 원주를 중심으로 균일한 각도로 분포될 수 있다. 도 6a 에 도시된 실시예에서, 4 개의 램프들 (64) 은 플라이휠 (23) 에 대면하는 열차폐부 (14) 의 표면상의 4 개의 기본 지점들에 형성된다. 이러한 방식으로 구성됨으로써, 회전방향으로의 차단은 고정부를 가진 램프 (65) 와 핀들 (62) 각각의 접촉 결과를 유발한다. 샤프트에 발생되는 토크는 핀들 각각을 가로질러 유리하게 확산된다.
대안의 형상에 있어서, 역회전 방지 디바이스는 상이한 개수의 공동들 (80) 과 램프들 (63) 을 포함한다. 예를 들어, 디바이스는 이미 언급한 4 개의 공동들 (80) 을 포함하고 그리고 열차폐부 (14) 에 형성된 5 개의 램프들을 포함한다. 이러한 경우에, 회전방향으로의 차단은 오직 하나의 램프 (65) 와 오직 하나의 핀 (62) 의 접촉 결과를 유발한다. 이러한 형상은 여러가지 장점을 제공해준다. 램프들 (63) 의 개수를 증가시킴으로써, 회전이 차단되기 전에 샤프트의 각방향 이동을 저감시킬 수 있도록 해준다. 더욱이, 램프들 (63) 로부터 상이한 개수의 핀들 (62) 을 사용함으로써, 회전방향으로의 차단은 단일의 핀 (62) 에 의해 실시된다. 모터 구동식 펌프의 연속적인 정지 동안, 상이한 핀은 회전을 차단하도록 요청될 수 있어서, 이러한 핀들상의 기계적 응력을 제한할 수 있도록 해준다.
본원에 따른 역회전 방지 디바이스가 침지되고, 이들의 구성요소가 높은 기계적 응력들에 노출된다. 그리하여, 디바이스는 상당한 대향 토크를 금지된 회전 방향으로, 통상적으로 1000 Nm 정도를 제공할 수 있어야 한다. 미리 정해진 속도 한계값, 통상적으로 분당 180 회전 정도 이하의 가속 및 감속 단계들에서, 구성요소들은 램프들에 대하여 핀들의 반복된 충격을 견딜 수 있어야 한다. 이러한 요건들을 충족하기 위해서, 핀들은 스테인리스 또는 대안으로 Inconel 유형의 합금으로 유리하게 제조된다. 또한, 램프들, 핀들 또는 공동들의 적어도 표면부를 표면 경화 프로세스를 사용하여 기계적으로 강화시키는 것을 상정할 수 있다. 표면 경화라고 하는 것은, 표면 처리 또는 코팅의 사용을 의미한다. PVD (Phase Vapor Deposition) 프로세스를 사용한 표면 처리를 상정할 수 있다.
도면들에 도시된 실시형태에서, 모터 구동식 원심 펌프는 반응로에 수직으로 장착되는 결론에 주목해야 한다. 이러한 형상에서, 역회전 방지 디바이스 (60) 는 핀 (62) 이 수직 운동하도록 구성된 공동들을 포함한다. 미리 정해진 한계값 미만으로 회전 속도를 저감시킴으로써, 역회전 방지 디바이스의 모든 핀들이 떨어지게 된다. 이러한 실시형태는 본원에 대하여 비한정적이다. 또한, 예를 들어, 수평으로 장착된 모터 구동식 원심 펌프를 상정할 수 있고; 샤프트의 회전축은 수평방향이다. 이러한 경우에, 역회전 방지 디바이스는 이들의 핀이 반경방향 운동하도록 구성된 공동들을 포함한다. 핀들은 원심력의 영향으로 공동의 바닥들안으로 확실하게 가압된다. 회전 속도를 미리 정해진 한계값 미만으로 저감시킴으로써, 역회전 방지 디바이스의 핀들 일부가 떨어지게 되고; 샤프트의 축 아래에 위치된 핀들은 이들의 공동에 채워져 있다. 회전 축 위에 위치된 핀들만이 회전의 기계적 차단에 기여한다. 이러한 형상에 대하여, 더 많은 개수의 공동들, 핀들 및 램프들이 바람직할 것이다.

Claims (14)

  1. 원자로의 일차 회로에서 냉매를 순환시키는 모터 구동식 원심 펌프로서,
    상기 모터 구동식 원심 펌프는 밀봉된 모터 유닛 (12), 유압부 (13) 및 샤프트 (17) 를 포함하고, 상기 샤프트 (17) 는, 냉매에 침지되며, 상기 밀봉된 모터 유닛 (12) 에 의해 회전되고, 그리고 상기 샤프트 (17) 에 고정된 상기 유압부 (13) 의 임펠러 (22) 에 의해 상기 냉매를 펌핑하며, 상기 모터 유닛 (12) 은 드라이 스테이터 (18) 와 상기 샤프트 (17) 에 고정 장착된 침지된 로터 (19) 를 포함하며,
    상기 모터 구동식 원심 펌프는, 또한 상기 모터 유닛 (12) 의 로터 (19) 와 상기 유압부 (13) 의 임펠러 (22) 사이의 상기 샤프트 (17) 에 고정 장착된 침지된 플라이휠 (23) 으로서, 상기 침지된 플라이휠은 상기 모터 유닛 (12) 이 상기 샤프트 (17) 의 회전을 중지하면 최소한의 감속 시간을 보장할 수 있도록 하는, 상기 침지된 플라이휠 (23), 및
    미리 정해진 방향으로 상기 샤프트 (17) 의 회전을 기계적으로 차단하도록 구성된 침지된 역회전 방지 디바이스 (60) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 모터 구동식 원심 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    침지된 상기 역회전 방지 디바이스 (60) 는 고정부 (61) 및 상기 샤프트 (17) 에 고정된 가동부 (81) 를 포함하고,
    상기 가동부 (81) 는 상기 고정부 (61) 에 대면하는 적어도 하나의 공동 (80) 과 적어도 하나의 가동 핀 (62) 을 포함하고, 상기 가동 핀은, 원심력의 영향으로 상기 공동 (80) 내측에 유지되며, 그리고 상기 가동부 (81) 의 회전 속도가 미리 정해진 한계값 이하로 떨어지면 중력의 영향으로 공동 (80) 을 부분적으로 나오고,
    상기 고정부 (61) 는 2 개의 경사진 평면들 (64, 65), 얕은 구배의 제 1 평면 (64) 과 급격한 구배의 제 2 평면 (65) 으로 구성된 적어도 하나의 램프 (63) 를 포함하며,
    상기 역회전 방지 디바이스 (60) 는, 미리 정해진 속도 한계값 이하에서:
    - 상기 가동부 (81) 가 허용된 회전 방향으로 회전하면, 상기 가동 핀 (62) 은 얕은 구배의 경사진 평면 (64) 과 접촉함으로써 상기 공동 (80) 안으로 다시 푸시되고,
    - 상기 공동 외측의 핀 (62) 의 일부가 급격한 구배의 경사진 평면 (65) 과 접촉함으로써 반대 방향으로 상기 가동부 (81) 의 회전을 차단하도록 구성되는, 모터 구동식 원심 펌프.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 역회전 방지 디바이스 (60) 의 가동부는 상기 플라이휠 (23) 에 형성되어, 통합된 하위조립체를 형성하는, 모터 구동식 원심 펌프.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 핀 (62) 은 외부가 메인 축을 따라서 실질적으로 원통형 형상으로 되고, 상기 공동 (80) 은 상기 핀 (62) 의 메인 축을 따라서 실질적으로 원통형인 적합한 내부 형상을 가지는, 모터 구동식 원심 펌프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 핀 (62) 은 상기 핀 (62) 의 메인 축에 실질적으로 평행한 단부가 개방된 덕트 (70) 를 포함하고, 상기 단부가 개방된 덕트는 상기 핀 (62) 이 이동함에 따라 상기 냉매가 상기 공동 (80) 내측에서 더 용이하게 유동하도록 해주는, 모터 구동식 원심 펌프.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 핀 (62) 은 적어도 일 단부에 모따기된 프로파일 또는 라운딩처리된 프로파일을 포함하여, 상기 프로파일은 상기 핀 (62) 이 제 1 평면 (64) 을 보다 더 용이하게 오르게 하고 그리고 상기 가동부 (81) 와 상기 고정부 (61) 사이의 충격을 보다 더 용이하게 제한하도록 해주는, 모터 구동식 원심 펌프.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 한 항에 있어서,
    상기 역회전 방지 디바이스 (60) 는, 상기 샤프트 (17) 의 회전 축으로부터 동일한 거리에 형성되고 그리고 상기 가동부 (81) 에 균일한 각도로 분포된 복수의 핀들 (62) 및 공동들 (80) 을 포함하고, 동일한 개수의 램프들 (63) 이 상기 고정부 (61) 에 균일하게 분포되어, 회전방향으로의 차단은 램프 (63) 와 상기 핀들 (62) 각각의 접촉 결과를 유발하는, 모터 구동식 원심 펌프.
  8. 제 2 항 내지 제 6 항 중 한 항에 있어서,
    상기 역회전 방지 디바이스는, 상기 샤프트 (17) 의 회전 축으로부터 동일한 거리에 형성되고 그리고 상기 가동부 (81) 에 균일하게 분포된 복수의 핀들 (62) 및 공동들 (80) 을 포함하고, 다른 개수의 램프들 (63) 이 상기 고정부 (61) 에 균일하게 분포되어, 회전방향으로의 차단은 램프 (63) 와 단일의 핀 (62) 의 접촉 결과를 유발하는, 모터 구동식 원심 펌프.
  9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 램프 (63), 적어도 하나의 핀 (62) 또는 적어도 하나의 공동 (80) 의 적어도 표면부는 표면 경화 프로세스에 의해 기계적으로 강화되는, 모터 구동식 원심 펌프.
  10. 제 2 항 내지 제 8 항 중 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 램프 (63), 적어도 하나의 핀 (62) 또는 적어도 하나의 공동 (80) 의 적어도 일부는 기계적 강도가 향상된 금속 합금으로 제조되는, 모터 구동식 원심 펌프.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 일차 회로로부터 상기 모터 유닛 (12) 을 열적으로 격리하도록 상기 모터 유닛 (12) 과 상기 유압부 (13) 사이에 열차폐부 (14) 를 포함하고, 상기 샤프트 (17) 는 상기 플라이휠 (23) 과 상기 임펠러 (22) 사이의 상기 열차폐부 (14) 를 통과하는, 모터 구동식 원심 펌프.
  12. 제 2 항 및 제 9 항에 있어서,
    상기 고정부 (61) 는 상기 가동부 (81) 에 대면하는 열차폐부 (14) 의 표면에 형성되는, 모터 구동식 원심 펌프.
  13. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 모터 구동식 원심 펌프는 수직으로 장착되고 그리고 적어도 하나의 상기 공동 (80) 은 상기 공동 (80) 내에 상기 핀 (62) 의 수직방향 운동을 허용하도록 구성되는, 모터 구동식 원심 펌프.
  14. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 모터 구동식 원심 펌프는 수평으로 장착되고 그리고 적어도 하나의 상기 공동 (80) 은 상기 공동 (80) 내에 상기 핀 (62) 의 반경방향 운동을 허용하도록 구성되는, 모터 구동식 원심 펌프.
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