KR830001184B1 - Deceleration buffer for hydraulic linea motion drive - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 단순화된 구동장치의 종단면도.1 is a longitudinal sectional view of a simplified drive device.
제2도는 본 발명에 따른 구동 완충기 또는 제동장치의 종단면도.2 is a longitudinal sectional view of a driving shock absorber or braking device according to the present invention;
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 구동장치 12 : 구동 실린더11
13 : 하부 플랜지 14 : 하우징 튜브13 lower flange 14 housing tube
17 : 구동 피스톤 18 : 피스톤 링 시일17: drive piston 18: piston ring seal
21 : 표시 튜브 23 : 스톱 피스톤21: display tube 23: stop piston
26 : 스톱 피스톤 튜브 27 : 플러그26: stop piston tube 27: plug
28 : 완충기 29 : 완충 샤프트28: shock absorber 29: shock absorbing shaft
32 : 교차 개구 31 : 구멍32: crossing opening 31: hole
39 : 완충 실린더 41 : 환상형 완충 피스톤39: shock absorber cylinder 41: annular shock absorbing piston
43 : 하부 플랜지부 51 : 쇼울더43: lower flange 51: shoulder
본 발명은 원자로의 제어봉을 작동시키는 바와 같이 연료 요소를 압력 용기 내로 삽입시키는데 특히 유용한 수력 또는 유체구동장치에 관한 것이다.The present invention relates to a hydraulic or fluid drive system which is particularly useful for inserting fuel elements into a pressure vessel, such as operating a control rod of a reactor.
시카고와 일리노이 부근에 위치한 드레스텐 핵 발전소에서 사용되고 있는 것과 같은 잘 알려진 원자로에 있어서, 원자로 심은 스스로 핵분열 반응을 행하는 배열로 배치된 다수의 연료 집합체를 포함한다.In well-known reactors such as those used in the Dresten nuclear power plant near Chicago and Illinois, the reactor core contains a number of fuel assemblies arranged in an array that undergoes fission reactions on their own.
상기 노심은 압력 용기 내에 내재되어 냉각재와 중성자 감속재로서 작용하는 경수같은 유동체 내에 잠겨진다. 각 연료집합체는 산화 우라늄 또는 플로토늄과 같은 연료 물질을 포함하고 수직으로 연장되어 상하 이음판 사이에 지지된 연료요소 또는 봉 배열로 둘러싸인 거의 정사각형 단면을 갖는 관형 유량 통로를 갖는다. 압력 용기 내에서 연료 집합체는 상부 노심 그리드와 하부 노심 지지판 사이에서 서로 이격된 배열로서 지지된다. 각 연료 집합체의 하부 이음판은 가압 냉각재 공급실과 상통토록 노심 지지판에 형성된 소켓에 끼워지는 노우즈부를 구비한다. 상기 노우즈부에는 연료 요소로부터 열을 이동하기 위해 연료 집합체 유량 채널을 통해 상류하는 가압 냉각재가 관통하는 개구가 형성된다. 대표적인 이러한 형태의 연료 집합체는 디. 에이. 베니어 등의 발명으로 미합중국 특허공보 제 3,654,077호에 발표되어 있다. 연료 요소 또는 봉은 미합중국 특허공보 제 3,378,458호에 발표되어 있다.The core is embedded in a pressure vessel and submerged in a fluid, such as hard water, that acts as a coolant and neutron moderator. Each fuel assembly has a tubular flow passage that includes a fuel material such as uranium oxide or plutonium and extends vertically and has a substantially square cross section surrounded by an array of fuel elements or rods supported between the upper and lower joint plates. Within the pressure vessel the fuel assemblies are supported in an array spaced from each other between the upper core grid and the lower core support plate. The lower joint plate of each fuel assembly has a nose portion fitted to a socket formed in the core support plate so as to communicate with the pressurized coolant supply chamber. The nose portion is formed with an opening through which the pressurized coolant upstream through the fuel assembly flow channel to move heat from the fuel element. Representative fuel assemblies of this type are D. a. Invention by Veneer et al., Published in US Patent No. 3,654,077. Fuel elements or rods are disclosed in US Pat. No. 3,378,458.
중성자 흡수 물질을 포함하는 다수의 제어봉은 노심 반응도를 제어하기 위해 핵 연료 집합체간의 공간 또는 갭내에 선택적으로 삽입된다. 미합중국 특허공보 제 3,020,887호에서 발표된 바와같은 공지된 노심 배치에 있어서, 각 제어봉 깃의 날개는 인접한 4개의 연료 집합체간의 공간 내에 삽입되므로 제어봉 깃은 삽자형 횡단면을 갖게 된다.Multiple control rods containing neutron absorbing material are selectively inserted into the spaces or gaps between the nuclear fuel assemblies to control the core reactivity. In a known core arrangement as disclosed in US Pat. No. 3,020,887, the vane of each control rod tip is inserted into the space between four adjacent fuel assemblies so that the control rod tip has a sparse cross section.
언급된 특허공보 제 3,020,887호에 발표된 바와같이, 제어봉 내의 중성자 흡수물질로 중성자 밀도 및 노심출력 레벨을 제어할수 있으므로 제어봉을 노심 안밖으로 선택적으로 구동시키는 제어봉 구동장치가 제공된다. 보통 붕소가 사용되는 적절한 중성자 흡수물질은 언급된 특허공보 제 3,020,887호에 발표되어 있다. 정상 운전동안 제어봉의 상당수 예를 들면 1/2 또는 그 이상이 노심으로부터 제거된다. 잔유 제어봉은 원자로 출력 레벨 및 형태를 제어하도록 여러 치수로 원자로심 내에 삽입된다.As disclosed in the above-mentioned patent publication 3,020,887, a neutron absorbing material in the control rod can control the neutron density and core output level, thereby providing a control rod drive for selectively driving the control rod in and out of the core. Suitable neutron absorbers, in which boron is usually used, are disclosed in the mentioned patent publication 3,020,887. Many of the control rods, for example 1/2 or more, are removed from the core during normal operation. Residual control rods are inserted into the reactor core in various dimensions to control reactor power level and shape.
원자로를 급속히 정지시켜야 하는 사태가 발생하면, 제어봉 구동장치는 모든 제어봉을 노심 전 깊이로 급속히 삽입토록 작동되어야 한다(보통 이러한 작동을 비상 정지라고 한다). 이러한 비상 정지 작동은 구동 장치와 제어봉의 급격한 가속, 고속 삽입 및 삽입 행정 말기에 이동 물체의 급격한 감속등을 수반한다.In the event of a rapid shutdown of the reactor, the control rod drive must be operated to insert all control rods rapidly into the core depth (usually called an emergency stop). This emergency stop operation involves rapid acceleration of the drive and control rods, high speed insertion and sudden deceleration of the moving object at the end of the insertion stroke.
예로써, 종래 장치에서 이러한 비상 정지 속도는 152 cm/sec(5ft/sec) 정도가 된다. 그러므로 제어봉 구동장치는 통례적으로 구동기에 대한 과도한 기계적 충격을 방지하도록 수력완충기와 같은 제동 또는 감속장치를 구비하고 있다. 이러한 감속장치에 대해서는 본문에서 인용되고 있는 미합중국 특허공보 제 3,020,887호와 제 3,020,888호에 발표되어 있다.By way of example, such an emergency stop speed is about 152 cm / sec (5 ft / sec) in conventional devices. Therefore, the control rod drive is conventionally equipped with a braking or deceleration device such as a hydraulic shock absorber to prevent excessive mechanical shock to the drive. Such decelerators are disclosed in US Pat. Nos. 3,020,887 and 3,020,888, both of which are cited herein.
미합중국 특허공보 제 3,020,887호의 제4도에 도시된 바와같이, 제어봉 구동장치는 중공 표시 튜브를 운반하고 실린더 내에서 선형운동하도록 끼어질 구동 피스톤을 구비한다. 구동 피스톤과 표시 튜브 내에는 상단부에 스톱 피스톤이 설치된 스톱 피스톤 튜브가 배치된다. 구동 피스톤과 스톱 피스톤 튜브 사이와 구동 피스톤과 실린더 사이에는 밀폐링이 배치된다.As shown in FIG. 4 of U. S. Patent No. 3,020, 887, the control rod drive has a drive piston that carries the hollow indicator tube and is fitted to linearly move within the cylinder. In the driving piston and the display tube, a stop piston tube provided with a stop piston at the upper end is disposed. A sealing ring is arranged between the drive piston and the stop piston tube and between the drive piston and the cylinder.
제동 장치는 구동 피스톤 행정말경에서 스톱 피스톤 바로 아래의 스톱 피스톤 내에 수직으로 간격을 두고 일련으로 배치된 유량 개구를 구비한다. 상기 개구는 구동 피스톤이 행정말에 접근할 때 밀폐링이 상기 개구를 통고함으로써점차적으로 페쇄된다. 이는 중공 표시튜브로부터의 유체 흐름 저항을 점차적으로 증가시켜 구동 피스톤에 대한 감속력을 점차로 증가시킨다.The braking device has a flow opening arranged in series at regular intervals in the stop piston just below the stop piston at the end of the drive piston stroke. The opening is gradually closed by the sealing ring passing through the opening as the drive piston approaches the end of the stroke. This gradually increases the fluid flow resistance from the hollow display tube, thereby gradually increasing the deceleration force on the drive piston.
그러나 이러한 장치에 있어서, 감속력은 밀폐링을 가로질러는 비교적 높은 압력차를 발생시키는 단점을 갖는다. 최근에는 더욱 급속한 비상 정지 시간 동안에 더욱 급속한 가속도 및 더욱 빠른 삽입속도(예를 들면 (305cm/sec정도)를 요구하게 된다. 이 결과로 감속력이 아주 커지고 밀폐링을 가로지르는 압력차가 더욱 증가하게 되므로 밀폐링이 조기 파괴될 위험이 수반된다.However, in such a device, the deceleration force has the disadvantage of generating a relatively high pressure differential across the sealing ring. In recent years, more rapid accelerations and even faster insertion speeds (eg (305 cm / sec)) are required during faster emergency stop times, resulting in very high deceleration forces and increased pressure differential across the sealing ring. There is a risk of premature failure of the seal ring.
본 발명에 있어서, 구동 제동 장치는 스톱 피스톤에 설치되고 정상적으로 밀폐되는 유체로 가득 채워지는 완충실 또는 완충실린더를 구비한다. 완충 실린더는 피스톤 튜브 상단부를 스톱 피스톤에 연결하는 완충 샤프트를 둘러싸는 환상형 완충 피스톤에 의해 정상적으로 밀폐된다. 완충 실린더 내의 스프링에 의해 완충 피스톤은 완충 실린더를 빠져나와 완충 샤프트의 쇼울더와 계합됨으로써 완충실린더가 밀폐되어 실린더내의 유체가 유출되지 않게된다.In the present invention, the drive braking device is provided with a buffer chamber or a buffer cylinder which is installed in the stop piston and filled with a fluid which is normally sealed. The shock absorbing cylinder is normally closed by an annular shock absorbing piston surrounding the shock absorbing shaft connecting the piston tube upper end to the stop piston. The spring in the shock absorbing cylinder causes the shock absorbing piston to exit the shock absorbing cylinder and engage with the shoulder of the shock absorbing shaft so that the shock absorbing cylinder is sealed to prevent the fluid in the cylinder from leaking out.
피스톤의 삽입행정 말경에, 구동 피스톤은 완충 피스톤 하단부의 플랜지와 계합되고 완충 피스톤을 완충 실린더 내로 이동시킨다. 이러한 작동에 의해 완충 실린더가 개방되어 실린더 내의 유체는 완충축 대에 배치된 일련의 반경방향 개구와 축방향 구멍을 통해 유출된다. 완충 피스톤이 완충 실린더 내로 더욱 이동되면, 상기 피스톤은 상기 개구를 점차적으로 밀폐시킴으로, 완충 실린더로부터 유체가 바져 나가는 것을 방지하여 제동 작용을 증가시킨다.At the end of the insertion stroke of the piston, the drive piston engages the flange of the lower end of the shock absorbing piston and moves the shock absorbing piston into the shock absorbing cylinder. This operation opens the buffer cylinder so that the fluid in the cylinder flows out through a series of radial openings and axial holes disposed on the buffer shaft stage. As the shock absorber piston is further moved into the shock absorber cylinder, the piston gradually closes the opening, thereby preventing fluid from escaping from the shock absorber cylinder, thereby increasing the braking action.
구동 피스톤이 정지하면 완충 스프링은 실린더로 부터 피스톤을 밀어내어, 유체가 유입되고 피스톤이 완충축대 쇼울더에 안착되어 실린더를 또 다시 밀폐시킨다.When the drive piston stops, the shock absorber spring pushes the piston out of the cylinder, allowing fluid to flow in and the piston seated on the shock absorber shoulder to seal the cylinder again.
제1도는 본 발명의 완충 또는 제동장치를 구비한 제어봉 구동장치의 간략도이다. 도시된 바와같이 구동장치(11)는 압력용기 또는 이와 유사한 것의 하부(16) 구멍을 관통토록 고착된 하우징 튜브(14) 내에 지지되고 하부 플랜지부(13)를 구비한 구동실린더(12)를 구비한다. 구동실린더(12) 내에는 피스톤 링 시일(18)이 제공되어 있고 상기 실린더 내에서 운동하는 구동 피스톤(17)이 설치된다. 구동 피스톤(17)과 제어봉 구동 결합 스포드(spud)(19)는 표시 튜브에 의해 연결된다. 표시 튜브의 상승 위치를 나타내기 위해 표시 튜브(21)에는 래치(본 도면에서는 도시되지 않고 미합중국 특허공보 제 3,020,887호에 도시됨)와 계합하는 일정한 간격으로 일련하게 형성된 래치홈(22)이 포함되어 있다. 표시 튜브(21) 내에는 피스톤 링시일(24)을 포함한 스톱 피스톤(23)이 설치된다. 스톱 피스톤(23)은 구동 실린더(12) 하부 영역 내에서 실린더 하단부에 고착되고 플러그(27)로 밀봉된 스톱 피스톤 튜브(26)에 연결되므로 고정된 위치로 유지된다. 피스톤 링(35)은 스톱 피스톤 튜브(26)와 구동 피스톤(17) 사이에 유체 시일을 제공한다. 스톱 피스톤(23)은 제2도에서 설명될 완충기 또는 제동장치(28)를 통해 스톱 피스톤 튜브(26)의 상단부에 연결된다. 본 발명의 목적을 위해, 상기 완충기(28)는 스톱 피스톤 튜브(26)와 피스톤 튜브와 표시 튜브(21) 사이의 환상공간(33) 사이에 유량통로를 제공하는 교차개구(32)와 구멍(31)이 형성되어 있는 완충 샤프트(29)를 구비한다.1 is a simplified diagram of a control rod drive with a shock absorbing or braking device of the present invention. As shown, the drive device 11 has a
구동장치(11)의 작동에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다. 구동 장치를 상향운동시키기 위해, 물과 같은 가압류가 상향구동통로(34)를 통해 구동 피스톤(17) 밑면까지 공급된다. 동시에 하향 구동 통로(36)는 저압으로 개방된다. 따라서, 가압수가 구동 피스톤(17)을 상향으로 구동시키면, 환상 공간(33) 내의 물은 교차개구(32)와 구멍(31)를 거쳐 스톱 피스톤 튜브(26) 아래로 하류하여 통로(36)를 통해 방출된다.A brief description of the operation of the drive unit 11 is as follows. In order to move the drive upward, a pressurized flow, such as water, is supplied through the updrive passage 34 to the bottom of the drive piston 17. At the same time, the downward drive passage 36 is opened at low pressure. Therefore, when the pressurized water drives the driving piston 17 upwards, the water in the annular space 33 passes down the
구동시치를 하향 운동시키기 위해, 상향 구동 통로(34)가 저압으로 개방되고 가압수는 하향 구동통로(36)에 유입되어 스톱 시스톤 튜브(26)와 구멍(31)과 교차개구(32)를 거쳐 환상공간(33)으로 흐르며, 환상 공간(33) 내의 물은 구동 피스톤을 하향으로 구동시키도록 가압된다.In order to move the drive down, the upward drive passage 34 is opened at a low pressure and pressurized water flows into the downward drive passage 36 to stop the
통례적으로, 구동장치의 하향 운동(제어봉 제거)은 비교적 저속으로 점진적으로(한 홈씩) 행해진다. 반면, 구동 장치의 상향운동(제어봉 삽입)은 때때로(비성 정지 조건화와 같은( 고속으로 연속적으로 행해진다. 이러한 급속 삽입시, 구동 피스톤 행정말 경에 구동 피스톤(17)이 스톱 피스톤(23)에 접근할 때, 구동장치에 과도한 기계적 충격을 가하지 않도록 구동 피스톤 운동을 억제시키고 이동부의 상당량의 운동 에너지를 분산시킬 필요가 있다.Conventionally, the downward movement of the drive (removal of control rods) is carried out gradually (by one groove) at a relatively low speed. On the other hand, the upward movement of the drive device (control rod insertion) is sometimes performed continuously (such as inactive stop conditioning) at high speed. During this rapid insertion, the drive piston 17 is driven to the stop piston 23 at the end of the drive piston stroke. When approaching, it is necessary to restrain the drive piston movement and disperse a significant amount of kinetic energy of the moving part so as not to exert excessive mechanical impact on the drive.
이러한 목적으로 완충기(28)가 제공되어 있으며, 이의 기능과 구조에 대해서는 제2도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.A shock absorber 28 is provided for this purpose, and its function and structure will be described in detail with reference to FIG. 2 as follows.
전술된 완충 샤프트(29)는 하단부는 핀(37) 같은 것에 의해 스톱 피스톤 튜브(26)에, 상단부는 핀(38) 같은 것에 의해 스톱 피스톤(23)에 각각 고착된다. 완충 샤프트(29)에는 샤프트 하부에 형성되어 있는 개방단부에서 샤프트 상부에 인접한 폐쇄단부까지 완충 샤프트의 대부분의 길이에 걸쳐 계단식 구멍(31)이 형성되어 있다.The above-described shock absorbing shaft 29 is fixed to the
스톱 피스톤(23) 아래에는 단부가 개방된 완충 실린더(39)가 형성된다. 환상형 완충 피스톤(41)은 상기 실린더(39) 내에 밀착되어 미끄러질 수 있는 외공을 가지며 상단부에 인접해서는 피스톤 링 시일(42)이 제공되어 있다. 피스톤(41) 하단부에는 상기 샤프트(29)의 대구경부(44)에 밀착되어 미끄러질 수 있는 내경을 가지면서 안밖으로 연장된 하부 플랜지부(43)가 형성되어 있다. 완충 피스톤의 상단부에는 상기 샤프트(29)의 소구경부(47)에 밀착되어 미끄러질 수 있는 내경을 가지면서 안밖으로 연장된 상부 플랜지부(46)가 형성되어 있다. 피스톤(41) 몸체부의 내경은 환상형 유체 흐름 공간(48)이 제공되도록 결정된다.Under the stop piston 23 is formed a
상기 실린더(39) 내의 스프링(49)은 실린더로부터 피스톤(41)을 밀어내어 상부 플랜지(46)가 완충 샤프트(29) 구경 변화부 근처에 형성되어 있는 쇼울더(51)와 계합토록 한다. 상부 플랜지(46)와 쇼울더의 계합으로 인해 완충 실린더(39) 내에는 물이 보유된다.The spring 49 in the
상기 샤프트(29) 구경 변화부 근처에는 교차 개구(53)를 통해 유체 흐름을 구멍(31)까지 연결시키는 환상 리세스(52)가 형성되어 있다. 요구되는 제동작동을 얻기 위해. 실린더(39) 내에 위치된 완충 샤프트(29) 소구경부에는 서로 간격을 가지면서 일련으로 배치된 구멍 또는 개구(54(1) 내지 54(9))가 형성되어 있다. 상기 개구는 실린더(39) 내부와 샤프트(29) 구멍(31) 상부 사이의 유체 흐름 통로가 된다.Near the aperture of the shaft 29, an annular recess 52 is formed which connects the fluid flow to the hole 31 via the cross opening 53. To obtain the required braking action. The small-diameter portion of the buffer shaft 29 located in the
핀(57)과 같은 것으로 고착된 플러그(56)는 유체가 구멍(31) 상부로부터 하부로 직접 흐르지 않게 한다. 쇼울더(51)와 피스톤 플랜지(46)와의 계합과 플러그(56)는 실린더(39) 내에 제동 작용에 필요한 물을 보유시킨다. 실린더(39) 내에 물을 보유시킴으로써, 어떤 온도 및 압력 조건하에서 물이 증기로 바꿔지는 물의 손실을 방지할 수 있다. 제1도에 있어서, 구동장치 삽입은 하향 구동 통로가 저압으로 개방되는 동안 가압수가 상향구동 통로를 통해 유입됨으로써 실시되며, 상기 저압은 피스톤 튜브(46)를 통해 샤프트(29)의 구멍(31)까지 연장될 수 있다.Plug 56 secured to something like pin 57 prevents fluid from flowing directly from top to bottom of hole 31. Engagement of the shoulder 51 and the piston flange 46 and the plug 56 retains the water necessary for the braking action in the
따라서 만약 플러그(56)가 없다면 실린더39) 내의 물의 압력은 예로 약 3.447×106파스칼정도(약 5000psig정도) 압력 강하된다. 이때 물의 온도가 121℃(250°F)이거나 이 이상이라면, 실린더 내의 물이 증기로 변하게 되므로 결국은 완충수의 손실이 따른다. 전술된 바와같이, 실린더 내에 물을 보유시킴으로 이러한 문제를 방지할 수 있다.Thus, if there is no plug 56, the pressure of the water in the
완충기와 이의 작동에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 상술된 바와 같이 구동장치 삽입시 구동 피스톤(17)이 행정말에 가까와지면 구동 피스톤의 상부 환상형 표면(제2도에서 58로 표시)은 완충 피스톤(41)의 하부 플랜지(43)와 계합되고 완충 피스톤(41)은 완충 실린더 내로 구동된다. 이는 완충 피스톤 상부 플랜지(46)와 쇼울더(51)와의 계합을 해제시키며 리세스(52)와 개구(54(1) 내지 54(9))을 통해 실린더로부터 물을 방출시킨다. 물의 흐름 통로에 대해 설명하면 다음과 같다. 즉 개구(54(1) 내지 54(9))를 통해 구멍(31) 상부를 통과한 뒤, 교차 개구(53)을 통과하여 환상 공간(48) 내로 유입되어, 교차 개구(59)를 통해 구멍(31) 하부로 흘러스톱 피스톤 튜브(26) 내로 유입된다. 완충 피스톤(41)이 더욱 실린더(39)내로 이동되며 피스톤의 상부 플랜지(46)는 연속적으로 개구 54(1) 내지 54(8)를 차례차례로 막는다. 이는 실린더로부터 유체 흐름에 대한 저항을 점차적으로 증가시킴으로써 이동부품의 운동 에너지를 분산시키고 요구되는 제동 작용을 제공한다.The shock absorber and its operation will be described in detail as follows. As described above, when the drive piston 17 approaches the end of the stroke when the drive is inserted, the upper annular surface (marked 58 in FIG. 2) of the drive piston engages with the lower flange 43 of the buffer piston 41. The shock absorbing piston 41 is driven into the shock absorbing cylinder. This disengages the cushioning piston upper flange 46 from the shoulder 51 and releases water from the cylinder through the recesses 52 and the openings 54 (1) to 54 (9). The flow path of water is described as follows. That is, after passing through the opening 31 (54) through the opening (54) (1) to 54 (9), after passing through the crossing opening 53 into the annular space 48, through the crossing opening 59 (31) flows down into the stop piston tube (26). The damping piston 41 is further moved into the
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