Brevet FR2584526A1 — publié le 19870109

rnerateur de valeur à distributeur. notamment pour centrale nucléaire L'invention concerne les générateurs de vapeur du type comprenant une enceinte contenant un faisceau de tubes d'échange et dont la partie supérieure constitue un ballon de vapeur. enceinte dans laquelle est placé un distributeur, généralement de forme torique, relié à une conduite d'amenée d'eau alimentaire traversant la paroi de l'enceinte et muni de passages de répartition destinés à l'écoulement de l'eau alimentaire dans 1 enceinte. Elle trouve une application particulièrement importante dans les centrales nucléaires. et notamment dans les centrales utilisant un réacteur à eau sous pression. Les générateurs de vapeur de telles centrales comportent fréquemment un distributeur en forme d'anneau. dont la forme se rapproche d'un tore à axe vertical ou avec des lobes. alimenté par une conduite sensiblement horizontale. Lors du fonctionnement normal du réacteur, la surface libre de l'eau dans l'enceinte est située au-dessus de la conduite et du distributeur et la vitesse de l'eau dans la conduite est relativement élevée. Le fonctionnement est alors satisfaisant. Mais il peut au contraire ëtre perturbé dans diverses conditions temporaires exceptionnelles. En particulier, diverses phases transitoires de fonctionnement conduisent à l'apparition de coups de bélier provoquant des surpressions dommageables. C'est notamment le cas lorsque le niveau d'eau dans le générateur de vapeur (par exemple en cas d arrêt à chaud) descend au-dessous du niveau de la tuya-uterie d'eau alimentaire. Le distributeur est alors dénoyé. Si cette situation dure, le distributeur et la conduite se vident et se remplissent de vapeur saturée. Lors de la remontée en puissance. de l'eau sous-saturée est envoyée par la conduite : elle provoque une condensation brutale de la vapeur, donc une dépression puis la formation d'une onde de pression qui remonte vers la cdnduite sous forme d'un coup de bélier. On a déjà tenté d'écarter ce problème en empéchant le distributeur et/ou la conduite de se vider. Pour cela, on a remplacé les trous de distribution classiquement ménagés à la partie inférieure du distributeur par des tubes en crosse raccordés à la partie supérieure du distributeur {FR-A-2 333 200 et US-A- & 502 (19). Cette disposition résout le problème. mais elle est complexe et il est difficile de l'appliquer sur des générateurs de vapeur existants. Un autre problème est constitué par la stratification thermique de l'eau d'alimentation lors du fonctionnement à très faible charge. Ce phénomène est décrit notamment dans l'article "Loading conditions in horizontal feed water pipes of LWRs influenced by thermal shock and thermal stratification effects", par M. Miksch et autres, NUCLEAR ENGINEERING AND DESIGN, ss4 (1985), 179-187. Ce phénomène est aggravé sur les générateurs de vapeur équipé, d'une part, d'une alimentation en eau préchauffée utilisée à charge normale, d'autre part, d'une alimentation en eau froide utilisée en situation accidentelle et à très faible charge. Dans cette dernière situation, un faible débit d'eau alimentaire froide est injecté dans la conduite pleine d'eau à la température de fonctionnement du générateur de vapeur.La vitesse d'écoulement étant faible, l'eau froide ne se mélange pas à l'eau chaude, mais forme une couche distincte au fond de la conduite. Cette stratification maintient un gradient de température élevé entre la partie inférieure et la partie superieure de la paroi de la conduite, ce qui engendre des contraintes thermiques de nature à provoquer un fissuration, y compris dans la soudure de raccordement de la conduite à l'enceinte. Ce phénomène est encore aggravé par la fatigue induite par les oscillations de l'interface entre les couches. Les tubes en crosse utilisés pour atténuer le phénomène de coup de belier ne reduisent pas de façon appréciable ce second phénomène, ce qui semble indiquer qu'il est entretenu par l'échange thermique du à la convexion naturelle entre l'eau chaude occupant le ballon et l'intérieur de la conduite. On a fait diverses tentatives pour résoudre ce second problème. L'une consiste à introduire l'eau alimentaire dans la conduite par l'intermédiaire d'un déversoir annulaire débouchant dans une boite à eau où se produit un certain mélange. On a également proposé de prévoir, sur la face interne d'un coude de la conduite, une saillie de faible hauteur, annulaire ou en spirale, pour augmenter la turbulence de l'écoulement, Un tel dispositif n'a qu'une efficacité très faible : en effet, lorsque le débit est faible. c'est-à-dire lorsqu'on recherche un melange, le filet d'eau froide d'alimentation se contente de sauter l'obstacle ainsi constitué. L'invention vise à fournir des moyens permettant d'écarter, au moins dans une large mesure, les problèmes ci-dessus des générateurs de vapeur, ou du moins le problème du coup de belier, et ce en ne mettant en oeuvre que des moyens simples, n'imposant qu'une faible perte de charge à l'écoulement, purement statiques, et dont il est possible d'équiper un générateur de vapeur existant sans difficultés majeures. Dans ce but, l'invention propose notamment un générateur de vapeur dont ladite conduite contient, dans une portion horizontale, au moins un déflecteur comprenant un moyeu axial et plusieurs aubes hélicoïdales reliant le moyeu à la paroi de la conduite et dont la longueur représente au moins un pas d'enroulement. Lorsqu'on cherche uniquement à éviter la vidange de la conduite en cas de dénoyage du distributeur, il suffit de prévoir un seul déflecteur hélicoïdal, placé dans la conduite ou entre le distributeur et la traversée de l'enceinte ou juste en amont de celle-ci. Les aubes auront une longueur et un pas tels que le point bas de la partie la plus haute de chaque canal inter-aubes soit au-dessus du point haut de la section la plus basse du meme canal. On pourra avantageusement prévoir six aubes ayant un developpement angulaire autour de l'axe compris entre un tour et un tour et demi. Lorsque l'on souhaite également réaliser un mélange évitant la stratification thermique, un second déflecteur peut etre prévu, cette fois dans la partie de la conduite qui est extérieure à l'enceinte. Ce second déflecteur, placé en amont du premier et de la traversée de l'enceinte, pourra comporter des aubes dont le développement angulaire est d'un demi-tour seulement. Il pourra avoir quatre aubes regulièrement réparties autour de l'axe. Les deux deflecteurs auront avantageusement des aubes au mème pas. Dans une variante de réalisation, les deux déflecteurs peuvent être combinés et montés sur un même moyeu. Dans tous les cas, la partie avant du déflecteur unique ou de celui des deflecteurs qui est en amont sera placée longitudinalement. de façon à n'imprimer que progressivement un mouvement en vrille à l'écoulement, Dans la pratique, on sera souvent amené à donner aux aubes un pas d'enroulement compris entre 2 et 5, fois le diamètre de la conduite et, au moyeu, un diamètre compris entre 0,25 et 0,5 fois le diamètre de la conduite. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier d'exécution, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se refère aux dessins qui l'accompagnent. dans lesquels - la Figure 1 est une vue schématique en plan du distributeur d'eau alimentaire d'un générateur de vapeur et de sa conduite d'alimentation, équipe de moyens suivant l'invention, - la Figure 2 est une vue en élévation d'un des déflecteurs montés dans la conduite de la Figure 1, une seule aube étant représentée, - la Figure 3 est une vue de gauche du distributeur de la Figure 2, - la Figure 4 est un schéma montrant le siphon équivalent à l'un des -canaux inter-aubes du déflecteur de la Figure 2, - les Figures 5 et 6, similaires aux Figures 2 et 3, montrent le second déflecteur équipant la conduite montrée en Figure 1, - les Figures 7 et 8 sont des schémas de principe montrant des tronçons de conduite d'alimentation munis d'ailettes d'échange thermique permettant de réduire la stratification, - les Figures 9 et 10 sont des vues de droite des Figures 7 et 8, respectivement. Le distributeur et la conduite d'alimentation montrés en Figure 1 sont notamment utilisables dans un générateur de vapeur pour centrale nucléaire à réacteur à eau sous pression, notamment à un générateur ayant la constitution générale montrée dans le document FR-A2 333 200 déjà mentionné. Le distributeur 10 est constitué par un anneau qui, dans le mode de réalisation illustré, est de forme torique. Mais une forme à lobes serait également possible. Ce distributeur est placé dans la partie haute d'une enceinte 12 de résistance à la pression, coaxialement à celle-ci. L'eau s'écoule du distributeur dans l'enceinte par des passages régulié- rement répartis, qui peuvent etre soit de simples orifices, soit des tubes en crosse.La conduite 14 d'amenée d'eau alimentaire au distributeur 10 présente une partie droite et horizontale fixée à un manchon 16 de traversée de l'enveloppe 12. Elle se prolonge par un tronçon 18 de liaison avec le distributeur 10, formant te de raccordement. La conduite 14 est munie d'une alimentation principale, susceptible d'etre interrompue à l'aide d'une vanne 20, qui reçoit de l'eau déjà préchauffée, et une conduite d'amenée d'une alimentation en eau de secours, également munie d'une vanne 22 qui est fermée en fonctionnement normal. L'échangeur comprend un premier déflecteur 24 placé dans le tronçon 18 et dont la fonction est d'empécher la conduite de se vider en cas d'interruption de l'alimentation. Dans ce but, le déflecteur 24 comprend un moyeu 26 muni d'aubes régulièrement réparties 28 enroulées autour du moyeu. Chaque aube 28 présente une partie avant hélicoïdale et une partie arrière de redressement de l'écoulement dont le plan tangent au bord de fuite est parallèle à l'axe. Ces aubes sont au nombre d'au moins quatre, et de six dans le mode de réalisation représenté. Chacune présente une forme d'hélicoïde à pas constant. Il est nécessaire que le point bas de la partie la plus haute de chaque canal inter-aubes, tel que le canal 30 schématisé en Figure 4, soit au-dessus du point haut de la section la plus basse du meme canal, ce qui exige que le rapport entre la longueur de chaque aube et le pas soit suffisant. Dans la pratique, une longueur comprise entre un pas et un pas et demi sera satisfaisante. Afin de permettre au siphon que constitue l'hélice de se désamorcer, des moyens de communication sont ménagés entre les veines hélicoïdales délimitées par au moins celle des aubes qui passe en haut de la conduite en partie ouvrante. Dans le mode de réalisation illustré, ces moyens sont constitués par un trou 31 percé à la partie haute d'une aube 28, là où cette aube passe au point haut de la conduite.Quand le niveau descend après avoir atteint la génératrice supérieure du moyeu, le trou de désamorçage 31 équilibre les pressions de vapeur en amont et en aval de l'aube. Le niveau dans la partie haute du canal inter-aube, limité par l'aube 28 percée du trou1 baisse en meme temps que le niveau aval. Dès que ce dernier atteint le moyeu, les niveaux se stabilisent jusqu'à vidange complète de la conduite en aval du déflecteur. La perte de charge imprimée par le déflecteur 24 est une fonction croissante de l'inclinaison des aubes par rapport à l'axe de la conduite, Mais l'encombrement longitudinal du déflecteur est d'autant plus important que le pas est plus long. Par ailleurs, le nombre de pas nécessaires dépend du nombre d'aubes. On sera en conséquence amené à adopter un compromis, consistant à adopter l'inclinaison la plus faible possible et le nombre d'aubes minimum compatibles avec la longueur disponible. L'échangeur montré en Figure 1 comprend également un second déflecteur 32, placé en amont du premier, dans le tronçon de conduite 14, hors de l'enceinte 12. Ce second déflecteur est destiné à remplir la fonction de mélangeur contrariant la stratification. Le déflec- teur 32 comprend un moyeu 34, de même diamètre que le moyeu 26, et plusieurs aubes (quatre dans le mode de réalisation illustré, reliant le moyeu à la paroi de la conduite 14. Chaque aube 36 présente une partie arrière hélicoïdale qui peut avoir une lèvre de fuite redressée avantageusement au même pas que les aubes 28, et une partie avant de mise en rotation de l'écoulement, dont le plan tangent au bord d'attaque est parallèle à l'axe. On partage ainsi la conduite 14 en quatre canaux interaubes indépendants. Chaque aube a une longueur correspondant à un demi-tour d'hélice. Dans le cas ou le déflecteur 32 est omis, ce seront les aubes 28 qui comporteront en plus une portion avant de mise en rotation progressive de l'écoulement. Le râle du déflecteur 32 lorsque la conduite est alimentée par un liquide formé de deux composants de masse volumique différente, ou encore quand on injecte, par la conduite, un liquide de masse volumique différente de celle du liquide qui l'emplissait auparavant, apparait immédiatement : quand le débit de liquide de forte masse volumique est faible, un écoulement stratifié tend à s'établir. Mais chaque aube 28 provoque un basculement d'un demi-tour. qui amène le composant lourd de la couche inférieure à la partie haute de la conduite. et inversement. L ordre naturel des couches est donc inversé à la sortie du déflecteur 32, ce qui provoque un mélange par diffusion. Le rôle du déflecteur 24 est d'empêcher la conduite de se vider par le distributeur en cas d'interruption de l'alimentation. Pour une dimension convenable du moyeu et un pas suffisamment court des aubes, le point bas de la section haute de chaque canal inter-aubes est situé au-dessus du point haut de la section basse. comme cela apparait sur la Figure 4. En conséquence, chaque canal inter-aubes, qui fait au moins un tour complet, constitue un siphon. Dans chacun des canaux, la surface libre 38 va s'établir au niveau ou au-dessus de l'axe du moyeu. un bouchon d'eau subsistant à la partie basse et empechant la vapeur de passer et donc la conduite de se vider. Il serait possible d'utiliser, au lieu de deux déflecteurs séparés, un seul et même déflecteur de longueur suffisante, dont les aubes font un tour et demi au moins. On voit que le montage des moyens qui viennent d'être décrit dans un échangeur existant est simple. Le déflecteur 32 peut être monte en dessoudant un tronçon de la conduite 14 et en le remontant ensuite, après insertion du déflecteur et cela sans intervention à l'intérieur du générateur de vapeur. Le déflecteur 24 peut également etre inséré depuis l'extérieur, par exemple en le montant dans une chemise qui est glissée à travers le manchon 16. Quel que soit le mode de réalisation adopté, le déflecteur 24 réduit la violence des coups de bélier provoqués par l'injection d'eau froide et protège au surplus la conduite 14 de la stratification persistante due à l'arrivée directe d'eau chaude en provenance de l'enceinte ou à l'échange thermique par convexion naturelle entre l'eau ou la vapeur du ballon et l'eau alimentaire.Le déflecteur 24 contrarie en effet l'établissement de la convexion naturelle au voisinage de la conduite et arrête la propagation des oscillations de température ,å l'interface entre la couche froide et la couche chaude, On voit qu'on réalise ainsi un dispositif purement statique et de forme hydrodynamique, donc ayant une longue durée de vie, et n'imposant qu'une faible perte de charge à l'écoulement en régime normal, La stratification peut etre contrariee encore davantage en munissant la partie inferieure du distributeur 10 et du tronçon 18 constituant té d'alimentation d'ailettes d'augmentation des transferts thermiques. Ces ailettes peuvent avoir la forme d'arceaux 40 régulièrement répartis (Figures 7 et 9) ou de plats longitudinaux 42 soudés le long de génératrices, à la partie inférieure du té. Du fait que ces ailettes augmentent les échanges thermiques à la partie inférieure du distributeur, elles tendent à diminuer l'écart de température entre les couches froides et chaudes. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences ainsi qu'aux applications à des générateurs de vapeur autres que ceux des centrales nucléaires. REVENDICATIONS 1. Générateur de vapeur comprenant une enceinte (12) contenant un faisceau de tubes d'échange et dont la partie supérieure constitue un ballon de vapeur. dans laquelle est placée un distributeur (10) relié à une conduite (14) d'amenée d'eau alimentaire traversant la paroi de l'enceinte et muni de passages destinés à l'écoulement d'eau vers l'enceinte, caractérisé en ce que ladite conduite contient, dans une portion horizontale, au moins un déflecteur (24) comprenant un moyeu axial et plusieurs aubes hélicoïdales reliant le moyeu à la paroi de la conduite et dont la longueur représente au moins un pas d'enroulement. 2 Générateur selon la revendication 1. carac térisé par des moyens de communication entre les veines hélicoïdales délimitées par les aubes, débouchant à la partie haute des veines. 3. Générateur selon la revendication I ou 2. caractérisé en ce que le déflecteur (24) est situé dans la conduite entre le distributeur et la traversée de l'enceinte (12). 4. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit deflecteur (24) comporte au moins quatre aubes (28) régulièrement réparties, présentant un développement angulaire compris entre un tour et un tour et demi. 5. Générateur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite conduite contient un second déflecteur (32), placé en amont du premier déflecteur et de la traversée de l'enceinte, comprenant également un moyeu et plusieurs aubes hélicoïdales au même pas que les aubes du premier déflecteur. 6. Générateur selon la revendication 5. carac terse en ce que les aubes du second déflecteur ont un développement angulaire approximativement d'un demitour. 7. Générateur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le second déflecteur comporte quatre aubes. 8. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le déflecteur est unique. 9. Générateur selon l'une quelconque des revendications precédentes, caractérisé en ce que les aubes du déflecteur unique ou celles du déflecteur placé le plus en amont présentent une partie avant dirigée longitudinalement. 10. Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les aubes du déflecteur unique ou celles du déflecteur placé le plus en aval présentent une partie arrière de lèvres de sortie dans des plans radiaux.