Brevet FR2593635A2 — publié le 19870731

FR 2593635 A2 19870731 FR 8601259 A 19860129 Générateur de vaDeur à distributeur. notamment Dour 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 I'écoulement de liteau alimentaire dans l'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 frequemment un distributeur en forme d'anneau, dont la forme se rapproche d-un tore à axe vertical ou avec des lobes. alimente 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 être perturbé dans diverses conditions temporaires exceptionnelles, qui font apparaitre des phénomènes dommageables. En particulier, lors de certains transitoires de fonctionnement, et notamment lorsqu'un faible débit d'eau alimentaire froide est injecté dans la conduite pleine d'eau à la température de fonctionnement du générateur de vapeur, il se produit un phénomène de stratification qui maintient un gradient de temperature élevé entre la génératrice inférieure et la génératrice supérieure de la conduite. ce qui engendre des contraintes thermiques de nature à provoquer une fissuration. y compris dans la soudure de raccordement de la conduite à l'enceinte. Dans d'autres cas, notamment lorsque le niveau d'eau dans le générateur de vapeur descend au-dessous du niveau de la tuyauterie d'eau alimentaire, il peut y avoir dénoyage du distributeur et apparition d'un coup de bélier lors de la remontée en puissance. Le brevet principal décrit et revendique un générateur de vapeur dans lequel. pour éviter l appari- tion d un au moins de ces phénoménes, la conduite contient, dans une portion horizontale, au moins un déflecteur comprenant un moyeu axial et plusieurs aubes hélicoidales reliant le moyeu à la paroi de la conduite. Le déflecteur peut être destiné à éviter la stratification thermique. Il peut comporter des aubes dont le développement angulaire est d un demi-tour seulement. Lorsque par contre on souhaite éviter la vidange de la conduite en cas de denoyage du distributeur, les aubes doivent avoir une longueur et un pas tels que le point bas de la partie la plus haute de chaque canal inter-aube soit au-dessus du point haut de la section la plus basse du même canal. ce qui implique un développement angulaire autour de l'axe d'au moins un tour. L'invention vise à fournir des moyens permettant d'ecarter, au moins dans une large mesure. les problèmes ci-dessus des générateurs de vapeur par un déflecteur unique de constitution simple. Dans ce but. l'invention propose notamment un générateur de vapeur du type décrit dans le brevet principal. caractérisé en ce que le moyeu axial délimite un passage muni de moyens de déviation du courant d-eau qui le parcourt, imposant à la partie centrale de I'écoulement une perte de charge supérieure à celle provoquée par les aubes hélicoïdales à la périphérie de l'écoulement. Dans un premier mode de réalisation. le moyeu comporte un noyau central. une portion cylindrique reliée aux aubes et une hélice à au moins deux ailettes placée entre le noyau et la paroi cylindrique, constituant les moyens de déviation. Lorsque le déflecteur est utilisé uniquement pour contrarier la stratification. il suffit que l'hélice, comme les aubes. fasse un demi-tour au minimum. Au contraire. dans le cas où on recherche également une protection contre les coups de bélier, l'hélice et les aubes doivent représenter au moins un tour. et avantageusement un tour et demi. Dans le cas où l'on recherche uniquement une antistratification, les deux hélices auront souvent des sens d'enroulement différents. Dans le cas au contraire où l'on recherche à réduire les coups de bélier. les sens d'enroulement pourront être identiques. Dans un second mode de réalisation, destiné essentiellement à combattre la stratification, le moyeu est constitué par au moins une grille d'aubes permettant de dévier le courant d'eau chaude parcourant la conduite vers la génératrice supérieure de cette derniére. La perte de charge imposée par la grille d'aubes (ou des grilles en série) doit être légèrement supérieure à celle provoquée par les aubes hélicoidales. Les grilles d'aubes de deviation peuvent être remplacées par des grilles perforées de trous qui, du fait du rétrécissement qu'elles imposent à l'écoulement. augmentent les vitesses et améliorent le mélange entre eau chaude et eau froide. Dans un autre mode de réalisation encore. le moyeu présente une forme allant en s'évasant de l'avant vers l'arriére, dans le sens normal d'écoulement et, en cas de stratification. tend à remonter la lame d'eau inférieure au plus prés de la génératrice supérieure de la conduite en la mélangeant à l'eau chaude. Le moyeu peut notamment dans ce cas avoir une forme conique ou en ogive. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécution, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfere 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, équipé de moyens suivant l'invention. - la Figure 2 est une vue en perspective, depuis l'avant, montrant une fraction de conduite d'alimentation équipée de moyens suivant un premier mode de réalisation, - la Figure 3 est une vue en élévation du déflecteur de la Figure 2, - la Figure 4 est une vue de face d'un déflec- teur constituant une variante de celui de la Figure 2. en suivant la direction IV-IV de la fig.5, - la Figure 5 montre le déflecteur de la Figure 4 en coupe suivant un plan vertical passant par l'axe, - la Figure 6, similaire à la Figure 4. montre un autre mode de réalisation encore. - les Figures 7 et 8, respectivement similaires aux Figures 4 et 5, montrent encore un autre mode de réalisation (une seule aube étant montré sur la fig.7) 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 . 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 régulièrement répartis, qui peuvent être 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 fixee à un manchon 16 de traversée de l'enveloppe 12. Elle se prolonge par un tronçon 18 de liaison avec le distributeur 10, formant té de raccordement. La conduite 14 est munie d'une alimentation principale, susceptible d'être 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 déflecteur 32, placé dans le tronçon de conduite 14, hors de l'enceinte 12 dans le cas illustré en figure 1. Ce déflecteur est destiné à remplir au moins la fonction de mélangeur contrariant la stratification. Le déflecteur montré en Figures 2 et 3 comporte une manchette externe 44 pouvant constituter une enveloppe de protection thermique, dont le diamètre extérieur correspond au diamètre intérieur de la conduite 14, ce qui permet de mettre en place le déflecteur en bloc dans la conduite 14 avec une Maison étanche. Le déflecteur peut être considere comme comportant un moyeu entouré par des aubes 28 réguliérement réparties, enroulées autour du moyeu et fixees à la manchette 44. Chaque aube 28 présente une partie courante hélicoïdale et, éventuellement, une partie avant et/ou une partie arrière de redressement de l'écoulement, dans laquelle l'aube passe d'une forme hélicoïdale à une forme radiale. Pour permettre aux siphons que constituent les aubes de se dèsarmorcer, des moyens de communication peuvent être ménagés entre les veines hélicoïdales délimitées par au moins celle des aubes 28 qui passe en haut de la conduite, Ces moyens peuvent se limiter à un simple trou (non représenté). Si les aubes font plus d'un tour, le passage sera généralement prévu au point haut le plus en aval. Le moyeu comprend un noyau central 46, de forme cylindrique, profilé à l'avant pour réduire la perte de charge. Ce noyau porte une hélice à au moins deux pales i8 dont l'arête externe est fixée à une cloison cylindrique 50. Les liaisons entre hélice 48 d'une part, noyau 46, et cloison 50 d'autre part, doivent être étanches pour éviter les passages d'air. Dans le mode de réalisation représenté en Figures 2 et 3, la paroi cylindrique 50 fixée aux ailettes 48 est glissée dans une cloison également cylindrique 52 qui, elle, est solidaire des aubes 28, reliées de façon étanche à la cloison 52 et à la manchette 44.Cette disposition facilite la fabrication du déflecteur : en effet. on peut réaliser séparément deux sous-ensembles comportant, l'un la manchette 44, les aubes 28 et la cloison 52 et l'autre l'ensemble du moyeu. puis les emmancher l'un dans l'autre, la fixation pouvant se faire par manchonnage. Toutefois, on pourrait utiliser tout autre mode de montage garantissant l'étancheité de la liaison entre cloisons 50 et 52, par exemple un soudage en bout. Lorsqu'on recherche seulement un effet d'antistratification, il suffit que les aubes 28 et les ailettes 48 aient une longueur correspondant à au moins un demi-tour. Les aubes 28 placées à la périphérie du déflecteur captent en totalité, canalisent la lame d'eau froide et la remontent au plus prés de la génératrice supérieure de la conduite. Elles complètent donc l'effet de l'hélice à au moins deux aubes 48 qui ne permet de remonter l'eau froide qu'au niveau de la génératrice supérieure du noyau 46 lorsque I'épaisseur de la lame d'eau froide est faible. On peut donner aux aubes 28 un sens d'enroulement opposé à celui des ailettes 48. Lorsque le déflecteur est prévu pour atténuer les coups de bélier, les aubes 28 et les ailettes 48 auront une longueur correspondant à 1 tour au moins, et avantageusement 1,5 tour Chaque aube 36 et chaque ailette 48 présentent une partie courante hélicoïdale et elles peuvent avoir une levure de fuite redressée 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 réduit ainsi les parties de charges.Dans le cas cependant où un second dispositif à ailes hélicordales ayant un pas de même sens est placé dans la conduite à l'intérieur de l enceinte, la lévre de fuite du premier dispositif et la lévre d'entré du second n'ont pas à être prévues. Les aubes 48 doivent etre prévues pour imposer au courant d'eau qui traverse l'espace annulaire compris entre le noyau 46 et la cloison 50 une perte de charge supérieure à celle provoquée par les aubes 28, de façon à favoriser le passage de l'eau froide le long des aubes 28. Contrairement à celui des Figures 2 et 3, le déflecteur des Figures 4 et 5 est essentiellement destiné à s'opposer à la stratification. La partie externe du déflecteur des Figures 4 et 5 est similaire à celle déjà montrée sur les Figures 2 et 3 et en conséquence les éléments correspondants sont désignés par le même numéro de référence et ne seront pas décrits de nouveau. Le moyeu du déflecteur des Figures 4 et 5 est constitué par des grilles d'aubes transversales 54 placées en série sur le trajet d'écoulement. Les aubes hélicoïdales 28 ont un rôle inchangé. Les grilles d'aubes canalisent l'eau chaude et tendent à la rejeter vers la génératrice supérieure de la conduite. On obtient ainsi des écoulements croisés qui favorisent le mélange entre l'eau froide collectée par les aubes 28 et l'eau chaude déviée par les grilles d'aubes. Lorsque plusieurs grilles d'aubes successives sont prévues, ce qui sera le cas le plus fréquent, la turbulence est élevée entre deux grilles successives et provoque un mélange entre l'eau chaude et la partie supérieure de la lame d'eau froide, dans la mesure ou cette derniére n'a pas été totalement piégée par les aubes 28. Là encore, la perte de charge imposée par les grilles d'aubes transversales doit être légèrement supérieure à la perte de charge imposée par les aubes hélicoïdales 28, afin de favoriser le passage de l'eau froide dans les canaux délimités par les aubes héli cotidales 28. Le déflecteur dont une fraction est montrée en Figure 6 ne se différencie du précédent que par la substitution de grilles perforées 56 de trous 57 aux grilles d'aubes 54. Là encore, la lame d'eau froide est piégée, généralement en totalité, par les aubes 28 qui remontent cette eau froide jusqu'à la partie superieure de la conduite. L'eau chaude traverse les grilles 56 qui, du fait de leur perte de charge, augmentent les vitesses et provoquent un mélange accru du fait de la composition des vitesses en sortie. Là encore, la perte de charge donnée par les grilles perforées doit être supérieure à la perte de charge fournie par les aubes 28. En général, une grille perforée donnera une perte de charge notablement plus importante, ce qui peut représenter un avantage du point de vue de la lutte contre la stratification mais représente un inconvénient en régime permanent normal. Le déflecteur 32 des figures 7 et 8 comporte un moyeu plein 34 en forme d'ogive, relié par quatre aubes 28 (dont une seule est montrée en figure 7) à la manchette 44. Le déflecteur remonte la lame d'eau froide stratifiée éventuelle vers la génératrice superieure de la conduite tout en la mélangeant à l'eau chaude. L'évasement du moyeu vers l'arriére provoque une diminution de la section de passage et donc une augmentation de vitesse qui favorise le melange entre eau froide et eau chaude. Lorsqu'un déflecteur du genre montré en figures 7 et 8 est destiné uniquement à combattre la stratification, il suffit de deux aubes 28 d' un demi-tour au minimum. Dans la pratique, il est cependant préférable d'utiliser trois ou quatre aubes. Lorsqu'on cherche uniquement à atténuer les coups de bélier, un dispositif à deux aubes 28 d'au moins 1 tour chacune, sera utilisé. Enfin, lorsqu'on veut combattre les deux phénomenes, il est souhaitable d'utiliser un dispositif à quatre aubes faisant au moins un tour et avantageusement 1, 5 tours. Pour assurer une bonne étanchéité autour des aubes 28, la manchette *4 peut être constituée par enroulement à spires jointives d'une bande, puis soudage des spires entre elles. L'invention ne se limite- pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits ci-dessus et il doit etre entendu que la portée du présent certificat d'addition s'étend aux variantes restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Générateur de vapeur 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 (10), relié à une conduite d'amenée d'eau alimentaire 114) traversant la paroi de l'enceinte (12) et muni de passages de répartition destinés à l'écoulement de l'eau alimentaire dans l'enceinte, dans lequel la conduite contient, dans une portion horizontale, au moins un déflecteur comprenant un moyeu axial et plusieurs aubes hélicoÏdales (28) reliant le moyeu à la paroi de la conduite, caractérisé en ce que le moyeu axial délimite un passage muni de moyens de déviation du courant d'eau qui le parcourt. imposant à la partie centrale de l'écoulement une perte de charge supérieure à celle provoquée par les aubes hélicoïdales à la périphérie de l écoulement. 2. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyeu comporte un noyau central (46). une portion cylindrique (50) reliée aux aubes et une hélice (48) à au moins deux ailettes placée entre le noyau et la paroi cylindrique, constituant les moyens de déviation. 3. Générateur de vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'hélice fait au moins un demi-tour. 4. Générateur de vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'hélice et les aubes représentent au moins un tour. 5. Générateur de vapeur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que 1' hélices et les aubes ont des sens d'enroulement differents. 6. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyeu est constitué par au moins une grille d'aubes (54) permettant de dévier le courant d'eau chaude parcourant la conduite vers la génératrice supérieure de cette dernière. 7. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyeu est constitué par au moins une plaque perforée. 8. Générateur de vapeur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la perte de charge imposée par les grilles d'aubes ou les plaques est légérement supérieure à celle provoquée par les aubes hélicoïdales, 9. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyeu présente une forme allant en s'évasant de l'avant vers l'arriêre, dans le sens normal d'écoulement. 10. Générateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments du déflecteur (46, 48, 50, 52, 28, 44) sont reliés de façon étanche et en ce que le déflecteur présente une liaison étanche avec la conduite (14).