(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁面及びこの側壁面の下方に位置する底面を備えた原子炉圧力容器の前記底面を貫通するように略鉛直方向に立設されたボスと、このボス中を通すように配設された回転軸と、複数の羽根を備え前記回転軸に固定されて回転駆動される羽根車と、この羽根車の下方に設けられ複数枚の案内羽根間に第１の流路を形成するディフューザとを備え、前記羽根車で加圧した原子炉冷却材を、前記ディフューザの第１の流路に導入し、さらに該ディフューザの下方に位置し、前記原子炉圧力容器の底面及び前記ボスによって画定される第２の流路へと吐出するインターナルポンプにおいて、前記ディフューザを構成する案内羽根の圧力容器側壁面側の下流側端面を、反側壁面側における案内羽根下流側端面よりも前記羽根車側に後退して配置したことを特徴とするインターナルポンプ。
【請求項２】
請求項１記載のインターナルポンプにおいて、前記ディフューザを構成する案内羽根の圧力容器側壁面側の下流側端面を、反側壁面側における案内羽根の下流側端面よりも前記羽根車側に後退して配置し、前記ディフューザを構成するシュラウドの圧力容器側壁面側の下流側端面を、前記後退配置した案内羽根の下流側端面から反側壁面側における案内羽根の下流側端面に向かって滑らかな傾斜にしたことを特徴とするインターナルポンプ。
【請求項３】
側壁面及びこの側壁面の下方に位置する底面を備えた原子炉圧力容器の前記底面を貫通するように略鉛直方向に立設されたボスと、このボス中を通すように配設された回転軸と、複数の羽根を備え前記回転軸に固定されて回転駆動される羽根車と、この羽根車の下方に設けられ複数枚の案内羽根間に第１の流路を形成するディフューザとを備え、前記羽根車で加圧した原子炉冷却材を、前記ディフューザの第１の流路に導入し、さらに該ディフューザの下方に位置し、前記原子炉圧力容器の底面及び前記ボスによって画定される第２の流路へと吐出するインターナルポンプにおいて、前記ディフューザを構成するシュラウドの圧力容器側壁面側の下流側端に切り欠き部を設けて、その下流側端面を、反側壁面側に設けられた前記羽根車の下流側端面よりも前記羽根車側に後退して配置したことを特徴とするインターナルポンプ。
【請求項４】
請求項１記載のインターナルポンプにおいて、前記ディフューザを構成するシュラウドの圧力容器側壁面側の下流側端面を、反側壁面側におけるシュラウドの下流側端面よりも前記羽根車側に後退して配置したことを特徴とするインターナルポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉圧力容器の下部に取り付けられて原子炉冷却材を強制循環させるインターナルポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子力発電所では、原子炉内の炉心に冷却材を供給し、この冷却材が炉心において加熱され発生した蒸気をタービンに導き、発電機を駆動して発電を行う。近年、従来の沸騰水型原子炉をさらに改良したいわゆる改良型沸騰水型原子炉（以下適宜、ＡＢＷＲという）が提唱されており、このＡＢＷＲでは、原子炉内に供給された冷却材を循環させるポンプとして原子炉圧力容器の下部に取り付けたインターナルポンプを用いる。原子炉圧力容器内に導入された冷却材は、圧力容器内の外周側を圧力容器側壁面に沿って下降し、圧力容器内の外周側底部近傍の周方向複数箇所に設けられたインターナルポンプへ吸い込まれた後、加圧されて吐出され、圧力容器下部の下部プレナムから上昇して炉心へと導入される。
【０００３】
この冷却材循環用のインターナルポンプは、最上部に位置し回転駆動される羽根車と、この羽根車の下方に位置する固定案内羽根としてのディフューザとを備えている。羽根車は、圧力容器の底面を貫通するように略鉛直方向に立設されたボスに通された回転軸に固定されており、この回転軸が圧力容器外に設けられたモータで駆動されることによって回転する。このインターナルポンプにおいて、原子炉冷却材は、上方から羽根車内に流入し、羽根車で加圧された後にディフューザへと導入され、圧力回復した後にディフューザ下方へと流出する。
【０００４】
このとき、前述したようにインターナルポンプは圧力容器の底面近傍に設けられているが、圧力容器の傾斜した底面をボスが貫通する構造上、流路のうち圧力容器の側壁面側はボスとの間の非常に狭い空間となり流路面積が小さくなる。一方、反側壁面側は空間が広いため流路面積が大きいが、流路の下流側部分では、炉心側壁側に曲がるエルボ状流路となる。このように、インターナルポンプでは、その配置上、ディフューザ下流側流路が圧力容器側壁面側と反側壁面側とで非対称となる。
【０００５】
このディフューザ下流側流路の非対称性はポンプ下流側の流れに影響を及ぼし、その流れがポンプ回転軸まわりに周方向に一様でなくなる。すなわち、圧力容器側壁面側ではボスと圧力容器底面との間の狭い空間においてよどみ部が生じ、また反側壁面側ではエルボ状曲がり流路において遠心力が作用する。これらの影響により、圧力容器の側壁面側流路での静圧は反側壁面側流路に比べて高くなる。
【０００６】
しかも、インターナルポンプにおいては、通常、回転軸の剛性確保の配慮からディフューザの軸方向長さが比較的短く、羽根車は圧力容器底面の比較的近くに位置している。そのため、上記の静圧分布の非一様性は羽根車出口部にまで及ぶことになる。ここで、羽根車に作用する半径方向スラスト力は、羽根車全周にかかる圧力の半径方向成分の和で表されるため、インターナルポンプでは、圧力容器の側壁面側から反側壁面側に向かって（すなわち圧力容器側壁面から炉心に向かって）半径方向スラスト力を生じることになる。
【０００７】
近年、原子力発電所はプラント出力増加の傾向にあり、これに応じてインターナルポンプも大流量化が要求されている。しかしながら、上記流れの非一様性の影響は流量の増加とともに増大することから半径方向スラスト力も流量が大きくなるほど増大し、これによって回転軸を軸支する軸受部の寿命の低下、及びポンプの振動の増加等が考えられ、ポンプ全体の信頼性が低下する恐れがあった。
【０００８】
そこで、この点を解決するために、特開平６−２９４８８９号公報に記載のように、羽根車シュラウド壁とこれに対向してポンプ外周側に設けられるライナとで構成される半径方向隙間部に、環状溝を設けた構造が提唱されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平６−２９４８８９号公報に記載の構造は、羽根車シュラウド壁とライナとの隙間部に流入してきた洩れ流れを環状溝を用いて急減速した後に急加速することにより、このときの抵抗を用いて羽根車出口における周方向静圧分布を一様化するものである。
【００１０】
しかしながら、この従来技術は、環状溝における急減速・急加速による抵抗のため、その分、ポンプ性能の低下を招くという課題がある。また、回転側である羽根車シュラウド壁と、固定側であるライナとの間に隙間部を設ける構造であるため、この隙間部に冷却材中に含まれる異物・塵埃等が混入しやすくなり、ポンプの信頼性が低下するという課題もある。
【００１１】
本発明の目的は、ポンプの性能や信頼性を低下させることなく、羽根車に作用する半径方向スラスト力を軽減できるインターナルポンプを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために、第１の発明は、側壁面及びこの側壁面の下方に位置する底面を備えた原子炉圧力容器の前記底面を貫通するように略鉛直方向に立設されたボスと、このボス中を通すように配設された回転軸と、複数の羽根を備え前記回転軸に固定されて回転駆動される羽根車と、この羽根車の下方に設けられ複数枚の案内羽根間に第１の流路を形成するディフューザとを備え、前記羽根車で加圧した原子炉冷却材を、前記ディフューザの第１の流路に導入し、さらに該ディフューザの下方に位置し、前記原子炉圧力容器の底面及び前記ボスによって画定される第２の流路へと吐出するインターナルポンプにおいて、前記ディフューザを構成する案内羽根の圧力容器側壁面側の下流側端面を、反側壁面側における案内羽根下流側端面よりも前記羽根車側に後退して配置したことを特徴とする。
【００１３】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記ディフューザを構成する案内羽根の圧力容器側壁面側の下流側端面を、反側壁面側における案内羽根の下流側端面よりも前記羽根車側に後退して配置し、前記ディフューザを構成するシュラウドの圧力容器側壁面側の下流側端面を、前記後退配置した案内羽根の下流側端面から反側壁面側における案内羽根の下流側端面に向かって滑らかな傾斜にしたことを特徴とする。
【００１４】
更に、第３の発明は、側壁面及びこの側壁面の下方に位置する底面を備えた原子炉圧力容器の前記底面を貫通するように略鉛直方向に立設されたボスと、このボス中を通すように配設された回転軸と、複数の羽根を備え前記回転軸に固定されて回転駆動される羽根車と、この羽根車の下方に設けられ複数枚の案内羽根間に第１の流路を形成するディフューザとを備え、前記羽根車で加圧した原子炉冷却材を、前記ディフューザの第１の流路に導入し、さらに該ディフューザの下方に位置し、前記原子炉圧力容器の底面及び前記ボスによって画定される第２の流路へと吐出するインターナルポンプにおいて、前記ディフューザを構成するシュラウドの圧力容器側壁面側の下流側端に切り欠き部を設けて、その下流側端面を、反側壁面側に設けられた前記羽根車の下流側端面よりも前記羽根車側に後退して配置したことを特徴とする。
【００１５】
更に、第４の発明は、請求項１記載のインターナルポンプにおいて、前記ディフューザを構成するシュラウドの圧力容器側壁面側の下流側端面を、反側壁面側におけるシュラウドの下流側端面よりも前記羽根車側に後退して配置したことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
本発明の第１の実施形態を図１及び図２により説明する。
図１は、本実施形態によるインターナルポンプの構造を表す縦断面図である。図１において、インターナルポンプは、原子炉圧力容器４の下部の周方向複数箇所に設けられており、原子炉圧力容器４に立設されたボス５と、このボス５中を通すように配設された回転軸３と、複数枚の羽根１ａを備えた羽根車１と、この羽根車１の下方に設けられたディフューザ２とを備えている。
【００１７】
原子炉圧力容器４は、側壁面４ａ及びこの側壁面４ａの下方に位置する底面４ｂを備えており、ボス５は、底面４ｂを貫通するように略鉛直方向に立設されている。
【００１８】
羽根車１は、回転軸３に固定されており、回転軸３が圧力容器４外に位置するモータ６で駆動されることによって回転駆動される。
【００１９】
ディフューザ２は、複数枚の案内羽根２ａと、それら案内羽根２ａの半径方向外周部を取り巻くシュラウド２ｂとを備えており、圧力容器側壁面４ａ側（図１中の左側）はその側壁面４ａに接してシールされる一方、炉心側壁９側（すなわち反側壁面４ａ側であり、図１中では右側となる。以下同様）は炉心側壁９に接してシールされている。またディフューザ２は、それら複数枚の案内羽根２ａ及びシュラウド２ｂ間に複数個の第１の流路５０を形成している。また、複数枚の案内羽根２ａのうち圧力容器側壁面４ａ側に配置された少なくとも１枚の案内羽根２ａＬの下流側端部には流路拡大手段としての後退部１０が設けられており、これによって、当該案内羽根２ａＬの下流側端面２ａＬ０の位置が、他の案内羽根２ａＲの下流側端面２ａＲ０よりも鉛直上方に後退している。
【００２０】
上記構造において、ポンプ上方から矢印７のように原子炉冷却材（炉水）を流入させ、羽根車１で加圧した後にディフューザ２の第１の流路５０に導入して圧力回復させた後、さらにディフューザ２の下方に位置し圧力容器底面４ｂ及びボス５によって画定される第２の流路５１へと吐出するようになっている。
【００２１】
次に、本実施例の作用を比較例を用いて説明する。
図２は、その比較例によるインターナルポンプの構造を表す縦断面図である。図２おいて、比較例のインターナルポンプが図１に示した本実施形態のインターナルポンプと異なる点は、流路拡大手段としての後退部１０が設けられておらず、すべての案内羽根２ａの下流側端面２ａ０が同一高さとなっていることである。
【００２２】
図２において、通常のこの種のインターナルポンプと同様、圧力容器４の傾斜した底面４ｂをボス５が貫通することにより第２の流路５１のうち圧力容器側壁面４ａ側の流路５１Ｌは、ボス５の付け根部丸みのとの間の狭い空間において流路面積が小さくなる。一方、第２の流路５１のうち炉心側壁９側の流路５１Ｒは空間が広いため流路面積が大きいが、この流路５１Ｒの下流側部分では、炉心側壁９側に曲がるエルボ状流路となる。このように、ディフューザ２下流の第２の流路５１が圧力容器側壁面４ａ側と炉心側壁９側とで非対称となる。
この第２の流路５１の非対称性はポンプ下流側の流れに影響を及ぼし、その流れがポンプ回転軸３まわりに周方向に一様でなくなる。すなわち、圧力容器側壁面４ａ側ではボス５と圧力容器底面４ｂとの間の狭い第２の流路５１Ｌにおいてよどみ部１１が生じ、また炉心側壁９側では上記したエルボ状曲がり流路において遠心力が作用する。これらの影響により、圧力容器側壁面４ａ側の第２の流路５１Ｌでの静圧は炉心側壁９側の第２の流路５１Ｒの静圧に比べて高くなる。
これに対して、図１に示した本実施形態においては、第２の流路５１の上流側に位置する第１の流路５０のうち、圧力容器側壁面４ａ側の第１の流路５０Ｌにおいて案内羽根２ａＬの下流側端部に羽根後退部１０を設け、第１の流路５０Ｌ→第２の流路５１Ｌの流路面積を拡大する。これにより、上記した側壁面４ａ側と炉心側壁９側との流路面積の差が緩和されるので、流路での静圧の差も低減され、羽根車１に作用する半径方向スラスト力を低減することができる。
【００２３】
以上のように、本実施形態によれば、側壁面４ａ側と炉心側壁９側との流路面積の差を緩和するので、羽根車１に作用する半径方向スラスト力を低減することができる。そしてこのとき、ディフューザ２下端部を改良するのみで羽根車１周辺の構造は何ら変える必要はないので、羽根車シュラウド壁とライナとの隙間部に環状溝を設ける特開平６−２９４８８９号公報の構造と異なり、ポンプ性能を低下させることはなく、また隙間に塵埃・異物等の混入も生じないためポンプ信頼性を低下させることもない。
【００２４】
本発明の第２の実施形態を図３により説明する。本実施形態は、異なる流路拡大手段を設ける場合の実施形態である。図１と共通の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
図３は、本実施形態によるインターナルポンプの構造を表す縦断面図であり、第１の実施形態で流路拡大手段として圧力容器側壁面４ａ側の案内羽根２ａＬの下流側端部に後退部１０を設けたのに代わり、シュラウド２ｂのうち圧力容器側壁面側領域２ｂＬに流路拡大手段として切り欠き部１２を設け、これによってシュラウド２ｂの側壁面側領域２ｂＬの下流側端面２ｂＬ０の位置を、炉心側壁側領域２ｂＲの下流側端面２ｂＲ０よりも鉛直上方に後退させている。
【００２５】
本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様、圧力容器側壁面４ａ側の第１の流路５０Ｌ→第２の流路５１Ｌの流路面積を拡大することにより、側壁面４ａ側と炉心側壁９側との流路面積の差を緩和し、羽根車１に作用する半径方向スラスト力を低減することができる。
【００２６】
本発明の第３の実施形態を図４により説明する。本実施形態は、第１及び第２の実施形態の流路拡大手段を併せ持つ場合の実施形態である。図１及び図３と共通の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００２７】
図４において、本実施形態では、第１の実施形態の流路拡大手段と第２の実施形態の流路拡大手段を併せて備えている。すなわち、圧力容器側壁面４ａ側の案内羽根２ａＬの下流側端部に後退部１０を設けその下流側端面２ａＬ０の位置を他の案内羽根２ａＲより鉛直上方に後退させたとともに、シュラウド２ｂの圧力容器側壁面側領域２ｂＬに切り欠き部１２を設け、側壁面側領域２ｂＬの下流側端面２ｂＬ０を炉心側壁側領域２ｂＲよりも鉛直上方に後退させている。
【００２８】
本実施形態によれば、第１の実施形態の後退部１０と第２の実施形態の切り欠き部１２との相乗効果により、さらなる半径方向スラスト力低減効果を得ることができる。
【００２９】
なおこのとき、図５に示すように、シュラウド２ｂの軸方向（流れ方向）長さが最も短い圧力容器側壁面側領域２ｂＬから炉心側壁側領域２ｂＲに向かって下流側端面が徐々に滑らかに下方となるようにする（滑らかな傾斜をつける）とともに、軸方向（流れ方向）長さが最も短い圧力容器側壁面４ａ側の案内羽根２ａＬから炉心側壁９側の案内羽根２ａＲに向かって徐々に滑らかに案内羽根長が長くなるようにすることが好ましい。これにより、案内羽根２ａ及びシュラウド２ｂについて圧力容器側壁面４ａ側と炉心側壁９側とで不連続的に軸方向長さ及び下流側端面位置を変化させる場合に比べて、冷却材の流れが滑らかになって流れの乱れ・剥離等を抑制し流れ損失を低減できるという効果がある。
【００３０】
本発明の第４の実施形態を図６により説明する。図１、図３、及び図４と共通の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
図６において、本実施形態では、図４に示した第３の実施形態において、圧力容器側壁面４ａ側の案内羽根２ａＬの下流側端面２ａＬ０の位置と、シュラウド２ｂの圧力容器側壁面側領域２ｂＬの下流側端面２ｂＬ０の位置を揃えたものである。
本実施形態によっても、第３の実施形態と同様の効果を得る。
【００３１】
このとき、図７に示すように、さらなる流路拡大手段として、ボス５が圧力容器４内周面と連続するように接続している接続部１３のうち圧力容器側壁面４ａ側部分に凹部６０を形成してもよい。この凹部６０による流路拡大作用により、さらに半径方向スラスト力低減効果を得ることができる。
なお、この凹部６０は、図７のように他の流路拡大手段と組み合わせて用いるだけでなく、単独で用いてもよい。すなわち、圧力容器側壁面４ａ側の案内羽根２ａＬや、シュラウド２ｂの圧力容器側壁面側領域２ｂＬについて特に流路拡大手段を設けず、この凹部６０のみを設けてもよい。この場合も、第１の実施形態同様、凹部６０の流路面積拡大作用によって、側壁面４ａ側と炉心側壁９側との流路面積の差を緩和し、羽根車１に作用する半径方向スラスト力を低減できる効果をもつ。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、ポンプの性能や信頼性を低下させることなく、羽根車に作用する半径方向スラスト力を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるインターナルポンプの構造を表す縦断面図である。
【図２】比較例によるインターナルポンプの構造を表す縦断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態によるインターナルポンプの構造を表す縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態によるインターナルポンプの構造を表す縦断面図である。
【図５】第３の実施形態の変形例を表す図である。
【図６】本発明の第４の実施形態によるインターナルポンプの構造を表す縦断面図である。
【図７】第４の実施形態の変形例を表す図である。
【符号の説明】
１              羽根車
２              ディフューザ
２ａ            案内羽根
２ａＬ            側壁面側の案内羽根
２ａＬ０          下流側端面
２ａＲ            炉心側壁側の案内羽根
２ａＲ０          下流側端面
２ｂ            シュラウド
２ｂＬ            側壁面側領域
２ｂＬ０          下流側端面
２ｂＲ            炉心側壁側領域
２ｂＲ０          下流側端面
３              回転軸
４              原子炉圧力容器
４ａ            側壁面
４ｂ            底面
５              ボス
１０            後退部（羽根後退部、流路拡大手段）
１２            切り欠き部（シュラウド切り欠き部、流路拡大手段）
１３            接続部
５０                        第１の流路
５０Ｌ          側壁面側の流路
５０Ｒ                    炉心側壁側の流路
５１                        第２の流路
５１Ｌ          側壁面側の流路
５１Ｒ                    炉心側壁側の流路
６０            凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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