(57)【要約】【課題】  本発明では、ジェットポンプの駆動水のノズル形状を変更することにより、ジェットポンプの性能を向上する。【解決手段】  沸騰水型原子炉の再循環水１０を駆動水としてジェットポンプの複数のノズル９に供給し、ノズル９の駆動水の流路２２内を通過しているうちに、その流路の内壁面に設けたらせん状の突起２５に案内されて駆動水が旋回し、ノズル９から旋回して流出した駆動水２３がノズル９の外周囲に存在する冷却水８を被駆動水として同伴して混合器のベルマウス２４内に入る構成を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノズルと、前記複数のノズルの吐出口に対向して入口が面している混合器と、を備えたジェットポンプにおいて、
前記ノズルに、前記ノズルを通って前記混合器へ流れる流体に旋回を与える旋回流発生構造を設けてあることを特徴としたジェットポンプ。
【請求項２】
請求項１において、
前記旋回流発生構造が、前記ノズルの内壁にらせん状に設けた突起であることを特徴とするジェットポンプ。
【請求項３】
請求項１において、
前記旋回流発生構造が、前記ノズルの内壁にらせん状に設けた窪みであることを特徴とするジェットポンプ。
【請求項４】
請求項１において、
前記旋回流発生構造が、前記ノズルの内部に固定した旋回羽根であることを特徴とするジェットポンプ。
【請求項５】
請求項１において、
前記旋回流発生構造が、前記ノズル内の流路に前記流体がらせん状に流れるように、前記流路の横方向から前記流路に偏芯させ接続した前記ノズルの入口側の流路構造であることを特徴とするジェットポンプ。
【請求項６】
請求項１において、
前記旋回流発生構造が、前記ノズルの内壁に設けられ、前記ノズル内の前記流体の流れに対して迎角が異なる二つの面を有する三角翼であることを特徴とするジェットポンプ。
【請求項７】
請求項１において、
前記旋回流発生構造が、前記ノズルの吐出口の外周囲に設けられて、その外周囲沿いに流れる流体に旋回流を発生させる旋回羽根であることを特徴とするジェットポンプ。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか一項において、記号ｒを前記ノズルの半径、記号Ｈを前記ノズルの先端から前記混合器入口の最小流路面積位置までの距離とした際、前記旋回の旋回角度が、４５ｒ／Ｈ＜θ＜１３５ｒ／Ｈの式を満足し、かつ２０度以下であることを特徴とするジェットポンプ。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか一項において、
隣り合う前記ノズルからの前記流体の旋回方向が逆向きであることを特徴とするジェットポンプ。
【請求項１０】
請求項９において、
前記ノズルの数が偶数本であることを特徴とするジェットポンプ。
【請求項１１】
複数のノズルと、前記複数のノズルの吐出口に対向して入口が面している混合器と、を備えたジェットポンプにおいて、
前記複数のノズルの吐出口が、前記複数のノズルの並び方向に、前記ノズル出口の幅を短くした扁平な構造を有することを特徴とするジェットポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は沸騰水型原子炉の原子炉再循環系に用いるジェットポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉再循環系の系統内にジェットポンプを用いた従来の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、再循環ポンプで原子炉圧力容器内の冷却水を再循環水として吸い込んで昇圧し、昇圧した再循環水を原子炉圧力容器内のジェットポンプに駆動水として供給している。そのジェットポンプでは、ノズルと混合器とを備えている。その駆動水がノズルに受け入れて、そのノズルで駆動水の速度を増加させて混合器へ吐出すると、その駆動水に誘引されてノズルの外周囲の冷却水が被駆動水として混合器内に駆動水と共に流入して流量を増加させて原子炉圧力容器内の原子炉炉心へ冷却水として循環させている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】米国特許公報第３６２５８２０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ジェットポンプの性能は、以下に示すようなＭ比，Ｎ比，効率によって表される。Ｍ比は、駆動水（再循環水）の流量Ｑａに対する、被駆動水（冷却水）の流量Ｑｂの比である。
【０００５】
Ｍ比＝Ｑｂ／Ｑａ                                                    …（１）
Ｎ比は、駆動水に対する被駆動水の全水頭比であり、次式で表される。
【０００６】
Ｎ比＝（Ｈｃ−Ｈｂ）／（Ｈａ−Ｈｃ）                                …（２）
ここで、Ｈａはノズルの駆動水入口における全水頭、Ｈｂはジェットポンプの被駆動水入口における全水頭、Ｈｃはジェットポンプ出口における全水頭である。効率は、駆動水に対する被駆動水のエネルギーの比であり、Ｍ比とＮ比の積で表される。
【０００７】
効率＝Ｍ比×Ｎ比
ジェットポンプとしては、高Ｍ比，高Ｎ比，高効率であることが望ましい。容量の小さい再循環ポンプを用いて、効率良くジェットポンプ出口の流量を増加することができれば、再循環系の設備費や設置スペースを削減できる。これにより、新設プラントの合理化や、既設プラントの改造費削減などが可能となる。
【０００８】
例えば、既設の原子炉の増出力時には、炉心流量を増加して炉心の冷却能力を高めることにより、出力の増大幅を拡大できる。また、運転中の炉心流量制御幅を拡大することにより、炉心内のボイド率変化を増大させて中性子の減速を調節し、燃料経済性を高めることができる。このような炉心流量の増加を可能とする手段としては、再循環ポンプや、給水ポンプ，ジェットポンプの改良が考えられるが、既設炉の改造には、再循環ポンプや給水ポンプなどの大型機器の改造，交換に比べ、ジェットポンプの改良が有効である。ジェットポンプの性能は、駆動水と被駆動水の混合部の形状に大きく依存するため、駆動水のノズルのみを交換することにより、性能を向上できる可能性がある。
【０００９】
通常、ジェットポンプでは、Ｍ比を上げると効率が低下する。したがって、高Ｍ比で、高Ｎ比，高効率を達成するためには、新たな機能の追加が必要である。本発明では、高Ｍ比，高Ｎ比，高効率のジェットポンプを達成するための新たな手段を提供する。特に、駆動水のノズル形状のみを変更することにより、ジェットポンプのノズル以外の部分や、再循環ポンプ，給水ポンプなどの機器の改造，交換を不要とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の課題を解決するための手段は、複数のノズルと、前記複数のノズルの吐出口に対向して入口が面している混合器と、を備えたジェットポンプにおいて、前記ノズルに、前記ノズルを通って前記混合器へ流れる流体に旋回を与える旋回流発生構造を設けてあることを特徴としたジェットポンプであり、ノズルで駆動流体に水平旋回力を付与して混合器へ流入していく各駆動流体の各流れの各水平断面領域間の間隔を拡大して被駆動流体の混合器内への流入をスムーズにする。
【００１１】
あるいは、複数のノズルと、前記複数のノズルの吐出口に対向して入口が面している混合器と、を備えたジェットポンプにおいて、前記複数のノズルの吐出口が、前記複数のノズルの並び方向に、前記ノズル出口の幅を短くした扁平な構造を有することを特徴とするジェットポンプであり、各ノズルから混合器へ吐出する各駆動流体の流れの水平断面形状を各ノズルの吐出口の形状で扁平にし、各駆動流体の流れの各水平断面領域間の間隔を拡大して被駆動流体の混合器内への流入をスムーズにする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、駆動流体による被駆動流体の流路面積縮小を抑制して、被駆動流体の圧力損失を低減でき、ジェットポンプの性能を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
沸騰水型原子炉の概念図を図１４に示す。主給水配管３から原子炉圧力容器１に送り込まれた主給水４は、原子炉圧力容器１上部の冷却水５と混合して、炉心２の外周のシュラウド６と原子炉圧力容器１の間のダウンカマ７を流下する。ダウンカマ７を流下した冷却水８は、ダウンカマ７の内部に設けられたノズル９からの再循環水１０と、混合器１１内部で混合して冷却水１２となり、炉心２に送り込まれる。冷却水１２は炉心２を通過して水・蒸気の二相状態となり、気水分離器１３で蒸気と水に分離される。
【００１４】
この蒸気は、さらに蒸気乾燥器１４で湿分を除去され、主蒸気配管１５から主蒸気１６として流出し、下流の蒸気タービンに送られる。気水分離器１３および蒸気乾燥器１４で分離された水は落下して、シュラウド６の外側で給水４と混合する。再循環系は、吸込配管１７，再循環ポンプ１８，吐出配管１９を主な構成要素とする。ダウンカマ７を流下した冷却水８の一部が再循環水として吸込配管１７を通って再循環系に取り込まれ、再循環ポンプ１８で昇圧されて吐出配管１９からノズル９に供給される。
【００１５】
再循環水１０は、炉心２に送り込まれる冷却水１２の流量を増加するために用いられる。再循環水１０の運動量が冷却水８に有効に与えられると、冷却水８が駆動されて流量が増加する。そのため、駆動水である再循環水１０の運動量が増加するようにノズル９の出口流速を増加するとともに、混合器１１入口で流路面積を絞ることにより冷却水８の速度を増加して静圧を低下させる。
【００１６】
これにより、冷却水８を混合器１１に吸い込むことができる。ノズル９と混合器１１を主要な構成要素とするジェットポンプ２０は、再循環ポンプ１８の動力を再循環水１０から冷却水８に効果的に伝え、再循環水１０の流量よりもジェットポンプ出口の冷却水１２の流量を増加させることができる機器である。これにより、必要な炉心流量を確保することができる。
【００１７】
そのジェットポンプ２０のノズル９には、ノズル９を通って混合器１１へ流れる冷却水に旋回を与える旋回流発生構造を設けるか、あるいは、複数のノズル９の吐出口が、複数のノズル９の並び方向に、ノズル９出口の幅を短くした扁平な構造を有する構成とし、各ノズル９から混合器１１へ冷却水の流れの各水平断面領域間の間隔を拡大してノズル９の外周囲の冷却水の混合器内への流入をスムーズにしている。
【００１８】
その旋回流発生構造や、ノズル９出口の扁平構成は、以下に示す各実施例のごとくである。以下の各実施例では、上述の内容は共通である。
【実施例１】
【００１９】
図１は本発明によるジェットポンプの一実施例を示している。駆動水１０は、ノズル９とノズル９の支持部２１に設けられた流路２２の内部を通って、ノズル９の先端より流出する。ノズル９の先端より流出した駆動水２３は、被駆動水８とともに混合器１１の内部に流入する。混合器１１の入口には、従来例と同様、流れが円滑に流入できるようにベルマウス２４が設けられている。本実施例では、流路２２の内部に、らせん状の突起２５が設けられており、駆動水１０に旋回成分を与えることにより、旋回を有する駆動水２３をノズル９から流出させている。
【００２０】
図２は、流路２２の拡大図である。流路２２の壁面には、らせん状の突起２５が内側に向いて突き出して設けられており、外周部の駆動水１０はらせん状の突起２５の表面に沿ってらせん状に流れる。同じ周方向流速を与えられた場合でも、外周部の流体は最も大きな角運動量を持つために、外周部に旋回成分を与えることにより、効果的に駆動水１０を旋回させることができる。
【００２１】
図３は、混合器１１内部の圧力分布を示したものである。ノズル９の先端より流出した駆動水２３は、周囲の冷却水８とともに混合器１１の内部に流入する。混合器１１の入口にはベルマウス２４が設けられており、混合器１１の流路面積を除々に狭くして流れを加速する構造となっている。そのため、ベルマウス２４と混合器１１の連結部で流れが最も絞られて静圧が低くなり、流速分布の均一化とともに下流で静圧が徐々に回復する。従って、ベルマウス２４と混合器１１の連結部（図３のＡＡ断面）での流れの形態が、Ｍ比や効率などのジェットポンプの特性に大きく影響する。
【００２２】
図４は、旋回のない従来のノズル９近傍の流れの様子を数値解析で求めた結果を模式的に表した図である。ここで、図にはベルマウス２４と混合器１１の連結部（図３のＡＡ断面）でのノズル９の１本分が占める角度θの流路セクタのみを示しており、角度θ方向には、周期的に同様な複数のノズル９が設けられている。ノズル９から流出した駆動水２３により、被駆動水８を流路セクタの中央２６方向に巻き込む流れが生ずる。このとき、駆動水２３は被駆動水８の障害物にもなるため、駆動水２３を迂回するように被駆動水８の循環流が生ずる。この循環流によって中央２６から外側に向かう流れが生じ、駆動水２３の断面形状を変形させる。その結果、駆動水２３の断面形状は流路セクタの周方向に広がり、被駆動水８の通過する流路面積が狭くなる。このため、被駆動水８の圧力損失が増加して効率が低下する。
【００２３】
図５は、本実施例を適用した場合の数値解析結果の模式図である。この場合には、ノズル９から流出した駆動水２３には旋回９ａが加えられているため、従来例に比べて、駆動水２３の断面形状が旋回方向に回転した形状となる。これにより、駆動水２３の部分で被駆動水８の流路面積が拡大する。そのため、被駆動水８の圧力損失が減少して、効率が向上する。
【００２４】
図６は、数値解析で得られた効率の比較図である。このＭ比の領域では、旋回を与えない場合には、Ｍ比の増加とともに効率が低下する。これに対して、旋回を与えた場合には、Ｍ比の高い側に効率の極大点が移動するとともに、効率が大きく向上する。旋回角度をさらに大きくすると、駆動水２３の広がりが大きくなるとともに、ノズル側の圧力損失が増大して、効率は低下する。また、旋回角度を小さくすると、旋回による効果は得られない。
【００２５】
したがって、効率を向上するためには、適切な旋回角度があり、旋回角度を選ぶことにより、効率向上をはかることができる。旋回角度θ（度）は、下記の関係を満足するように選ぶ。
【００２６】
４５ｒ／Ｈ＜θ＜１３５ｒ／Ｈ                                        …（１）
ここで、ｒはノズル９の出口（吐出口）半径、Ｈはノズル９出口（吐出口）先端から混合器１１入口の最小流路面積位置（図３のＡＡ断面位置）までの距離である。駆動水２３が、ノズル９の出口先端から混合器１１入口の最小流路面積位置まで到達する時間は、駆動水２３出口の軸方向流速をＵとすると、Ｈ／Ｕになる。一方、単位時間あたりに旋回する角度は、駆動水２３出口の旋回流速をＷとすると、Ｗ／ｒとなる。したがって、駆動水２３が、ノズル９出口先端から混合器１１入口の最小流路面積位置に到達するまでに旋回する角度γ(rad) は、Ｈ／Ｕ×Ｗ／ｒになる。ノズル９出口での旋回角度θ(rad) は近似的にＷ／Ｕと書けるから、γ(rad) は、Ｈ／ｒ×θ(rad) になる。したがって、θ（度）は、ｒ／Ｈ×γ（度）となる。γを約９０度とすることにより、流路セクタの周方向に広がった駆動水２３の断面形状を、流路セクタの径方向に向きを変えて被駆動水８の通過する流路面積が狭くなることを防ぐことができる。γは丁度９０度である必要はなく、駆動水２３の断面形状が流路セクタの周方向から径方向に向くよう±４５度の範囲内で最適値を求めればよい。これらの関係を式に表したものが（１）式である。旋回角度θを大きくすると、駆動水２３の広がりが大きくなるため、駆動水２３の逆流が生じないように旋回角度θを２０度以下の弱い旋回に抑えることが望ましい。
【００２７】
図７に示すように、らせん状の突起２５の角部に丸みをつけることにより、ノズル側の圧力損失をさらに低減することができる。丸みを設けることにより、突起２５の角部での流れの剥離が抑制されて圧力損失を低下させることができる。一方、丸みを設けることにより、旋回力が弱められるため、らせん角度αを与えるべき旋回角度よりも大きくすることにより、旋回力の低下を補償することができる。
【実施例２】
【００２８】
図８に、本発明の別の実施例を示す。本実施例では、流路２２の壁面には、実施例１のらせん状の突起２５に代えてらせん状の窪み２７が設けられており、外周部の駆動水１０は窪み２７に沿ってらせん状に流れる。本実施例によっても、最も大きな角運動量を持つ外周部に旋回成分を与えることにより、効果的に駆動水１０を旋回させることができる。その他の内容は実施例１と同様である。
【実施例３】
【００２９】
図９に、本発明の別の実施例を示す。本実施例では、実施例１のらせん状の突起２５に代えて流路２２の上流に旋回羽根２８が設けられており、駆動水１０に旋回を加えることができる。旋回羽根２８はプロペラ状の静止構造物で、ノズル９の中心軸上に支柱、外周に円筒構造物があり、この支柱と外周円筒構造物の間のアニュラス空間内に、支柱と外周円筒構造物で両端を支持された傾きを持った複数の羽根面が取り付けられている。
【００３０】
この羽根面に沿って流れが生ずることにより、駆動水１０に旋回を加えることができる。駆動水１０の圧損増加を抑制するため、駆動水１０の流速が低くなる流路拡大部に旋回羽根を設置する。本実施例によっても、効果的に駆動水１０を旋回させることができる。その他の内容は実施例１と同様である。
【実施例４】
【００３１】
図１０に、本発明の別の実施例を示す。本実施例では、ノズル９の支持部２１の中央に駆動水１０の流入口３０を設け、流入口３０と流路２２を流路３１で連結する。流路３１は、流路２２の中心軸をはずして取り付けられており、これにより、流路２２の内部で駆動水１０に旋回を与えることができる。旋回角度は、流路３１と流路２２のなす角βを調節することにより設定することができる。
【００３２】
図１０は、偶数の６体ノズルの場合であり、相隣り合うノズル９の旋回方向が逆になるように流路３１が設けられている。このため、ノズル９から出た流れは、旋回を打ち消しあうことなく流れることができ、損失が少なくなる。この場合、ノズル９の数は、６本に限らず、４本，８本など偶数本であれば、損失を少なくできる。本実施例によっても、効果的に駆動水１０を旋回させることができる。
【実施例５】
【００３３】
図１１に、本発明の別の実施例を示す。本実施例では、駆動水１０の流路２２の壁面に、実施例１のらせん状の突起２５に代えて三角翼３２を設けている。三角翼３２は、駆動水１０の流れに対して迎角が異なる二つの面３３と３４を有しており、面３３と面３４の表面に静圧差が生じる。この静圧差によって、三角翼３２の下流に旋回９ｂが生じ、駆動水１０を旋回させることができる。
【００３４】
本実施例によっても、効果的に駆動水１０を旋回させることができる。特に、本実施例では、三角翼３２の設置による流路２２の流路面積の変化を小さくできることから、駆動水１０の圧力損失を低く抑えることができる。その他の内容は実施例１と同様である。
【実施例６】
【００３５】
図１２に、本発明の別の実施例を示す。本実施例では、実施例１のらせん状の突起２５に代えてノズル９の外周に旋回羽根３５を設けることにより、被駆動水８に旋回を加えている。被駆動水８の旋回により、ノズル９から流出した駆動水２３を旋回させることができる。
【００３６】
本実施例によっても、効果的に駆動水２３を旋回させることができる。特に、本実施例では、旋回のない従来例に比べて駆動水１０の圧力損失増加を生じない。一方、被駆動水８側の圧力損失が増えるが、ノズル９近傍のみの圧力損失増加であり、被駆動水８全体の圧力損失増加は少ない。そのため、旋回を加えることによる効率低下を抑制することが可能である。その他の内容は実施例１と同様である。
【実施例７】
【００３７】
図１３に、本発明の別の実施例を示す。本実施例では、ノズル９の出口を扁平構造としている。特に、複数のノズル９の並び方向に、ノズル９の出口の幅を短くしている。即ち、図１３のＢＢ方向のノズル出口は狭く、図１３のＣＣ方向のノズル出口は広い。このノズル９から出た流れの断面形状はＢＢ方向に狭いため、扁平でない構造に比較して、中央２６方向に向かう被駆動水８の障害になりにくく、被駆動水８の圧力損失が低減する。
【００３８】
このため、実施例１から７のように、駆動水１０に旋回をかけた場合と同様の効果があり、被駆動水８側の圧力損失が低下して効率を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、沸騰水型原子炉に採用されるジェットポンプに適用される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例１のジェットポンプの要部縦断面図である。
【図２】図１のノズルにおける駆動水の流路部分の縦断面図である。
【図３】本発明の実施例１のジェットポンプ内の圧力分布を示す図である。
【図４】旋回のない駆動水と被駆動水との関係を示した平面図である。
【図５】本発明の実施例１による駆動水と被駆動水との関係を示した平面図である。
【図６】本発明の実施例１によるジェットポンプの性能を表すグラフ図である。
【図７】本発明の実施例１の変形例による駆動水の流路部分の縦断面図である。
【図８】本発明の実施例２のノズルの駆動水の流路部分の縦断面図である。
【図９】本発明の実施例３のノズルの縦断面図である。
【図１０】本発明の実施例４のノズルの構成図にして、（ａ）図は駆動水の流路と入口流路との偏芯状態を示した各流路の平面配置図であり、（ｂ）図はノズルの縦断面図である。
【図１１】本発明の実施例５のノズルの構成図にして、（ａ）図は駆動水の流路の縦断面図であり、（ｂ）図は駆動水の流路の平断面図である。
【図１２】本発明の実施例６のノズルの縦断面図である。
【図１３】本発明の実施例７のノズルの構成図であり、（ａ）図はノズルの吐出口の一方向の縦断面図であり、（ｂ）図はノズルの吐出口の他方向の縦断面図であり、  （ｃ）図はノズルの駆動水の流路と吐出口との関係を示した平断面図である。
【図１４】沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の概念図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…原子炉圧力容器、２…炉心、３…主給水配管、４…主給水、５…原子炉圧力容器上部の冷却水、６…シュラウド、７…ダウンカマ、８…ダウンカマを流下する冷却水（被駆動水）、９…ノズル、９ａ，９ｂ…旋回、１０…再循環水（駆動水）、１１…混合器、
１２…混合器から炉心に向かう冷却水、１３…気水分離器、１４…蒸気乾燥器、１５…主蒸気配管、１６…主蒸気、１７…吸込み配管、１８…再循環ポンプ、１９…吐出配管、
２０…ジェットポンプ、２１…ノズル支持部、２２…駆動水の流路、２３…ノズルから流出した駆動水、２４…ベルマウス、２５…らせん状の突起、２６…複数ノズルの中央、
２７…らせん状の窪み、２８，３５…旋回羽根、３０…駆動水の流入口、３１…流路、
３２…三角翼、３３，３４…三角翼の面。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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