(57)【要約】      （修正有）【課題】インターナルポンプ回転数の昇速過程において生じる振動特性が不安定になる領域を解消し、信頼性向上に寄与できるインターナルポンプを提供する。【解決手段】ポンプシャフト４に固定されたインペラ５と、ポンプシャフト４を回転駆動するウェットモータ２の上部、下部にそれぞれ設けられ前記インペラ５を径方向に支持する、上部ラジアル軸受２０および下部ラジアル軸受２１と、ウェットモータ２の下方でポンプシャフト４に固定されたスラストディスク１０ａを軸方向に支持するスラスト軸受２２、２３を備えたインターナルポンプにおいて、スラストディスク１０ａの内周側を厚く、外周側を薄く略円錐部を設け傾斜スラストディスク１０ａとし、スラストディスク１０ａに対向するスラスト軸受２２、２３を設け、スラストディスク１０ａと軸受の隙間で生じた流体圧力により前記ポンプシャフト４を非接触支持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器内でポンプシャフトに固定されたインペラと、前記原子炉圧力容器外に設けられ前記ポンプシャフトを回転駆動するウェットモータと、該ウェットモータの上部および下部にそれぞれ設けられ前記インペラを径方向に支持する上部ラジアル軸受および下部ラジアル軸受と、前記ウェットモータの下部で前記ポンプシャフトに固定されたスラストディスクを軸方向に支持するスラスト軸受を備えたインターナルポンプにおいて、
前記スラストディスクを、内周側を厚く外周側を薄く略円錐部を設けて傾斜して形成し、該スラストディスクに対向してスラスト軸受を設け、前記スラストディスクと前記スラスト軸受の隙間で生じた流体圧力により前記ポンプシャフトを非接触支持する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に記載のインターナルポンプにおいて、前記スラストディスクの上側または下側のいずれか一方に前記スラストディスクの前記略円錐部及び前記略円錐部に対向する前記スラスト軸受を設けたことを特徴とするインターナルポンプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のインターナルポンプにおいて、前記スラストディスクの上側及び下側に前記略円錐部を設けたスラストディスク及び前記略円錐部に対向する前記スラスト軸受を設けたことを特徴とするインターナルポンプ。
【請求項４】
原子炉圧力容器内でポンプシャフトに固定されたインペラと、前記原子炉圧力容器外に設けられ前記ポンプシャフトを回転駆動するウェットモータの上部に設けられ前記インペラを径方向に支持する上部ラジアル軸受と、前記ウェットモータの下部に設けられ前記ポンプシャフトに固定された前記スラストディスクを軸方向に支持するスラスト軸受を備えたインターナルポンプにおいて、
前記スラストディスクを、内周側を厚く外周側を薄く略円錐部を設け傾斜して形成し、該スラストディスクに対向してスラスト軸受を設け、前記スラストディスクと前記スラスト軸受の隙間で生じた流体圧力により前記ポンプシャフトを非接触支持することを特徴とするインターナルポンプ。
【請求項５】
請求項４に記載のインターナルポンプにおいて、前記スラストディスクの上側または下側のいずれか一方に前記スラストディスクの略円錐部及び前記略円錐部に対向した前記スラスト軸受を設けたことを特徴とするインターナルポンプ。
【請求項６】
請求項４または５に記載のインターナルポンプにおいて、前記スラストディスクの上側及び下側に前記略円錐部を設けた前記スラストディスク及び前記略円錐部に対向する前記スラスト軸受を設け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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉圧力容器の底部に取り付けられ、原子炉冷却材を循環させるウェットモータ型のインターナルポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、原子炉内の炉心に軽水を原子炉冷却材とし、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、発電機を駆動している。原子炉の出力制御は外部のポンプにより流量を調整し、原子炉冷却材流量を変えて行っている。これに対し、改良型沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）では、冷却材を循環させる外部ポンプによる再循環方式から、原子炉圧力容器底部に直接再循環ポンプとして取り付けたインターナルポンプが採用されている。
【０００３】
インターナルポンプは、従来、図９に示すようにポンプ最上部の水力部１において、回転駆動されるインペラ５と、その下方に位置するディフューザ６とを備えている。インペラ５は、原子炉圧力容器１１の底面を貫通するように鉛直方向に立設されたポンプシャフト４に固定されており、ポンプシャフト４が原子炉圧力容器１１外に設けられたウェットモータ２で駆動されることによって回転する。ウェットモータ２の上方及び下方にはそれぞれ、上部ラジアル軸受２０、下部ラジアル軸受２１が設けられ、これらによってポンプシャフト４は回転自在に支持されている。
【０００４】
ポンプシャフト４の下端には上部スラスト軸受２２及び下部スラスト軸受２３によって上下方向から回転自在に支持された補助インペラ１４を備えたスラストディスク１０が配置されている。ポンプ停止時には下部スラスト軸受２３によってインペラ５やポンプシャフト４の自重を支持しており、インターナルポンプが起動すると主にインペラ５により発生する上向きの流体スラスト力のため上部スラスト軸受２２で回転自在に支持する。
【０００５】
上記構成において、原子炉冷却材は、上方からインペラ５内に流入して加圧された後にディフューザ６へ導入され、圧力を回復した後にディフューザ６下方へと流出する。このとき、ウェットモータ２内を冷却するモータ冷却水は、スラストディスク１０の回転により補助インペラ１４から吐出された後、ウェットモータ２のモータケーシング３０の内部を上昇してモータロータ８及びモータステータ９を冷却し、さらに配管１６を介してウェットモータ２外に配置された熱交換器１７に導かれて冷却される。冷却された冷却水は、配管１８を介して再び補助インペラ１４へ導入される。１３は逆転防止装置、１５はモータ上部室である。
【０００６】
インターナルポンプは、原子力発電所の運転を左右する最も重要な設備の一つであるため、高い信頼性が要求される。そこで、従来技術において、特許文献１では、ポンプシャフトを支持するラジアル軸受やスラスト軸受に耐熱性の高い樹脂材料を使用することで、インターナルポンプが想定される特殊運転状態になったとしても軸受が溶融しない構成が提案されている。また、特許文献２では軸受をポンプシャフトに追従しやすいティルティングパッド型のラジアル軸受とすることが提案されている。さらに、特許文献３ではインターナルポンプとは異なるが、軸方向に傾斜した軸受を備えた軸受装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３３８２８７号公報
【特許文献２】特開平３−１５７５１２号公報
【特許文献３】特開２００７−２９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術によるインターナルポンプでは、フライホイールによる慣性力の増加や、それに対応した軸受の耐熱性向上が提案されている。一般にインターナルポンプのようにポンプシャフトが縦型の場合には、回転中に主にインペラに発生する上向きの流体スラスト力と、インターナルポンプの自重による下向きのスラスト力とが同時に作用している。インペラの流体スラスト力は回転数の増加と共に大きくなるため、ポンプ停止状態から昇速過程において、前述の上下方向スラスト力がつり合う回転数領域が存在する。
【０００９】
この上下方向のスラスト力が釣り合う領域では、特にインターナルポンプの振動特性が不安定となりやすい。そのため、インターナルポンプの設計では通常インターナルポンプの定格回転数において上向きのスラスト力が作用した状態とすることでインターナルポンプ振動特性の安定化を図っている。しかしながら、ポンプ回転数の昇速過程においては僅かながら振動特性が不安定になりうる領域が存在する。
【００１０】
本発明の目的は、昇速過程においてインターナルポンプ振動特性が不安定になりうる問題を解決し、信頼性の高いインターナルポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、原子炉圧力容器内でポンプシャフトに固定されたインペラと、原子炉圧力容器外に設けられポンプシャフトを回転駆動するウェットモータの上部、下部にそれぞれ設けられインペラを径方向に支持する上部、下部ラジアル軸受と、ウェットモータの下方でポンプシャフトに固定されたスラストディスクを軸方向に支持するスラスト軸受を備えたインターナルポンプにおいて、内周側を厚く外周側を薄く形成された略円錐状に傾斜したスラストディスクと、スラストディスクに対向するように設けられたスラスト軸受とを有し、スラストディスクと軸受の隙間で生じた流体圧力によりポンプシャフトを非接触支持することを特徴とする。スラスト軸受としては公知のティルティングパッド、テーパードランド、段付き、ポケット付きスラスト軸受等が一例として挙げられる。
【００１２】
また、インターナルポンプにおいて、スラストディスクの上側または下側の一方に略円錐形状のスラストディスク及びスラスト軸受を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、インターナルポンプにおいて、スラストディスクの上側及び下側に略円錐形状のスラストディスク及びスラスト軸受を設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、原子炉圧力容器内でポンプシャフトに固定されたインペラと、原子炉圧力容器外に設けられポンプシャフトを回転駆動するウェットモータの上部、下部にそれぞれ設けられインペラを径方向に支持する上部ラジアル軸受と、ウェットモータの下方でポンプシャフトに固定されたスラストディスクを軸方向に支持するスラスト軸受を備えたインターナルポンプにおいて、内周側を厚く外周側を薄く形成した略円錐状に傾斜したスラストディスクと、スラストディスクに対向するように設けられたスラスト軸受とを有し、スラストディスクと軸受の隙間で生じた流体圧力によりポンプシャフトを非接触支持することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、インターナルポンプのポンプシャフトを略円錐状に傾斜させたスラストディスクとスラスト軸受によって支持するため、ポンプシャフトに作用する上向きと下向きのスラスト力が釣り合う領域においてもスラスト軸受で支持することができるので、インターナルポンプの振動特性の安定性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１に係るインターナルポンプの縦断面図である。
【図２】インターナルポンプに生じるスラスト力の定性的挙動を表す説明図である。
【図３】比較例に関する上部スラストディスクに作用する力の概念図である。
【図４】比較例に関する上部スラストディスクに作用する力の概念図である。
【図５】本発明の実施例に関する上部スラストディスクに作用する力の概念図である。
【図６】本発明の実施例２に係るインターナルポンプを示す縦断面図である。
【図７】本発明の実施例３に係るインターナルポンプを示す縦断面図である。
【図８】本発明の実施例４に係るインターナルポンプを示す縦断面図である。
【図９】従来例のインターナルポンプを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、実施例を図面を用いて説明する。なお本発明はこれに限定されるものではない。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本実施例によるインターナルポンプの全体構造を表す縦断面図である。実施例１のインターナルポンプは、水力部１とウェットモータ２とウェットモータ２を内包するモータケーシング３とからなり、原子炉圧力容器１１の外壁底部に複数台配置される。
【００１９】
水力部１はポンプシャフト４に取付けられ、原子炉圧力容器１１の内部に設置されたインペラ５と、ディフューザ６とにより構成されている。
【００２０】
ウェットモータ２は、ポンプシャフト４に嵌め込まれたモータシャフト７に取付けられたモータロータ８とモータハウジング３０に取付けられたモータステータ９とから構成されている。
【００２１】
モータシャフト７の下端にはスラストディスク１０がボルト１２により連結され、さらにスラストディスク１０の下部に逆転防止装置１３が設けられている、なおこのスラストディスク１０には補助インペラ１４が一体に形成されている。
【００２２】
インペラ５、ポンプシャフト４、モータシャフト７、モータロータ８、スラストディスク１０ａ、及び補助インペラ１４により構成されるインターナルポンプ回転体は、ウェットモータ２上部の上部ラジアル軸受２０と下部の下部ラジアル軸受２１、上部スラスト軸受２２、及び下部スラスト軸受２３により支持されている。このとき、上部スラスト軸受２２及び下部スラスト軸受２３はスラストディスク１０ａを軸方向に支持している。上部スラスト軸受２２及び下部スラスト軸受２３には軸方向に隙間が設けられており、インターナルポンプ回転体はこの隙間分だけ軸方向に上下動可能となっている。２４はスラストディスク１０ａ上部に設けた略円錐部である。
【００２３】
インターナルポンプ運転時に、モータ冷却水はスラストディスク１０ａが回転することにより補助インペラ１４から吐出され、各軸受を冷却及び潤滑しつつ通過し、モータケーシング３の内部を通過してウェットモータ２を冷却する。モータ冷却水はウェットモータ２を冷却した後、モータ上部室１５へと到達する。その後、モータ上部室１５より配管１６を通り、熱交換機１７により冷却され、配管１８を介して再び補助インペラ１４に導入される。
【００２４】
図２はインターナルポンプに生じるスラスト力の定性的挙動を表すものである。縦軸に発生するスラスト力を示す。上下方向のスラスト力が釣り合う時を基準値の０とし、上向きのスラスト力を（＋），下向きのスラスト力を（−）として示す。横軸にインターナルポンプ回転数Ｎを示している。一般にインターナルポンプには、回転中、主にインペラ５により発生する上向きのスラスト力と、インターナルポンプ回転体の自重による下向きスラスト力とが同時に作用している。インペラ５の流体スラスト力は回転数Ｎの増加と共に大きくなるため、図２に示すようにポンプ停止状態から、定格回転数Ｎｏに至る昇速過程において、前述の上下方向のスラスト力が釣り合う回転数Ｎｅが存在する。この回転数Ｎｅでは特にインターナルポンプの振動特性が不安定になりやすいため、インターナルポンプの設計では、通常、回転数Ｎｅはそのインターナルポンプの定格回転数Ｎｏから離れるようにする。ここでは、インターナルポンプの定格回転数よりも小さい回転数で上下スラスト力が釣り合うように設計されている。
【００２５】
実施例１では上部スラスト軸受２２に対向するスラストディスク１０ａの厚さを、内径側を厚く外径側を薄くするように傾斜を設け、スラストディスク１０ａの上部のみに略円錐部２４を設けて略円錐台状とした。
【００２６】
上部スラスト軸受２２は、上記スラストディスク１０ａの略円錐部２４の外周面形状に対応した傾斜形状に形成される。実施例１では、軸受に傾斜自在に複数配置されたパッドが軸の回転に伴い傾くことによって流体膜圧力が発生しポンプシャフトを支持するティルティングパッド軸受を用いた。ティルティングパッド軸受の他にテーパードランド軸受や段付き軸受等を用いてもよい。
【００２７】
軸受面には、吸水率が０．１％以下の材料とし吸水性が低く、耐熱性に優れたポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂に炭素繊維を含む材料を用いた。ここではティルティングパッドをＰＰＳ樹脂単体で作製して背面に金属製のピポッドを設けたが、金属製の裏金の上にＰＰＳ樹脂を接着やねじ止め等既知の方法で固定して用いても構わない。材料はそのほかに例えばカーボンやカーボンに樹脂や金属を含浸したカーボン系材料、ＳｉＣをマトリックスとして炭素繊維を双方向に編込だセラミックス、炭素繊維を含むポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、炭素繊維を双方向に編込んだＰＰＳやＰＥＥＫ等が一例として挙げられる。これら材料は単独、若しくは二種類以上を複合化して用いてもよい。
【００２８】
インターナルポンプの定格回転数時に、図９の従来例に示す平板状スラストディスク１０の場合には、上部スラスト軸受２２には図３の概念図に示すように上向きのスラスト力Ｆ２と径方向のラジアル力Ｆ１が作用している。上下のスラスト力が釣り合うポンプ回転数Ｎｅの場合には、図４の概念図に示すようにラジアル方向の力Ｆｏのみが作用するため、上下方向の拘束力がなくなりインターナルポンプの振動特性が不安定になる恐れがある。
【００２９】
しかし、実施例１のようにスラストディスク１０ａ上部を傾斜させると、回転数Ｎｅ付近においても、図５に示すようにスラストディスク１０ａの法線方向に力Ｆａが生じ、上部スラスト軸受２２に作用する。すると上部スラスト軸受２２の各ティルティングパッドが適度に傾斜し、軸受部に発生する流体圧力によってばね力や減衰が生じることで、振動特性が不安定になる領域を無くすことができる。インターナルポンプの各種仕様等に応じスラストディスク１０ａの傾斜角を適時調整することによって、発生する力Ｆａの大きさを変えることが可能となる。
【実施例２】
【００３０】
本発明の実施例２を図６を用いて説明する。実施例１と同等の部材は同一の符号とし適時説明を省略する。実施例２は、スラストディスク１０ｂの下側に、実施例１と同様の傾斜を施し、略円錐部２４を設け、下部スラスト軸受２３をスラストディスク１０ｂの略円錐部２４に対応させたものである。この構成でも、インターナルポンプ回転体の回転により、下部スラスト軸受２３方向に力が発生するため、全ての回転数領域においてインターナルポンプ回転体の安定性を向上でき、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【実施例３】
【００３１】
本発明の実施例３を図７を用いて説明する。実施例３では、スラストディスク１０ｃの上部、下部にそれぞれ略円錐部２４を設け傾斜させた形状とした。上部スラスト軸受と下部スラスト軸受２３はスラストディスク１０ｃの傾斜面に対応する形状とした。実施例３では、スラストディスク１０ｃに設ける傾斜角を上部、下部とも同様にしたが、上部、下部それぞれの傾斜角を変えて、上側、あるいは下側のスラスト軸受に力を作用させやすくしてもよい。このような形状としても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【実施例４】
【００３２】
本発明の実施例４を図８を用いて説明する。実施例４では、他の実施例でウェットモータ２の下部に配置した下部ラジアル軸受２１を省いてある。実施例１と同様に上部に略円錐部２４を設け略円錐台状にしたスラストディスク１０ｄはボルト１２でポンプシャフト４に連結されている。スラストディスク１０が略円錐台状に傾斜面を有することで、回転に伴い発生する、ラジアル方向とスラスト方向両方の力を、傾斜して略円錐台状にした上部スラストディスク１０ｄとそれに対応する上部スラスト軸受２２により、流体膜を介して支持するものである。実施例４においては、実施例１と同様の作用効果が得られる他に、下部ラジアル軸受２１を省略できるため、ポンプシャフト４及びモータシャフト７を短くすることができ、インターナルポンプの重量を低減でき小型化することが可能になる。
【符号の説明】
【００３３】
１：水力部
２：ウェットモータ
３：モータケーシング
４：ポンプシャフト
５：インペラ
６：ディフューザ
７：モータシャフト
８：モータロータ
９：モータステータ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：スラストディスク
１１：原子炉圧力容器
１２：ボルト
１３：逆転防止装置
１４：補助インペラ
１５：モータ上部室
１６：配管
１７：熱交換器
１８：配管
２０：上部ラジアル軸受
２１：下部ラジアル軸受
２２：上部スラスト軸受
２３：下部スラスト軸受
２４：略円錐部
３０：モータハウジング
【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】
2013167449.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013167449.tif 000011