СЕРВОПРИВОД АВТОМАТИЧЕСКОГО И РУЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ПОГЛОЩАЮЩЕГО СТЕРЖНЯ И АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ АТОМНОГО РЕАКТОРА ТИПА РБМК

Область техники
Изобретение относится к управлению ядерными реакциями в реакторах с помощью поглощающих стержней, конкретно - к устройствам для перемещения поглощающих стержней в каналах активной зоны реактора для управления цепной реакцией и быстрого останова реактора в режиме аварийной защиты. Изобретение предназначено для использования в канальных реакторах типа РБМК большой мощности.
Уровень техники.
Сложной задачей при построении силовых ядерных установок является разработка и изготовление надежных механизмов управления ядерными реакторами и их аварийной защиты, поскольку эти механизмы работают вблизи активной зоны реактора, где на них воздействуют высокие давления, влажность, высокая температура, радиация, вибрация и ударные нагрузки. Механизмы управления и защиты должны обеспечивать надежное, перемещение поглощающих стержней и безопасность реакторной установки.
Надежность приводов поглощающих стержней повышают путем упрощения кинематических схем, применения специальных материалов, совершенствования технологии изготовления и эксплуатации.
Аналогом заявляемого технического решения может быть устройство, описанное в работе И.Я.Емельянова и др. - Основы проектирования механизмов управления ядерных реакторов. М. Атомиздат, 1978. стр.46-47. Реактор размещен в бетонной
шахте. Он представляет собой цилиндрическую кладку высотой 8 метров, состоящую из вертикальных графитовых колонн, в отверстиях которых расположены технологические (с ядерным топливом) и специальные каналы, а также каналы для перемещения поглощающих стержней системы управления и защиты (СУЗ). Эта система стержней должна обеспечить пуск и остановку реактора, устойчивое автоматическое поддержание мощности на заданном уровне, компенсацию выгорания топлива, противоаварийную защиту. Механизм управления установлен в каналах СУЗ, по которым сверху вниз циркулирует вода с температурой 40-70°С. Температура воздуха над каналом СУЗ - 60°С (в аварийных ситуациях за 1 час достигает 250°С), относительная влажность воздуха - 98%.
На валу смонтирован барабан, на который наматывается (или сматывается) гибкая тяга с поглощающим стержнем. Вал получает вращение от электродвигателя через редуктор, с которым связаны также сельсин контроля положения стержня и кулачки, воздействующие на концевые выключатели. Детали привода отделены от охлаждающей канал воды манжетными уплотнителями на валу барабана. На валу сельсина установлен циферблат со стрелкой - указателем положения поглощающих стержней. Вал двигателя оснащен упором для сцепления с поводком ручного привода, которым можно воспользоваться для стопорения или подъема поглощающих стержней в случае выхода из строя электродвигателя или отключения электропитания. Привод приводится в движение электродвигателем постоянного тока. Электродвигатель через редукторную передачу передает вращение на барабан, на который наматывается (с которого сматывается) гибкая тяга с поглощающим стержнем. Через упомянутую выше связь вращение вала передается сельсину-датчику и кулачкам, воздействующим на микровыключатели крайнего верхнего и нижнего положения поглощающего стержня.
Также известен сервопривод, подробно описанный, в Техническом описании и Инструкции по эксплуатации РБМ-К7 Сб.151
ТО и ИЭ, 1983 г., завод «Большевик», г. Ленинград. Он использует в основном ту же кинематическую схему, что и ранее описанный аналог, но имеет и ряд важных отличий. Этот сервопривод, обеспечивающий ручное и автоматическое управление и аварийную защиту атомного реактора типа РБМК, содержит понижающий зубчатый редуктор, жестко соединенный с валом электродвигателя. Его выходная шестерня соединена с входной шестерней вала барабана перемещения поглощающего стержня. Редуктор четырехступенчатый, содержит цилиндрические и конические шестерни.
Ось входной шестерни барабана перемещения стержня сдвинута относительно оси выходной шестерни редуктора на сумму радиусов насаженных на них шестерен. Шестерни расположены в одной плоскости и сцеплены непосредственно. Вал электродвигателя связан с валом устройства ручного привода посредством разъемной сцепки, состоящей из двух соосных дисков, один из которых жестко соединен с валом двигателя, второй - с валом механизма ручного привода, причем диски имеют встречно расположенные выступы для взаимной сцепки, а один из дисков установлен с возможностью перемещения вдоль оси вала.
Кроме перечисленного, сервопривод содержит сельсин-датчик для соединения с устройствами контроля положения стержня, концевых и путевых выключателей и другие элементы, необходимые для работы сервопривода.
С учетом современных требований к безопасности реакторной установки такой сервопривод недостаточно надежен и долговечен, сложен в наладке, слабо защищен от отказов в режиме ручного управления, не обеспечивает высокого быстродействия.
Известен сервопривод автоматического и ручного управления и защиты ядерного реактора типа РБМК, содержащий электродвигатель, силовой редуктор, барабан с лентой, подтормаживающее устройство, электромагнитную муфту и гидравлическое тормозное устройство в виде гидробуфера, которое выполнено отдельно от привода и размещено с возможностью функционирования только после полного
входа стержня в активную зону атомного реактора (патентная заявка RU 2003113497/06).
В связи с постоянным повышением требований к быстродействию приводов и появлением быстродействующих кластерных стержней, скорость вращения шестерен редуктора значительно увеличена. Зубчатые соединения редуктора, систем контроля, ручного управления, соединения с барабаном перемещения, при этих скоростях вращения, нагрузках и агрессивной среде, в которой они работают, быстро изнашиваются. Их отказы снижают надежность привода при аварийной защите. Кроме того, момент инерции этих элементов не позволяет быстро разогнать и остановить кластерный стержень, а также приводит к наматыванию тяги на барабан в обратном направлении и ее излому. Это проявилось при испытаниях, например, второй системы останова на 2-ом блоке ИАЭС.
Отказы механизма ручного привода или схемы сигнализации о его включении снижают безопасность реактора, не позволяя вводить стержени в активную зону реактора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и большинству существенных признаков является сервопривод системы управления и защиты ядерного реактора, содержащий электродвигатель, кинематически связанный через понижающий редуктор, электромагнитную муфту сцепления и первый вал промежуточного редуктора с валом барабана, на тягу которого намотана гибкая лента, на конце которой прикреплен поглощающий стержень, сельсин контроля положения поглощающего стержня с кулачковым механизмом, воздействующим на концевые выключатели, гидротормозной узел электродвигателя и механизм ручного управления (патент SU 1748545, заявленный 1989 г.).
Этому сервоприводу, как и другим вышеописанным, присущи выше упомянутые недостатки, а именно:
- недостаточная надежность привода в режиме аварийного ввода стержня-поглотителя,
- недостаточное быстродействие привода в режиме аварийного ввода стержня-поглотителя,
- сложность его сборки.
Эти недостатки прототипа обусловлены следующим:
- муфта останова соединена с гидротормозом редуктором из пары конических шестерен, а с барабаном - через редуктор из пары конических и пары цилиндрических шестерен. Применение дополнительных конических пар снижает надежность привода. Величина конечного участка торможения определяется положением дросселирующего отверстия на корпусе цилиндра, которое перекрывается гайкой гидротормоза и может быть изменено только при замене цилиндра.
Целью изобретения является повышение надежности, быстродействия, универсальности, обеспечение автономности торможения при полном обесточении привода, а также обеспечение ручного управления приводом и упрощение его сборки.
Указанная цель достигается тем, что сервопривод ручного и автоматического управления и аварийной защиты атомного реактора типа РБМК, содержит электродвигатель, кинематически связанный через понижающий редуктор, электромагнитную муфту сцепления и первый вал промежуточного редуктора с валом барабана, на который намотана гибкая лента, на конце которой прикреплен поглощающий стержень, сельсин контроля положения поглощающего стержня с кулачковым механизмом, воздействующим на концевые выключатели, гидротормозной узел барабана с лентой, и механизм ручного управления. Новым является то, что упомянутая электромагнитная муфта сцепления наружными фрикционными дисками через понижающий редуктор соединена с валом электродвигателя, а внутренними фрикционными дисками через второй вал промежуточного редуктора соединена через тормозной узел с кулачковым механизмом, который через редуктор сельсина соединен с сельсином. Редуктор сельсина через дополнительно введенную предохранительную муфту соединен с первым валом промежуточного редуктора, причем в цепь катушки возбуждения электромагнитной муфты сцепления последовательно включен нелинейный термистор.
Упомянутый гидротормозной узел помещен в общем объеме гидравлической жидкости и содержит шестеренчатый насос, который соединен со вторым валом промежуточного редуктора, имеет обратный клапан и через регулирующий дроссель соединен с упомянутым кулачковым механизмом. Такой гидротормоз на основе шестеренчатого насоса с нелинейным нагрузочным дросселем и обратным клапаном, размещенные в одном объеме, служит для обеспечения торможения в режиме аварийной защиты.
Для повышения скорости ввода и предохранения стержней от разрушения используется изменение настройки регулирующего дросселя от кулачкового механизма для дополнительного уменьшения скорости в нижнем положении стержня-поглотителя.
Для повышения надежности и безопасности ручного управления механизм ручного перемещения, соединенный через третий вал промежуточного редуктора с валом барабана, на котором прикреплен поглощающий стержень, выполнен съемным, имеющим специальную форму в подстыкованном состоянии, служащую механическим сигнализатором пристыковки.
Ввиду высоких требований к надежности срабатывания муфты останова, нельзя допустить, чтобы с ней были связаны другие элементы, отказ которых может привести к отказу аварийного сброса. Поэтому второстепенные элементы отделены от важных цепей и поэтому детали электромагнитной муфты сцепления отделены от остальных цепей электродвигателя, тормозного механизма, сельсина, микровыключателя.
Торцевое соединение с валом шестеренчатого насоса гидротормоза, выполненное в виде крестовидной муфты, обеспечивает выбор эксцентриситета и удобство сборки.
Сущность изобретения
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлена кинематическая схема предлагаемого сервопривода.
Сервопривод ручного и автоматического управления и аварийной защиты атомного реактора типа РБМК, содержит электродвигатель 1 с электромагнитным тормозом (ЭМТ), вал которого через понижающий редуктор 2 связан с электромагнитной муфтой сцепления 3, а через нее и второй (II) вал промежуточного редуктора 4 - с валом 5 барабана перемещения стержня. Вал 5 барабана перемещения стержня связан с гидротормозом 6, состоящим из шестеренчатого насоса 7 и интегрированного регулирующего дросселя 8. Для устранения торможения перемещению поглощающего стержня 9 вверх предусмотрен обратный клапан 10. Вал 5 барабана перемещения поглощающего стержня 9 устроен вращать барабан 11 с лентой, к которой присоединен поглощающий стержень 9.
Вал 5 барабана перемещения поглощающего стержня 9 через третий (III) вал промежуточного редуктора 4 соединен со съемным механизмом ручного перемещения 12. Подсоединение съемного механизма ручного перемещения 12 контролируется электрическим сигнализатором пристыковки 13, и сам ручной привод имеет специальную форму в подстыкованном состоянии, служащую механическим показателем наличия пристыковки. Например, механизм ручного перемещения 12 выполнен съемным с габаритами, не позволяющими устанавливать защитные плиты, когда ручной привод используется на приводе.
Вал 5 барабана перемещения поглощающего стержня 9 через первый (I) вал промежуточного редуктора 4 и через предохранительную муфту 14 соединен с редуктором сельсина 15. Редуктор сельсина 15 обеспечивает указание положения поглощающего стержня 9 сельсином 16 и сигнализацию крайних положений поглощающего стержня 9 с помощью кулачкового механизма 17 и микровыключателей 18. Кулачковый механизм 17 также обеспечивает изменение степени торможения гидротормоза 6 при подходе поглощающего стержня 9 к выбранному положению путем изменения значения гидравлического сопротивления интегрированного регулирующего дросселя 8. Сервопривод
помещен в корпусе 19, с исключением механизма ручного перемещения 12.
В цепь катушки возбуждения (на чертеже не показана) электромагнитной муфты сцепления 3 последовательно включен нелинейный термистор 20.
Промежуточный редуктор 4 трехступенчатый, содержит только цилиндрические шестерни (для уменьшения момента кинематической инерции). Зубья шестерен промежуточного редуктора 4 и понижающего редуктора 2 - прямые. В связи с ограниченными габаритами сервопривода зубчатые шестерни редуктора, систем контроля, соединения с барабаном 11 выполнены с максимально мелким модулем и шириной зуба, а для увеличения прочности и износостойкости зубья шестерен азотированы.
Предложенный сервопривод работает следующим образом.
Режим регулирования - (ВВОД И ВЫВОД) поглощающего стержня.
Съемный механизм ручного перемещения 12 отстыкован от привода, сигнализатор 13 дает в схему управления разрешение на автоматическое управление приводом.
При поступлении команды на подъем поглощающего стержня 9 (команда - ВЫВОД) подается напряжение на электродвигатель 1, отключается ЭМТ. Вращательное движение вала двигателя через редуктор 2, электромагнитную муфту сцепления 3 передается на вал 5 барабана 11 перемещения поглощающего стержня 9. При вращении барабана 11 на него наматывается лента, выводящая поглощающий стержень 9 из активной зоны реактора. В гидротормозе 6 шестеренчатый насос 7 получает гидравлическую жидкость через обратный клапан 10, работает без нагрузки и сопротивления перемещению поглощающего стержня 9 не оказывает. Кулачковый механизм 17, при достижении стержнем 9 верхнего положения, вызывает срабатывание верхнего конечного выключателя 18, приводящее к снятию команды. Когда команда ВЫВОД снимается, электродвигатель 1 отключается, его вращение и, соответственно, поднятие стержня 9 прекращается, а ЭМТ включается.
При команде ВВОД электродвигатель 1 обесточивается и поглощающий стержень 9, подвешенный к ленте барабана 11, падает вниз, силой собственного веса разматывая ленту и раскручивая кинематику сервопривода. Включается система электродинамического торможения электродвигателем 1, ограничивая скорость опускания поглощающего стержня 9. При достижении поглощающим стержнем 9 заданного нижнего положения или снятии команды ВВОД включают ЭМТ и опускание прекращается. В гидротормозе 5 шестеренчатый насос 7 прокачивает гидравлическую жидкость через интегрированный регулирующий дроссель 8. Ввиду низкой скорости ввода поглощающего стержня 9 в автоматическом режиме и малой скорости вращения вала шестеренчатого насоса 7, расход через интегрированный регулирующий дроссель 8 мал, и он не оказывает существенного сопротивления на ввод поглощающего стержня 9.
При поступлении команды АВАРИЙНАЯ ЗАЩИТА (A3), независимо от состояния электродвигателя 1 и его электромагнитного тормоза, электромагнитную муфту сцепления 3 выключают, поглощающий стержень 9 падает, силой собственного веса разматывая ленту барабана 11 и раскручивая кинематику сервопривода. Ввиду отключенной электромагнитной муфты сцепления 3, двигатель 1 и редуктор 2 не раскручиваются. После разгона до высокой скорости движения стержня 9, шестеренчатый насос 7 гидротормоза 6 обеспечивает большой расход через интегрированный регулирующий дроссель 8. Дроссель 8, имеющий нелинейную характеристику, обеспечивает повышенное сопротивление на выходе шестеренчатого насоса 7 для гидравлической жидкости, тем самым обеспечивая эффективное торможение поглощающего стержня 9 до нужного значения скорости ввода. При достижении поглощающим стержнем 9 заранее заданного положения (внизу активной зоны), кулачковым механизмом 17 включается режим увеличения гидравлического сопротивления интегрированного регулирующего дросселя 8 до максимального, что обеспечивает плавное увеличение торможения поглощающего стержня 9 и безударное достижение им дна канала
реактора. Снижение механических нагрузок на стержень 9 увеличивает его ресурс.
Ток срабатывания электромагнитной муфты сцепления 3 гораздо больше тока, который необходим для уже сработанной муфты в состоянии поджатия фрикционных дисков (нет воздушного зазора между полюсами электромагнита муфты). Поэтому, после срабатывания электромагнитной муфты сцепления 3 ток уменьшается с помощью термистора 20 с положительным температурным коэффициентом. Если придет, даже кратковременный, сигнал на прерывание тока в муфте по аварийной защите, то стержень будет введен в реактор, даже если напряжение на электромагнитной муфте сцепления 3 восстановится. Так как постоянная времени термистора 20 больше, чем время ввода стержня 9 в реактор, он не успеет остыть (тока через него нет), и снизить свое сопротивление. Поэтому в цепь катушки возбуждения электромагнитной муфты сцепления 3 последовательно включен нелинейний термистор 20.
В цепь катушки многодисковой электромагнитной фрикционной муфты 3 последовательно включенный нелинейный термистор 20 обеспечивает снижение тока через катушку электромагнитной муфты сцепления 3 после притягивания ее дисков, тем самым повышая надежность ввода стержня 9 в режиме А3 («запоминание» режима A3). Снижение тока через электромагнитную муфту сцепления 3 уменьшает ее сопротивление и температуру привода, что дополнительно увеличивает надежность работы привода.
При регламентных работах привод переводят в режим ручного управления. Для этого съемный механизм ручного перемещения 12 подсоединяют к сервоприводу. При этом сигнализатор 13 подает команду запрет на схему управления электродвигателем 1. Теперь с сервопривода можно полностью снимать питание. Удержание поглощающего стержня 9, при выключенных тормозной муфте 14 и электромагнитной муфты сцепления 3, обеспечивает самотормозящийся механизм ручного перемещения 12. При ручном управлении оператор вручную вращает вал механизма ручного
перемещения 12, который через редуктор 4 вращает вал 5 барабана перемещения поглощающего стержня 9 в реакторе.
Таким образом, по сравнению с прототипом, наблюдается совокупный положительный эффект:
- поскольку электромагнитная муфта сцепления 3 непосредственно соединена с гидротормозом 6 без промежуточного редуктора и соединена с барабаном через редуктор из двух цилиндрических шестерен, из-за снижения количества деталей и упрощения компоновки привода получаем более высокую надежность, простоту изготовления. Благодаря снижению количества деталей снижается также момент инерции кинематической схемы привода, работающей при отключении электромагнитной муфты сцепления 3 - в режиме АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ. За счет этого достигается более высокое быстродействие привода, снижаются требования к величине тормозного усилия от гидротормоза 6, гидротормоз 6 является более компактным.
В цепь катушки многодисковой электромагнитной фрикционной муфты 3 последовательно включен нелинейный термистор 20, обеспечивающий снижение тока через катушку муфты после притягивания ее дисков, тем самым повышающий надежность ввода стержня в режиме А3(«запоминание» режима A3) и снижение температуры привода.
Кроме этого, в изобретении начало перекрытия регулирующего дросселя 8 в гидротормозе 6 для максимального торможения в конце хода стержня 9 по положению в активной зоне реактора обеспечивается связью с кулачковым механизмом 17. Величина конечного участка максимального торможения легко регулируется перестройкой кулачкового механизма 17. В прототипе величина конечного участка торможения определяется положением дросселирующего отверстия на корпусе цилиндра, которое перекрывается гайкой гидротормоза и может быть изменено только при замене цилиндра. Поэтому изобретение позволяет использовать сервопривод для разных типов поглощающих стержней, т.е. обеспечивает универсальность привода.
В изобретении используемый гидротормоз 6 на основе шестеренчатого насоса 7 многократно прокачивает объем гидрожидкости через регулирующий дроссель 8, что позволяет снизить объем гидравлической жидкости и уменьшить габариты гидротормоза 6. (В прототипе за время рабочего хода объем гидравлической жидкости прокачивается однократно). За счет достижения большей скорости движения жидкости изобретение позволяет обеспечить увеличенные сечения в интегрированном регулирующем дросселе 8 и снизить в нем рабочее давление, уменьшить объем гидравлической жидкости.
Увеличение сечений в дросселе обеспечивает более надежную работу при возможных загрязнениях гидравлической жидкости. Уменьшение рабочего давления позволяет уменьшить размеры и вес интегрированного регулирующего дросселя 8. Уменьшение количества гидравлической жидкости позволяет уменьшить общие размеры гидротормоза 6 и упростить компоновку привода.
Для обеспечения торможения в режиме аварийной защиты используется гидротормоз на основе шестеренчатого насоса, отличающийся интегрированным нелинейным регулировочно-нагрузочным дросселем и обратным клапаном, размещенными в одном объеме, что позволяет упростить изготовление и повысить надежность гидротормоза и уменьшить габариты.
Предохранительная муфта, включенная между барабаном с лентой и редуктором сельсина служит для повышения надежности и устранения влияния отказов второстепенных кинематических цепей на ввод стержня в режиме АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ.