СЕРВОПРИВОД АВТОМАТИЧЕСКОГО И РУЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ И АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ АТОМНОГО РЕАКТОРА ТИПА РМБК

Сервопривод автоматического и ручного управления и аварийной защиты атомного реактора типа РМБК. Область техники. Полезная модель относится к управлению ядерными реакциями в еакторах с помощью нейтронопоглощающих стержней, конкретно - к устройствам для перемещения стержней-поглотителей в каналах активной зоны реактора для управления реакциями и для аварийной защиты. Полезная модель предназначена для использования в реакторах большой мощности кипящих типа РБМК, эксплуатируемых на территории России, Украины, Литвы и других стран. Уровень техники. Одной из сложных задач построения силовых ядерных установок является разработка надежных механизмов управления ядерными реакторами и их аварийной защиты, поскольку эти механизмы работают в активной зоне реактора, где высокие давления, температуры, радиация, вибрация и ударные нафузки. Механизмы управления и защиты должны автоматически и надежно поддерживать необходимые режимы работы ядерной установки и ее безопасность. Но обеспечить полную надежность пока не удалось. Известно, что на атомных электростанциях США около 5% всех неисправностей и свыше 14% простоев вызваны неисправностями в механизмах управления и защиты. Надежность этих механизмов повышают упрощением кинематических схем, сокращением числа конструктивных узлов, расположенных в активном контуре реактора (особенно трущихся пар и передач), применением прочных-материалов, совершенствованием технологии изготовления и эксплуатации. Применяемые в настоящее время механизмы слежения, управления и защиты ядерных реакторов описаны, в частности, в работах: И.Я. Емельянова и др. - Управление и безопасность ядерных энергетических реакторов, М. Атомиздат, 1975; СУЗ - механизм управления и защиты в реакторах ВВЭР, Специальный экспериментальный художественно-конструкторский отдел (СЭХКО), М.1971; Б.А. Масленюка и др.- Типовые конструкции механизмов управления для энергетических реакторов с водой под давлением - Атомная техника за рубежом, 1973, № 12; И.Я. Емельянова и др. - Электромагнитные МКИ621С7/117, 9/027 ,линейные приводы регулирующих стержней ядерных реакторов - Атомная техника за рубежом, 1975, № 5 и в других работах. В них приведены схемы и конструкции механизмов, их работа, оценена надежность. Аналогом заявляемого технического решения может быть устройство, описанное в работе И.Я. Емельянова и др. - Основы проектирования механизмов управления ядерных реакторов. М. Атомиздат, 1978. Реактор размещен в бетонной шахте. Он представляет собой цилиндрическую кладку высотой 8 метров, состоящую из вертикальных фафитовых колонн, в отверстиях которых расположены технологические и специальные каналы, а также каналы системы управления и защиты (СУЗ). Эта система должна обеспечить устойчивое автоматическое поддержание мощности на заданном уровне, компенсацию выгорания топлива, защиту. Механизм управления установлен в каналах СУЗ, по которым сверху вниз циркулирует вода с температурой 40-70 градусов. Температура воздуха над каналом СУЗ - 60 фадусов (в аварийных ситуациях за 1 час достигает 250 фадусов), относительная влажность воздуха - 98%. Кинематическая схема привода механизма СУЗ описана на стр. 46-47 указанной книпл. На валу смонтирован барабан, на который наматывается (или сматывается) гибкая тяга (трос, лента) со стержнем-поглотителем. Вал получает вращение от электродвигателя через редуктор, с которым связаны также сельсин контроля положения стержня и кулачки, воздействующие на концевые выключатели. Механизм отделен от охлаждающей канал воды манжетными уплотнителями на валу барабана. На валу сельсина установлен циферблат со стрелкой - указателем положения стержня-поглотителя. Вал двигателя оснащен упором для сцепления с поводком ручного привода, которым можно воспользоваться для стопорения или подъема стержня-поглотителя 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 со стержнем-поглотителем. Через упомянутую выше связь вращение вала передается сельсину-датчику и кулачкам, воздействующим на микровыключатели крайнего верхнего и нижнего положения стержня-поглотителя. включен. Барабан с тягой неподвижны. Для извлечении стержня из аю-ивной зоны реактора включают электродвигатель, он начинает перемещать стерженьпоглотитель вверх. При срабатывании верхнего конечного микровыключателя или при снятии команды на перемещение стержня двигатель останавливается, под воздействием включенного ЭМТ подъем стержня прекращается. Процесс опускания стержня-поглотителя происходит при отключении ЭМТ и электродвигателя под действием силы тяжести стержня. Требуемая скорость опускания стержня регулируется электродинамическим торможением (двигатель работает в режиме генератора с определенной нафузкой в цепи якоря). При этом электродинамическое торможение включается от внешнего воздействия одновременно с отключением ЭМТ. При срабатывании нижнего конечного микровыключателя или при снятии команды на перемещение стержня, включается электромагнитный тормоз и опускание стержня прекращается. В режиме аварийной защиты - при подаче соответствующего сигнала электромагнитный тормоз обесточивается, и стержень под действием силы тяжести начинает быстро опускаться, раскручивая барабан. При достижении определенной скорости за счет самовозбуждения электродвигателя начинает работать электродинамическое торможение, предохраняющее стерженьпоглотитель от чрезмерного разгона и разрушения. В конце пути включается ЭМТ и сервопривод затормаживается. При полном обесточивании сервопривода стержень-поглотитель садится на дно канала. Описанная кинематическая схема является основой конкретных конструкций. Она была успешно применена на первых атомных реакторах типа РБМК. Ее основное достоинство - простота, доступность, возможность замены вышедшего из строя механизма на работающем реакюре. Но его многолетняя эксплуатация выявила ряд недостатков, которые устранялись в последующих разработках. Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является сервопривод, подробно описанный, в Техническом описании и Инструкции по эксплуатации РБМ-К7 Сб.151 ТУ и ТО, 1983 г., завод «Большевик, г.Ленинфад. Ими оснащены реакторы типа РБМК Чернобыльской, Ленинградской, Курской, Смоленской и Италинской атомных станций. 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 РМБК, содержит Ч понижающий зубчатый редуктор, жестко соединенный с валом электродвигателя. Его выходная шестерня соединена с входной шестерней вала барабана перемещения стержня-поглотителя. Редуктор четырехступенчатый, содержит цилиндрические и конические шестерни. Зубы цилиндрических и конических шестерен редуктора - прямые. В связи с ограниченными габаритами сервопривода зубчатые шестерни реду1сгора, систем конггроля, соединения с барабаном выполнены с максимально мелким модулем и шириной зуба, а для увеличения прочности и износостойкости зубья шестерен азотированы. 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. Кроме того, вал электродвигателя связан с валом устройства ручного привода посредством разьемной 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. Они здесь подробно не описаны, т.к. предложенное нами решение их не затрагивает. Сервопривод работает следующим образом. При работе на подъем стержней-поглотителей (команда - ВЫВОД) обесточивают ЭМТ, подают напряжение на электродвигатель, его вращательное движение через редуктор передается на барабан перемещения стержня-поглотителя, при вращении которого на него наматывается гибкая тяга, которая выводит стерженьпоглотитель из активной зоны реактора. При работе на опускание стержня (команда - ВВОД) ЭМТ и электродвигатель обесточивают и стреженьпоглотитель, подвешенный к тяге барабана, падает вниз силой собственного веса, разматывая трос и раскручивая кинематику сервопривода. При этом одновременно внешним управлением включают электродинамическое торможение для ограничения заранее заданной скорости падения. При достижении стержнем заданного нижнего положения или снятии команды ВВОД включается электромагнитный тормоз и опускание префащается. При поступлении команды аварийной защиты электродвигатель и ЭМТ обесточиваются, стержень падает силой собственного веса, разматывая гибкую тягу барабана и раскручивая кинематику сервопривода. При достижении стержнем заранее заданного положения автоматически вкпючается элеетродинамическое торможение двигателем, что предохраняет стержень от резкого столкновения с дном канала и разрушения. При регламентных работах или запланированном отключении электроэнергии сервопривод переводят в режим ручного управления. Вал двигателя соединяют с валом механизма ручного привода посредством разъемной сцепки, состоящей из двух соосных дисков. Для этого перемещают один диск вдоль вала навстречу другому диску, установленному на другом валу. При сближении дисков выступы, размещенные на дисках, входят во взаимное зацепление. Это обеспечивает жесткое сцепление механизма ручного привода с валом двигателя. Для исключения в режиме ручного управления возможности включения электродвигателя на подъем в цепь питания якоря включен замыкатель, размыкаемый подвижным диском в режиме ручного управления. При всех достоинствах описанного сервопривода, его эксплуатация выявила ряд важных недостатков. Сервопривод оказался недостаточно надежен и долговечен, сложен в наладке, слабо защищен в режиме ручного управления и взрывоопасен. Это подробнее поясняется ниже. В связи с повышением требований к быстродействию сервоприводов после Чернобыльской катастрофы, 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 - Оказалась недостаточно надежным также соединение вала двигателя с барабаном. Это соединение выполнено посредством сцепления двух шестерен, одна из которых установлена на выходе редуктора, вторая - на валу барабана, причем указанные шестерни расположены в одной плоскости и сдвинуты на сумму радиусов шестерен, а зубья этих шестерен сцеплены между собой непосредственно. Такое соединение весьма сложно осуществить практически, поскольку соединение (сцепление) шестерен находится в труднодоступном месте и контроль сцепления зубьев затруднен. Для качественного сцепления требуется достичь требуемого пятна контакта и необходимо точного бокового зазора, иначе взаимное сцепление шестерен будет происходить неполным зубом, с
дополнительными боковыми и изгибающими напряжениями. При наладке не удается обеспечить полную площадь зацепления зубьев, обычно их контакт не превышает 50% площади зуба, площадь зацепления уменьшается, контакт перемещается к вершине зуба и соединение разрушается. Это заметно повышает сложность и трудоемкость сборки, снижает надежность
На практике оказалось также, что в разъемной сцепке вала электродвигателя с валом механизма ручного привода при сближении диски сцепления часто соприкасаются торцами выступов. Такое сцепление не обеспечивает работу ручного привода. Для надежного сцепления требуется провернуть вал двигателя и повторить сцепление. На это затрачивается заметное время, существенно ограниченное условиями радиационного фона.
Кроме того, из практики известны случаи выключения устройства ручного привода при отключенном питании ЭМТ, что приводит к тяжелым поломкам. Это снижает надежность и долговечность сервопривода.
Эксплуатация обнаружила взрывоопасность сервопривода. Стерженьпоглотитель перемещается в канапе, наполненном для охлаждения водой. В процессе работы реактора вода оказывается в активной зоне, частично разлагается, переходит в газообразное состояние, образуя кислород и водород. Газы поднимаются вверх, попадают в герметичный корпус барабана перемещения. Внутри корпуса имеются движущиеся и трущиеся металлические элементы (гибкая тяга, барабан), которые могут образовать искру. В таких случаях весьма вероятен взрыв указанных горючих газов.
Описанный сервопривод - выбран нами в качестве прототипа, как наиболее близкий к заявляемому-техническому решению - по технической-сущности и большинству существенных признаков.
Как было показано выше прототипу присущи ряд недостатков, устранение которых повысит качество сервопривода. Это, обобщая вышесказанное:
-недостаточная надежность и долговечность сервопривода
-потенциальная взрывоопасность сервопривода и сложность его сборки.
Задача полезной модели.
Задачей полезной модели является уменьшение перечисленных недостатков известных сервоприводов, а именно - повышение надежности, долговечности, взрывобезопасности сервопривода и упрощение его сборки.
6 Сущность полезной модели. Сущность полезной модели состоит в том, что в известный сервопривод ручного и автоматического управления и аварийной защиты атомного реактора типа РМБК, включенного между валом двигателя и валом барабана перемещения поглотительного стержня в каналах активной зоны реактора, содержащий понижающий зубчатый редуктор, вход которого жестко соединен с валом двигателя, а выходная шестерня сцеплена с входной шестерней вала барабана перемещения, при этом вал двигателя соединен с валом механизма ручного привода разъемной сцепкой из двух соосных дисков, один из которых установлен на валу двигателя, второй - на валу механизма ручного управления, причем диски имеют встречно расположенные выступы для взаимной сцепки дисков при их сближении, а один из дисков установлен с возможностью перемещения по оси вала, внесены существенные изменения и дополнения, а именно: выходная шестерня редуктора и входная шестерня вала барабана перемещения стержня размещены соосно и связаны с охватной муфтой. Для компенсации пофешностей при изготовлении и повышения долговечности зубы шестерен, объединенных охватной муфтой, выполнены полукруглыми. Для увеличения ширины и модуля зубы цилиндрических шестерен сервопривода выполнены косозубыми, а конических - круговыми. Для повышения надежности ручного управления выступы одного из дисков разъемной сцепки вала с механизмом ручного привода могут бьпь выполнены подпружиненными с возможностью утапливания их относительно диска. Для предотвращения выключения ручного привода при регламентных работах при отключенномттитании электромагнитного тормоза на его корпусе может быть установлен геркон, контакты которого замкнуты при наличии напряжения на обмотке ЭМТ, причем указанные контакты включены в цепь соответствующей сигнализации. Для повышения взрывобезопасности в герметичную полость барабана перемещения вставляют выпускной клапан для газов, образовавшихся в канале. Раскрытие полезной модели На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - элеюгродвигатель с электроматитным тормозом (ЭМТ) 1а, 2 - геркон, 3 - цепь сигнализации наличия напряжения на ЭМТ, 4 - вал электродвигателя, 5 редуктор, 6 - выходная шесгерня редуктора, 7 - входная шестерня вала барабана перемещения, 8 - охватная муфта, 9 - вал барабана перемещения стержня, 10 барабан перемещения стержня, 11 - корпус сервопривода, 12 - выпускной клапан, 13 - плбкая тяга , 14 - стержень-поглотитель, 15 - канал шахты реактора, 16 - разъемная сцепка вала двигателя и вала механизма ручного привода, 17 вал механизма ручного привода, 18 - механизм ручного привода, 19, 20 - диски разъемной сцепки, 21, 22 - выступы дисков разъемной сцепки, 23 - пружины подвижных выступов диска 12, 24 - герметичная полость барабана. Сервопривод (фиг.1) содержит электродвигатель 1 с электроматитным тормозом 1а, на корпус которого установлен геркон 2. Он ориентирован так, чтобы его контакты были замкнуты при наличии на ЭМТ 1а напряжения питания (мапнитного поля). Геркон 2 включен в цепь сигнализации 20 наличия напряжения питания на ЭМТ электродвигателя 1. Вал электродвигателя 4 через понижающий редуктор 5 связан с валом 9 барабана перемещения стержня посредством охватной муфты 8, надетой на выходную шестерню 6 редуктора 5 и входную шестерню 7 вала 9 барабана 10 перемещения стержня-поглотителя 14. Для соединения указанных шестерен 6 и 7 охватной муфтой 8 они размещены соосно. Для увеличения модуля (толщины) и ширины зубьев силового редуктора 5 (а значит и прочности) цилиндрические шестерни выполнены косозубыми, а конические - с круговым зубом. Шестерни 6 и 7, соединенный охватной муфтой 8, имеют одинаковые диаметры и одинаковБге наружные зубы. Они установлены соосно с лнебольшим зазором. Ширина охватной муфты 8 не менее суммарной ширины шестерен 6 и 7 совместно с зазором между ними. Внутренние зубы охватной муфты 8 совместимы с зубами шестерен 6 и 7. Барабан 10 заключен в герметичную полость 24 корпуса 11, в которой установлен выпускной клапан 12. При незначительном накоплении газа в полости 24 клапан 12 открывается для его выпуска. К барабану 10 присоединена гибкая тяга 13 с присоединенным к ней стержнем-поглотителем 14, расположенным в канале 15 шахты реактора. Вал 4 электродвигателя 1 связан с валом 17 механизма ручного управления 18 посредством (фиг.2) разъемной сцелки 16, состоящей из двух соосных дисков 8 19,20, один из которых (20) связан с валом 4 двигателя 1, второй (19) - с валом 17 механизма 18 ручного привода, лричем диски имеют встречно расположенные выступы (21, 22) для взаимной сцепки, а один из дисков (19) установлен с возможностью перемещения вдоль вала 17. Выступы 21 диска 19 подпружинены 23. Редуктор 5 соединен с устройством контроля положения стержня и устройством включения электродинамического торможения (на фигурах не показано). Соединение вала 4 двигателя 1 с валом 17 механизма 18 ручного привода более подробно показано на фиг.2. Сцепка 16 состоит из двух соосных дисков 19 и 20, один из которых (20) связан с валом 4 двигателя 1, второй (19) - с валом 17 механизма 18 ручного привода. Диски 19 и 20 имеют встречно расположенные выступы 21 и 22 для взаимной сцепки, причем диск 19 выполнен с возможностью перемещения вдоль вала 17. Выступы 21 диска 19 подпружинены пружинами 23, т.е. могут утапливаться при надавливании. Сервопривод работает следующим образом. Режим автоматического регулирования -(ВВОД И ВЫВОД). При поступлении команды на подъем стержней-поглотителей (команда - ВЫВОД) подается напряжение на электродвигатель 1, с одновременным отключением ЭМТ. Вращательное движение через вал 4 редуктор 5, шестерни 6, 7 и 8 передается на вал 9 барабана 10 перемещения стержня-поглотителя 14. При вращении барабана 10 на него наматывается гибкая тяга 13, который выводит стержень-поглотитель 14 из канала 15 реактора. При снятии команды ВЫВОД электродвигатель 1 отключают, его вращение и, соответственно, поднятие стержня прекращается, а ЭМТ 1 а включают. При команде ВВОД электродвигатель 1 и ЭМТ 1а обесточивается и стреженьпоглотитель 14, подвешенный к тяге 13 барабана-JD, падает вниз силой собственного веса, разматывая тягу 13 и раскручивая кинематику сервопривода. Одновременно внешним управлением включают систему злеюгродинамического торможения электродвигателем, ограничивая скорость опускания стержня 14. При достижении стержнем заданного нижнего положения или снятии команды ВВОД включают ЭМТ и опускание прекращается. При поступлении команды АВАРИЙНАЯ ЗАЩИТА электродвигатель 1 и ЭМТ 1а выключают, стержень 14 падает силой собственного веса, разматывая тягу 13 барабана 10 и раскручивая кинематику сервопривода. При достижении стержнем 14 заранее заданного положения автоматически устройством включается - электродинамическое торможение двигателем, что предохраняет стержень от резкого столкновения с дном канала 15 и разрушения. Режим работы ручным приводом. При регламентных работах или перед отключением электроэнергии сервопривод переводят в режим ручного управления. Для этого соединяют вал 4 двигателя 1 с валом 17 механизма 18 ручного привода посредством разъемной сцепки 16. Механически одвигают диск 19, установленный на валу 17, вдоль оси навстречу диску 20, установленному на валу 4. Выступы 21 и 22 дисков 19 и 20 сцепляются между собой, обеспечивая кинематическое соединение валов 4 и 17. При ручном управлении оператор вручную вращает вал 17 механизма 18 ручного привода, который через сцепку 16 вращает вал 4 с присоединенными к нему редуктором 5, шестернями 6, 7, 8, валом 9, барабаном 10 перемещения, обеспечивая перемещение стержня-поглотителя 14 в канале 15 реактора. При этом, если окажется, что при сдвижении дисков 19 и 20 их выступы 21 и 22 не сразу войдут в надежное зацепления, а будут контактировать только торцами выступов, подпружиненные выступы 21 диска 19 уйдут в диск под давлением неподвижных выступов 22 диска 20. При начале ручного управления - повороте вала 17 диск 19 повернется относительно диска 20, торцы выступов 21 сместится относительно торцов выступов 22, подпружиненные выступы 21 освободятся от давления и выйдут из гнезда, обеспечивая полноценное зацепление диска 19с диском 20, и, соответственно, вала 17 с валом 4. Это обеспечивает жесткое надежное сцепление вала 17 механизма 18 ручного управления с валом 4 двигателя 1 при любой их взаимной изначальной осевой ориентации, диски 19,20 сблизятся для полного и надежного зацепления. Ручной привод 18 работает только на подъем сте кня-поглотителя. При ручном управлении эле1стродвигатель 1 и ЭМТ 1а выключены. При этом контакты геркона 2, установленного вблизи электромагнитного тормоза 1а, разомкнуты и в цепи сигнализации есть сигнал об отсутствии напряжения питания Этот сигнал предотвращает случайное выключение ручного привода (иначе стержень-поглотитель 14 начнет падать в канал 15 под действием силы тяжести). При поступлении в этом режиме питания на ЭМТ - контакты геркона 2 замкнутся (из-за появления магнитного поля, образованного появлением напряжения на ЭМТ), генерируя сигнал разрешения выкпючения ручного управления (переход в режим автоматического управления). При отсутствии такого сигнала выключать механизм ручного привода запрещается. Связь выходной шестерни 6 редуктора 5 с входной шестерней 7 вала 9 барабана 10 охватывающей муфты 8 существенно упрощает сборку этого важнейшего соединения, обеспечивает надежное зацепление шестерен всей поверхностью зубьев и ее сохранение в процессе эксплуатации. Поскольку стержень-поглотитель 14 перемещается в канале 15, наполненном для охлаждения водой, указанная вода оказывается в активной зоне атомного peaicropa. При этом она частично разлагается, переходит в газообразное состояние, образуя кислород и водород. Эти газы поднимаются вверх и попадают в герметичную полость 24 барабана 10 перемещения. При незначительном накоплении газов, в полости 24 открывается выпускной клапан 12, через который образовавшиеся газы выходят из корпуса 11. Это исключает возможность взрыва от искры, возникшей от трения металлических элементов, движущихся внутри корпуса 11 в полости 24. Вышеприведенное описание заявленного устройства и процесса его работы убедительно показывают, что изменения, внесенные в ряд основных узлов сервопривода (в корпус барабана, соединения вала двигателя с барабаном и с механизмом ручного управления, в шестерни) и дополнение сервопривода новыми элементами (охватывающая муфта, выпускной клапан корпуса барабана, геркон на корпусе ЭМТ двигателя) увеличило надежность, долговечность, безопасность сервопривода и упростило его сборку. Промышленная применимость. Предложенная полезная модель изготовлена и испытана на Курской АЭС. Полученные результаты подтвердили-решение задачи, поставленной полезной моделью - сервопривод стал более надежным и безопасным.Для ее изготовление не потребовалось материалов, станков или технологий, давно освоенных промышленностью и вполне доступных в настоящее время. Фактически сервопривод является усовершенствованием серийно выпускаемых с 1983 г сервоприводов для атомных реакторов РБМК. Изменения, внесенные в кинематическую схему не содержит элементов, сложных для обычного инструментального производства. Это - шестерни, охватные муфты, герконы, сигнализаторы, выпускные клапаны, подпружиненные выступы. Их установка стандартна. Таким образом, полезная модель нова и промышленно применима.