НАКЛОННЫЙ ПОДЪЁМНИК ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Предлагаемое техническое решение относится к области ядерной техники и может быть использовано в составе перегрузочного оборудования ядерного реактора.
В соответствии с «Правилами безопасности при хранении и транспортировании ядерного топлива на объектах использования атомной энергии» (НП-061-05), утвержденными постановлением Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 30 декабря 2005 г. №23, транспортно-технологическое оборудование для перемещения ядерного топлива должно обеспечивать остановку с допускаемым для отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) ускорением как при нормальных условиях эксплуатации, так и при проектных авариях, например, при падении тележки наклонного подъемника в случае обрыва троса.
Известны подъемники, которые в целях безопасности снабжены различного типа клиновыми ловителями, останавливающими подъемник при обрыве троса (Ф.К Иванченко «Конструкция и расчет подъемно-транспортных машин», учебник для вузов, Киев, Выща шк., 1988 г., стр. 245).
Недостатки клиновых ловителей для известных подъемников заключаются в следующем:
- практически мгновенная остановка подъемника при срабатывании клинового ловителя, что приводит к большим динамическим нагрузкам на ОТВС;
- большая сложность последующего ремонта подъемника и его тележки, застрявшей на рельсовом пути в воде бассейна выдержки, связанная с необходимостью дренирования воды из бассейна выдержки с соответствующей предварительной выгрузкой ОТВС, размещенных в бассейне выдержки, что приводит к большому простою реактора;
- из остановившейся в транспортном коридоре тележки подъемника невозможно выгрузить ОТВС, так как погрузочно-разгрузочные механизмы располагаются в конечных точках траектории движения подъемника;
- ремонт подъемника, нагруженного высокоактивными ОТВС, затруднен, так как велика опасность облучения персонала.
Известны пружинные или гидравлические демпферные устройства грузоподъемных машин, движущихся по рельсовому пути, используемые для обеспечения безопасности при наезде на упор (М.П. Александров «Грузоподъемные машины», учебник для вузов, Москва, Высшая школа, 1985 г., стр. 421).
Недостатком пружинных демпферных устройств является их малая энергоемкость, вследствие чего для обеспечения допускаемого ускорения при торможении приходится существенно увеличивать габариты устройства. Особенно это актуально при использовании демпферных устройств в дистиллированной воде бассейна выдержки ядерного реактора, где возможно использование только нержавеющей пружинной стали, сортамент которой по силовым характеристикам ограничен. Максимальное поглощение энергии удара в пружинных демпферных устройствах (а, следовательно, и максимальное ускорение при торможении) происходит в конце рабочего хода пружины, что приводит к большим ускорениям при остановке, недопустимым с точки зрения сохранности ОТВС.
Недостатком гидравлических демпферных устройств является высокое давление (пропорциональное квадрату скорости тележки), развивающееся в полости устройства при столкновении тележки с упором, что приводит к необходимости увеличивать толщину стенки и, таким образом, увеличивать габариты конструкции. Максимальное поглощение энергии удара в гидравлических демпферных устройствах происходит в начале рабочего хода поршня, что вызывает большие динамические нагрузки на тележку и перегружаемую ОТВС. Решение этой проблемы заключается в гидравлическом профилировании проходного сечения демпферного устройства для обеспечения постоянного гидравлического сопротивления передвижению поршня и, следовательно, к равномерным динамическим нагрузкам в течение всего рабочего хода. Однако, сложность расчетного обоснования гидравлического демпферного устройства, вызванная неопределенностью коэффициентов гидравлических сопротивлений проходных сечений, приводит к созданию конструкций с большим запасом по эффективности гидравлического торможения, что вызывает усложнение конструкции и требует, как правило, дорогостоящих стендовых испытаний.
Известно также пружинно-гидравлическое демпферное устройство тележки наклонного подъемника ядерного реактора, предназначенной для транспортировки ОТВС из реактора в бассейн выдержки (см. патент на полезную модель №77489 от 16.07.2008, кл. G21C 19/00, G21C 19/02). Это известное пружинно-гидравлическое демпфирующее устройство выполнено в виде цилиндрического корпуса, внутри которого расположены шток с поршневым участком и пружины, установленные между поршневым участком и заглушкой с отверстием для прохода штока. На боковой поверхности корпуса выше поршневого участка выполнены отверстия, в штоке выполнено осевое отверстие и наклонные отверстия, соединяющие последнее с внутренней полостью демпфирующего устройства, а на наружной поверхности штока выполнены радиальные пазы, в которые установлены пружины. При этом наклонные отверстия и радиальные пазы выполнены в одной плоскости.
Использование этого известного пружинно-гидравлического демпферного устройства облегчает задачу обеспечения равномерного снижения динамических нагрузок на ОТВС при падении тележки на нижний упор, так как в начале рабочего хода штока устройства основную роль играет гидравлическое торможение, а в конце рабочего хода основную роль играют пружины, механические характеристики которых известны, что облегчает расчетное обоснование работоспособности устройства.
По большинству общих признаков и решаемой задаче данная конструкция пружинно-гидравлического демпферного устройства тележки наклонного подъемника ядерного реактора принята за прототип.
Недостатком конструкции прототипа является то, что внутренняя полость демпферного устройства при подъеме тележки в газовую полость шахты выдачи осушается. При опускании тележки в воду бассейна выдержки внутренняя полость демпферного устройства заполняется водой через отверстия в штоке и в корпусе. В случае обрыва троса и падения тележки с большой скоростью, время прохождения тележкой участка рельсового пути от вхождения в воду до столкновения с нижним упором составляет менее двух секунд. За это время находящийся во внутренней полости цилиндрического корпуса воздух не успевает полностью замениться водой. В результате эффективность гидравлического торможения значительно снижается, так как часть рабочего хода штока тратится на сжатие и вытеснение остатков воздуха из внутренней полости корпуса. При этом усилие гидравлического торможения существенно уменьшается, в результате чего тележка не успевает затормозиться и возможно ее жесткое соударение с нижним упором.
Технической задачей является создание пружинно-гидравлического демпфирующего устройства, обеспечивающего полное гашение энергии удара в аварийных ситуациях и, как следствие, повышение надежности и безопасности транспортировки ОТВС в бассейн выдержки.
Задача решается тем, что в демпфирующем устройстве тележки наклонного подъемника ядерного реактора, содержащем цилиндрический корпус, внутри которого расположены шток с поршневым участком и пружины, установленные между поршневым участком и заглушкой корпуса, на наружной поверхности штока выше поршневого участка выполнены продольные канавки, а ниже поршневого участка между штоком и цилиндрическим корпусом установлены упругие уплотнительные элементы.
Причем, канавки выполнены с уменьшающимся в сторону поршневого участка поперечным сечением.
Между пружинами и заглушкой установлен сменный деформирующийся элемент, выполненный в виде перфорированного усеченного конуса, обращенного меньшим основанием в сторону пружин.
Кроме того, пружины выполнены тарельчатыми и сформированы в пакеты с различной жесткостью.
Суть технического решения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показан продольный разрез наклонного подъемника;
- на фиг. 2 показан разрез пружинно-гидравлического демпфирующего устройства.
В состав наклонного подъемника входит тележка 1 с гильзой 2 и пружинно-гидравлическим демпфирующим устройством 3, перемещающаяся по рельсовому пути 4, который расположен в транспортном коридоре 5 между шахтой выдачи 6 и бассейном выдержки 7. Рельсовый путь 4 снабжен упорами: верхним упором 8 и нижним упором 9, исключающими сход тележки 1 с рельсового пути 4. Тележка 1 соединена тросом 10 с барабаном 11, установленным на вале проходки 12, выполненной в защитной стене 13 между шахтой выдачи 6 и операторской 14, где размещен привод 15, соединенный с валом проходки 12 через предохранительную кулачковую муфту 16.
Пружинно-гидравлическое демпфирующее устройство 3 состоит из герметичного цилиндрического корпуса 17, внутри которого установлен шток 18 с поршневым участком 19, заглушки 20 с центральным отверстием для прохода штока, набора тарельчатых пружин 21, расположенных между поршневым участком 19 и заглушкой 20. На штоке 18 ниже поршневого участка 19 установлены упругие уплотнительные элементы 22. Наличие уплотнительных элементов 22 позволяет обеспечить постоянное заполнение внутренней полости корпуса 17 водой как в нижнем положении тележки в воде бассейна выдержки 7, так и при нахождении тележки в верхнем положении в воздушной среде шахты выдачи 6. На наружной поверхности штока 18 выше поршневого участка 19 выполнены продольные канавки 23, с уменьшающимся в сторону поршневого участка 19 поперечным сечением.
Между пружинами 21 и заглушкой 20 установлен сменный деформирующийся элемент 24, имеющий форму перфорированного усеченного конуса, расположенного меньшим основанием в сторону пружин 21, что обеспечивает плавное деформирование сменного элемента 24 при аварийной ситуации. Кроме того, выполненный в виде перфорированного конуса сменный деформирующийся элемент 24 служит опорой для тарельчатых пружин 21, а отверстия на его боковой конусной поверхности обеспечивают проход воды.
Наклонный подъемник в нормальном режиме эксплуатации работает следующим образом:
В гильзу 2 тележки 1, расположенной в верхнем положении в шахте выдачи 6, устанавливается ОТВС, включается привод 15 и барабан 11, соединенный с приводом через вал проходки 12, начинает вращаться, опуская подвешенную на тросе 10 тележку 1 в бассейн выдержки 7, где ОТВС переставляется на место постоянного хранения.
В случае возникновения аварийной ситуации, сопровождающейся падением ОТВС в гильзу 2, от полученного силового импульса тележка 1 начинает смещаться вниз по рельсовому пути 4. Начинает вращаться барабан 11 и вал проходки 12. При этом предохранительная кулачковая муфта 16 разрывает кинематическую цепь и тележка 1 с большой скоростью начинает опускаться на нижний упор 9. При очень жесткой предохранительной муфте 16 может произойти разрыв троса, вследствие чего тележка упадет на нижний упор 9 с еще большей скоростью.
При этом пружинно-гидравлическое демпфирующее устройство 3 работает следующим образом. При падении тележки 1 на нижний упор 9 шток 18 пружинно-гидравлического демпфирующего устройства 3 начинает перемещаться относительно корпуса 17. Своим поршневым участком 19 шток 18 сжимает пружины 21 и вытесняет из внутренней полости корпуса 17 воду через продольные канавки 23, поперечное сечение которых уменьшается по мере перемещения штока 18. Это обеспечивает высокую скорость истечения воды через канавки и, соответственно, высокое гидравлическое сопротивление демпфирующего устройства 3 по мере снижения скорости штока 18 и тележки 1.
В первоначальный момент времени, когда усилия пружин 21 относительно малы, основной вклад в торможение тележки 1 вносят потери энергии на продавливание воды через канавки 23, проходное сечение которых максимально, что обеспечивает допускаемое для ОТВС ускорение (замедление) при торможении тележки 1, а также ограничивает повышение давления во внутренней полости пружинно-гидравлического демпфирующего устройства 3.
По мере снижения скорости тележки 1 гидравлические потери энергии торможения снижаются, но при этом возрастают потери энергии на сжатие штоком 18 пружин 21, что в сумме обеспечивает равномерность потерь энергии на всем пути торможения тележки 1, а, следовательно, и равномерность ускорений при торможении тележки 1 с ОТВС.
Выполнение пружин тарельчатыми позволяет увеличить воспринимаемую нагрузку, поскольку тарельчатая пружина имеет более высокую жесткость.
Воспринимаемая нагрузка увеличивается при формировании тарельчатых пружин 21 в пакеты. Различная жесткость пружин обеспечивает нелинейную механическую характеристику комплекта пружин, что резко увеличивает общее усилие сжатия в конце хода пружин, смягчает ударную нагрузку при переходе на демпфирование за счет перфорированного конуса.
Установка между тарельчатыми пружинами 21 и заглушкой 20, выполненного в виде перфорированного конуса сменного деформирующегося элемента 24 обеспечивает поглощение динамической энергии падающей тележки 1 в тех случаях, когда в приемном отсеке бассейна выдержки 7 отсутствует вода (например, при пусконаладочных или ремонтных работах). При этом торможение тележки 1 на первом этапе будет производиться только за счет потерь энергии на сжатие пружин 21, а после их полного сжатия оставшаяся часть динамической энергии падающей тележки 1 будет потрачена на деформацию перфорированного сменного деформирующегося элемента 24. Причем, по мере перемещения штока 18, деформация сменного деформирующегося элемента 24 (переход в пластичное состояние) будет происходить с плавным увеличением площади его поперечного сечения, что обеспечивает такое же плавное увеличение потерь динамической энергии и, соответственно, плавное снижение скорости тележки 1. При этом скорость тележки 1 будет снижена до уровня, обеспечивающего сохранность тележки 1 и нижнего упора 9.
После замены сменного деформирующегося элемента 24 наклонный подъемник снова будет готов выполнять свои функции по безопасной перегрузке ОТВС.
Применение предлагаемого демпфирующего устройства тележки наклонного подъемника ядерного реактора обеспечивает высокую надежность и безопасность транспортировки ОТВС в бассейн выдержки, так как позволяет полностью гасить энергию удара в аварийных ситуациях, связанных с падением ОТВС в гильзу тележки и аварийным падением тележки в бассейн выдержки.