ПАССИВНОЕ ЗАПИРАЮЩЕЕ УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИСТЕМЫ УПЛОТНЕНИЙ ВАЛА БЛОКА ГЛАВНОГО ЦИРКУЛЯЦИОННОГО НАСОСА РЕАКТОРА
PASSIVE LOCKING SEALING DEVICE FOR REACTOR MAIN CIRCULATION PUMP UNIT SHAFT SEALS SYSTEM

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к блокам главного циркуляционного насоса для водно-водяного энергетического ядерного реактора (ВВЭР).
Изобретение также относится к пассивному запирающему уплотнительному устройству (ЗУУ) для управления утечкой первичного охладителя, являющейся результатом выхода из строя системы уплотнений, имеющейся на блоке главного циркуляционного насоса реактора.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Запирающие уплотнительные устройства (ЗУУ) были разработаны в водно-водяных ядерных реакторах нового поколения, чтобы справляться с выходящей из строя системой уплотнений блока главного циркуляционного насоса в результате аварийной ситуации, называемой отключением электростанции (ОЭ).
Соответственно, запирающие уплотнительные устройства должны, в такой аварийной ситуации и после отключения циркуляционного насоса, позволять контролировать и останавливать утечку первичного охладителя, являющуюся результатом выхода из строя системы уплотнений блока главного циркуляционного насоса реактора.
Как правило, устройство такого типа активируется вспомогательным источником (таким как, например, контур с азотом под давлением), а запуск приводится в действие информацией, отправленной устройством управления реактором, в случае потерь источников охлаждения блока главного циркуляционного насоса реактора.
С целью отказа от использования источника активации было разработано пассивное запирающее уплотнительное устройство, не требующее ни вспомогательной системы активации, ни подготовки информации запуска на устройстве управления реактором. Такое пассивное запирающее уплотнительное устройство описывается в документе WO 2010/068615.
ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
В этом контексте целью изобретения является предоставление усовершенствования такого уплотнительного устройства для обеспечения активации уплотнительного устройства, а также его надежной работы во время аварийной ситуации.
С этой целью изобретение предоставляет пассивное запирающее уплотнительное устройство для системы уплотнений вала блока главного циркуляционного насоса реактора, содержащее:
- разъемное уплотнительное кольцо, имеющее неактивированное положение, в котором поток утечки пропускается, и активированное положение, в котором указанное кольцо останавливает указанный поток утечки;
- по меньшей мере один поршень, предназначенный для размещения указанного разъемного уплотнительного кольца в его активированном положении;
- блокирующее/разблокирующее устройство, предназначенное для блокирования указанного по меньшей мере одного поршня в его неактивированном положении, когда температура указанного блокирующего/разблокирующего устройства ниже температурного порога, и освобождать указанный по меньшей мере один поршень, когда температура указанного блокирующего/разблокирующего устройства выше указанного температурного порога;
- эластичные устройства, предназначенные для перемещения указанного по меньшей мере одного поршня, когда последний освобождается, так чтобы помещать указанное уплотнительное кольцо в его активированное положение.
Благодаря изобретению можно останавливать утечку первичного охладителя, являющуюся результатом выхода из строя системы уплотнений блока главного циркуляционного насоса реактора, не требуя вспомогательного источника активации.
Конструкция устройства в соответствии с изобретением делает возможной упрощенную установку на конструкции эксплуатируемых блоков главного циркуляционного насоса реактора.
Благодаря устройству в соответствии с изобретением также можно настраивать устройство в соответствии с рабочими требованиями каждого типа ядерных реакторов путем настройки температуры автоматической активации устройства, и более конкретно - путем изменения состава плавкого элемента.
Пассивное запирающее уплотнительное устройство в соответствии с изобретением также может обладать одним или несколькими из признаков, указанных ниже, взятыми по отдельности или в соответствии с любыми технически возможными сочетаниями:
- указанное устройство спроектировано встраиваться в систему уплотнений вала блока главного циркуляционного насоса реактора, находящуюся в использовании;
- указанное кольцо имеет скошенную боковую стенку, предназначенную для взаимодействия со скошенной стенкой указанного по меньшей мере одного поршня;
- указанное блокирующее/разблокирующее устройство спроектировано механически разрушаться от температурного порога от 80°C до 200°C, предпочтительно равного 150°C;
- указанное уплотнительное кольцо изготавливается из полимерного материала, выдерживающего температуры выше 300°C;
- указанное уплотнительное кольцо изготавливается из РЕЕК;
- указанное уплотнительное кольцо изготавливается из композитного материала с РЕЕК матрицей и стеклянными или углеродными усилительными волокнами;
- указанное уплотнительное кольцо изготавливается из металлического материала;
- указанное уплотнительное кольцо представляет собой композитный материал, образованный металлической сердцевиной и покрытый материалом более упругим, чем указанная металлическая сердцевина;
- указанный более упругий материал, чем указанная металлическая сердцевина, представляет собой полимер или никель, или серебро;
- указанные эластичные устройства представляют собой спиральные пружины сжатия или волнистые пружины, или пружинные шайбы;
- устройство содержит множество поршней и множество блокирующих/разблокирующих устройств, распределенных по периметру указанного кольца, указанные поршни и указанные блокирующие/разблокирующие устройства разнесены друг от друга под углом на постоянный угол;
- указанное устройство содержит три поршня и три блокирующих/разблокирующих устройства;
- указанное устройство содержит разъемную втулку, встроенную в указанное уплотнительное кольцо и предназначенную для обеспечения уплотнения указанного устройства в случае разрушения указанного кольца.
Одной целью изобретения также является предоставление блока главного циркуляционного насоса реактора, содержащего:
- систему уплотнений, предназначенную для осуществления контролируемой утечки, возникающей по пути утечки, расположенному вдоль вала насоса блока главного циркуляционного насоса реактора;
- пассивное запирающее уплотнительное устройство в соответствии с изобретением, предназначенное для уплотнения, по меньшей мере частично, указанного пути утечки указанной системы уплотнений, когда указанная система уплотнений выходит из строя и когда указанное уплотнительное кольцо активируется, так чтобы осуществлять контролируемую утечку.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Другие признаки и преимущества изобретения будут более понятны из его описания, данного ниже, посредством примера, но никоим образом не с целью ограничения, со ссылкой на сопутствующие графические материалы, на которых:
фиг. 1 представляет собой изображение в частичном сечении системы уплотнений блока главного циркуляционного насоса реактора;
фиг. 2 представляет собой изображение пассивного запирающего уплотнительного устройства в соответствии с изобретением в его исходном положении, интегрированного в систему уплотнений блока главного циркуляционного насоса реактора;
фиг. 3 представляет собой изображение запирающего устройства в соответствии с изобретением, представленного на фиг. 2, в его активированном положении.
Для ясности идентичные или подобные элементы отмечены идентичными номерами ссылок на всех графических материалах.
Подробное описание по меньшей мере одного варианта осуществления
Циркуляционные насосы водно-водяных реакторов имеют вертикально установленный центробежный тип. Динамическое уплотнение на выходе вала 10 (фиг. 1) обеспечивается системой уплотнений, состоящей из трех ступеней.
Первая ступень называется уплотнением n° 1. Уплотнение n° 1, обозначенное J1, представляет собой гидростатическое уплотнение контролированной утечки. При обычной работе поток утечки, представленный стрелкой F1, возникает вдоль вала 10.
3
В аварийной ситуации температура текучей среды на входе уплотнения n° 1 испытывает быстрое возрастание температуры, чтобы достигать значения, близкого к температуре первичного контура, то есть около 280°C. При этой температуре характеристики уплотнения n° 1 ухудшаются, что вызывает очень высокое увеличение потока утечки, который может превышать 10 м/ч. Пассивные запирающие уплотнительные устройства (ЗУУ) предназначены для того, чтобы в этой аварийной ситуации блокировать путь F1 утечки ниже по потоку от уплотнения n° 1.
Фиг. 1 более конкретно представляет путь F1 утечки вдоль вала 10 между уплотнением n° 1 и уплотнением n° 2 (не представлено), расположенным выше по потоку от уплотнения n° 1.
Предпочтительно устройство 20 ЗУУ в соответствии с изобретением располагается на пути F1 утечки так, чтобы быть способным блокировать поток потока утечки вдоль вала 10 в аварийной ситуации.
Фиг. 2 более конкретно представляет уплотнительное устройство 20 в обычных рабочих условиях блока главного циркуляционного насоса реактора, то есть когда температура потока утечки ниже порогового значения.
Фиг. 3 более конкретно представляет уплотнительное устройство в аварийных условиях работы блока главного циркуляционного насоса реактора, то есть когда температура потока утечки выше порогового значения.
Запирающее уплотнительное устройство 20 в соответствии с изобретением содержит:
- разъемное уплотнительное кольцо 23, концентрически расположенное вокруг вала 10 насоса блока главного циркуляционного насоса реактора;
- устройство 22, типа поршня, предназначенное для ограничения разъемного уплотнительного кольца 23 в более замкнутом положении, чем соответствующее его рабочему положению, в котором путь утечки не загражден;
- блокирующее/разблокирующее устройство 25, образованное плавким кольцом для блокирования положения поршней 22 в положении, называемом исходным положением (или неактивированном положением), когда температура потока утечки ниже предопределенной пороговой величины, и для разблокирования положения поршней 22 из их исходных положений, чтобы переходить в положение, называемое активированным положением, когда температура потока утечки выше или равна предопределенной пороговой величине;
- эластичные устройства 24 такие как, например, пружины сжатия, предназначенные для перемещения в направлении оси различных поршней 22 устройства 20, чтобы в направлении оси ограничивать разъемное уплотнительное кольцо 23 вокруг вала 10.
Поршни 22 распределяются по окружности уплотнительного кольца 23.
Уплотнительное кольцо 23 имеет первую скошенную боковую стенку 33, склон которой предназначен для взаимодействия со скошенной стенкой 32 в нижней части поршней 22.
Контакт между поршнем 22 и разъемным уплотнительным кольцом 23, и более конкретно - между скошенной стенкой 32 поршня и скошенной стенкой 33 уплотнительного кольца 23, обеспечивается множеством эластичных устройств 24, например, спиральными пружинами сжатия, волнистыми пружинами, пружинными шайбами, распределенными по окружности уплотнительного кольца 23 и прикладывающими нагрузку к поршню 22.
В соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг. 2 и 3, поршни 22 содержат каналы 34, предназначенные для частичного или полного размещения эластичных устройств 24.
Блокирующие/разблокирующие устройства 25 образованы плавким кольцом из полимерного материала, выбранного на основе его температуры разложения и потери его механических свойств с данного порога температуры.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, устройство содержит три поршня 22 и три эластичных устройства 24, распределенных под углом 120° на окружности вала 10 насоса блока главного циркуляционного насоса реактора.
В обычных рабочих условиях (фиг. 2) уплотнительное кольцо 23 удерживается сдвинутым с пути F1 утечки. Уплотнительное кольцо 23 блокировано в этом положении пружинным возвратом и прижатием к скошенной стенке 32 поршней 22, при этом поршни 22 удерживаются в своем исходном положении плавким кольцом 25.
В аварийных условиях (фиг. 3) увеличение температуры потока утечки приводит к увеличению температуры вблизи от запирающего устройства 20, и в частности температуры плавкого кольца 25. Когда температура потока утечки достигает пороговой величины, предопределенной на основании природы плавкого кольца 25, последнее затем разрушается, более не обеспечивая достаточной механической прочности, чтобы противостоять нагрузке, создаваемой множеством эластичных устройств 24. Расплавление плавкого кольца 25 при увеличении температуры, следовательно, позволяет устройству 20 запускаться путем разблокирования поршней 22.
Поскольку поршни 22 больше не удерживаются в их исходном положении, нагрузка, прикладываемая эластичными устройствами 24 в направлении оси, перемещает поршни вверх в их активированное положение, представленное на фиг. 2.
Осевое перемещение поршней 22 создает радиальное напряжение на уплотнительном кольце 23 через скошенную стенку 32 поршней, скользящим образом взаимодействующую со скошенной стенкой 33 уплотнительного кольца 23.
Радиальная нагрузка, вследствие перемещения поршней 22, создает уменьшение диаметра разъемного уплотнительного кольца 23, так что оно прижимается к валу ротора 10.
Таким образом, в активированном положении поршней, уплотнительное кольцо 23 обеспечивает блокирование пути F1 утечки благодаря нагрузке, прикладываемой эластичными устройствами 24, а затем также посредством автоклавного эффекта, создаваемого увеличением давления выше по потоку от уплотнительного устройства 20 в активированном положении.
В соответствии с неограничительным вариантом осуществления изобретения уплотнительное кольцо 23 на своей второй боковой стенке 34 имеет выступ, предназначенный для присоединения разъемной втулки 26, называемой втулкой противовыдавливания. Разъемная втулка 26 предназначена для оптимального обеспечения уплотнения запирающего устройства, в частности, когда при исключительной ситуации температура такова, что механические свойства уплотнительного кольца 23 ухудшаются.
Выбор полимера плавкого кольца 25 осуществляется так, что оно может противостоять нагрузке, прикладываемой эластичными устройствами 24 вплоть до порога температур от 80°C до 200°C и предпочтительно равного 150°C.
Уплотнительное кольцо 23 запирающего устройства 20 может изготавливаться из полимерного материала, устойчивого к высоким температурам (т.е. выше 300°C), такого как, например, РЕЕК или заполненный стеклянными или углеродными волокнами РЕЕК композит. Использование такого материала дает возможность получать уплотнительное кольцо при высокой температуре в высокоэластичном состоянии, позволяющем ему деформироваться, чтобы наилучшим образом соответствовать геометрии окружающей его среды и таким образом обеспечивать лучшее качество уплотнения.
Разъемное уплотнительное кольцо 23 устройства 20 также может изготавливаться из металлического материала. В этом случае ожидается остаточный проток утечки из-за существования зазоров между уплотнительным кольцом 23 и деталями, находящимися в контакте с ним. Однако использование металлического материала позволяет удерживать устройство, в частности, уплотнительное кольцо, подлежащее закреплению, в случае активации указанного устройства до полной остановки вращения вала насоса.
Разъемное уплотнительное кольцо 23 также может изготавливаться из композитного материала, образованного металлической сердцевиной, покрытой материалом более упругим, чем сердцевина, таким как, например, полимер, никель или даже серебро. Поверхностный материал, более упругий, чем сердцевина, позволяет заполнять существующие зазоры между различными деталями путем деформации поверхностного слоя. В случае износа поверхностного слоя, вызванного вращением вала, более плотная металлическая сердцевина позволяет гарантировать ограничение потока утечки.
Поршни 22, также как и разъемная втулка 26 противовыдавливания, предпочтительно изготавливаются из металлических материалов типа нержавеющей стали.