專利名稱:核反應堆冷卻劑泵的葉輪/轉軸組件的制作方法
本發(fā)明涉及一種泵，特別是涉及一種熱平衡的核反應堆冷卻劑泵的葉輪/轉軸組件。
如在公認的美國專利4427620及4434132號中所描述的以及如本文簡化示意圖圖1所示，一個典型的核反應堆發(fā)電設施10通常包括一個核反應堆12及汽輪發(fā)電機14和16。這個設施10還包括給核反應堆12提供冷卻劑的獨立的循環(huán)回路18和20。每個回路18及20包括相應的汽輪發(fā)電機14及16的一次管路22。每個回路18和22還包括一個“熱”的支架24，由核反應堆12流出的熱的冷卻劑通過它被導入每臺汽輪發(fā)電機14和16的進液口26。而在發(fā)電機的一次管路22處，熱的冷卻劑與注入到每個汽輪發(fā)電機14及16的冷水進行熱交換。每個循環(huán)回路18及20還包括一個“冷”的支架28，經(jīng)熱交換降低了溫度的冷卻劑通過它由每臺汽輪發(fā)電機14及16的出液口30返回至核反應堆12。最后，每個循環(huán)回路18及20中還包括一個用來驅動冷卻劑流動的冷卻劑泵32。
由于冷卻劑泵32有助于核反應堆12的冷卻，因而對該泵的最有效設計及無故障運行都要求極高。
如本文件圖2和圖3更詳細示出的，傳統(tǒng)的冷卻劑泵32一般包括一個殼體或稱箱體34及實心轉軸36，該轉軸被軸向地裝配在殼體34上以在該處轉動。一個熱軸套38(圖4中略)包住轉軸36的一部分。一葉輪鍵40嵌在轉軸36與葉輪或稱轉子46之間(圖3)。葉輪鍵起保險的作用，一旦葉輪46與轉軸36松脫時，葉輪鍵40將防止葉輪46相對轉軸36旋轉。
特別是葉輪46是冷卻劑泵32的旋轉部件，它通常有一個圓柱形中央輪體49;其上面裝有多片葉片或稱翼片51(圖2)。往轉軸36上裝配時，加熱葉輪46從而在它們之間形成相對緊的錐面配合。葉輪46與轉軸36間這一錐面配合區(qū)域以標號47示出(圖3)。
葉輪46裝配到轉軸36上之后，將一鎖緊螺栓44穿過葉輪螺帽42上的中心孔45并以在旋螺紋52擰入轉軸36。葉輪螺帽42還在一旦葉輪從它與轉軸36的錐面配合松脫時起保護作用，即安裝葉輪螺帽42是為了防止葉輪46突然膨脹并從轉軸36上滑脫。然后將鎖緊螺帽44與葉輪螺帽42焊在一起以保證葉輪螺帽42不會松退，并從而得到葉輪46牢固地與轉軸36結合在一起。
當然冷卻劑泵32還包括一液體入口48及液體出口50。泵32運行時，冷卻劑進入液體入口48，按箭頭“A”指出的方向環(huán)流過葉輪46的外表面并經(jīng)液體出口50流出。此后，通過加工在葉輪46上的導管53還形成一付流，其流向由箭頭B標出(圖3)。
運行時冷卻劑泵32的葉輪46的溫度約為290℃。另一方面，由于要用一傳統(tǒng)的熱交換器(未畫出)，它也是冷卻劑泵32的一部分，熱軸套38的溫度約為50～66℃。同樣，轉軸36處于比葉輪低得多的溫度下。
因此運行時在葉輪46與實心轉軸36之間產(chǎn)生一很大的熱不平衡。這一不平衡能使葉輪46相對于轉軸36膨脹，從而減小葉輪46與轉軸36間的接觸面壓力，結果葉輪就有可能從其與轉軸36的錐面配合松脫。如果這個情況發(fā)生了，這兩部分之間原先承載的摩擦力就會消失，而人們所不希望的應力就會加在葉輪鍵40，葉輪螺帽42和鎖緊螺栓44上。
本發(fā)明的主要目的是提出一種具有一葉輪/轉軸組件的泵，其葉輪對轉軸的錐面配合確?？煽?。
有鑒于此目的，本發(fā)明為一核反應堆冷卻劑循環(huán)泵，它包括一個具有一入口及一出口的殼體，一個可旋轉地被支承在該殼體上的轉軸，一個裝配在該轉軸上并置于上述殼體內(nèi)的葉輪以及一只擰入轉軸中心孔的葉輪裝配螺帽，其特征是所述螺栓及轉軸具有一些通道用以導流冷卻劑流過轉軸從而保持該轉軸的溫度基本同于上述葉輪的溫度。
由下面以附圖為基礎的描述本發(fā)明將變得更為容易明白，這里圖1是一傳統(tǒng)的核反應堆發(fā)電設施包括冷卻劑泵的示意圖;
圖2是一傳統(tǒng)的核反應堆冷卻劑泵的正面主視局剖圖;
圖3是一傳統(tǒng)的核反應堆冷卻劑泵的葉輪/轉軸組件的主視局部剖面圖;
圖4是按本發(fā)明繪制的核反應堆冷卻劑泵的葉輪/轉軸組件的主視剖面圖，它特別標出了冷卻劑流過在葉輪螺帽上加工出的幾組導孔的情況以及標出了在葉輪螺帽上加工出的通道。
與前述傳統(tǒng)核反應堆冷卻劑泵的葉輪/轉軸組件相反，如圖4所示，本發(fā)明的核反應堆冷卻劑泵60總的說包括下述部件一個殼體，它與圖2中所示傳統(tǒng)殼體34相比較有改變一個軸向地裝在殼體上以在那里轉動的轉軸64。轉軸64也有一個熱軸套，圖4中為了更清楚地描述本發(fā)明將其略去了。一個葉輪鍵66嵌在轉軸64與葉輪或稱轉子72之間。一般葉輪72有一個圓柱形中央輪體73，上面裝有多片葉輪或稱翼片(未畫出)。同樣在裝配葉輪72時要加熱以形成對轉軸64相對緊的錐面配合葉輪72與轉軸64間的錐形配合面由參考標號75標出。一個葉輪裝配螺栓68與一個鎖緊螺栓70被用來把葉輪72牢固地連接在轉軸64上。特別是葉輪裝配螺栓68具有左旋螺紋，它與轉軸64上加工出的左旋螺紋71相嚙合。鎖緊螺栓70穿過葉輪螺栓68上加工出的中心孔77并以右旋螺紋79擰緊在轉軸64上的固定孔上。裝好的鎖緊螺栓70與葉輪螺栓68焊在一起以確保葉輪螺栓68及葉輪72正常工作，如前面已經(jīng)討論過的那樣。
葉輪螺栓68上加工有至少一個通道78。這至少一個的通道78最好形成在鎖緊螺栓70和葉輪螺栓68之間的孔77內(nèi)并延伸至與轉軸64的包住葉輪螺栓68外表面的那一部分外表面相連接。這至少一個的通道78的最佳數(shù)目是2。不過，其它數(shù)量的通道78也是本發(fā)明所考慮的。
或者也可以把這至少一個的通道78的一部分加工在葉輪螺栓68的內(nèi)部，如圖4中標號78′所示，此外，可以加工至少一個其它通道78″，例如與通道78′斜交。
第一組導孔80被加工在葉輪裝配螺栓68上的第一區(qū)82上并與通道78的一端相通，第一組孔80的最佳數(shù)量是6，盡管本發(fā)明也可用任何實際可行數(shù)量的導孔，第一組導孔每個孔的最佳直徑是約1.3厘米。
葉輪裝配螺栓68還在其第二區(qū)86上加工有第二組導孔84與通道78的另一端相通。第二組導孔的最佳數(shù)量是4，盡管任何實用的導孔數(shù)都可以采用，第二組導孔每孔的最佳直徑是1.9厘米。
第一組導孔80，通道78及第二組導孔84的尺寸必須足夠大以克服水與導孔80，通道78、導孔84間摩擦而產(chǎn)生的流動阻力。導孔和通道的合理尺寸取值確保有足夠大的液流從而保證了水向轉軸內(nèi)部的熱傳遞實際上與任何外界影響無關。
在選擇通道78的數(shù)量以及位置時的一個重要考慮是要轉軸64與葉輪72旋轉時使泵60有效地平衡。因此，最好在葉輪裝配螺栓68上等間距地相對加工出通道78。關于“平衡”的相同考慮也適用于在葉輪裝配螺栓68上分別加工第一組和第二組導孔80和84。
當然，泵60還包括有一個液體入口74和一個液體出口76。冷卻劑進入液體入口74，繞葉輪72流動，如箭頭“C”標出的那樣。此外，還產(chǎn)生一如箭頭“D”標出的付流流過葉輪72。另外，由于(1)第一組導孔80和第二組導孔84直徑和數(shù)量的差異;(2)泵60載有一連續(xù)冷卻劑液流，即在泵60內(nèi)不存在穴孔或空氣隙這一事實;以及(3)，液態(tài)冷卻劑必須流過通道78，78′及78″這一相對很長的距離，將有效地產(chǎn)生泵唧作用。更確切地說，冷卻劑從以箭頭“C”標出的冷卻劑主流中流入并經(jīng)過第一組導孔80，經(jīng)過箭頭E標出的通道78，78′及78″內(nèi)的路線而被有效地從較大的第二組導孔84泵出。
要了解，上述使冷卻劑通過導孔80、84及通道78，78′及78″組合體系的泵唧作用既不包括冷卻劑泵60使冷卻劑流經(jīng)葉輪72這一傳統(tǒng)泵作用，也不受其影響。
本發(fā)明冷卻劑泵60的葉輪72在運行時的溫度仍是約260℃，另一方面，由于泵唧作用使冷卻劑流過葉輪裝配螺栓68上加工出的通道78，78′及78″并與轉軸64接觸，就使轉軸64的溫度接近或等于葉輪72的溫度，于是葉輪72與轉軸64之間不再存在熱的不平衡。因此消除了葉輪72相對于溫度較低的轉軸64膨脹的潛在危險，也就避免了葉輪72從其與轉軸64的錐面配合上可能的松脫。
因此，通過提供一個與轉軸相接觸的流體通道，改善了葉輪/轉軸組合的配合一致性，從而在相同的21℃承扭矩能力條件下，熱瞬態(tài)(一般講是葉輪/轉軸溫差)對葉輪/轉軸接觸面壓力的沖擊較傳統(tǒng)的葉輪/實心轉軸組合降低了。對此結果如下列表Ⅰ和表Ⅱ所示。
表Ⅰ傳統(tǒng)的葉輪/實心轉軸組合-穩(wěn)態(tài)及等變率＊升溫終點的觀測值291℃ 291℃穩(wěn)態(tài) 等變率升溫終點葉輪中央輪體的平均溫度 287℃ 283℃轉軸平均溫度 281℃ 266℃輪體/轉軸溫差△T 6℃ 16℃＊100°F/hr.ramp(每小時等變率地升溫100華氏度)表Ⅱ本發(fā)明(測試條件同表Ⅰ)291℃ 291℃穩(wěn)態(tài) 等變率升溫終點輪體/轉軸溫差△T 2.2℃ 3.9℃此外，依本發(fā)明葉輪中央輪體73與轉軸64上的應力水平下降，如表Ⅲ所示表Ⅲ傳統(tǒng)葉輪/實心轉軸與本發(fā)明的對照組合條件及相同等變率升溫終點承扭矩能力條件下葉輪中央輪體與輪軸最大應力強度的對比(21℃的應力強度)輪體應力強度＊ 轉軸應力強度＊＊葉輪輪體/轉軸模式傳統(tǒng)葉輪/實心 1336kg/cm2-740kg/cm2轉軸組合本發(fā)明(實心截面轉軸) 890kg/cm2-472kg/cm2(通道截面轉軸) 674kg/cm2-574kg/cm2＊在輪體孔表面處＊＊在轉軸中心或內(nèi)徑處本發(fā)明也可用于對現(xiàn)有傳統(tǒng)葉輪/轉軸組合進行改進而無須做大的改動，也就是可將原來部件從傳統(tǒng)實心轉軸36上拆去并按本發(fā)明安裝新的葉輪裝配螺栓68和鎖緊螺栓70。這樣葉輪/轉軸接觸面配合就可以將21℃承扭矩能力提高至初始值(改造之前)而不至增加葉輪輪體應力水平。熱承扭矩能力也可增加很多。
上文只是對本發(fā)明的原理的直觀說明。進一步講，由于對熟悉這一工藝的內(nèi)行來說許多修正和改動很容易實現(xiàn)，因此并不能將本發(fā)明限制在所畫出及所描述的特定的結構和運行條件下，而一切修正及技術等同物均應屬于本發(fā)明以及所附的權利要求
書的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種核反應堆冷卻劑循環(huán)泵，包括一個具有一入液口及一出口的泵殼體，一個被可旋轉地支承在泵體上的轉軸(64)，一個安裝在該轉軸(64)上并置于上述泵體內(nèi)的葉輪(72)以及一只擰入轉軸(64)中心孔內(nèi)的葉輪裝配螺栓(68)，其特征在于該螺栓(68)及轉軸(64)上有通道(78，80)以導流冷卻劑流過該轉軸(64)從而保持該轉軸(64)基本處于與上述葉輪(72)相同溫度下。
2.權利要求
1中所述的泵，其特征為部分通道(78，80)加工在葉輪裝配螺栓(68)的外表面上并與轉軸孔內(nèi)表面的一部分相接觸。
3.如權利要求
1或2中所述的泵，其特征是，上述螺栓(68)在其中心附近具有進液口(80)以導流冷卻劑流至上述通道(78)，該螺栓(68)還有徑享出液口(84)，它適合于形成泵浦作用從而泵唧冷卻劑流過上述通道(78)。
4.如權利要求
1至3中任一條所述的泵，其特征是，上述裝配螺栓(68)具有一中心孔(77)及一鎖緊螺栓(70)，它穿過該裝配螺栓(68)且與所說中心孔(77)的孔壁間有空隙，這樣在所說鎖緊螺栓(70)及所說孔(77)壁間構成上述通道(78)的一部分。
5.如權利要求
4中所述的泵，其特征在于所說裝配螺栓(68)及所說鎖緊螺栓(70)均擰入上述的轉軸(64)內(nèi)，它們的螺紋的螺旋向相反(一個左旋而另一個右旋)，并在牢固地安裝于該轉軸(64)上之后被焊在一起。
專利摘要
一臺核反應堆冷卻劑泵，包括一個葉輪(72)，及葉輪裝配螺栓(68)，在與轉軸的一部分相毗連的葉輪裝配螺栓上加工有液體通道，以使得冷卻劑可被有效地泵唧流過通道而將轉軸加熱至葉輪溫度相近的溫度，從而形成泵組件的熱平衡并改進泵效率。
文檔編號F04D29/22GK86105549SQ86105549
公開日1987年2月18日 申請日期1986年7月31日
發(fā)明者萊奧納德·斯坦利·詹金斯 申請人:西屋電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan