專利名稱:核反應(yīng)堆冷卻劑泵的葉輪/轉(zhuǎn)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(yīng)堆冷卻劑泵的葉輪/轉(zhuǎn)軸組件。
如在公認(rèn)的美國(guó)專利4427620及4434132號(hào)中所描述的以及如本文簡(jiǎn)化示意圖圖1所示，一個(gè)典型的核反應(yīng)堆發(fā)電設(shè)施10通常包括一個(gè)核反應(yīng)堆12及汽輪發(fā)電機(jī)14和16。這個(gè)設(shè)施10還包括給核反應(yīng)堆12提供冷卻劑的獨(dú)立的循環(huán)回路18和20。每個(gè)回路18及20包括相應(yīng)的汽輪發(fā)電機(jī)14及16的一次管路22。每個(gè)回路18和22還包括一個(gè)“熱”的支架24，由核反應(yīng)堆12流出的熱的冷卻劑通過(guò)它被導(dǎo)入每臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)14和16的進(jìn)液口26。而在發(fā)電機(jī)的一次管路22處，熱的冷卻劑與注入到每個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)14及16的冷水進(jìn)行熱交換。每個(gè)循環(huán)回路18及20還包括一個(gè)“冷”的支架28，經(jīng)熱交換降低了溫度的冷卻劑通過(guò)它由每臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)14及16的出液口30返回至核反應(yīng)堆12。最后，每個(gè)循環(huán)回路18及20中還包括一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)冷卻劑流動(dòng)的冷卻劑泵32。
由于冷卻劑泵32有助于核反應(yīng)堆12的冷卻，因而對(duì)該泵的最有效設(shè)計(jì)及無(wú)故障運(yùn)行都要求極高。
如本文件圖2和圖3更詳細(xì)示出的，傳統(tǒng)的冷卻劑泵32一般包括一個(gè)殼體或稱箱體34及實(shí)心轉(zhuǎn)軸36，該轉(zhuǎn)軸被軸向地裝配在殼體34上以在該處轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)熱軸套38(圖4中略)包住轉(zhuǎn)軸36的一部分。一葉輪鍵40嵌在轉(zhuǎn)軸36與葉輪或稱轉(zhuǎn)子46之間(圖3)。葉輪鍵起保險(xiǎn)的作用，一旦葉輪46與轉(zhuǎn)軸36松脫時(shí)，葉輪鍵40將防止葉輪46相對(duì)轉(zhuǎn)軸36旋轉(zhuǎn)。
特別是葉輪46是冷卻劑泵32的旋轉(zhuǎn)部件，它通常有一個(gè)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(zhuǎn)軸36上裝配時(shí)，加熱葉輪46從而在它們之間形成相對(duì)緊的錐面配合。葉輪46與轉(zhuǎn)軸36間這一錐面配合區(qū)域以標(biāo)號(hào)47示出(圖3)。
葉輪46裝配到轉(zhuǎn)軸36上之后，將一鎖緊螺栓44穿過(guò)葉輪螺帽42上的中心孔45并以在旋螺紋52擰入轉(zhuǎn)軸36。葉輪螺帽42還在一旦葉輪從它與轉(zhuǎn)軸36的錐面配合松脫時(shí)起保護(hù)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(zhuǎn)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(huì)松退，并從而得到葉輪46牢固地與轉(zhuǎn)軸36結(jié)合在一起。
當(dāng)然冷卻劑泵32還包括一液體入口48及液體出口50。泵32運(yùn)行時(shí)，冷卻劑進(jìn)入液體入口48，按箭頭“A”指出的方向環(huán)流過(guò)葉輪46的外表面并經(jīng)液體出口50流出。此后，通過(guò)加工在葉輪46上的導(dǎo)管53還形成一付流，其流向由箭頭B標(biāo)出(圖3)。
運(yùn)行時(shí)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(zhuǎn)軸36處于比葉輪低得多的溫度下。
因此運(yùn)行時(shí)在葉輪46與實(shí)心轉(zhuǎn)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(duì)于轉(zhuǎn)軸36膨脹，從而減小葉輪46與轉(zhuǎn)軸36間的接觸面壓力，結(jié)果葉輪就有可能從其與轉(zhuǎn)軸36的錐面配合松脫。如果這個(gè)情況發(fā)生了，這兩部分之間原先承載的摩擦力就會(huì)消失，而人們所不希望的應(yīng)力就會(huì)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(zhuǎn)軸組件的泵，其葉輪對(duì)轉(zhuǎn)軸的錐面配合確?？煽?。
有鑒于此目的，本發(fā)明為一核反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)泵，它包括一個(gè)具有一入口及一出口的殼體，一個(gè)可旋轉(zhuǎn)地被支承在該殼體上的轉(zhuǎn)軸，一個(gè)裝配在該轉(zhuǎn)軸上并置于上述殼體內(nèi)的葉輪以及一只擰入轉(zhuǎn)軸中心孔的葉輪裝配螺帽，其特征是所述螺栓及轉(zhuǎn)軸具有一些通道用以導(dǎo)流冷卻劑流過(guò)轉(zhuǎn)軸從而保持該轉(zhuǎn)軸的溫度基本同于上述葉輪的溫度。
由下面以附圖為基礎(chǔ)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(yīng)堆發(fā)電設(shè)施包括冷卻劑泵的示意圖;
圖2是一傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆冷卻劑泵的正面主視局剖圖;
圖3是一傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆冷卻劑泵的葉輪/轉(zhuǎn)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(yīng)堆冷卻劑泵的葉輪/轉(zhuǎn)軸組件的主視剖面圖，它特別標(biāo)出了冷卻劑流過(guò)在葉輪螺帽上加工出的幾組導(dǎo)孔的情況以及標(biāo)出了在葉輪螺帽上加工出的通道。
與前述傳統(tǒng)核反應(yīng)堆冷卻劑泵的葉輪/轉(zhuǎn)軸組件相反，如圖4所示，本發(fā)明的核反應(yīng)堆冷卻劑泵60總的說(shuō)包括下述部件一個(gè)殼體，它與圖2中所示傳統(tǒng)殼體34相比較有改變一個(gè)軸向地裝在殼體上以在那里轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸64。轉(zhuǎn)軸64也有一個(gè)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(gè)葉輪鍵66嵌在轉(zhuǎn)軸64與葉輪或稱轉(zhuǎn)子72之間。一般葉輪72有一個(gè)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(shí)要加熱以形成對(duì)轉(zhuǎn)軸64相對(duì)緊的錐面配合葉輪72與轉(zhuǎn)軸64間的錐形配合面由參考標(biāo)號(hào)75標(biāo)出。一個(gè)葉輪裝配螺栓68與一個(gè)鎖緊螺栓70被用來(lái)把葉輪72牢固地連接在轉(zhuǎn)軸64上。特別是葉輪裝配螺栓68具有左旋螺紋，它與轉(zhuǎn)軸64上加工出的左旋螺紋71相嚙合。鎖緊螺栓70穿過(guò)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(zhuǎn)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(guò)的那樣。
葉輪螺栓68上加工有至少一個(gè)通道78。這至少一個(gè)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(zhuǎn)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(gè)的通道78的最佳數(shù)目是2。不過(guò)，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(gè)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(biāo)號(hào)78′所示，此外，可以加工至少一個(gè)其它通道78″，例如與通道78′斜交。
第一組導(dǎo)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(shí)際可行數(shù)量的導(dǎo)孔，第一組導(dǎo)孔每個(gè)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(dǎo)孔84與通道78的另一端相通。第二組導(dǎo)孔的最佳數(shù)量是4，盡管任何實(shí)用的導(dǎo)孔數(shù)都可以采用，第二組導(dǎo)孔每孔的最佳直徑是1.9厘米。
第一組導(dǎo)孔80，通道78及第二組導(dǎo)孔84的尺寸必須足夠大以克服水與導(dǎo)孔80，通道78、導(dǎo)孔84間摩擦而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。導(dǎo)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(zhuǎn)軸內(nèi)部的熱傳遞實(shí)際上與任何外界影響無(wú)關(guān)。
在選擇通道78的數(shù)量以及位置時(shí)的一個(gè)重要考慮是要轉(zhuǎn)軸64與葉輪72旋轉(zhuǎn)時(shí)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(duì)加工出通道78。關(guān)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(dǎo)孔80和84。
當(dāng)然，泵60還包括有一個(gè)液體入口74和一個(gè)液體出口76。冷卻劑進(jìn)入液體入口74，繞葉輪72流動(dòng)，如箭頭“C”標(biāo)出的那樣。此外，還產(chǎn)生一如箭頭“D”標(biāo)出的付流流過(guò)葉輪72。另外，由于(1)第一組導(dǎo)孔80和第二組導(dǎo)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(shí);以及(3)，液態(tài)冷卻劑必須流過(guò)通道78，78′及78″這一相對(duì)很長(zhǎng)的距離，將有效地產(chǎn)生泵唧作用。更確切地說(shuō)，冷卻劑從以箭頭“C”標(biāo)出的冷卻劑主流中流入并經(jīng)過(guò)第一組導(dǎo)孔80，經(jīng)過(guò)箭頭E標(biāo)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(dǎo)孔84泵出。
要了解，上述使冷卻劑通過(guò)導(dǎo)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(yùn)行時(shí)的溫度仍是約260℃，另一方面，由于泵唧作用使冷卻劑流過(guò)葉輪裝配螺栓68上加工出的通道78，78′及78″并與轉(zhuǎn)軸64接觸，就使轉(zhuǎn)軸64的溫度接近或等于葉輪72的溫度，于是葉輪72與轉(zhuǎn)軸64之間不再存在熱的不平衡。因此消除了葉輪72相對(duì)于溫度較低的轉(zhuǎn)軸64膨脹的潛在危險(xiǎn)，也就避免了葉輪72從其與轉(zhuǎn)軸64的錐面配合上可能的松脫。
因此，通過(guò)提供一個(gè)與轉(zhuǎn)軸相接觸的流體通道，改善了葉輪/轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸溫差)對(duì)葉輪/轉(zhuǎn)軸接觸面壓力的沖擊較傳統(tǒng)的葉輪/實(shí)心轉(zhuǎn)軸組合降低了。對(duì)此結(jié)果如下列表Ⅰ和表Ⅱ所示。
表Ⅰ傳統(tǒng)的葉輪/實(shí)心轉(zhuǎn)軸組合-穩(wěn)態(tài)及等變率＊升溫終點(diǎn)的觀測(cè)值291℃ 291℃穩(wěn)態(tài) 等變率升溫終點(diǎn)葉輪中央輪體的平均溫度 287℃ 283℃轉(zhuǎn)軸平均溫度 281℃ 266℃輪體/轉(zhuǎn)軸溫差△T 6℃ 16℃＊100°F/hr.ramp(每小時(shí)等變率地升溫100華氏度)表Ⅱ本發(fā)明(測(cè)試條件同表Ⅰ)291℃ 291℃穩(wěn)態(tài) 等變率升溫終點(diǎn)輪體/轉(zhuǎn)軸溫差△T 2.2℃ 3.9℃此外，依本發(fā)明葉輪中央輪體73與轉(zhuǎn)軸64上的應(yīng)力水平下降，如表Ⅲ所示表Ⅲ傳統(tǒng)葉輪/實(shí)心轉(zhuǎn)軸與本發(fā)明的對(duì)照組合條件及相同等變率升溫終點(diǎn)承扭矩能力條件下葉輪中央輪體與輪軸最大應(yīng)力強(qiáng)度的對(duì)比(21℃的應(yīng)力強(qiáng)度)輪體應(yīng)力強(qiáng)度＊ 轉(zhuǎn)軸應(yīng)力強(qiáng)度＊＊葉輪輪體/轉(zhuǎn)軸模式傳統(tǒng)葉輪/實(shí)心 1336kg/cm2-740kg/cm2轉(zhuǎn)軸組合本發(fā)明(實(shí)心截面轉(zhuǎn)軸) 890kg/cm2-472kg/cm2(通道截面轉(zhuǎn)軸) 674kg/cm2-574kg/cm2＊在輪體孔表面處＊＊在轉(zhuǎn)軸中心或內(nèi)徑處本發(fā)明也可用于對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)葉輪/轉(zhuǎn)軸組合進(jìn)行改進(jìn)而無(wú)須做大的改動(dòng)，也就是可將原來(lái)部件從傳統(tǒng)實(shí)心轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)力水平。熱承扭矩能力也可增加很多。
上文只是對(duì)本發(fā)明的原理的直觀說(shuō)明。進(jìn)一步講，由于對(duì)熟悉這一工藝的內(nèi)行來(lái)說(shuō)許多修正和改動(dòng)很容易實(shí)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(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件下，而一切修正及技術(shù)等同物均應(yīng)屬于本發(fā)明以及所附的權(quán)利要求
書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種核反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)泵，包括一個(gè)具有一入液口及一出口的泵殼體，一個(gè)被可旋轉(zhuǎn)地支承在泵體上的轉(zhuǎn)軸(64)，一個(gè)安裝在該轉(zhuǎn)軸(64)上并置于上述泵體內(nèi)的葉輪(72)以及一只擰入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸(64)上有通道(78，80)以導(dǎo)流冷卻劑流過(guò)該轉(zhuǎn)軸(64)從而保持該轉(zhuǎn)軸(64)基本處于與上述葉輪(72)相同溫度下。
2.權(quán)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(zhuǎn)軸孔內(nèi)表面的一部分相接觸。
3.如權(quán)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(jìn)液口(80)以導(dǎo)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(guò)上述通道(78)。
4.如權(quán)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(guò)該裝配螺栓(68)且與所說(shuō)中心孔(77)的孔壁間有空隙，這樣在所說(shuō)鎖緊螺栓(70)及所說(shuō)孔(77)壁間構(gòu)成上述通道(78)的一部分。
5.如權(quán)利要求
4中所述的泵，其特征在于所說(shuō)裝配螺栓(68)及所說(shuō)鎖緊螺栓(70)均擰入上述的轉(zhuǎn)軸(64)內(nèi)，它們的螺紋的螺旋向相反(一個(gè)左旋而另一個(gè)右旋)，并在牢固地安裝于該轉(zhuǎn)軸(64)上之后被焊在一起。
專利摘要
一臺(tái)核反應(yīng)堆冷卻劑泵，包括一個(gè)葉輪(72)，及葉輪裝配螺栓(68)，在與轉(zhuǎn)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(guò)通道而將轉(zhuǎn)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(jìn)泵效率。
文檔編號(hào)F04D29/22GK86105549SQ86105549
公開(kāi)日1987年2月18日 申請(qǐng)日期1986年7月31日
發(fā)明者萊奧納德·斯坦利·詹金斯 申請(qǐng)人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan