JPH0481599A - ポンプ用軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はたとえば軽水型原子炉の一次冷却水を効率良く
循環させる原子炉再循環ポンプのポンプ軸の熱応力を緩
和させるためのポンプ用軸封装置に関する。

（従来の技術） たとえば軽水型原子炉に使用されている原子炉再循環ポ
ンプは高温高圧の純水を取り扱う大容量ポンプで、所要
流量と水頭に加え、配置上の要求から単段の竪形うす巻
きポンプとなっている。

以下、第６図を参照しながら従来のポンプ用軸封装置を
組込んだ原子炉再循環ポンプについて説明する。

第６図中、符号１は上部ケーシングを示しており、この
上部ケーシング１内にはポンプ主軸２を軸封するシール
室３が設けられている。このシール室３内にはポンプ主
軸２の側面を包囲してメカニカルシール４が設けられて
いる。シール室３の上部にはパージ水注入管５が設けら
れており、シール室３の外周囲には熱交換器６が配設さ
れている。ポンプ主軸２の上端はたわみ継手７を介して
モータ軸８に接続されている。ポンプ主軸２の下方側面
には環状溝が多数軸方向に積層するように構成したラビ
リンス部９が形成されており、その下方には羽根車１０
が取着されている。羽根車１０はポンプ室２１を構成す
る下部ケーシング１１内に配置されている。下部ケーシ
ング１１は上部ケーシング１の下端部に接続されたベー
ス１２にボルト１３で締め付けられて接続されている。

ベース１２と下部ケーシング１１との間にはケーシング
カバー１４が介在されている。ケーシングカバー１４の
下端面には水中軸受１５が取着されており、水中軸受１
５は羽根車１０の細部を軸支する。下部ケーシング１１
には原子炉−次冷却水つまりポンプ水（熱水）を流入す
る吸込口１６と、この吸込口１６から羽根車１０で吸込
まれた一次冷却水を吐出する吐出口１７が下方に形成さ
れている。また、ポンプ主軸２には前記ラビリンス部９
の上方に位置して循環羽根１８が取着されており、この
循環羽根１８でシール室３内の軸封水を循環させる。図
中１９は上部ケーシング１のフランジであり、また２０
はケーシングカバー１４の中央部に突出して設けられた
筒状軸で、この筒状軸２０の下部と前記ポンプ主軸２と
の間にはポンプ室２１の一部が形成されている。

このように、従来のポンプ主軸２の周囲はメカニカルシ
ール４と、ケーシングカバー１４の内面に囲まれてポン
プの役割をしてポンプ水を吸込み、吐出する羽根車１０
と、この羽根車１０を回転するポンプ主軸２に取着され
た羽根車１０の細部を軸支する水中軸受１５と、この水
中軸受１５を取着し上部ケーシング１と下部ケーシング
１１とを区画するケーシングカバー１４とからなってい
る。また、メカニカルシール４を内蔵しているシール室
３内のパージ水つまり冷水部分と、羽根車１０および水
中軸受などを内蔵してポンプ水が充満しているポンプ室
２１内の熱水部分はポンプ主軸２に取着された循環羽根
１８およびラビリンス部９で区分されている。

熱交換器６は軸封水が注入を停止した場合に備えてメカ
ニカルシール４の昇温破損を防止するための軸封水を冷
却するためのものである。パージ水はメカニカルシール
４にポンプ水が流れ込まないようにシールするためのも
のである。

（発明が解決しようとする課題） 第６図に示した従来の原子炉再循環ポンプ用軸封装置に
おけるポンプ主軸２に形成したラビリンス部９とケーシ
ングカバー１４の内面との間には円筒状の狭い流路を形
成している。たとえば沸騰水型原子炉の場合、原子炉再
循環水つまりポンプ水の温度はかなり高温度の熱水であ
り、シール室３内は軸封水が循環する冷水であるため、
シール室３とポンプ室２１内との間にはかなり大きな温
度差がある。シール室３内の温度を低温状態に保ち、か
つメカニカルシール４内にポンプ水が流入しないように
するため、低温のパージ水（軸封水とも云う）を外部か
らパージ水流人管Ｓを通して注入している。

しかしながら、このようなポンプ用軸封装置では下部の
ポンプ室２１内が熱水、上部のシール室３内が冷水で大
きな温度差、つまり大きな密度差が生じる。したがって
、密度差に伴う重力によって上記冷水と熱水との冷・熱
界面は不安定となり、密度の小さいポンプ水（熱水）が
下部ケーシング１１内のポンプ室２１からラビリンス部
９へ上昇し、上部のシール室３から注入しているパージ
水（冷水）がラビリンス部９を下降する。このため、冷
・熱界面は波立ち、ポンプ主軸２およびケーシングカバ
ー１４のラビリンス部の温度はこの熱水と冷水の温度差
を最大振幅とする大きな温度変動を生じてポンプ主軸２
に熱応力が発生し、熱疲労を引き起す課題がある。

また、パージ水の流量が変化すると冷・熱界面は上下（
軸方向）にも移動する。このため、冷・熱境界部である
ラビリンス部９のポンプ主軸２およびケーシングカバー
１４の金属部分に大きな熱応力が発生し易くなる。熱応
力が多数回、長年にわたり繰り返されると、ラビリンス
部９に熱疲労による亀裂を生じる可能性がある。

したがって、パージ水の流量およびポンプの回転数が多
少変化しても大きな温度変動を生じないポンプ軸の軸封
装置が要望される。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、冷
・熱境界部の温度変動を緩和して熱疲労を防止し、構造
強度上の信頼性を大幅に向上させることができるポンプ
用軸封装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上部ケーシング内に配設されたポンプ主軸と、
このポンプ主軸を軸封するシール室内にパージ水を循環
する循環機構と、前記上部ケーシングの下端に連接する
下部ケーシング内とを区分するラビリンス部と、前記上
部ケーシングと下部ケーシングとの間に設けられたケー
シングカバーと、このケーシングカバーの中央部に突出
しかつ前記ポンプ主軸を包囲するようにして設けられた
筒状軸と、この筒状軸の下部と前記ポンプ主軸との間に
形成されたポンプ室と、前記下部ケーシング内のポンプ
主軸に取着された羽根車とを有するポンプ用軸封装置に
おいて、前記シール室とポンプ室との境界部に位置した
前記ポンプ主軸および筒状軸にそれぞれ内角部に曲面を
有する段部を形成し、これらの段部を前記曲面間に拡大
したギャップが形成されるように対向配置してなること
を特徴とする。

（作用） ポンプ主軸の段部と、ケーシングカバーに設けた筒状軸
の段部との間に形成されるパージ水流路の拡大したギャ
ップはパージ水の温度、流量の変化が直接シール室から
ポンプ室に至る境界部の材料に大きな温度変動として伝
播しない。また、境界部における温度勾配は温度差がパ
ージ水の流量に依存して配分される。したがって、ギャ
ップによりポンプ室への出入口で大きな温度勾配をつく
ることを抑制することができる。

さらに、ラビリンス部に生じるかなり大きな応力集中を
段部の曲面の曲率半径Ｒを大きくすることで緩和するこ
とができ、これらの総合でポンプ主軸またはケーシング
カバ一部に生じる熱応力を低減でき、熱疲労、亀裂の発
生を防止することができる。

（実施例） 第１図から第４図を参照しながら本発明に係るポンプ用
軸封装置の一実施例を説明する。

なお、本発明においてポンプの構造は第６図に示した原
子炉再循環ポンプの構造と本質的に変るものではなく、
そのポンプの軸封装置に関するものなので、第１図では
その要部のみを示し、第６図と同一部分には同一符号を
付し重複する部分の説明は省略する。

第１図中、符号２ａは第６図で示したポンプ主軸２に相
当する中実ポンプ主軸を示しており、このポンプ主軸２
ａの表面には図示してないがラビリンス部が形成されて
おり、また下端部から上方に向けて直径が徐々に小さく
なるように第１の段部２２および第２の段部２３が形成
されている。ポンプ主軸２ａの第１の段部２２の部位に
は羽根車１０が、第２の段部２３の部位より上方には循
環羽根１８が取着されている。第１の段部２２および第
２の段部２３の内角部には曲率半径Ｒが大きい曲面２４
が形成されている。ケーシングカバー１４に突出して設
けられた筒状軸２０の内面には中心方向に突出しかつポ
ンプ主軸２ａの第２の段部２３と循環羽根１８との間に
カバー内面段部２５が形成されている。このカバー内面
段部２５には曲率半径Ｒの大きい曲面２６が形成されて
いる。第２の段部２３とカバー内面２５との対向間には
拡大したギャップ２７が形成される。このギャップ２７
の周辺部分を拡大して第２図に示す。第２図はシール室
３とポンプ室２１との境界部を詳細に示しており、ギャ
ップ２７内にはパージ水２８がシール室３からポンプ室
２１へ向って流れ込む。

なお、第１図中、下部ケーシング１１とベース１２はボ
ルト１３で一体的に結合され、下部ケーシングとベース
１２との間にはケーシングカバー１４が水密に固定され
、ケーシングカバー１４の下面に水中軸受１５がボルト
締めで固定されている。

つぎに第１図および第２図に示した軸封装置の作用を説
明する。

ポンプ主軸２ａと筒状軸２０との間にはシール室３から
パージ水２８がギャップ２７内に流入する。パージ水２
８は軸方向の流路を形成し、ポンプの回転によって周方
向にも回転する。この境界部の温度分布を第３図に従来
例と対比して示す。なお、第３図は第２図のポンプ主軸
の軸方向に対する温度との関係を示したもので、図中曲
線ａは本発明例を、曲線すは従来例を示している。

すなわち、境界部の温度分布は、従来例では曲線すで示
したようにポンプ室２１の近傍部での温度勾配が厳しく
、従ってこの部分での熱応力が厳しくなり、またパージ
水２８の温度、流量の変動により熱応力の高周期な負荷
が重畳されていた。これに対して、本発明では曲線ａで
示したように温度勾配は緩やかになり、しかもパージ水
２８の温度、流量の変動はギャップ２７で吸収されるの
でポンプ主軸２ａおよびケーシングカバー１４の表面金
属温度の変動に及ぼすパージ水２８の温度、流量の変動
の影響が緩和される。この結果、シール室３はポンプ室
２１との境界部に発生する熱応力を緩和することができ
る。

さらに、ポンプ主軸２ａの第２の段部２３の曲率半径Ｒ
の大きさと、その部分での応力集中係数との関係の概念
を第４図に示す。なお、第４図はポンプ主軸の細部直径
ｄと曲率ρとの比ρ／ｄとの比に対する応力集中係数α
との関係で示している。

従来例ではラビリンス部において曲率半径Ｒが非常に小
さいため、応力集中が顕著となる。これに対して、本発
明では曲率半径Ｒが大きいため、応力集中を大幅に緩和
することができ、結果として温度勾配および変動により
発生する応力を低減でき、熱疲労亀裂の発生を防止する
ことができる。

第５図は本発明の他の実施例を示したもので、第２図と
対比して説明する。

第５図におけるポンプ主軸２ｂには第１から第４までの
主軸段部２９ａ〜２９ｄが形成されるとともに下端部か
ら上方に向けて徐々に細径どなるように切削されている
。また、ケーシングカバー１４の筒状軸２０にも第１か
ら第４までのカバー内面段部３０ａ〜３０ｄが形成され
ている。主軸段部２９ａ〜２９ｄとカバー内面段部３０
ａ〜３０ｄを若干ずらして対向し拡大したギャップ部３
１ａ〜３１ｄを形成されている。

この実施例における作用は前述した実施例とほぼ同様で
あり、この実施例によってもシール室３とポンプ室２１
との境界部における温度勾配および変動により発生する
応力を低減でき、もって熱疲労亀裂の発生を防止するこ
とができる。

〔発明の効果〕

本発明によればポンプ主軸の軸封部位におけるパージ水
（冷水）とポンプ水（熱水）との冷温水混合部の温度勾
配および温度変動を緩和することができるとともに応力
集中を緩和する。よって構造強度上の信頼性が向上し、
安全性向上に寄与することが大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るポンプ用軸封装置の一実施例にお
ける要部を拡大して示す縦断面図、第２図は第１図にお
ける■部を拡大して示す縦断面図、第３図は第２図にお
ける軸方向と温度との関係を示す曲線図、第４図は本発
明の発生応力に及ぼす効果を示す曲線図、第５図は本発
明の他の実施例の要部を示す縦断面図、第６図は従来例
を説明するための原子炉再循環ポンプを示す縦断面図で
ある。 １・・・上部ケーシング ２・２ａ・２ｂ・・・ポンプ主軸 ３・・シール室　　　　　４・・メカニカルシール５・
・パージ水注入管　　６・・・熱交換器７・・・たわみ
継手　　　　８・・・モータ軸９・・・ラビリンス部　
　　１０・・・羽根車１１・・下部ケーシング　　１２
・・・ベース１３・・・ボルト　　　　　　１４・・・
ケーシングカバー１５・・水中軸受　　　　　１６・・
・吸込口１７・・吐出口　　　　　　１８・・循環羽根
１９・・・上部フランジ　　　２０・・・筒状軸２１・
・ポンプ室　　　　　２２・・・第１の段部２３・・・
第２の段部　　　　２４・２６・・・曲面２５・・・カ
バー内面段部　　２７・・・拡大したギャップ２８・・
・パージ水　　　　　２９ａ〜２９ｄ・・・主軸段部３
０ａ〜３０ｄ・・カバー内面段部 ３１ａ〜３１ｄ・・・ギャップ部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 上部ケーシング内に配設されたポンプ主軸と、このポン
   プ主軸を軸封するシール室内にパージ水を循環する循環
   機構と、前記上部ケーシングの下端に連接する下部ケー
   シング内とを区分するラビリンス部と、前記上部ケーシ
   ングと下部ケーシングとの間に設けられたケーシングカ
   バーと、このケーシングカバーの中央部に突出しかつ前
   記ポンプ主軸を包囲するようにして設けられた筒状軸と
   、この筒状軸の下部と前記ポンプ主軸との間に形成され
   たポンプ室と、前記下部ケーシング内のポンプ主軸に取
   着された羽根車とを有するポンプ用軸封装置において、
   前記シール室とポンプ室との境界部に位置した前記ポン
   プ主軸および筒状軸にそれぞれ内角部に曲面を有する段
   部を形成し、これらの段部を前記曲面間に拡大したギャ
   ップが形成されるように対向配置してなることを特徴と
   するポンプ用軸封装置。