JPS60249794A - 分岐管および原子炉の再循環配管系 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、流体流路の分岐流路の構造に関するものであ
る。

〔発明の背景〕

原子カプラントは、原子力圧力容器１内に炉心を有し、
この炉心に冷却水を送給する再循環系配管が第１図の如
く備えられている。炉心に送給された冷却水は炉心の熱
によって一部高圧蒸気化寝れてタービン発電機に送られ
、電力を出力として得粂ものが主流となっている。

第１図に、従来技術による再循環系配管の慨略図を示す
。原子炉圧力容器１に取付られる再循環系配管は、次の
ような構成となる。圧力容器１内に連通ずる曲ｇ部２は
ティー付き直管部３に接続される。この直・α部３が大
口弁４を介して原子炉圧力容器１内に水を強制循環させ
るだめの再循環系ポンプ５の吸入口に連通される。モー
タ６で部系 動される再循ｊＪｌ、ｔ”ンプ５の吐出口は出目弁７を
介して母管８の一端に接続され、他端は十字分岐管９を
介してヘッダー曲管１０．　レジューサ１１、ライザ管
１２等に接、読される構成を有する。各配管部品はそれ
ぞれ突き合せ溶接によシ、接合されている。沸騰水屋原
子炉（ＢＷＲ）プラントの運転時においては、圧力容器
１内の冷却水を循環させるため、′再循環系配管内を冷
却水が流れる。すなわち、原子炉圧力容器１内の冷却水
は、モータ６の駆動により、曲・ｇ部２、ティー付き直
管部３、入口弁４、ポンプ５、出口弁７、母管８を順次
、通過して、十字分岐管９内に流入する。冷却水は、十
字分岐管９によって母管８から末端下流側の流動系統へ
分けられ、その一部は十字分岐管９から。

直接、レジューサ１１、レジューサ１１直上のライザ管
１２を経由して、原子炉圧力容器１内のジェットポンプ
（図示せず）内に噴出する。一方、残シの冷却水は、十
字分岐＃９からヘッダー曲管１０、レジューサ直上以外
におけるライザ管１２を経てジェットポンプ内に噴出す
る。

第２図は第１図に示した十字分岐管９の詳細縦断面を、
第３図にその側面図を示す。母管Ｂからの冷却水の流れ
ｆｏは、十字分岐管９で分かれて左右のヘッダー曲１１
０方向への流れ’ｌ　ｒ　’２と、レジューサ１１方向
への流れｆ３となる。この分岐部の流れは、従来、第４
図に示すように、各配管の接続部で２次流れ（１３，１
４）を生じるが、図の矢印の方向に流れる状態しか存在
しないと考えられていた。ところが、発明者による流動
可視実験によりこの状態以外に、第５図に示すように、
両心が左右両側のヘッダー曲・１ｉｌｌｏにわたって旋
回をともなう流れの状態があシ、Ｊ４図と第５図との２
つの流動状態を交互に生じる場合があることがわかった
。すなわち、十字分岐管９内の流れは、非旋回流の状態
（第４図）と旋回流の状態（第５図）の間を遷移し、十
字分岐ａ９を含む配・Ｕ内の流動が不安定となる。その
結果、分岐管における流れ【１　＋　ｊ２　＋　’３の
方向（第２図）の流動抵抗が変化し、これに伴ない、各
ライザ管１２への流量分配や圧力損失が不規則に変化す
る場合がある。第６図に十字分岐管９を模擬した実験で
得られた圧力損失の測定結果を示す。第６図−中縦グラ
フ軸は基準圧力に対する相対値で表示しであるので単位
は無い。この第６図のグラフ図から前記のごとく、２つ
の状態間を遷移することがわかる。これらの測定結果を
流れの可視化によシ流れの状態と対応づけると、高圧損
時には旋回流が、低圧損時には非旋回流の状態が対応す
る。したがって、このような状態間の遷移、すなわち、
流動変動現象が生じると、原子炉内炉心への冷却水量が
変動し、その結果沸、禮水型原子炉の出力変動が起りや
すく出力の制御性が低下する懸念がある。さらには、圧
力容器内での冷却水流動バランスもくずれやすく危険で
もある。　′ 〔発明の目的〕 本発明の目的は、分岐流路部における流動状態を安定に
維持することにある。

〔発明の概要〕

本発明の基本構成は、流入した流体をすくなくとも３方
向の配管へ分流する分岐管を備えた配管系において、前
記流体の流入方向に面する前記配管の流体入口を前記分
岐管内方向へ突き出し入れたことを特徴とした配管分岐
構造であって、前記突き出し入れた配管部分で流れの旋
回渦の発生を抑制し、各流れｆｌ　＋　、’２　＋、　
’３方向の圧力損失を一定に維持し、分流配分量の変動
をなくすることのできるものであって、さらに本発明の
詳細な説明すると以下の通りである。

以下に本発明の原理を、従来例の旋回流及び非旋回流の
状態と関連づけて説明する。第７図、第８図には、従来
例の十字分岐管内で流れの様子（非旋回流、旋回流）を
、第９図には、本発明を採用した場合の流れの様子を矢
印で示す。非旋回流の状態では、十字分岐管内の流れは
、渦及び２次流れを伴なわなく、分岐し流れる（第７図
）。

一方、旋回流の状態では、ヘッダー曲管１０と直結する
部分１５で渦（旋回流）が発生するが、流れの角運動量
の総和が保存されるため、逆向きの渦がレジューサ上（
Ｎ、　１６に発生する（第８図）。

したがって、この旋回流の発生を抑制するためには、こ
の２つの渦のどちらか一方の発生を防止すれば、残シの
渦の発生も防止できる。例えば本実施例では、十字分岐
管９の内部にライザ管１２と一体構造の内管１７を設け
、その内管１７の流体入口をヘッダー曲ｆ１０と直結す
る部分まで挿入する。そのため、第９図に示すようにレ
ジューサ１１上流で従来例では生じていた渦の発生が常
に防止できるので、ヘッダー曲・ｇと直結する渦が発生
しなく、非旋回流の状態を維持できる。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の各実施例を具体的に説明する。

第１０図は本発明による好適な第一実施例である原子炉
プラントの再循環系配管の十字分岐管の概略図である。

本実施例の特徴は、十字分岐管９の内部に、ライザ管１
２と一体構造の内管１７を母管８側へ延長して設け、そ
の内管１７の入口端１９をヘッダー曲管１０の上流側の
面１９ａの高さに設定し、さらに、内Ｗ１７のレジュー
サ１１と近接する゛箇所に仮数の穴１８を設けた点にあ
る。

かかる構造にしたことによシ、中子分岐管９に流入する
冷却水は、第１０図中の各矢印の向きに、中央部の流れ
ｆは内−＃１７に、周辺部の冷却水の流れｆ４はヘッダ
ー曲ｆ１０に流れ込む。また、従来例で発生していた＃
回流状態に対しては、内管が旋回流の障否体となるので
、非旋回状態が維持される。その結果、再循環系の流動
が非旋回状態の一状態に維持され安定化する。また、本
実施例の効果を従来例と比較する実験を行った。その実
験結果の一例として、十字分岐管の圧力損失の時間変化
を第１１図、第１２図に示す。第１１図は従来例の結果
で、第１２図は本実施例の結果で・ある。従来例では、
時間的に旋回の状態と非旋回流の状態の間を遷移し、流
動が不安定となるが、本実例では、流れは１つの状態に
保持され、流動が安定化していることがわかる。同図に
示した圧力損失は一般に流量の１欽であり、流速の相違
する条件で圧力損失を比較するのは殖しい。そこで、十
字分岐管の圧力損失を動圧（ｇＵ”／２ｊｇ：重力那速
度、Ｕ：ｆｉ速）て除し無次元化した圧損係数を用いて
比較する。第１３図、第１４図に、十字分岐管の圧損係
数に対する、中央のライザ管に分配される流量比（ｆｓ
／ｆｌ）依存性の結果を示す。従来例では、第１３図に
示すように、中央ライブ管に分配さｎる流を比が小さな
領域で、流れは非旋Ｌｌ？１楓の状態に保持され、逆に
流量比が大きな領域で流れは旋回流の状態に保持される
。この流量比の中間領域に、旋回流の状態と非旋回流の
状態の両方存在し、両者の間を遷移する遷移領域、いわ
ゆる、流動が不安定になる領域があることがわかる。−
万、本実施例の結果を第１４図に示す。本実施例では、
流れは、圧損係数の小さい非旋回流の状態のみに保たれ
、流動が常に安定していることがわかる。第１５図、第
１６図に流量に対する圧損係数の特性を示す。同図では
、従来例で流動が不安定となる条件下の結果である。図
の横軸は、流速の無次元数レイノルズ数で示す。

従来例の場合には、第１５図に示すように、レイノルズ
数の大し」＼に無関係に、旋回流と非旋回流の２つの状
態が存在し、この２つの状態を遷移し、流動が不安定と
なる。しかし、本実施例では、第１６図に示すように、
流量分配比同様、圧損係数の小さい非旋回流の状態に保
たれていることがわ′かる。したがって、本実施例によ
れば、十字分岐管９内での流れが、流量あるいは流量分
配比に対しても、非旋回の状態で保つことができ、その
結果、再循環系の流動を安定化できるので、原子炉の制
御性を向上させることができる。

また、本実施例では内管７のレジューサ１１の付近に複
数個の穴１８を設けるが、これによシ次の効果が生じる
。内［１７に上記の穴８が無り場合には、内管１７とレ
ジューサ１１の間に形成される死水領域の冷却水は、レ
ジューサ１１からの放熱によシ低温化し、間欠的に低温
化した冷却水がヘッダー曲管１０に流れ込む場合がある
。その場合、この冷却水の温度差によシ配管等に熱疲労
が生じ、配管、溶接部の寿命を短くする可能性がある。

しかし、本実施例のように内管７に複数個の穴１８を設
けると、分岐管上流の冷却水が死水領域経由し、内管に
流れ込むので、死水領域の冷却水の温度の低下が防止で
き、その結果、温度差による配管等の熱疲労を防止でき
る。

さらに、本実施例では、内管１７をライザ管１２と一体
構造にするため、次の効果がある。一般に流れを整流化
する方法として、整流板を十字分岐管に設置する方法が
考え付けるがこの方法と本実施例を比較すると、整流板
の方法では、十字分岐管内での溶接作業性、溶接検査の
方法、残留熱応力による腐食等に問題が残る。しかし、
本実施例では、溶接部分はレジューサ１１と内管のみで
良く十字分岐管内での溶接や検査をともなわない。その
結果、溶接の作業性・溶接検査の方法も容易で、残留熱
応力による腐食に対しても十分対応でき、信頼性・安定
性高い。

本発明の第２実施例を第１７図に示す。本実施例の特長
は、第１実施例にくらべて十字分岐管９の内部に設置す
る内管１７の長さを短くシ、内管１７の入口端１９をヘ
ッダー曲管１ｏの下流側の面高さ２０の位置に設けた点
にある。かかる構造にしたことにより、前記実施例同様
、十字分岐管９内の流れは非旋圓゛流の一状態で維持で
き、さらに、内ｆ１７の長さを短くしたことにより、十
字分岐管内での圧損係数を小さくできる（第１８図）。

そこで、内ｆ１７の長さを短くすると圧損係数が小さく
なるからといって、あまシ長さを短くすると十字分岐管
９内の流動が不安定となる。そこで、内管１７の長さを
変えた実験を行った。その結果を第１９図に示す。本実
施例よシ内管１７の十字分岐管方向への突き出し入れ長
さを短くすると流動が不安定となることがわかる。すな
わち、本実施例の内管１７の長さが最短側限界値である
ことがわかる。第１９図のグラフ図の横軸は、第１７図
に示した内管１７の十字分岐管９内側への突き出し入れ
長さを基準＝１として、その基準長さに対する相対長さ
で表示しているので単位は無い。

第２０図に示す第３実施例は、内管１７を母管８近くま
で突き出し入れて、その途中にヘッダー曲’７１１０の
流体入口に対面する高さ配置の整流板２１を板面が垂直
になるようＫして固定しであるものである。

第２１図（ａ）　、（ｂ　）　Ｋ示ｔ　第４　実１１Ｎ
ＩＩＪハ、’ＩＸ　３実施例において、整流板２１を第
２１図（ｂ）で見られるように十字配置にして内管１７
へ固定したものである。

これら、第３．　第４の各実施例ともに、内管１７とと
もに整流板２１が旋回流の障害体となるので旋回流動が
起シに＜＜、流動状態が一状態に安定する。又、ＩＪｆ
、４実施例は、第３実施例にくらべて旋回流の障害体面
が広いので第３実施例にくらべて旋回流阻止効果が高い
。父、第３．第４実施例ともに、整流板２１を採用する
に当って十字分岐管９内面への整流板２１の取付溶接作
業が必要ないので、十字分岐管内に整流板２１を溶接固
定するのＫくらべて溶接作業や検査などが行いやすい。

本発明の第５実施例を第２２図に示す。

本実施例では、内管１７の先端に整流板としてらせん面
を有する旋回板２２を設けた構造にしたものである。本
実施例によれば、十字分岐管に流入する流れを十字分岐
管９の軸方向に旋回できるので、ヘッダー曲″＃１０の
方向の旋回を防止でき、再循環系配管の流動の安定性が
向上する効果がある。

本発明の第６実施例を第２３図に示す。

本実施例の特徴は、従来例のレジューサ、ならびに十字
分岐管の上部を省略し、その代シにふた２３を設け、こ
のふたをかん通させて内管１７を分岐管９ａ内に突き入
れた点にある。本実施例によれば、内管１７のまわりの
死水領域が大幅になくなるので、温度差による熱疲労が
生じる懸念がなくなシ、安定性・信頼性が向上する効果
と、突き入れた内管１７部分が旋回流の障害体となるの
で流動状態が一状態だけの安定状態となり各分流方向へ
の流量が変動しない効果が得られる。

以上の如く、いずれの実施例においても、分岐流動状態
が旋回の起らない一派動状態に維持させつづけることが
でき、各分流方向圧力損失が変動しない。この為に、原
子炉の炉心への循環冷却水量の変動及び圧力容器内の冷
却水流動状態がバランス良く安定する。よって、原子炉
の出力が常に安定に維持されるとともに、圧力容器内の
冷却水流動状態がくずれて圧力容器への熱負荷が変動す
る危漠もなくなる。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば、分岐管部において分流を
受け入れる配管を分岐路内側へ突き出し入れることで、
旋回流発生を抑制し、分岐流動部分の流動状態を一状態
に安定維持でき、分岐流路部分における流動状態を安定
に維持できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は原子炉プラントの従来の再循環系配管の立面図
、第２図は第１図に示した十字分岐管の縦断面図、第３
図は槙２図のＢ−Ｂ矢視断面図、第４図は第１図に示し
た十字分岐管近傍の非旋回状態の冷却水流れを矢印で示
し次回、第５図は同じく旋回状態の冷却水流れを矢印で
示した図、第６図は第１図に示した十字分岐管の圧力損
失の測定結果に基づくグラフ図、第７図は従来の十字分
岐管内の非旋回流動時の冷却水流れを矢印で示した図、
第８図は同じく旋回流動時の冷却水流れを矢印で示した
図、第９図は本発明を採用した場合の流れを矢印で示し
た図、第１０図は本発明の第１実施例による十字分岐管
内の縦断面図、第１１図は従来の分岐管構造を採用した
場合の圧力損失を測定した結果に基づくグラフ図、第１
２図は本発明の第１実施例の分岐管構造を採用した場合
の圧力損失を測定した結果に基づくグラフ図、第１３図
は従来の十字分岐管の分配流量比に対する圧損係数の依
存性を示したグラフ図、第１４図は同じく本発明の第１
実施例の場合の分配流量比に対する圧損係数の依存性を
示したグラフ図、第１５図は従来の十字分岐管を採用し
た場合のレイノルズ数に対する圧損係数の依存性を示し
たグラフ図、第１６図は同じく本発明の第１実施例の場
合を示したグラフ図、第１７図は本発明の第２実施例に
よる十字分岐管内の縦断面図、第１８図は本発明の第２
実施例による分岐管の分配流量比に対する圧損係数依存
性を示したグラフ図、第１９図は本発明における内管の
分岐・ｇ内への突込み入れ長さに対する圧損係数依存性
を示したグラフ図、第２０図は本発明の第３実施例によ
る十字分岐管内の縦１ｉ！Ｆｒ１ｉ図、第２１図（ａ）
は本発明の第４実施例による十字分岐管内縦断面図、第
２１図（ｂ）は第２１図（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、第
２２図は本発明の第５実施例による十字分岐管内の縦断
面図第２３図は本発明の第６実施例による十字分岐管内
の縦断面図である。 ８・・・母管、９・・・十字分岐管、１０・・・ヘッダ
ー曲管、１１・・・レジューサ、１２・・・ライザ管、
１７・・・内管、第１図 第３図 第　４−　図 （卦旋回浅訳飢ジ 第　５　図 （旋旧決状漁り 第　８　図 （旋−口躍り ＄′？　邑 第　１０　図 詰　ｔｔ　Ｕ 請　１２　目 ＴＩＴＬと−ＩＮＮヒＫ　１１Ｊｆ５１：　Ｌ＝７ｆ０
葛　１３　胆 糖　ｔ４　ｆｉ３ 笛　ｔ５　（ＥＪ 某　ｌｂ図 ｇＥ、　ＮＬＪＦ／ＩｅｓＥＲＣ−） 纂　１９　口 （勅庫）第ｔｏ図、ケ糖例 オＸ）縞Ｉ月シ女托例 葛ｚＯ図 易　２／　ｆｊｄ Ａ−Ａ　ａＴ　ｉ酌 第２２図 第２３図 手続補正書（自発） 特許庁　長　′ｌＬ　志　賀　学　殿 ル件の表ンＩく 昭和５８年持重１′ｌ；願第　２３６２９６号５＆明の
名称 分岐管および原子炉の再循環配管系 代　理　人 居　所（〒ＩＱＬ１１東京都千代田区丸の内−丁［］５
番１号１、明細書の特許請求の範囲の欄の記載を次のと
おり補正する。 ［特許請求の範囲 １ユ流体が流入する流入口と、前記流入口と対向して配
置された第１の流出口と、前記第１の流出口とは異方向
に開口した他の流出口とを有する分岐管において、前記
第１の流出口には、口径が前記第１の流入口よりも狭い
内管が備えられ、前記分岐管内部にある前記内管先端部
が前記第１の流入口と前記他の流出口とのコーナ部近傍
又は前記コーナ部近傍よりも前記流体の流れの上流側に
配置されていることを特徴とした分岐管。 主ユ前記内管は、分岐管の流体流入口近傍に分岐管内と
連通ずる開口を備えることを特徴とする特許請求の範囲
の第１項に記載の分岐管。 王ユ前記内管は、すくなくとも他の流出口に対向する前
記内管側面に整流板を備えることを特徴とする特許請求
の範囲の第１項に記載の分岐管。 ±１前記整流板は、流体の流入方向と平行またはらせん
状であることを特徴とする特許請求の範囲の第３項に記
載の分岐管。 互ユ分岐管の流体流入口に連通した母管と。 前記流入口に対向する前記分岐管の流体流出口に連通し
た前記流体流入口よりも開口径が小さいライザー管と、
前記流体流入口とは異方向に開口した前記分岐管の他の
流体流出口へ連通したヘッダー管とから成る原子炉の再
循環配管系と、前記母管に設けたポンプとを備え、前記
ポンプで前記原子炉の炉水を前記再循環配管系を通して
前記原子炉の炉心へ循環させるものにおいて、前記ライ
ザー管を前記分岐管の流体流入口と他の流体流出口との
コーナ部近傍又は前記コーナ部近傍よりも前記母管方向
に延長したことを特徴とした原子炉の再循環配管系。 且ユ前記うイザー管は、前記コーナ部よりも下流側の前
記ライザー管長延部位に開口を備えることを特徴とする
特許請求の範囲の第５項に記載の原子炉の再循環配管系
。 Ｉ２前記ライザー管は、他の流体流出口に対向する延長
部側面に整流板を備えることを特徴とする特許請求の範
囲の第５項に記載の原子炉の再循環配管系。 且ユ前記整流板は、流体の流入方向と平行またはらせん
状であることを特徴とする特許請求の範囲の第７項に記
載の原子炉の再循環配管系。 ２、明細書の第１頁目の第２行目に記載の「配管３、明
細書の第９頁目の第４行目に記載のｒｇＵ”／２ｉｇ」
を「Ｕ″／２ｇ、」に訂正する。 ４、明細書の第６頁目の第５行目から同頁１０行目にか
けて記載の「流入した流体・・・−・・旋回渦の発生」
を・［流体が流入する流入口と、前記流入口と対向して
配置された第１の流出口と、前記第１の流出口とは異方
向に開口した他の流出口とを有する分岐管において、前
記第１の流出口には１口径が前記第１の流入口よりも狭
い内管が備えられ、前記分岐管内部にある前記内管先端
部が前記第１の流入口と前記他の流出口とのコーナ部近
傍又は前記コーナ部近傍よりも前記流体の流れの上流側
に配置されていることにあり、前記配管の延長部分で旋
回路の発生」に訂正する。 ５、明細書の第１５頁目の第１２行目に記載の「突き出
し」を［延長し」に訂正する。 以上 第１頁の続き １６８番地　株式会社日立製作所エネルギー研手続補正
書（方式） ％式％ 事件の表示 昭和５８年持重願第　２３６２９６　号発明の名利。 分岐管および原子炉の再循環配管系 株式会社　日立製作所内　電話東京２１２−１川（入代
ム）明細書の「図面の簡単な説明」の欄 補正の内容 別紙のとおシ １、明細書の第１７頁目の第９行目から同頁の第１１行
目にかけて記載の「第２１図（ａ）は・・・・・・Ａ−
Ａ矢視断面図」を「第２１図は本発明の第４実施例によ
る十字分岐管の断面図Ｊに訂正する。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流入し喪流体をすくなくとも３方向の配管へ分流す
   る分岐管を備えた配管系において、前記流体の流入方向
   に面する前記配管の流体入口を前記分岐管内方向へ突き
   出し入れたことを特徴とした配管分岐構造。 ２、前記突き出し入れた配管の突き出し入れ長さを、前
   記突き出し入れた配管とは異方向に開口する分岐管流体
   出口内面の前記配管長さ方向寄シの延長線以上に上流側
   へ突き出し入れたことを特徴とする特許請求の範囲の第
   １項に記載の配管分岐構造。 ３、前記突き出し入れた配管は、突を出し入れた途中側
   部に開口を備えたことを特徴とする特許請求の範囲の第
   １項に記載の配管分岐構造。 ４、前記突き出し入れた配管は、前記突き出し入れた配
   管とは異方向に開口する分岐管流体出口幅とすくなくと
   も一部うツブする配置の整流板を備えることを特徴とす
   る特許請求の範囲の第１項に記載の配管分岐構造。 ５、前記整流板は、整流案内方向を突き出し入れた配管
   口シの旋回方向に設定したことを特徴とする特許請求の
   範囲の第４項に記載の配管分岐構造。 ６、前記配管系は原子炉の今循４配゛げ系であることを
   特徴とする特許請求の範囲の第１項から第５項までのい
   ずれか１項に記載の配管分岐構造。