УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ Российский патент 1995 года по МПК G21C13/06 G21C19/02 

Изобретение относится к уплотнительной технике, например, может быть использовано в тепловыделяющих сборках ядерных реакторов для уплотнения технологических каналов канальных ядерных реакторов.

Одной из проблем в ядерной энергетике является создание такой конструкции уплотнительного узла подвески тепловыделяющей сборки, которая обеспечила бы надежную герметизацию технологических каналов ядерных реакторов и исключила бы операцию по предварительной подготовке уплотняемых поверхностей технологических каналов после каждого извлечения тепловыделяющей сборки.

Особая значимость этой проблемы объясняется тем фактом, что в ходе операций по уплотнению и разуплотнению канала ядерного реактора уплотнительный узел подвески тепловыделяющей сборки взаимодействует как с элементами канала реактора, так с механизмами перегрузочной машины. Поэтому от эксплуатационных качеств уплотнительного узла зависит надежность работы реактора и перегрузочной машины, на конструкцию которой в значительной степени оказывает влияние конструкция механизмов, применяемых для уплотнения (разуплотнения) каналов ядерных реакторов.

Известна конструкция уплотнительного узла подвески, содержащая гибкую металлическую гильзу, которая при своем продольном перемещении разжимается коническими выступами в радиальном направлении, обеспечивая таким образом герметичное уплотнение канала реактора. Механизм, осуществляющий уплотнение и разуплотнение канала реактора, содержит корпус для контакта с перегружаемым каналом и два соосных устройства, перемещающихся независимо друг от друга вдоль их общей продольной оси двумя приводными устройствами.

Такая конструкция уплотнительного узла обладает следующими недостатками: требуется высокая точность обработки поверхности канала реактора, сложность изготовления гибкой металлической гильзы, операция по установке топливной сборки в канал реактора требует высокой точности совмещения осей перегружаемого канала и стыковочного патрубка перегрузочной машины.

Известна также конструкция уплотнительного узла подвески, содержащая центральный стержень с опорным утолщением, имеющим конические опорные поверхности, уплотнительное средство и запирающий механизм с нажимной шайбой, при этом уплотнительное средство выполнено в виде металлического кольца, установленного на верхнюю коническую поверхность опорного утолщения и контактирующего с нажимной шайбой [2]
Эксплуатация этого устройства показала, что при работе под давлением материал прокладки затекает в зазоры сопрягаемых деталей. При разуплотнении соединения наблюдалось повреждение уплотняемых поверхностей. Кроме того, наблюдались большие напряжения в элементах запирающего механизма, что требует увеличения его габаритов, однако это увеличение не всегда возможно, поскольку ограничивается шагом решетки реактора.

Известна также конструкция уплотнительного узла, содержащего уплотнительное средство, выполненное в виде набора шевронных манжет, контактирующих с конической канавкой нажимной шайбы. Недостатками этой конструкции являются большие габариты уплотнительного узла, значительные усилия при установке уплотнительного узла в силу трения шевронных манжет об уплотняемую поверхность [3]
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому является уплотнительный узел, содержащий контактирующее с конической канавкой нажимной шайбы уплотнительное средство, выполненное в виде чередующихся V-образного профиля слоев металла и наполнителя. Известное устройство позволяет увеличить радиальный зазор между наружным диаметром уплотнительного средства и внутренним диаметром уплотняемой поверхности, что исключает влияние сил трения в процессе загрузки и выгрузки тепловыделяющей сборки. Кроме того, известное устройство позволяет значительно снизить момент герметизации. Однако несмотря на свою прогрессивность известное устройство не решает проблемы, связанной с обеспечением требуемой надежности.

Это объясняется двумя факторами:
при перемещении уплотнительного средства в канале реактора поток теплоносителя реактора воздействует на открытый профиль уплотнительного средства и смещает его радиально. Если направление этого смещения совпадает с направлением несоосности, которое всегда имеет место, между перегрузочной машиной и каналом реактора, то наблюдается повреждение уплотнительного средства;
в процессе герметизации подвески в канале реактора усилие деформации уплотнительного средства передается от верхних слоев к нижним, при этом верхние слои сдеформированы на большую величину, чем нижние слои. При работе реактора усилие, создаваемоe потоком теплоносителя реактора, воздействует на опорное утолщение подвески, которое как поршень сжимает несдеформированные нижние слои уплотнительного средства. При этом наблюдается эффект самоуплотнения, но одновременно с этим происходит уменьшение общей высоты уплотнительного средства. Таким образом, при изменении давления в канале реактора или температуры тепловыделяющая сборка получает возможность перемещения внутри канала реактора на величину уменьшения высоты уплотнительного средства, а поэтому требуется периодическое завинчивание до упора винта механизма герметизации, что вызывает большое неудобство.

Технической задачей изобретения является повышение надежности уплотнительного узла, другой задачей изобретения является увеличение ресурса работы уплотнительного узла.

В основу изобретения была положена задача разработать такую конструкцию уплотнительного узла, которая обеспечивала бы длительную и надежную герметизацию технологического канала ядерного реактора, без дополнительного обслуживания узлов уплотнений.

Эта задача решается тем, что уплотнительный узел, например подвески тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащей контактирующее с канавкой нажимной шайбы уплотнительное средство, выполненное в виде чередующихся V-образного профиля слоев металла и наполнителя, снабжен вторым уплотнительным средством, выполненным в виде полосы наполнителя, навитой по спирали с осью, совпадающей с осью уплотняемых поверхностей и армированной металлической лентой, имеющей волнообразные в осевом направлении поверхности с внутренними и внешними гребнями, при этом торец второго уплотнительного средства, контактирующего с первым уплотнительным средством, выполнен V-образной формы, его противоположный торец заключен в кольцо W-образной формы.

Указанная задача решается также тем, что волнообразные в осевом направлении поверхности металлической ленты образованы гребнями, перпендикулярными оси уплотняемых поверхностей.

Указанная задача решается тем, что волнообразные в осевом направлении поверхности металлической ленты образованы гребнями, наклонными к оси уплотняемых поверхностей.

Указанная задача решается также тем, что волнообразные в осевом направлении поверхности металлической ленты образованы взаимопересекающими гребнями, направленными под углом к оси уплотняемых поверхностей.

Такое конструктивное выполнение уплотнительного узла позволяет в процессе эксплуатации его сохранить неизменной общую высоту обоих уплотнительных средств и тем самым исключить необходимость периодической подтяжки уплотняемого узла. Кроме того, такое конструктивное выполнение уплотнительного узла позволяет достичь требуемую осевую и радиальную упругости уплотнительного средства.

На фиг.1 показана конструкция подвески тепловыделяющей сборки с уплотнительным узлом, размещенные в канале ядерного реактора; на фиг.2 узел I на фиг.1; на фиг.3 показан уплотнительный узел после выполнения операции герметизации; на фиг.4-6 конструкция полосы наполнителя с вариантами выполнения армирующей металлической ленты.

Подвеска тепловыделяющей сборки (фиг.1) в своей верхней части имеет центральный стержень 1 с опорным утолщением 2, первое уплотнительное средство 3 и второе уплотнительное средство 4. На центральном стержне 1 установлен запирающий механизм, состоящий из нажимной шайбы 5, на нижнем торце которой выполнена канавка 6, контактирующая с вершиной уплотнительного средства 3, и корпуса шарикового замка 7, в резьбовое отверстие которого ввинчен винт 8 с зубчатой головкой 9 под ключ 10 привода герметизации перегрузочной машины 11. На центральном стержне 1 навинчен грибок 12 под захват (не показан) перегрузочной машины. На винте 8 имеются копирные поверхности, взаимодействующие в процессе герметизации подвески в канале ядерного реактора с шариками 13, размещенными в корпусе шарикового замка 7 и выталкиваемые в радиальные канавки 14, выполненные в канале реактора 15.

Уплотнительное средство 3 (фиг.2, 3) выполнено в виде чередующихся V-образного профиля слоев металла 16 и наполнителя 17. Уплотнительное средство 4 выполнено в виде полосы наполнителя 18, навитой по спирали с осью, совпадающей с осью уплотняемых поверхностей и армированной металлической лентой 19, имеющей волнообразные в осевом направлении поверхности с внутренними 20 и внешними 21 гребнями. Торец 22 второго уплотнительного средства 4, контактирующего с первым уплотнительным средством 3, выполнен V-образной формы, а противоположный торец 23 уплотнительного средства 4 заключен в кольцо 24 W-образной формы. Лопасти 25 кольца 24 частично охватывают внутренний и внешний слои полосы наполнителя 18. Для увеличения ресурса работы уплотнительного узла, а также для осуществления наилучшей пригодности заявляемого уплотнительного узла к различным условиям эксплуатации, целесообразно армирующую наполнитель 18 металлическую ленту 19 выполнить так, как это показано на фиг.4.

Волнообразные в осевом направлении поверхности металлической ленты образованы гребнями 20, 21, перпендикулярными оси уплотняемых поверхностей (фиг. 4); волнообразные в осевом направлении поверхности металлической ленты образованы гребнями 20, 21, наклонными к оси уплотняемых поверхностей (фиг.5); волнообразные в осевом направлении поверхности металлической ленты образованы взаимопересекающими гребнями, направленными под углом к оси уплотняемых поверхностей (фиг.6).

Такое конструктивное выполнение металлической ленты 19 позволяет получить уплотнительное средство 4, обладающее разной осевой и радиальной упругостями, и применять в каждом конкретном случае то, которое лучше всего подходит в данный момент.

Установка тепловыделяющей сборки в канал 15 реактора осуществляется в следующей последовательности. Захватом (не показан) перегрузочной машины, сцепленным с грибком 12, тепловыделяющая сборка опускается в канал 15 реактора до тех пор, пока корпус 7 шарикового замка не войдет в контакт с опорной поверхностью канала 15 реактора, при этом нижнее уплотнительное средство 4 предохраняет верхнее уплотнительное средство 3 от механических повреждений. Корпус шарикового замка известным образом блокируется от поворота в канале реактора. Ключом 10 привода герметизации перегрузочной машины 11, сцепленным с зубчатой головкой 9, осуществляют вращение винта 8. Винт ввинчивается в корпус 7 и своей копирной частью воздействует на шарики 13, которые выталкиваются из корпуса 7 и входят в радиальные канавки 14. На этом этап запирания сборки в канале реактора заканчивается.

При последующем вращении зубчатой головки 9 винт 8, перемещаясь вниз, воздействует на нажимную шайбу 5, с канавкой 6 которой контактирует вершина верхнего уплотнительного средства 3. Далее усилие через уплотнительное средство 3 воздействует на уплотнительное средство 4, осевая податливость и упругость которого больше упругости уплотнительного средства 3. В силу этого вначале начинает деформироваться уплотнительное средство 4. Осевая деформация армирующей металлической ленты 19 вызывает радиальную деформацию наполнителя 18, который входит в контакт с уплотняемыми поверхностями. Тем самым перекрываются ранее существующие зазоры и на верхнее уплотнительное средство 3 перестает воздействовать поток теплоносителя реактора. Снизу преградой для потока теплоносителя является кольцо 24.

Поскольку металлическая лента выполнена волнообразной, то при ее осевой деформации происходит сближение соседних внешних 21 и внутренних 20 гребней слоев спирали, что приводит к радиальному расширению уплотнительного средства 4 в пределах упругой деформации. Это качество уплотнительного средства 4 позволяет компенсировать температурные качки уплотнительного узла.

После того, как уплотнительное средство 4 вступило в контакт с уплотняемыми поверхностями, при дальнейшем перемещении вниз винта 8 начинает деформироваться первое уплотнительное средство 3. В процессе его деформации происходит упругое раскрытие профиля слоев металла 16, который своими лопастями осуществляет выдавливание более эластичных слоев наполнителя 17 радиально наружу и внутрь. При этом происходит перекрытие радиальных зазоров в зоне расположения уплотнительного средства 3, т.е. повышается степень герметичности и надежность уплотнительного узла. Следует отметить, что деформация слоев металла и наполнителя уплотнительного средства 3 происходит неравномерно. Слой, примыкающий к канавке 6, деформируется в большей степени, чем последующие нижележащие слои. При определенной высоте уплотнительного средства 3 возникает ситуация, при которой дальнейшее усилие винта 8 не передается уплотнительному средству 4. Поэтому уплотнительное средство 4, находясь в упругом предварительно сжатом состоянии, при изменении линейных размеров соединения будет реагировать на эти изменения увеличением своей высоты. Таким образом исключается появление осевого зазора между опорным утолщением 2 и конической опорной поверхностью корпуса технологического канала 20, т.е. не требуется дополнительное завинчивание винта механизма герметизации и одновременно создаются условия для смыкания торцовых поверхностей нажимной шайбы 5 с опорным утолщением корпуса подвески, тепловыделяющей сборки.

Лопасти 25 W-образного кольца 24 предохраняют нижний торец уплотнительного средства 4 (спираль) от расслоения, а дугообразная форма торца кольца 24 способствует прижатию слоев наполнителя (витков спирали) друг к другу, что препятствует расслоению уплотнительного средства 4, повышает ее упругие свойства и тем самым способствует достижению цели изобретения.

Сущность изобретения: уплотнительный узел, например подвески тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержит контактирующее с канавкой нажимной шайбы уплотнительное средство, выполненное в виде чередующихся слоев металла V-образного профиля и наполнителя, и расположенное под ним второе уплотнительное средство, выполненное в виде полосы наполнителя навитой по спирали с осью, совпадающей с осью уплотняемых поверхностей и армированной металлической лентой. Металлическая лента имеет волнообразные в осевом направлении поверхности с внутренними и внешними гребнями. Торец нижнего уплотнительного средства, контактирующий с торцем верхнего уплотнительного средства, выполнен V-образной формы, а его противоположный торец заключен в кольцо W-образной формы. 3 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ, например, подвески тепловыделяющей сборки ядерного реактора, содержащий контактирующее с канавкой нажимной шайбы первое уплотнительное средство, выполненное в виде чередующихся V-образного профиля слоев металла и наполнителя, отличающийся тем, что снабжен вторым уплотнительным средством, выполненным в виде полосы наполнителя, навитой по спирали с осью, совпадающей с осью уплотняемых поверхностей, и армированной металлической лентой, имеющей волнообразные в осевом направлении поверхности с внутренними и внешними гребнями, при этом торец второго уплотнительного средства, контактирующего с первым уплотнительным средством, выполнен V-образной формы, а его противоположный торец заключен в кольцо -образной формы. 2. Узел по п.1, отличающийся тем, что волнообразные в осевом направлении поверхности металлической ленты образованы гребнями, перпендикулярными к оси уплотняемых поверхностей. 3. Узел по п.1, отличающийся тем, что волнообразные в осевом направлении поверхности металлической ленты образованы гребнями, наклонными к оси уплотняемых поверхностей. 4. Узел по п.1, отличающийся тем, что волнообразные в осевом направлении поверхности металлической ленты образованы взаимно-пересекающими гребнями, направленными под углом к оси уплотняемых поверхностей.