ПРИВОД ПОВОРОТНЫХ ОРГАНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА КОСМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1998 года по МПК G21C7/00 G21C7/10 G21C7/14 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и конкретно касается конструкции привода, управляющего поворотными органами регулирования ядерного реактора.

Создание привода ядерного реактора космического назначения требует решения многочисленных технических задач, касающихся, согласно выработанной логике управления, распределения функциональных задач между органами регулирования или их группами и, соответственно, между сервоприводами, определения параметров сервоприводов, получения требуемых характеристик распределительных устройств и соединительных устройств и соединительных звеньев, размещения агрегатов приводов в общей схеме установки с учетом требований оптимизации весогабаритных характеристик приводов и всей установки в целом, обеспечения радиационной защиты приборного отсека путем размещения агрегатов приводов внутри теневого конуса защиты и обеспечения надежности работы в течение длительного времени в условиях повышенных температур, радиационных потоков и космического вакуума. Кроме того приводы должны иметь средства или устройства, обеспечивающие безопасность при сборке и испытаниях изделия на всех этапах работы.

Известна ядерная космическая энергоустановка SNAP-IOA, которая имеет приводы поворотных органов регулирования, равномерно расположенных по окружности в боковом отражателе, состоящие из сервоприводов и соединительных звеньев к органам регулирования.

Причем органы регулирования двух функций: регуляторы и компенсаторы, приводятся от индивидуальных сервоприводов соответствующего назначения. Регуляторы управляются приводами электромеханического типа, а компенсаторы приводятся от пружинных механизмов одноразового действия. (См. например, "Основы автоматического управления космическими энергетическими установками", М.: Машиностроение, 1974, с.45).

К недостаткам этой установки можно отнести неблагоприятные условия работы кинематических цепей, размещенных в космическом вакууме, что увеличивает вероятность вакуумной сварки контактирующих материалов и снижает надежность.

При создании реактора на длительные сроки эксплуатации, когда эффективность и экономичность его работы становятся главным определяющими качествами, особо важным становится организация равномерного распределения нейтронных потоков по сечению активной зоны. Эта задача решается, в частности увеличением числа органов регулирования. Но при использовании индивидуальных приводов растет соответственно и их число. Так как место внутри теневого конуса ограничено, то целесообразно перейти к групповому управлению с использованием распределительных устройств соответствующей конфигурации.

Известен привод поворотных органов регулирования ядерного реактора, равномерно расположенных по окружности в боковом отражателе, состоящий из кинематически связанных сервопривода, распределительного механизма и соединительных звеньев к органам регулирования. При этом распределительный механизм представлен распределительной шестерней и поочередно находящимися с ней в зацеплении шестернями, насаженными на валы, которые соединяются с органами регулирования (см. патент США N 3048 534, кл. 176-35, 1962).

Однако известный привод обладает целым рядом существенных недостатков с точки зрения поставленных нами задач, а именно:
валы с жестко посаженными на них шестернями, находящимися в зацеплении с распределительной шестерней, расположены соосно с органами регулирования, а следовательно, диаметральные размеры привода определяются размерами реактора, что при заданном защищаемом телесном угле приводит к завышению диаметра ядерной защиты, а значит и к увеличению ее веса;
распределительная шестерня находится во внутреннем зацеплении с жестко посаженными на валы шестернями, что влечет за собой увеличение диаметра распределительной шестерни, а значит и привода, с последующим увеличением размеров ядерной защиты;
вращение распределительной шестерни, ее центровка и осевая фиксация обеспечены парами скольжения, что требует больших мощностей для ее вращения, а следовательно, и больших габаритов и веса двигателя, кроме того возникает возможность заедания распределительной шестерни (холодная сварка в вакууме), т. е. снижается надежность привода, привод имеет шестерню подвода момента от двигателя к распределительной шестерне, находящейся с ней во внешнем зацеплении, что увеличивает габариты привода, ее вес и вес ядерной защиты;
управление органами регулирования производится от одного привода, что не позволяет обеспечить безопасность при физпусках и испытаниях, а также снижает надежность при штатной работе. Выход из строя сервопривода или заклинивание одного органа регулирования приводят к выходу из строя всей установки;
привод лишен конструктивных элементов, жестко фиксирующих органы регулирования в крайних положениях, что требует весьма сложной конструкции органов регулирования для обеспечения этой фиксации другими методами;
привод осуществляет вращение органов регулирования поочередно, что приводит к неравномерности поля распределения нейтронных потоков в активной зоне реактора, а значит к значительному ухудшению выходных характеристик и условий работы последнего;
конструкция привода не позволяет обеспечить его автономную сборку и однопозиционность его стыковки с органами регулирования, что влечет за собой длительное нахождение персонала, занятого сборкой привода, в опасной зоне, а также не исключает возможность стыковки привода с выведенными органами регулирования, что может привести к облучению персонала;
требования безопасности ядерных испытаний включают в себя наличие на объекте в момент испытаний и технологических физпусков нескольких групп органов регулирования, работающих в режиме аварийной защиты, и необходимое число групп регулирования. Данный привод не обеспечивает возможности разделения органов регулирования на группы и не обеспечивает подсоединения стендовых устройств, обеспечивающих аварийную защиту, т.е. не обеспечивает безопасность испытаний.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение - улучшение масса-габаритных характеристик привода и изделия, повышение безопасности при работе и испытаниях изделия и, как следствие, повышение надежности и долговечности изделия в целом.

Технический результат - изменение компоновки привода путем уменьшения диаметра размещения выходных валов распределительного механизма относительно диаметра размещения органов регулирования и внесения в конструкцию новых элементов, в результате чего улучшаются масса - габаритные характеристики, повышается безопасность при работе и испытаниях изделия и, как следствие, повышается надежность и долговечность изделия.

Этот результат достигается тем, что в приводе поворотных органов регулирования ядерного реактора космической энергетической установки, содержащем сервопривод, шестеренчатый распределительный механизм и соединительные звенья к органам регулирования, расположенным по окружности в боковом отражателе, распределительный механизм содержит посаженные на подшипниках качения выходные валы, управляемые муфты, выступы на выходных валах и упоры в корпусе, причем корпус распределительного механизма выполнен кольцевым, а внутренняя стенка его служит внутренней обоймой роликового подшипника, наружная обойма которого образована распределительной шестерней, находящейся в зацеплении с шестернями, образующими группу, посредством карданов с асимметричными головками, длина ролика роликового подшипника выполнена большей ширины зубчатого венца распределительной шестерни, причем к одному из выходных валов группы подключен сервопривод, на одном из выходных валов выполнен выступ, а на корпусе - упор и, по крайней мере, один или несколько выходных валов соединены с насаженной на них шестерней посредством штифта и торцевых шлиц управляемой муфты, а сами эти валы содержат устройство для подключения стендового привода аварийной защиты, при этом корпуса сервопривода и распределительного механизма выполнены герметичными, карданы заключены в герметичные чехлы с гибкими вставками, соединяющими полость корпуса распределительного механизма с полостью размещения органов регулирования, а внутренний объем корпусов и полостей заполнен смесью инертных газов, крепление распределительного механизма к корпусу реактора выполнено посредством проставки, выполненной из материала с низкой теплопроводностью, причем проставка с корпусом реактора и с корпусом распределительного механизма соединена с радиальным зазором посредством радиальных штифтов, а на поверхностях корпусов, обращенных к реактору, выполнено покрытие с высокой отражательной способностью, а на поверхностях, открытых в космическое пространство, - покрытие с высокой излучающей способностью.

Кроме того, распределительный механизм выполнен из групп последовательно зацепленных шестерен.

На фиг. 1 представлен привод, разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 2 - вид на привод сверху; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - элемент Г на фиг. 1; на фиг. 5 - элемент Д на фиг. 1; на фиг. 6 - разрез Е-Е на фиг. 2, изображающий вал с торцевой зубчатой муфтой в зацепленном состоянии; на фиг. 7 - разрез Е-Е на фиг. 2, показывающий вал с расцепленной торцевой зубчатой муфтой; на фиг. 8 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 9 - разрез В-В, соответствующий п.2 формулы: шестерни объединены в группы последовательным зацеплением между собой.

Ядерный реактор 1 (см. фиг. 1) космической энергетической установки, имеющий расположенные по окружности в боковом отражателе органы регулирования 2 - поворотные цилиндры, оснащен приводами, включающими в себя сервоприводы регулирования 3 и компенсации 4, распределительный механизм 5, установленный на крышке реактора посредством проставки 6, и соединительные звенья - карданы 7, передающие вращение от выходных валов распределительного механизма к органам регулирования.

Распределительный механизм представляет из себя кольцевой корпус 8 (см. фиг. 8), внутренняя стенка 9 которого служит внутренней обоймой для подшипников качения, наружными обоймами которых служат распределительные шестерни 10, находящиеся в зацеплении с шестернями 11, сидящими на выходных валах распределительного механизма. Причем диаметр, на котором находятся выходные валы, меньше диаметра, на котором размещены органы регулирования. Это позволяет разместить агрегаты приводов внутри пространства теневого корпуса ядерной защиты в пределах тени реактора, что дает минимальный вес защиты.

Пунктиром на фиг. 1 дан контур теневого корпуса защиты, в который вписывается и реактор, и привод.

Выходные валы для передачи момента к органу регулирования имеют несимметричную вилку, в которую входит асимметричная головка кардана. Это соединение гарантирует однозначную стыковку привода с органами регулирования реактора, исключает ошибку при сборке и обладает достаточной точностью.

Тела качения в подшипниках - ролики 12 (см. фиг. 4), длина которых превышает ширину венца распределительной шестерни. Это позволяет работать на одном подшипнике, вместо двух радиальных при обычных схемах центровки шестерен.

Каждая распределительная шестерня объединяет соединенные с ней шестерни, а соответственно, и связанные с ними органы регулирования в группу. Одна группа управляется в режиме грубой компенсации реактивности, а другая группа органов регулирования управляется в режиме точного регулирования.

Как минимум к одной из шестерен группы подсоединен сервопривод, управляющий всей группой одновременно. Возможна установка двух и более сервоприводов в группе. При этом их подсоединение к шестерням должно осуществляться через предохранительные срезные элементы. При отказе одного привода соответствующий ему штифт срезается и работа продолжается на оставшихся приводах.

На одном из валов распределительного механизма выполнен выступ 13 (см. фиг. 3), а в корпусе распределительного механизма закреплен упор 14, ограничивающий разворот вала в заданном диапазоне. Наличие упора в положении максимальной подкритичности жестко фиксирует это положение, упрощает монтаж агрегатов привода, позволяет производить регулировку концевиков до постановки привода на реактор и, таким образом, исключает вероятность неправильной сборки и рассогласования положения приводов и органов регулирования. Это повышает безопасность работы с реактором.

Несколько валиков распределительного механизма имеют устройство, позволяющее отключать их связь с группой и подключать к ним рессору от стендового привода. На фиг. 6 показан валик 15 распределительного механизма, имеющий паз 16, в котором свободно перемещается штифт 17, соединенный с полумуфтой 18 с торцевыми зубьями, которая прижимается пружиной 21 к торцевым зубьям ответной полумуфты 19, жестко соединенной с шестерней 20 и сидящей на валу по скользящей посадке.

На фиг. 7 показано положение, когда рессора 22 стендового привода введена в вал распределительного механизма, и преодолев усилие пружины, расцепила полумуфты 18 и 19, прервав связь органа регулирования со штатным приводом. Управление органом регулирования переходит, таким образом к стендовому приводу, независимо от работы остальной группы органов регулирования.

На фиг. 9 показан распределительный механизм, выполненный по п. 2 формулы. Объединение шестерен 23, насаженных на выходные валы в группы, производится их последовательным зацеплением.

Такая конструкция значительно проще в производственном исполнении, чем показанная на фиг. 8, т.к. исключены распределительные шестерни с подшипниками качения.

Крепление распределительного механизма 5 к проставке 6 и крепление проставки к корпусу реактора производится посредством радиальных штифтов 24 (см. фиг. 5) при наличии гарантированного радиального зазора. Это позволяет компенсировать разность термических расширений корпусов и уменьшает площадь контакта между ними.

На корпусе 5 распределительного механизма установлены консольно и соединены с ними герметично сварными швами сервоприводы 3 и 4. В верхнем поясе сервоприводы фланцами крепятся к элементу жесткости 25 в виде рамки, придающему связке сервоприводов необходимую устойчивость от вибрационных перегрузок на режиме вывода на орбиту.

Поверхности сервоприводов и распределительного механизма, открытые в космическое пространство, покрыты эмалью с высокой излучающей способностью. Поверхности приводов, обращенные к горячим поверхностям реактора, покрыты эмалью с высокой отражающей способностью.

Внутренние полости заполнены смесью газов, начальное давление которой определяется из условия соблюдения прочности корпусов на тепловом режиме, а состав обеспечивает хороший перенос тепла от элементов, которым грозит перегрев, к более холодным местам, а также обеспечивает проверки герметичности, т.к. содержит газ, служащий индикатором при вакуумных проверках.

Приводы работают следующим образом.

Перед запуском изделия органы регулирования: регуляторы и компенсаторы, находятся в положении максимальной подкритичности и зафиксированы от разворота тормозными устройствами сервоприводов. При этом выступы 13 валов упираются в упоры 14, размещенные в корпусе. Торцевые зубья полумуфт 18 и 19 сцеплены и валы объединены в группу через распределительный механизм.

Запуск на орбиту производится при заглушенном реакторе. После выхода изделия на орбиту по команде на запуск реактора производится разворот органов регулирования - компенсаторов на весь диапазон (от упора до упора) в положение минимальной подкритичности. Для чего подается питание на сервопривод 3, который вращает ведущую шестерню 11, передающую вращение на распределительную шестерню 10, а та в свою очередь вращает одновременно сцепленные с ней шестерни группы. Через карданные валики 7 вращение передается органам регулирования 2. После постановки валика 13 на упор система фиксируется от разворота тормозным устройством сервопривода.

Одновременно с поворотом компенсаторов или после его окончания, начинается по команде системы автоматического управления поворот групп органов-регуляторов. Для чего подается питание на сервоприводы 4 - автоматические регуляторы. Поворот осуществляется с заданной скоростью до положения, при котором реактор достигает заданной мощности и автоматическое поддержание этой мощности достигается соответствующими перемещениями (поворотами) органов регулирования по команде системы автоматического управления.

Останов реактора осуществляется подачей питания на сервоприводы и возвращением органов регулирования в исходное положение максимальной подкритичности.

Во время сборки и при наземных натурных испытаниях реактора определенное условиями ядерной безопасности число органов регулирования переводится на управление от стендовых быстродействующих приводов, входящих в комплекс аварийной защиты. Для этого рессора 22 (см. фиг. 7) от стендового привода вводится в шлицы вала 15, и одновременно нажатием на штифты 17 расцепляется зубчатая муфта 18 и 19, разрывая связь вала 15 с распределительным механизмом. Шестерня 20 остается в зацеплении с распределительной шестерней, а вал 15 вращается независимо от нее от действия стендового привода.

Такое устройство позволяет обеспечивать аварийную защиту реактора от стендовых быстродействующих приводов без демонтажа штатных сервомеханизмов и одновременно проводить проверку и испытание штатных приводов на изделии под контролем системы аварийной защиты, что улучшает качество сборки и надежность изделия.

После проверок и испытаний рессора выводится из вала, зубчатая полумуфта 18 под действием пружины 21 входит в зацепление с полумуфтой 19 и таким образом восстанавливается штатная компоновка привода.

Таким образом изменение компоновки привода путем уменьшения диаметра размещения выходных валов распределительного механизма относительно диаметра размещения органов регулирования и внесения в конструкцию новых элементов, обеспечивающих оптимальный тепловой режим работы привода, улучшающих условия работы распределительного механизма и допускающих подключение к отдельным органам регулирования стендовых приводов при проверках функционирования и испытаниях привода, в результате чего улучшаются масса - габаритные характеристики, повышает безопасность при работе и испытаниях изделия и, как следствие, повышается надежность и долговечность изделия.

Использование: в качестве привода, управляющего поворотными органами регулирования ядерного реактора. Сущность: в приводе поворотных органов регулирования ядерного реактора космической энергетической установки, расположенных по окружности в боковом отражателе, состоящем из сервоприводов, шестеренчатого распределительного механизма и соединительных звеньев к органам регулирования, распределительный механизм содержит подшипники качения, корпуса с упорами, валы с выступами, управляемые муфты и выполнен в виде кольцевого корпуса. Внутренняя стенка кольцевого корпуса служит внутренней обоймой подшипника качения, наружная обойма которого образована распределительной шестерней, находящейся во внешем зацеплении с шестернями, насаженными на выходные валы, связанные с органами регулирования, образующими группу. Подшипник качения выполнен роликовым с длиной ролика большей ширины зубчатого венца распределительной шестерни. Причем к одному из валов группы подключен сервопривод, на валу которого или одной из шестерен группы выполнен выступ, а на корпусе - упор. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Привод поворотных органов регулирования ядерного реактора космической энергетической установки, содержащий сервопривод, шестеренчатый распределительный механизм и соединительные звенья к органам регулирования, расположенным по окружности в боковом отражателе, отличающийся тем, что распределительный механизм содержит посаженные на подшипниках качения выходные валы, управляемые муфты, выступы на выходных валах и упоры в корпусе, причем корпус распределительного механизма выполнен кольцевым, а внутренняя стенка его служит внутренней обоймой роликового подшипника, наружная обойма которого образована распределительной шестерней, находящейся в зацеплении с шестернями, посаженными на выходные валы, соединенные с органами регулирования, образующими группу, посредством карданов с асимметричными головками, длина ролика роликового подшипника выполнена большей ширины зубчатого венца распределительной шестерни, причем к одному из выходных валов группы подключен сервопривод, на одном из выходных валов выполнен выступ, а на корпусе - упор, и по крайней мере, один или несколько выходных валов соединены с насаженной на них шестерней посредством штифта и торцевых шлиц управляемой муфты, а сами эти валы содержат устройство для подключения стендового привода аварийной защиты, при этом корпуса сервопривода и распределительного механизма выполнены герметичными, карданы заключены в герметичные чехлы с гибкими вставками, соединяющими полость корпуса распределительного механизма с полостью размещения органов регулирования, а внутренний объем корпусов и полостей заполнен смесью инертных газов, крепление распределительного механизма к корпусу реактора выполнено посредством проставки, выполненной из материала с низкой теплопроводностью, причем проставка с корпусом реактора и с корпусом распределительного механизма соединена с радиальным зазором посредством радиальных штифтов, а на поверхностях корпусов, обращенных к реактору, выполнено покрытие с высокой отражательной способностью, а на поверхностях, открытых в космическое пространство, - покрытие с высокой излучающей способностью. 2. Привод по п.1, отличающийся тем, что распределительный механизм выполнен из групп последовательно зацепленных шестерен.