ПРИВОД СТЕРЖНЯ АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ Российский патент 2015 года по МПК G21C7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к способам эксплуатации ядерных реакторов на быстрых нейтронах в режимах аварийного ввода отрицательной реактивности и к системам управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов.

Уровень техники

Реакторная двухконтурная установка с жидкометаллическим теплоносителем (эвтектический сплав свинец-висмут) в первом контуре и рабочей средой (вода-пар) во втором контуре предназначена для преобразования ядерной энергии в тепловую энергию насыщенного пара.

Привод аварийной защиты - устройство СУЗ, предназначенное для осуществления функции безопасности - быстрого автоматического и дистанционного ручного прекращения ядерной цепной реакции деления в активной зоне реакторной установки (РУ) путем быстрого ввода органа регулирования - стержня аварийной защиты в активную зону РУ.

В современных системах управления и защиты реакторов предъявляются высокие требования к таким характеристикам исполнительных механизмов, как скорость ввода управляющего стержня в активную зону и надежность выполнения функции аварийной защиты, т.е. безотказность ввода управляющего стержня в активную зону.

Известен исполнительный механизм органов аварийной защиты реактора БН-350 (Митенков Ф.М. и др. Исполнительные механизмы органов управления и защиты для натриевых реакторов на быстрых нейтронах, Атомиздат, 1980, с. 51…58). Механизм состоит из двух отдельных сборок: из сервопривода и герметичной стойки со штангой и реечным механизмом. Стойка со штангой крепится на фланце кессонной трубы центральной колонны реактора. Стойка состоит из собственно стойки, штанги с наконечником и захватами. В нижней части стойки имеются направляющие штанги, а в верхней - амортизационная пружина. Внутри штанги проходит шток и нижняя труба, соединенная шлицами с эксцентриком, управляющим захватами.

Реечный механизм включает реечную пару, направляющие ролики, разгоняющую пружину, чехол с конечными индуктивными выключателями.

Сервопривод представляет собой отдельную монтажную сборку и устанавливается на подставке опорной плиты. Выходной вал редуктора сервопривода соединяется с входным валом реечного механизма при помощи муфты зубчатого типа. Сервопривод состоит из электродвигателя постоянного тока, редуктора червячно-цилиндрического типа, электромагнита, датчика положения, конусной фрикционной муфты сцепления с рычагами управления и маточной гайки. Вал электродвигателя соединен с входным валом редуктора через муфту крестово-кулисного типа.

Вращение от электродвигателя при помощи крестовой муфты, пары цилиндрических шестерен и червячной пары передается ведущей полумуфте фрикциона через шариковые шпонки. Последняя при включенном электромагните передает движение ведомой полумуфте и через две пары цилиндрических шестерен выходному валу. Необходимый момент сцепления на фрикционной муфте создается электромагнитом через ярмо, рычаг и траверсы с пружинами и упорными подшипниками в траверсе. Движение от сервопривода через соединительную муфту зубчатого типа передается валу узла уплотнения, а затем - реечной паре, которая преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное перемещение штанги с захватами и органом аварийной защиты реактора.

Однако конструкция исполнительного механизма обладает рядом недостатков. Механизм состоит из двух сборок, имеет сложную кинематику, так как двигатель асинхронный, не регулируемый. Сцепление происходит через фрикционную муфту с отдельным электромагнитом. Надежность сцепления фрикционной муфты может быть снижена за счет попадания смазки, посторонних предметов, например, в процессе из-за износа фрикционных поверхностей. Механизм сложен в изготовлении и имеет большие габариты.

Известен также исполнительный механизм органов аварийной защиты реактора БН-600 (Митенков Ф.М. и др. Исполнительные механизмы органов управления и защиты для натриевых реакторов на быстрых нейтронах, Атомиздат, 1980, с. 62…71). Кинематическая схема, как и схема исполнительного механизма для органа регулирования, состоит из двух кинематических цепей: сервопривода штанги и сервопривода захватов. Первая состоит из электропривода, верхнего, промежуточного и нижнего редукторов, торсионного вала, электромагнитной муфты, обгонной муфты, реечной пары, штанги с захватами, датчика положения, разгоняющей и амортизационной пружин.

В кинематическую цепь сервопривода захватов входят электродвигатель, редуктор червячно-цилиндрического типа, поворотная труба, датчик импульсов, полый вал с эксцентриком и контрольный шток.

Конструктивно исполнительный механизм органов аварийной защиты реактора БН-600 близок к исполнительному механизму органов аварийной защиты реактора БН-350. Удалось уменьшить габариты конструкции, однако, кинематика его стала сложнее. Усложнение кинематики ведет к снижению надежности исполнительного механизма.

Кроме того, использование вместо фрикционной магнитной муфты бесконтактной электромагнитной муфты создает электромагнитное поле и при увеличении момента сопротивления на ведомом роторе зубцы ведомого ротора сдвигаются относительно зубцов ведущего ротора на некоторый угол. И если на валу ведомого ротора создается нагрузка, при которой угол сдвига между зубцами роторов превысит предельный, произойдет проскальзывание - срыв. Роторы выходят из синхронизма и прекращается передача крутящего момента.

Кроме того, приведенные к шестерне реечной момент инерции вращающихся частей увеличивает время падения стержня. К недостаткам относится также то, что муфта потребляет много энергии.

Раскрытие изобретения

Изобретение решает задачу уменьшения времени ввода отрицательной реактивности в активную зону ядерного реактора при аварийных ситуациях, повышения надежности конструкции привода стержня аварийной защиты и, как следствие, безопасности и надежности реакторной установки в целом.

Техническим результатом заявляемой конструкции привода стержня аварийной защиты ядерного реактора является:

- обеспечение надежности работы кинематики привода;

- уменьшение времени размыкания кинематической цепи и соответственно уменьшение времени ввода поглощающего стержня аварийной защиты при аварийной ситуации или обесточивании;

- обеспечение надежности блокирования обратного хода рейки с поглощающим стержнем СУЗ (подскока) при сбросах поглощающего стержня, исключая вращение шестерни реечной в сторону подъема благодаря обгонной муфте;

- исключение сложной регулировки и совместной настройки системы электромагнит-зубчатая муфта;

- уменьшение габаритов привода.

Для решения поставленной задачи предложена конструкция привода поглощающего стержня аварийной защиты ядерного реактора, включающая электропривод, редуктор и механизм реечный. Электропривод содержит электродвигатель бесколлекторный, статор электродвигателя установлен в корпусе электропривода, а ротор жестко соединен с валом электропривода. В качестве бесколлекторного электродвигателя использован бесконтактный электродвигатель на постоянных магнитах. Вал электропривода смонтирован на подшипниках качения.

На валу электропривода установлен ротор бесконтактного вращающегося трансформатора синусно-косинусного типа. На этом валу также установлен электромагнитный тормоз нормально-закрытого типа.

По оси механизма реечного установлена рейка зубчатая для обеспечения возвратно-поступательного перемещения сцепленного с ней поглощающего стержня СУЗ посредством шестерни реечной, которая преобразует вращательное движение в поступательное.

Рейка зубчатая механизма реечного установлена в направляющих в корпусе механизма реечного. В верхней части рейки зубчатой установлен высококоэрцитивный магнит, защитная гильза которого служит направляющей. Магнит установлен для подачи сигнала на концевые индуктивные выключатели контроля крайних положений рейки зубчатой с поглощающим стержнем СУЗ. Датчики положения рейки зубчатой выполнен в виде концевых индуктивных выключателей, установленных снаружи корпуса механизма реечного.

В крышку чехла корпуса механизма реечного упирается верхний торец пружины сброса рейки зубчатой, а нижний торец пружины упирается в гильзу магнита.

На внутреннем валу механизма реечного установлена сцепная зубчатая электромагнитная муфта, корпус которой зафиксирован во внутренней полости механизма реечного. При этом на входном звене электромагнитной муфты закреплена зубчатая полумуфта, жестко соединенная с обоймой обгонной муфты, а ступица обгонной муфты закреплена на валу.

Ось электропривода параллельна оси рейки зубчатой.

Сброс поглощающего стержня СУЗ происходит при размыкании кинематической цепи.

Пружина сброса рейки зубчатой может быть выполнена составной из нескольких частей, соединенных между собой специальными втулками. Это позволит регулировать силовые характеристики привода и удешевитьпроизводство.

Внутренняя полость привода поглощающего стержня аварийной защиты выполнена герметичной. Соединения основных узлов привода имеют уплотнения, выполненные из радиационно-стойкого материала.

Статор электродвигателя, смонтированный в корпусе электропривода, зафиксирован от вращения и осевого перемещения.

Электродвигатель бесконтактный моментный обеспечивает создание вращающего момента на валу с требуемыми скоростями и моментами.

Бесконтактный вращающийся трансформатор синусно-косинусного типа служит в качестве бесконтактного датчика положения ротора электродвигателя.

При отсутствии питания на электродвигателе электромагнитный тормоз исключает вращение вала и, как следствие, исключает перемещение рейки зубчатой с поглощающим стержнем СУЗ.

Зубчатая полумуфта предназначена для передачи крутящего момента с электропривода на механизм реечный. Полумуфта закреплена на входном звене электромагнитной муфты и при этом является обоймой обгонной муфты.

Обгонная муфта предотвращает подскок поглощающего стержня СУЗ при его сбросе в активную зону и исключает перемещение его вверх от действия внешних динамических нагрузок при обесточенной электромагнитной муфте.

Конструктивно заявляемый привод поглощающего стержня аварийной защиты СУЗ, включающий электропривод, редуктор и механизм реечный, выполнен как единое целое.

Перечень чертежей

На фиг. 1 изображен привод стержня аварийной защиты ядерного реактора, общий вид в разрезе.

На фиг. 2 представлена кинематическая схема привода стержня аварийной защиты фиг. 1.

На фиг. 3 - разрез А-А фиг. 1.

На фиг. 4 - место Б фиг. 1.

Осуществление изобретения

Привод стержня аварийной защиты СУЗ смонтирован на стойках корпуса ядерного реактора. Привод содержит электропривод 1, в корпусе 2 которого неподвижно закреплен статор 3 электродвигателя, а ротор 4 электродвигателя установлен на валу 5 электропривода посредством двух подшипников качения 6. На валу электропривода установлен ротор 7 трансформатора, статор 8 которого закреплен в корпусе 2. Бесконтактный трансформатор служит в качестве датчика углового положения ротора электродвигателя. На валу электропривода установлен также электромагнитный тормоз 9 и редуктор 10.

Реечный механизм состоит из корпуса 11, по оси корпуса смонтирована рейка зубчатая 12. На конце рейки зубчатой 12 закреплен поглощающий стержень 13. В верхней части рейки зубчатой 12 установлен магнит 14, являющийся одновременно направляющей рейки зубчатой 12. Магнит 14 служит для подачи сигнала на датчик положения рейки зубчатой,выполненные в виде концевого индуктивного выключателя 15, установленного снаружи чехла корпуса 11. Ось рейки зубчатой 12 параллельна оси электропривода.

Электромагнитная муфта 16 установлена на вал 17 реечного механизма, корпус электромагнитной муфты зафиксирован от поворота. При этом на входном звене электромагнитной муфты закреплена зубчатая полумуфта 18, являющаяся обоймой обгонной муфты 19. Ступица 20 обгонной муфты закреплена на валу.

Вращающий момент передается через редуктор 10 и сцепленные полумуфты муфты 16 на шестерню 21 реечную.

Наверху рейки зубчатой 12 расположена пружина 22 сброса рейки зубчатой 12 с поглощающим стержнем 13 СУЗ. Верхний торец пружины 22 упирается в крышку корпуса механизма реечного, а нижний торец - в гильзу магнита 14. Пружина 22 сброса рейки зубчатой состоит из нескольких пружин, разделенных между собой специальными втулками 23. В корпусе 11 механизма реечного установлен амортизатор 24.

Устройство работает следующим образом.

При появлении предупредительного сигнала аварийной защиты поглощающий стержень 13 СУЗ вводится в активную зону, электропривод включается на опускание. При вращении вала на опускание вращающий момент передается через редуктор 10 и сцепленные полумуфты электромагнитной муфты 16 на шестерню реечную 21, которая преобразует движение вращательное в поступательное. При достижении поглощающим стержнем 13 уровня нижнего концевого выключателя 15 электропривод отключается. При этом питание тормозной муфты снимается, и вал двигателя затормаживается, предотвращая движение вверх рейки зубчатой 12 с поглощающим стержнем 13 СУЗ.

По сигналу аварийной защиты электромагнитная сцепная муфта 16 обесточивается, подвижная часть электромагнитной муфты размыкается мембраной пружиной, встроенной в корпус электромагнитной муфты, кинематическая цепь между валом 17 реечного механизма и валом 5 электропривода размыкается. В результате разрыва кинематической связи рейка зубчатая 12 с поглощающи стержнем 13 СУЗ под действием собственного веса и пружины 22 сброса сбрасывается в активную зону ядерного реактора. При этом пружина разжимается на всю длину погружения поглощающего стержня, обеспечивая минимальное время его ввода, а обгонная муфта 19 исключает подскок поглощающего стержня 13 от удара.

При этом кинематика привода позволяет сбросить поглощающий стержень из любого промежуточного положения.

При взводе поглощающего стержня 13 СУЗ аварийной защиты (в случае срабатывания аварийной защиты при полном обесточивании) по сигналу на подъем из нижнего положения до уровня верхнего концевого индуктивного выключателя 15 процесс идет в следующей последовательности. Подается напряжение на концевые индуктивные выключатели 15, на сцепную электромагнитную муфту 16. Замыкается кинематическая цепь, передающая движение на реечную шестерню 21 от двигателя через редуктор 10. Включается электропривод на подъем. Обгонная муфта при этом не работает, так как ее ступица 20 и обойма 19 вращаются синхронно. Движение рейки зубчатой 12 с поглощающим стержнем 13 СУЗ происходит до достижения уровня верхнего концевого выключателя. После этого электропривод выключается. При этом тормозная муфта 9 тоже обесточивается, вал электропривода 5 заторможен, сползание поглощающего стержня 13 СУЗ вниз исключается.

При подъеме поглощающего стержня 13 СУЗ, в случае ввода его без нарушения электропитания, необходимо включить сцепную электромагнитную муфту 16. Движение поглощающего стержня 13 СУЗ происходит аналогично режиму, описанному выше.

Таким образом, заявляемая конструкция привода стержня аварийной защиты СУЗ позволяет повысить надежность конструкции, уменьшить время ввода отрицательной реактивности в активную зону при аварийных ситуациях, что существенно повышает безопасность и надежность реакторной установки в целом.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к системам управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Привод поглощающего стержня аварийной защиты ядерного реактора включает электропривод, редуктор и механизм реечный. Электропривод содержит электродвигатель бесконтактный на постоянных магнитах, установленный в корпусе электропривода, с датчиком положения ротора двигателя, редуктор для изменения частоты вращения электропривода для получения требуемых скоростных и силовых характеристик привода По оси механизма реечного установлена рейка зубчатая для обеспечения возвратно-поступательного перемещения соединенного с ней поглощающего стержня СУЗ посредством шестерни реечной. На внутреннем валу механизма реечного установлена сцепная зубчатая электромагнитная муфта с бесконтактным токоподводом с обеспечением возможности жесткого и синхронного механического сцепления полумуфт, при этом привод содержит муфту обратного хода, кинематически связанную с шестерней реечной для исключения подскока рейки при сбросах, пружину сброса рейки и датчики положения рейки зубчатой. Технический результат - уменьшение времени ввода отрицательной реактивности в активную зону ядерного реактора при аварийных ситуациях, повышение надежности конструкции привода стержня аварийной защиты. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Привод стержня аварийной защиты ядерного реактора, включающий электропривод, редуктор и механизм реечный, при этом электропривод содержит бесконтактный электродвигатель, выполненный на постоянных магнитах и установленный в корпусе электропривода, с датчиком положения ротора двигателя, редуктор для изменения частоты вращения электропривода для получения требуемых скоростных и силовых характеристик привода, по оси механизма реечного установлена рейка зубчатая для обеспечения возвратно-поступательного перемещения соединенного с ней поглощающего стержня СУЗ посредством шестерни реечной, на внутреннем валу механизма реечного установлена сцепная зубчатая электромагнитная муфта с бесконтактным токоподводом для обеспечения возможности жесткого и синхронного механического сцепления полумуфт, при этом привод содержит муфту обратного хода, кинематически связанную с шестерней реечной для исключения подскока рейки при сбросах, пружину сброса рейки и датчики положения рейки зубчатой.

2. Привод по п. 1, отличающийся тем, что в качестве бесконтактного датчика положения ротора электродвигателя использован бесконтактный синусно-косинусно вращающийся трансформатор.

3. Привод по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчиков положения рейки зубчатой используются датчики индуктивного (бесконтактного) типа.

4. Привод по п. 1, отличающийся тем, что для подачи сигнала положения рейки зубчатой с поглощающим стержнем СУЗ на индуктивные выключатели, установленные снаружи корпуса механизма реечного, в верхней части рейки зубчатой установлен высококоэрцитивный магнит.

5. Привод по п. 1, отличающийся тем, что пружина сброса рейки установлена над рейкой зубчатой.

6. Привод по п. 6, отличающийся тем, что пружина сброса рейки может быть выполнена составной.

7. Привод по п. 1, отличающийся тем, что на валу электропривода для исключения несанкционированного перемещения рейки со стержнем СУЗ при отключенном электроприводе установлен электромагнитный тормоз нормально-закрытого типа.

8. Привод по п. 1, отличающийся тем, что ось электропривода параллельна оси рейки зубчатой.

9. Привод по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя полость привода аварийной защиты выполнена герметичной.