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発明の名称 気水分離器、沸騰水型原子炉及びスワラアセンブリ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−232532(P2007−232532A)
公開日 平成19年9月13日(2007.9.13)
出願番号 特願2006−53713(P2006−53713)
出願日 平成18年2月28日(2006.2.28)
代理人 【識別番号】100064414
【弁理士】
【氏名又は名称】磯野 道造
発明者 茶木 雅夫 / 村瀬 道雄 / 石田 直行
要約 課題
気水分離器の圧力損失を低減すると共に気水分離性能を向上させて気水分離器から出る湿分を増加させないようにする。

解決手段
気水分離器12は、第1段内筒110の下部側の内壁に、外側の主スワラ150と、この主スワラ150よりも小さい内側の補助スワラ160とを同心円状に備える。そして、この気水分離器12では、第1段内筒150の軸中心付近を流通する気液二相流が補助スワラ160を通過するときに遠心力によって蒸気と水とに分離し、その分離した水(液滴)を主スワラ150側に導いて、主スワラ150を通過するときに遠心力によって、第1段内筒110の内壁側へ分離する。
特許請求の範囲
【請求項1】
気液二相流を液体と気体とに分離する気水分離器において、
気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、
このスタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、当該上側端面の流路面積よりも上方に向けて流路面積を拡大するディフューザと、
このディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第1段内筒と、
この第1段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状空間を形成する第1段外筒と、
この第1段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に前記第1段内筒の内径よりも小径の円形孔を形成した第1段環状板と、
この第1段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を通る流路を形成する第1段ピックオフリングと、
気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及びこのハブを中心にして放射状に取り付ける複数枚の主旋回羽根を含み、前記ディフューザの内壁又は前記第1段内筒の下部側の内壁に前記主旋回羽根の外側縁を固定して、前記いずれかの内壁と前記ハブと前記主旋回羽根とで形成される空間に主旋回流路を形成する主スワラと、
前記ディフューザ又は前記第1段内筒の取り付け箇所の半径よりも幅方向に短く、かつ、前記ハブとつながった第2のハブを中心にして取り付ける補助旋回羽根下端を、前記主旋回羽根の終端よりも下側に位置させ、前記第2のハブと前記各補助旋回羽根とで形成される前記補助旋回羽根に沿った空間に補助旋回流路を形成する補助スワラと、
を備えたことを特徴とする気水分離器。
【請求項2】
請求項1に記載の気水分離器において、
前記主スワラの前記各主旋回羽根の下部内側に切り欠き部を形成し、
前記補助スワラを、
前記ハブの下部側の一部を前記第2のハブとし、この第2のハブを中心に前記主旋回羽根よりも少ない数の前記補助旋回羽根を取り付け、前記ハブと前記各補助旋回羽根とで形成される空間に補助旋回流路を形成すること、
を特徴とする気水分離器。
【請求項3】
請求項1に記載の気水分離器において、
前記主スワラの前記主旋回羽根の前記ハブを、円柱形状で成形し、この円柱形状のハブの中空内に、前記各主旋回羽根の内側に切り欠き部を形成し、
前記補助スワラを、前記切り欠き部で形成される空間に配置し、前記補助旋回羽根と前記主旋回羽根とが連続した構造になっていること、
を特徴とする気水分離器。
【請求項4】
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の気水分離器において、
前記補助スワラの外径は、前記スタンドパイプの内径より小さいこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項5】
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の気水分離器において、
前記補助スワラの補助旋回羽根の枚数は、少なくとも1枚であって、前記主スワラの主旋回羽根の枚数よりも少ないこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項6】
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の気水分離器において、
前記第1段内筒の上側側面に、前記主スワラの前記主旋回羽根の傾き方向とは反対向きの傾きのほぼ帯状の傾斜スリットを形成したこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項7】
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の気水分離器において、
前記第1段内筒と前記第1段外筒との隙間の上方に位置する前記第1段環状板の面に開口部を形成し、当該開口部に上方に向けて起立する排気管を備えたこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項8】
請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の気水分離器において、
前記第1段外筒が前記ディフューザも囲んでいる長さを有する場合に、
前記第1段外筒の形状が、当該ディフューザよりも下方側に位置する下部側の外径を上部側の外径よりも短く成形したこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項9】
請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の気水分離器において、
気液二相流の流路を形成する多段内筒と、この多段内筒を同心円状に間隔を空けて囲む多段外筒と、この多段外筒の上方側端面の内周縁を塞ぐと共に前記多段内筒の内径よりも小径の多段円形孔を形成した多段環状板と、この多段環状板の前記多段円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記多段円形孔を通る流路を形成する多段ピックオフリングとを含む多段気水分離部を備え、
請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の気水分離器を第1段気水分離部として有し、当該第1段気水分離部の上に多段気水分離部を少なくとも1段積層して多段状に接続して流路を形成したこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項10】
請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の複数の気水分離器を、
原子炉圧力容器の内部の下部側に備える炉心の上方に並列に配列して備えること、
を特徴とする沸騰水型原子炉。
【請求項11】
気液二相流を液体と気体とに分離する気水分離器に組み込まれるスワラアセンブリおいて、
短筒と、
気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及びこのハブを中心にして放射状に取り付ける複数枚の主旋回羽根を含み、前記短筒の内壁に前記主旋回羽根の外側縁を固定して、前記いずれかの内壁と前記ハブと前記主旋回羽根とで形成される空間に主旋回流路を形成する主スワラと、
前記短筒の取り付け箇所の半径よりも幅方向に短く、かつ、前記ハブを通る第2のハブを中心にして取り付ける補助旋回羽根を、前記主旋回羽根の終端よりも下側に位置させ、前記第2のハブと前記各補助旋回羽根とで形成される前記補助旋回羽根に沿った空間に補助旋回流路を形成する補助スワラと、
を組み立てた構造体であることを特徴とするスワラアセンブリ。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、沸騰水型原子炉(BWR(Boiling Water Reactor))と、この沸騰水型原子炉において用いられる気水分離器と、この気水分離器を構成するスワラアセンブリとに関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、BWRでは、炉心で熱を発生させ、その熱によって冷却材(軽水)を沸騰させ、その際に発生する蒸気を取り出してタービンへ送り、その蒸気によって直接タービンを回して発電させるようになっている。このBWRの原子炉圧力容器内には、下部側に炉心が配置され、上部側に気水分離器が配置されている。そして、その気水分離器は、炉心で発生した熱で沸騰させられた軽水によって生じた蒸気と水との気液二相流を通過させ、この気液二相流に含まれている蒸気と水とを分離して、クオリティ(全質量流量に対する蒸気質量流量の割合)の高い蒸気をタービンへと導く機能を担っている(例えば、特許文献1、2参照)。
【0003】
【特許文献1】特開2000−153118号公報
【特許文献2】特開2001−183489号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
気水分離器においては気水分離性能が高く、かつ、圧力損失が少ないことが望ましい。しかし、一般に気水分離性能の向上は圧力損失増加につながる。
【0005】
そこで、本発明は、気水分離器の圧力損失を低減すると共に気水分離性能を向上させて気水分離器の出口のクオリティ(気液二相流における気体の質量流量割合)を低下させないようにすることを課題とし、炉心流量の増加やそれに伴う炉心出力の増大を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の気水分離器は、気液二相流を蒸気と水とに分離するために、ディフューザの内壁又は第1段内筒の下部側の内壁に、外側の主スワラと、この主スワラよりも小さい内側の補助スワラとを同心円状に備える。そして、この気水分離器では、ディフューザ又は第1段内筒の軸中心付近を流れる気液二相流が補助スワラを通過するときに遠心力によって蒸気と水とに分離し、その分離した水を主スワラ側に導いて、主スワラを通過するときに遠心力によって内壁側へ分離する。
【0007】
そのため、この気水分離器は、流路軸中心付近の気液二相流と、スタンドパイプや第1段内筒の内壁周辺側の気液二相流との挙動の違いに応じて、蒸気と水とを分離することになる。また、この気水分離器では、補助スワラが主スワラよりも小さいので、蒸気の割合の多い流路軸中心付近の圧力損失が小さく抑えられる。
【発明の効果】
【0008】
したがって、本発明によれば、気水分離器の圧力損失を低減すると共に気水分離性能を向上させて気水分離器の出口の湿分を増加させないようにすること、つまり、気水分離器の出口のクオリティを低下させないようにすることができ、これによって、炉心流量と炉心出力とを増大させても、圧力損失を増大させることなく、効率よく蒸気と水とを分離することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、実施の形態の気水分離器について説明し、この気水分離器を用いる強制循環式BWRや自然循環式BWRの構造の概略について説明する。
【0010】
[気水分離器:構造]
まず、実施の形態の気水分離器の構造について説明する。図1は、本発明の実施の形態の気水分離器の構造を示す縦断面図である。この気水分離器12は、図示しない炉心側から上昇してくる水と蒸気との気液二相流を流通させて水と蒸気とを分離し、水を炉心側に再循環させると共に蒸気を図示しないタービン側に送出するものである。
【0011】
この気水分離器12は、スタンドパイプ12bと、ディフューザ100と、第1段内筒110と、外筒(第1段乃至第3段)120と、第1段環状板130と、第1段ピックオフリング140と、主スワラ150と、補助スワラ160と、を主に備えている。
【0012】
スタンドパイプ12bは、図示しない炉心側から上昇してくる水と蒸気との気液二相流を下方から上方に向かって流通させる流路を形成する。このスタンドパイプ12bは、後記するように、後記上部プレナムに形成される複数の図示しない孔に並べて挿入されて接続される。この接続は、例えば、溶接によって行われる。
【0013】
ディフューザ100は、図1に示すように、ほぼ逆円錐台形状の断面をしている。そのため、このディフューザ100は、スタンドパイプ12bの上側端面に連通して流路を形成し、その上側端面の流路面積よりも上方(流路の下流)に向けて流路面積を拡大するようになっている。また、このディフューザ100とスタンドパイプ12bとは、例えば、溶接によって接続される。
【0014】
第1段内筒110は、ディフューザ100の上側端面に連通して流路を形成する。この第1段内筒110とディフューザ100との接続も、例えば、溶接によって行われる。この第1段内筒110には、ハブ151と主旋回羽根152とを有する主スワラ150と、補助スワラ160とが、下部側(上流側)に備えられている。なお、主スワラ150及び補助スワラ160については、後記する。
【0015】
また、この第1段内筒110には、その上側側面に、主スワラ150の主旋回羽根152の傾き方向とは反対向きの傾きのほぼ帯状の傾斜スリット111が形成されている。この傾斜スリット111は、第1段内筒110の上部側面に全周に渡って均等に形成されている。この傾斜スリット111は、後記するように、第1段内筒110の内壁を伝わってくる液膜を第1段内筒110の側面から排出するものである。
【0016】
なお、その液膜は、主スワラ150によって分離された水が集まったものであり、後記するように、主スワラ150及び補助スワラ160を経て上昇する気液二相流の旋回に押し流されている。そのため、液膜も、第1段内筒110の内壁を沿って流れる。この液膜の旋回流は、気液二相流と同方向の旋回流である。
【0017】
外筒120は、第1段内筒110を同心円状に間隔を空けて囲んで環状空間を形成している。そして、この外筒120は、図1に示すように、第1段から第3段までの3段階の気水分離部としての機能を、一体の気水分離器12にした構造にしている。各段階の気水分離機能については、後記する。
【0018】
第1段環状板130は、第1段内筒110の上端周縁を環状に塞いで、外筒120を上下に分ける。また、この第1段環状板130には、第1段内筒110の内径よりも小径の円形孔131aが形成されている。
【0019】
また、第1段ピックオフリング140は、円筒体であり、第1段環状板130の円形孔130aを形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて円形孔130aを通る流路を形成している。この第1段ピックオフリング140は、第1段内筒110の内径よりも小径になっている。そして、この第1段ピックオフリング140は、第1段内筒110の内壁側に近い環状空間の旋回流を、第1段内筒110と外筒120との間の環状空間に分離し、流路中心の旋回流を上方へ分離させる。
【0020】
主スワラ150は、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ151及びこのハブ151を中心にして放射状に取り付ける複数枚の主旋回羽根152を含んでいる。その主旋回羽根152は、例えば、8枚とする。また、この主スワラ150は、ディフューザ100の内壁又は第1段内筒110の下部側の内壁に主旋回羽根152の外側縁を固定している。これによって、主スワラ150は、いずれかの内壁とハブ151と主旋回羽根152とで形成される空間に主旋回流路を形成している。
【0021】
補助スワラ160は、第1段内筒110の軸中心付近の気液二相流を、小さい圧力損失で高いクオリティの蒸気を分離するものである。この補助スワラ160の構造及び機能については、図2から図9までを用いて詳細に後記することとする。なお、この気水分離器12は、ディフューザ100から第1段環状板130までの間が、第1段の気水分離部として機能する。そして、この気水分離器12は、3段の気水分離部として機能している。続いて、第2段及び第3段の気水分離部として機能する構成について説明する。
【0022】
この気水分離器12は、第2段内筒170と、第2段排水口171と、排気管172と、第2段環状板131と、第2段ピックオフリング141とを備えている。これらを含む、第1段環状板130から第2段環状板131までの間が、第2段の気水分離部として機能する。
【0023】
第2段環状板131は、第1段内筒110の上端周縁を環状に塞いで、第1段環状板130よりも上の外筒120を上下に分ける。また、この第2段環状板131には、第2段内筒170の内径よりも小径の円形孔132aが形成されている。また、第1段ピックオフリング141は、円筒体であり、第2段環状板131の円形孔131aを形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて円形孔131aを通る流路を形成している。
【0024】
また、第2段内筒170には、その下側側面から第2段排水口171と、第1段環状板130から上方に延びる排気管172とが備えられている。第2段排水管171は、第2段ピックオフリング141が第1段ピックオフリング140と同様にして分離した水を外筒120から排出する。
【0025】
排気管172は、第1段環状板130の下側に溜まった蒸気を上方に排気する。ここに溜まる蒸気は、排気管172が無ければ第1段内筒110と外筒120との間の水の流れに追随して環状空間を下降していく。一般に原子炉の水位は気水分離器の第一段部中央付近にあり、第1段内筒110と外筒120との間の環状空間より排出される蒸気はシュラウド8(図12又は図13参照)と圧力容器6(図12又は図13参照)の内面との間のダウンカマ9(図12又は図13参照)に入り込む。このようにダウンカマ9(図12又は図13参照)に流れ込む蒸気の量をキャリーアンダーといい、この量が少ない方がインターナルポンプ90のキャビテーション防止の観点から好ましい。本実施例では排気管172を付けることにより、第1段内筒110と外筒120との間の環状空間に入り、キャリーアンダー増加の原因となる蒸気を排気管172を通じて第2段排水口171から気水分離器外部に排出することが可能となる。これにより第1段内筒110と外筒120との間の環状空間から原子炉水位より下に排出される蒸気を減らし、キャリーアンダー量を減少させることが可能となる。なお、第2段排水口171は水面より上に位置するのでここからの蒸気の排出量の増加はキャリーアンダー特性に影響は与えない。
【0026】
次に、第3段の気水分離部として機能する構成について説明する。なお、この構成は、第2段の気水分離部としての構成と同様である。そのため、対応関係について示し、詳細な説明は省略する。気水分離器12は、第3段の気水分離部として機能するために、第2段内筒170と同様の第3段内筒180と、第2段排水口171と同様の第3段排水口181と、排気管172と同様の排気管と、第2段環状板131と同様の第3段環状板132と、第2段ピックオフリング141と同様の第3段ピックオフリング142とを備えている。なお、第3段環状板132には、孔131aと同様の孔132aが形成されている。
【0027】
それでは、図2から図9を参照して、補助スワラ160について説明する。図2は、補助スワラを説明するための図である。図2(a)は、第1段内筒を水平方向に切断し、その切断面を上部側から見た図である。図2(b)は、図1に示した主スワラ及び補助スワラ近辺の第1段内筒を示す図である。図2(c)は、ディフューザの下部側から見た図である。図2(d)は、補助スワラの取り付け構造を示す模式図である。
【0028】
図2(c)に示すように、補助スワラ160は、螺旋形状の補助旋回羽根161を備えている。ここでは、4枚の補助旋回羽根161が示されている。この補助旋回羽根161は、第1段内筒110の取り付け箇所の半径よりも幅方向に短く形成する。
【0029】
なお、この補助スワラ160の径については、特に、補助スワラ160の外径がスタンドパイプ12bの内径よりも小さいことが望ましい。これはスタンドパイプ12b内でも水は主にスタンドパイプ12bの内面に液膜状に多く存在し、この液膜より内側は蒸気が多い状態となっている。したがって、スタンドパイプ12bの内面付近の水は主スワラ150で分離するのが望ましく、それより内側の蒸気が多い部分の水(液滴)を分離するには補助スワラ160が圧力損失低減と気水分離性能維持の観点から好ましいからである。
【0030】
また、補助旋回羽根161の枚数は、少なくとも1枚であって、主旋回羽根152の枚数よりも少ないことが望ましい。上述のように、補助スワラ160はもともと蒸気の割合が多い。したがって、補助スワラ160に要求される機能は、補助スワラ160の水(液滴)を主旋回羽根152に導くことであり、主旋回羽根152と同じ気水分離性能は必要でない。このように、スワラ部(主スワラ150及び補助スワラ160)の径方向の気液二相流状況の違いに応じて、主旋回羽根152と補助スワラ160の機能を分離しているのが本実施例の特徴である。このように補助スワラ160は主旋回羽根152程の気水分離性能は要求されないので、補助スワラ160の補助旋回羽根161の枚数は主旋回羽根152より少なくても気水分離性能上、十分である。このことによって、気水分離性能を維持しつつ圧力損失の低減も可能になる。なお、このことは、補助スワラ160が、全体的に主スワラ150よりも小さい方が望ましいことを示している。また、補助旋回羽根161の厚さは、主旋回羽根152の厚さよりも薄い方が圧力損失低減および製作性の観点からも望ましい。
【0031】
また、この補助旋回羽根161は、ハブ151を中心にして取り付ける。さらに、この補助旋回羽根161は、主旋回羽根152の終端よりも下側(上流側)に位置させている。なお、この補助旋回羽根161の形状及び機能は、図5から図8までを用いて説明するため、後記する。
【0032】
この補助スワラ160は、ハブ151と補助旋回羽根161とで形成される補助旋回羽根161に沿った螺旋状空間を補助旋回流路としている。なお、ここでは、主スワラ150のハブ151を補助スワラ160でも兼用して一体のものとしているが、別体としてもよい。この場合、ハブ151に対して第2のハブと呼び、この第2のハブはハブ151と同軸を通る。そして、互いの端面同士が接続するようにしておけばよい。また、ハブ151の径を主旋回羽根152が接続される部分と補助旋回羽根161が接続される部分で変えてもよい。
【0033】
つまり、図2(a)、図2(b)及び図2(c)に示す補助スワラ160は、図2(d)に示すように、第1段内筒110の内壁に取り付けられた主スワラ150の下部に、主スワラ150と一体に同一のハブ151に取り付けた構造になっている。
【0034】
次に、補助スワラ160の取り付け構造の他例1を示す。図3は、補助スワラの他の取り付け構造を示す図である。図3(a)は、図2(a)に相当する図である。図3(b)は図2(d)に相当する図である。図3(a)(b)に示すように、主スワラ150の主旋回羽根152の中心軸部分は、切り欠き状態になっている。そして、補助スワラ160が、その中心軸部分に配置されている。この場合の補助スワラ160は、ハブ151に補助旋回羽根161を取り付け、補助旋回羽根161を主旋回羽根152に接続した構造になっている。
【0035】
次に、補助スワラ160の取り付け構造の他例2を示す。図4は、補助スワラの他の取り付け構造を示す図である。図4(a)は、図2(a)に相当する図である。図4(b)は図2(d)に相当する図である。図4(a)(b)に示すように、主スワラ150の主旋回羽根152(図4(a))の中心軸部分は、切り欠き状態になっている。そして、補助スワラ160が、その中心軸部分に配置されている。ここまでの構造は、図3の構造と同一である。この補助スワラ160は、ハブ151に補助旋回羽根161を取り付けた構造になっている。一方、主スワラ150は、主旋回羽根152を環状ハブ153に取り付けた構造になっている。そして、補助スワラ160が、その環状ハブ153内に挿入されて一体に取り付けられている。この場合、主スワラ150と補助スワラとを別々に組み立てた後に、一体に組み付け作業を行うことができる。また、環状ハブ153は、複数の孔153aを形成して多孔状とし、補助スワラ160から周方向に飛び出した液滴の主スワラ150への流入阻害を防止するようになっている。
【0036】
続いて、補助旋回羽根161の形状及び機能について、図5から図8までを用いて説明する。図5は、2枚の補助旋回羽根を用いた場合の模式図である。図5(a)は、2枚の補助旋回羽根を下側から見た図を示している。図5(b)は、図5(a)のL−L断面方向から見た図を示している。図5(c)は、図5(a)のM−M断面方向から見た図を示している。
【0037】
この場合、2枚の補助旋回羽根161及び補助旋回羽根162が、ハブ151を軸中心にして、それぞれ180度の範囲をカバーする螺旋を描くようにハブ151に取り付けられている。なお、図2に示した、4枚の補助旋回羽根161がハブ151に取り付ける場合には、ハブ151を軸中心にして、例えば、90度ごとの範囲をカバーするように螺旋を描くように取り付ければよい。
【0038】
図6は、1枚の補助旋回羽根を用いた場合の模式図である。図6(a)は、1枚の補助旋回羽根を下側から見た図を示している。図6(b)は、図6(a)のO−O断面方向から見た図を示している。この場合、1枚の補助旋回羽根163が、ハブ151を軸中心にして、360度の範囲をカバーする螺旋を描くようにハブ151に取り付けられている。
【0039】
図7は、1枚の補助旋回羽根を用いた場合の他例の模式図である。図7(a)は、1枚の補助旋回羽根を下側から見た図を示している。図7(b)は、図7(a)のP−P断面方向から見た図を示している。この場合、1枚の補助旋回羽根164が、ハブ151を軸中心にして、540度(1周半)の範囲をカバーする螺旋を描くようにハブ151に取り付けられている。
【0040】
続いて、補助スワラ161の機能について説明する。図8は、補助スワラの機能を説明する模式図である。図8(a)は、補助スワラを下方から見たときの気流(蒸気)及び液滴(水)の流れの一例を示す模式図である。図8(b)は、補助スワラ内を横方向から見たときの気流(蒸気)及び液滴(水)の流れの一例を示す模式図である。
【0041】
この場合、蒸気は、気流に乗って、補助旋回羽根161の螺旋に沿って、ハブ151の周りを流通する。一方、液滴(水)は、補助旋回羽根161に届くと、この補助旋回羽根161上を気流によって押されて移動していく。そうすると、液滴(水)は、遠心力によって、次第にハブ151から遠ざかる方向に移動する。このようにして、液滴(水)と蒸気とが分離される。
【0042】
なお、液滴(水)は、補助旋回羽根161から周方向に飛び出すと、主旋回羽根152(図1、図2等参照)側の気流に乗り、主旋回羽根152に到達する。そうすると、補助旋回羽根161の場合と同様にして、液滴(水)は遠心力によって、さらに周方向へと導かれ、第1段内筒110の内壁に到達する。そして、第1段内筒110の内壁に到達した液滴(水)は、内壁面を液膜となって移動し、前記したように、気水分離器12から排出されていく。
【0043】
つまり、液滴(水)は、比重が大きく慣性力も大きいので、斜めの補助旋回羽根161(主旋回羽根152)にぶつかりやすい。また、水(液滴)は、粘性も大きいので、補助旋回羽根161(主旋回羽根152)に当たると、基本的に、補助旋回羽根161(主旋回羽根152)に沿って流れる傾向が大きく、かつ、遠心力で外周方向へ導かれる傾向が大きい。これに対して、蒸気は比重や粘性が小さく、また、液滴と違って、連続相をなすので、圧力勾配の影響で旋回流にはなるが、液滴(水)ほど補助旋回羽根161(主旋回羽根152)に沿って外周方向には導かれない。そのため、補助旋回羽根161や主旋回羽根152によって、気水分離を行うことができる。
【0044】
ところで、ハブ151の直径dと第1段内筒110の直径Dとの比(d/D)が、0.13以上0.25以下となるようにするのが望ましいことは知られている。ここで、下限の0.13は、主旋回羽根152(補助旋回羽根160)を第1段内筒110内に設置できなくなる製造上の理由として知られている。また、0.25以下にすることは、圧力損失を少なくすることができるため望ましいが、主旋回羽根152のみの構造では、ハブ151を細くすると、高い気水分離性能を得られない。そのため、実施の形態のように、補助旋回羽根160を設けることによって、少ない圧力損失で、かつ、高い気水分離性能の気水分離器12を製造することができる。
【0045】
次に、主スワラ150と補助スワラ160とを組み合わせた部品としての構造について説明する。ここでは、このような製造途中の部品を、スワラアセンブリと呼ぶこととする。このようなスワラアセンブリは、製造メーカが異なるような場合に流通途中で取引される形態である。
【0046】
図9は、スワラアセンブリの一例を示す模式図である。このスワラアセンブリ190には、第1段内筒110(図1等参照)の一部を構成する短筒112内に、ハブ151に取り付けた主スワラ150と補助スワラ160とが組み付け固定されている。この構造は、前記した構造の一部を示している。
【0047】
図10は、スワラアセンブリの他例を示す模式図である。このスワラアセンブリ191にも、第1段内筒110(図1等参照)の一部を構成する短筒112内に、ハブ151に取り付けた主スワラ150と補助スワラ160とが組み付け固定されている。ただし、このスワラアセンブリ191は、補助スワラ160が主スワラ150よりも下側(上流側)に位置するようにした構造である。つまり、補助スワラ160が、主スワラ150から突き出たハブ151に取り付けられている。
【0048】
次に、気水分離器12の変形例について説明する。なお、図1との相違点のみを説明する。図11は、実施の形態の気水分離器の変形例を示す図1に相当する図である。図11(a)及び図11(b)のそれぞれに変形例1及び変形例2を示す。
【0049】
図11(a)に示すように、この気水分離器12Aは、ハブ251に取り付けた主旋回羽根252を有する主スワラ250と、ハブ251に同様に取り付けた補助スワラ260とを、ディフューザ100内に備えている。この場合、主旋回羽根252は、ディフューザ100の形状に合わせて、下部側よりも上部側の方の径が大きくなる形状になっている。この例では、旋回による気水分離性能は向上するが、圧力損失低減効果は低下する。
【0050】
図11(b)に示すように、この気水分離器12Bは、第1段外筒121と第2段外筒122と第3段外筒123とで3段階の気水分離部の機能を持たせるようにした構造である。また、この気水分離器12Bは、第2段外筒122及び第3段外筒123の径が、第1段外筒121よりも小さくなっている。また、第1段気水分離部の下端付近で外筒120の径を小さくして、小径部121aを形成するようにしてもよい。この場合、外筒120とスタンドパイプ12bとの間の環状空間の流路幅が小さくなるため、蒸気のキャリーアンダー量を低下できる。
【0051】
[BWRの概要]
前記実施の形態の気水分離器12は、再循環ポンプによって軽水を強制的に循環させる強制循環式BWRと、自然対流によって軽水を循環させる自然循環式BWRとに搭載して、機能させることができる。そこで、以下では、強制循環式BWR及び自然循環式BWRの構造を説明し、各前記実施の形態における気水分離器12の機能を説明する。
【0052】
[強制循環式BWR]
図12は、実施の形態の気水分離器を搭載した強制循環式BWRの構成を示す図である。この強制循環式BWR1Aは、前記した構造の複数の気水分離器12を円筒状の原子炉圧力容器(以下「圧力容器」という)6の上部側に収納している。以下、この収納容器6内の構造について説明する。
【0053】
この圧力容器6の中空内の下側には、圧力容器6と同心の円筒状の炉心シュラウド(以下「シュラウド」という)8が設置されている。このシュラウド8には、一番下部に炉心下部プレナム(以下「下部プレナム」という)10が設けられ、この下部プレナム10の上部に炉心7が収容されている。また、この炉心7の上部には、炉心上部プレナム(以下「上部プレナム」という)11cが設けられている。この上部プレナム11cの上部には、シュラウドヘッド12aが設けられている。なお、圧力容器6とシュラウド8との間には、ダウンカマ9と呼ばれる環状空間が形成され、軽水の循環路として機能している。
【0054】
そして、このシュラウドヘッド12aには、所定の数の冷却材通過用の図示しない孔が設けられている。その孔には、複数の気水分離器12のスタンドパイプ12bが挿入され、複数の気水分離器12が並列に配列して並ぶようになっている。つまり、炉心7の上方側と気水分離器12側とを結ぶ流路が、上部プレナム11cを介して接続されている。また、この気水分離器12の上方には、蒸気乾燥器13が備えられている。また、圧力容器6の側壁には、給水入口ノズル17と、蒸気出口ノズル15とが備えられている。また、圧力容器6の下部には、インターナルポンプ90が備えられている。
【0055】
この強制循環式BWR1Aでは、炉心7で発生した蒸気は水との気液二相流で上部プレナム11cを経由して、シュラウドヘッド12aに取り付けられた各気水分離器12に流入する。そして、各気水分離器12では、流入する気液二相流が下方から上方へと流通する。この気水分離器12では、その流通軸中心付近の気液二相流が補助スワラ160(図1等参照)によって蒸気と水とに分離され、蒸気は軸に沿って上方へ流通し、水(液滴)は遠心力によって周方向へ移動させられる。
【0056】
そして、この気水分離器12では、周側を流通する気液二相流が主スワラ150(図1等参照)によって蒸気と水に分離させられる。この際、補助スワラ160(図1等参照)によって分離させられた水が軸中心側から流れて混入し、その水も主スワラ150(図1等参照)の流れに乗り、遠心力によって分離させられる。この気水分離器12によっても取り除くことのできなかった湿分を含む蒸気は、気水分離器12の上方に位置する蒸気乾燥器13に送られる。
【0057】
この蒸気乾燥器13でさらに湿分を除去された蒸気(飽和蒸気)は、蒸気出口ノズル15から送り出され、タービン2に供給される。そして、その蒸気は、タービン2を駆動して図示しない発電機によって発電させた後に、復水器3で凝縮され、給水ポンプ4によって送り出されて給水加熱器5で加熱された後に、給水入口ノズル17から冷却水(軽水)として圧力容器6に戻される。
【0058】
一方、気水分離器12が分離した水は、給水入口ノズル17から給水された軽水と混合されてダウンカマ9を通り、下部プレナム10を経由して炉心7に再循環する。このとき、インターナルポンプ90により、ダウンカマ9から下部プレナム10に向けて流力が、強制的に与えられている。
【0059】
[自然循環式BWR]
図13は、実施の形態の気水分離器を搭載した自然循環式BWRの構成を示す図である。この自然循環式BWR1も、強制循環式BWR1A(図12参照)と同様に、前記した構造の複数の気水分離器12を円筒状の圧力容器6の上部側に収納している。以下、この収納容器6内の構造について説明する。
【0060】
この自然循環式BWR1は、圧力容器6内に収納する炉心7で発生するボイド、すなわち蒸気(気相)と飽和温度の液相の冷却材の混合した密度の低い冷却材と、給水入口ノズル17から供給される給水と混合された液相の冷却材との比重差によって自然循環に必要な駆動力を得るものである。
【0061】
圧力容器6の中空内の下側には、圧力容器6と同心の円筒状のシュラウド8が設置されている。このシュラウド8の下方には、下部プレナム10が設けられ、この下部プレナムの上方に炉心7が収容されている。そして、この炉心7の上方には、炉心7から上昇してくる気液二相流を上方に導いて自然循環駆動力を増加させるチムニ11が備えられている。また、このチムニ11の上部には、上部プレナム11cが備えられている。この上部プレナム11cの上端は、シュラウドヘッド12aで閉じられている。
【0062】
このシュラウドヘッド12aには、所定の数の冷却材通過用の図示しない孔が設けられている。その孔には、複数の気水分離器12のスタンドパイプ12bが挿入され、複数の気水分離器12が並列に配列して並ぶようになっている。つまり、チムニ11側と気水分離器12側とを結ぶ流路が、上部プレナム11cを介して接続されている。
【0063】
また、この気水分離器12の上方には、蒸気乾燥器13が備えられている。また、圧力容器6の側壁には、給水入口ノズル17と、蒸気出口ノズル15とが備えられている。なお、シュラウドヘッド12aとスタンドパイプ12bと気水分離器12は一体に組み立てられており、燃料交換時には、一体でチムニ11の上端から取り外せるようになっている。
【0064】
この自然循環式BWR1でも、炉心7で発生した蒸気は液滴との気液二相流でチムニ11を通り、上部プレナム11cを経由して、シュラウドヘッド12aに取り付けられた各気水分離器12に流入する。そして、各気水分離器12では、流入する気液二相流が下方から上方へと流通する。この気水分離器12では、その流通軸中心付近の気液二相流が補助スワラ160(図1等参照)によって蒸気と水とに分離され、蒸気は軸に沿って上方へ流通し、水は遠心力によって周方向へ移動させられる。
【0065】
そして、この気水分離器12では、周側を流通する気液二相流が主スワラ150(図1等参照)によって蒸気と水に分離させられる。この際、補助スワラ160(図1等参照)によって分離させられた水が軸中心側から流れて混入し、その水も主スワラ150(図1等参照)の流れに乗り、遠心力によって分離させられる。したがって、気水分離器12は、気相の飽和蒸気(蒸気)と、液相の飽和水(滴液)とに分離する。この気水分離器12によっても取り除くことのできなかった湿分を含む蒸気(飽和蒸気)は、気水分離器12の上方に位置する蒸気乾燥器13に送られる。そして、その飽和蒸気は、蒸気乾燥器13を経て、蒸気出口ノズル15からタービン2に導かれ発電に供される。
【0066】
一方、給水入口ノズル17から供給される冷却材(軽水)は、気水分離器12で分離された飽和水と混合され、ダウンカマ9を下降し、下部プレナム10を経由してシュラウド8内に流入し、炉心7によって加熱される。炉心7からの加熱によって冷却材は、飽和状態の気液二相流となり、この気液二相流はチムニ11、上部プレナム11c、スタンドパイプ12bを経て、気水分離器12に流入する。
【図面の簡単な説明】
【0067】
【図1】本発明の実施の形態の気水分離器の構造を示す縦断面図である。
【図2】図2は、補助スワラを説明するための図である。
【図3】補助スワラの他の取り付け構造を示す図である。
【図4】補助スワラの他の取り付け構造を示す図である。
【図5】2枚の補助旋回羽根を用いた場合の模式図である。
【図6】1枚の補助旋回羽根を用いた場合の模式図である。
【図7】1枚の補助旋回羽根を用いた場合の他例の模式図である。
【図8】補助スワラの機能を説明する模式図である。
【図9】スワ螺旋ブリの一例を示す模式図である。
【図10】スワ螺旋ブリの他例を示す模式図である。
【図11】実施の形態の気水分離器の変形例を示す図1に相当する図である。
【図12】実施の形態の気水分離器を搭載した強制循環式BWRの構成を示す図である。
【図13】実施の形態の気水分離器を搭載した自然循環式BWRの構成を示す図である。
【符号の説明】
【0068】
1 自然循環式BWR
1A 強制循環式BWR
7 炉心
12 気水分離器
12A 気水分離器
12B 気水分離器
12b スタンドパイプ
100 ディフューザ
110 第1段内筒
112 短筒
120 外筒
130 第1段環状板
140 第1段ピックオフリング
150 主スワラ
151 ハブ
152 主旋回羽根
160 補助スワラ
161 補助旋回羽根




 

 


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