Sekundárna tepelná bariéra pre hlavné cirkulačné čerpadlo primárneho okruhu jadrovej elektrárne

Technické riešenie hovorí o sekundárnej tepelnej bariére poskytujúcej ochranu prírube rozvádzacieho kolesa obehového čerpadla, najmä hlavného cirkulačného čerpadla primárneho okruhu jadrovej elektrárne, takže sa tým podstatne obmedzí vznik chýb alebo úplne zabráni vzniku chýb tepelným namáhaním materiálu V dôsledku nerovnomerného rozloženia teplôt na príslušných častiach hlavného cirkulačného čerpadla.Hlavné cirkulačné čerpadlo je V jadrových elektrárňach súčasťou primárneho okruhu, napríklad pri vodovodnom energetickom reaktore s výkonom 440 MW (VVER 440), a zabezpečuje cirkuláciu chladiaceho média primárneho okruhu V hlavnom cirkulačnom potrubí a potrebné prietokové množstvo chladiaceho média primárneho okruhu cez aktívnu zónu reaktora. Ide teda o veľmi dôležité zariadenie, ktoré priamo ovplyvňuje bezpečnosť chodu jadrovej elektrárne. Používané hlavné cirkulačné čerpadlá na čerpanie kvapaliny V potrubí primárneho okruhu sú vertikálne usporiadané s ulitou hydraulickej časti naspodku a pohonom hore a skladajú sa v podstate z dvoch základných systémových častí- hydraulická časť s ulitou čerpadla, nasávacím nadstavcom a výstupom, kde v ulite je umiestnené obežné koleso a rozvádzacie koleso, pričom ulita je vybavená prítlačnou prírubou ležiacou V hlavnej deliacej rovine Čerpadla- mechanická časť s hriadeľom čerpadla, spájajúca obežné koleso hydraulickej časti s pohonom, blokom tesnenia (upchávok) zabezpečujúca utesnenie hriadeľa V čerpadle a nosným radiálno-axiálnym ložiskom hriadeľa s obežným kolesom.Čerpadlo je zároveň vybavené ďalšími časťami, ako je napríklad elektromagnetické odľahčovacie zariadenie a blokovacie zariadenie proti spätnému chodu čerpadla, ale tie tu nebudú kvôli zjednodušeniu opisu podstaty technického riešenia opisované.Rozvádzacie koleso je nepohyblivé a je umiestnené okolo obežného kolesa. Rozvádzacie koleso slúži na premenu rýchlosti kvapaliny vyjdenej z obežného kolesa na tlak. Na výstupe z rozvádzacieho kolesa má cirkulovaná kvapalina zníženú rýchlosť a súčasne sa mení jej smer prúdenia. Príruba rozvádzacieho kolesa je upevnená skmtkami na spodnú časť prítlačnej príruby ulity hydraulickej časti čerpadla, ktorá leží v tzv. hlavnej deliacej rovine čerpadla. V hlavnej deliacej rovine, ktorá oddeľuje hydraulickú časť čerpadla od mechanickej, dochádza k uzavretiu a utesneniu vyberateľnej hydraulickej časti čerpadla v ulite. Hlavné cirkulačné čerpadlá v primárnych okruhoch jadrových elektrární, najmä pri typoch WER, sú teplotne veľmi namáhané,pretože teplota čerpanej kvapaliny je cca 270 °C. Z tohto dôvodu sú súčasné hlavné cirkulačné čerpadlá primárnych okruhov jadrových elektrární vybavené tepelnou bariérou, ktorá má zamedziť vysokému teplotnému rozdielu medzi obehovým kolesom a časťou čerpadla nad hlavnou deliacou rovinou, kde sa vyskytuje kvapalina vlastného chladiaceho okruhu čerpadla s teplotou len cca 40 °C.V priebehu kontrol vykonávaných na hlavných cirkulačných čerpadlách primárnych okruhov jadrových elektrární boli zistené indikácie ukazujúce na možné začínajúce defekty na vnútornej časti príruby rozvádzacieho kolesa. Také indikácie defektov sa ďalej môžu po rokoch prevádzky objaviť aj na spodnej časti prítlačnej príruby ulity hydraulickej časti hlavného cirkulačného čerpadla. Vzhľadom na to, že ide o primárny okruh jadrovej elektrárne, kde je zvlášť kladený zvýšený dôraz na bezpečnosť prevádzky, je potrebné zabezpečiť opravu častí s týmito defektmi a ich ochranu pred vznikom ďalších poškodení, a tým tak predĺžiť životnosť hlavných cirkulačných čerpadiel a zvýšiť bezpečnosť prevádzky jadrovej elektrárne. Takéto opravy sa v súčasnosti riešia výmenou celého poškodeného dielu za nový.Ako bolo pôvodcarni tohto technického riešenia zistené, indikácie, nájdené pri nedeštruktívnych kontrolách hlavných cirkulačných čerpadiel primárnych okruhov jadrových elektrámí na vnútornej časti prírub rozvádzacích kolies aj na spodnej časti prítlačných prírub ulít, vznikli v dôsledku nerovnomerného rozloženia teplôt v priestore medzi prírubou rozvádzacieho kolesa a spodnou časťou príruby ulity, ktoré vyvoláva nadmerné ťahové napätie v mieste indikácií. Súčasné hlavné cirkulačné čerpadlá síce majú nad rozvádzacím kolesom, v časti smerujúcej k hlavnej deliacej rovine čerpadla, inštalovanú tepelnú bariéru. Ale aj napriek tomu, ako bolo práve zistené pôvodcami tohto technického riešenia, vzniká tu nadmerné tepelné namáhanie,takže súčasná tepelná bariéra je pre dlhodobú životnosť hlavného cirkulačného čerpadla ako ochrana pred tepelným namáhaním nedostatočná. Teplotná diferencia medzi vnútornou a vonkajšou časťou rozvádzacieho kolesa smerujúca k hlavnej deliacej rovine v mieste príruby rozvádzacieho kolesa je približne 230 °C. TaktoVeľký teplotný gradient tak znižuje životnosť hydraulickej časti hlavného cirkulačného čerpadla a môže spôsobiť uvedené komplikácie.Tieto nevýhody odstraňuje opísané technické riešenie, podľa ktorého je predstavená sekundárna tepelná bariéra pre hlavné cirkulačné čerpadlo, najmä hlavné cirkulačné čerpadlo primárneho okruhu jadrovej elektrárne, kde toto čerpadlo obsahuje hydraulická časť s rozvádzacím kolesom, pričom sekundárna tepelná bariéra rozdelí tepelne namáhanú oblasť hlavného Cirkulačného čerpadla do aspoň dvoch, výhodnejšie aspoň do troch zón s odstupňovanou teplotou, čím sa zníži teplotný rozdiel medzi susediacimi časťami, pričom sekundáma tepelná bariéra je vytvorená na svoje prispôsobenie sa rôznym výškam medzi rozvádzacím kolesom a hornou prírubou. Sekundárna tepelná bariéra podľa tohto technického riešenia obsahuje aspoň spodnú základňu v tvare medzikmžia, ku ktorej je po vnútornom aj vonkajšom obvode pripojená vnútorná a vonkajšia výškovo kompenzačná stena, pričom tieto steny rozdeľujú celý priestor na aspoň tri teplotne oddelené priestory.Podľa výhodného vyhotovenia sekundárna tepelná bariéra obsahuje ďalej horné medzikružie, pričom tepelná bariéra je tvorená dvoma sústredne tesne pri sebe usporiadanými stenami s výškou presahujúcou polovicu predpokladanej maximálnej výšky výškovo kompenzačnej steny, kde jedna stena je pripevnená k spodnej základni a druhá je pripevnená k hornej základni, pričom medzi spodnou a hornou prírubou sú usporiadané pružné prostriedky na odtlačovánie oboch prírub smerom od seba. Je ale samozrejme možné usporiadať medzi prírubami aj viac tepelných bariér než dve, podľa potreby.Na zaplnenie novovzniknutých priestorov oddelenými výškovo kompenzačnými stenami je sekundárna tepelná bariéra výhodne vybavená výškovo kompenzačnými stenami, ktoré majú vo svojej spodnej a hornej časti usporiadané otvory slúžiace iba na zaplnenie vzniknutých priestorov kvapalinou a na vyrovnanie tlakov bez významného vplyvu na prúdenie média.V mieste vzniku indikácií oblasti prítlačnej príruby je výhodné vytvoriť tvarové zmeny teplotne namáhaných hrán, a to tak, že ubratím materiálu teplotne namáhanej hrany je vytvorené jej zaoblenie s polomerom aspoň 5 mm, výhodnejšie 10 mm až 50 mm a ešte výhodnejšie 15 až 25 mm. Ako už bolo uvedené, rozdelenie vnútorného priestoru prítlačnej príruby je zvlášť výhodne vyhotovené sekundárnou tepelnou bariérou podľa tohto technického riešenia, ktorá je vložená do priestoru medzi hornou stranou rozvádzacieho kolesa,resp. na ňom urniestnenej primárnej tepelnej bariéry, a k tejto bariére smerujúci vnútorný povrch prítlačnej príruby hlavnej deliacej roviny urniestnenej nad rozvádzacím kolesom. Tým je tento priestor rozdelený aspoň na tri teplotne odlišné zóny, čím sa dosiahne rovnomernejšie rozloženie tepla, takže dôjde k nižšiemu tepelnému pnutiu na prírube rozvádzacieho kolesa aj na prítlačnej prírube hlavnej deliacej roviny. Spojenie sekundárnej tepelnej bariéry s rozvádzacím kolesom je výhodne vyhotovené existujúcimi skrutkami, ktorými je primárna tepelná bariéra pripevnená k hornej strane rozvádzacieho kolesa, takže nie sú potrebné žiadne úpravy.Na zaplnenie novovzniknutých priestorov je sekundárna tepelná bariéra výhodne vybavená výškovo kompenzačnými stenami, ktoré majú vo svojej spodnej a hornej časti usporiadané otvory slúžiace iba na zaplnenie vzniknutých oddelení kvapalinou a na vyrovnanie tlakov bez významného vplyvu na prúdenie média.Výhody tohto technického riešenia sú- možnosť zachovania súčasných rozvádzacích kolies po odstránení defektov- zníženie únavového poškodenia rozvádzacích kolies, a to aj V prípade jeho výmeny- zníženie únavového poškodenia príruby hlavnej deliacej roviny hlavného Cirkulačného čerpadla- podstatne (rádovo) nižšia cena oproti výmene rozvádzacieho kolesa (výmenou rozvádzacieho kolesa však iba odstránime defektný diel, ale neodstránimé príčinu).Prehľad obrázkov na výkresochPríkladné vyhotovenie hlavných komponentov technického riešenia je opísané s odkazom na výkresy,na ktorých je znázomenéobrázok la - rez sekundámou tepelnou bariérou podľa prvého vyhotovenia nainštalovanou medzi prítlačnou prírubou hlavnej deliacej roviny čerpadla a primárnou tepelnou bariérou prichytenou k hornej strane rozvádzacieho kolesa, obrázok lb - rez samotnou sekundárnou tepelnou bariérou z obrázka la, obrázok lc - rez detailom A z obrázka lb, obrázok Za - rez sekundárnou tepelnou bariérou podľa druhého vyhotovenia nainštalovanou medzi prítlačnou prírubou hlavnej deliacej roviny čerpadla a primárnou tepelnou bariérou prichytenou k hornej strane rozvádzacieho kolesa, obrázok Zb - rez samotnou sekundárnou tepelnou bariérou z obrázka Za, obrázok Zc - rez detailom A z obrázka Zb, 10oorázok 3 a - rez sekundárnou tepelnou bariérou podľa tretieho vyhotovenia nainštalovanou medzi prítlačnou prírubou hlavnej deliacej roviny čerpadla a primárnou tepelnou bariérou prichytenou k hornej strane rozvádzacieho kolesa, oorázok 3 b - rez samotnou sekundárnou tepelnou bariérou z obrázka 3 a, oarázok 3 c - rez detailom A z obrázka 3 b, oarázok 4 a - rez sekundámou tepelnou bariérou podľa štvrtého výhodného vyhotovenia nainštalovanou medzi prítlačnou prírubou hlavnej deliacej roviny čerpadla a primárnou tepelnou bariérou prichytenou k hornej strane rozvádzacieho kolesa, oarázok 4 b - rez samotnou sekundárnou tepelnou bariérou z obrázka 4 a, oarázok 4 c - rez detailom B z obrázka 4 b, oorázok Sa - rez sekundárnou tepelnou bariérou podľa piateho výhodného vyhotovenia, oorázok Sb - rez detailom B z obrázka 5 a, oorázok 5 c - pohľad na celú sekundárnu tepelnú bariéru z obrázka Sa v pôdoryse, oorázok 6 a - pohľad na upravenú prítlačnú prírubu hlavnej deliacej roviny hlavného cirkulačného čerpadla v reze, oorázok 6 b - pohľad na upravenú prírubu rozvádzacieho kolesa v reze.Technické riešenie bude jasnejšie z nasledujúceho opisu a pripojených obrázkov, na ktorých sú predstavené niektoré príklady vyhotovenia. Opísané vyhotovenia by však nemali byť chápané tak, akoby opisovali výhradne možné vyhotovenia, ale radšej ako ilustrácie možných vyhotovení technického riešenia. Odborník totiž určite navrhne riešenie, ktoré síce vychádza z opísaného, ale je vyhotovené odlišne, či už kombináciou niektorých predstavených možností alebo náhradou niektorej z častí izolačnej bariéry, alebo prípadne aj vypustením niektorej z častí, ak to je z podstaty technického riešenia možné, alebo naopak doplnením ďalších častí alebo ich premiestnením, pričom rozsah ochrany je daný výhradne obsahom patentových nárokov a nie striktným výkladom opisu uvedených príkladov vyhotovenia.Na obrázku la až obrázku lc je predstavený rez prvým možným vyhotovením sekundárnej tepelnej bariéry Q podľa tohto technického riešenia, kde rez vlastnou sekundárnou tepelnou bariérou Q je znázornený na obrázku lb. Obrázok la predstavuje sekundárnu tepelnú bariéru Q inštalovanú do miesta medzi hornou stranou í rozvádzacieho kolesa, respektíve nad primárnou tepelnou bariérou 5, a medzi prítlačnou prírubou Q ulity v hlavnej deliacej rovine hlavného cirkulačného čerpadla, opäť v reze, a obrázok lc predstavuje detail zakončenia sekundárnej tepelnej bariéry Q z obrázka lb.Ako je z obrázka lb zrejmé, sekundárna tepelná bariéra Q sa v tomto vyhotovení skladá zo spodnej základne l, hornej základne 11, medzi ktorými sú umiestnené prvky vonkajšej výškovo kompenzačnej steny g a vnútornej výškovo kompenzačnej steny g. Spodná základňa l a horná základňa sú vytvorené v tomto prípade ako prítlačné dosky v tvare medzikružia. Spodná základňa l je vo vyhotovení na obrázku la pritlačená k hornej strane primárnej tepelnej bariéry g, zatiaľ čo horná základňa je pritlačená k spodnej strane prítlačnej príruby Q hlavnej deliacej roviny čerpadla. Otvor definovaný uprostred sekundárnej tepelnej bariéry Q je určený pre hriadeľ Čerpadla, ktorý prechádza z hydraulickej časti do mechanickej, nie je tu znázornené. Vonkajšia výškovo kompenzačná stena g a vnútorná výškovo kompenzačná stena g sú tvorené niekoľkými súčasťami a je do nej zakomponovaná aj funkcia pružného člena 107, ktorý zabezpečuje tesnosť vloženej sekundárnej tepelnej bariéry Q v mieste vloženia, teda aby nebol umožnený nekontrolovaný prietok kvapaliny medzi vonkajškom sekundárnej tepelnej bariéry Q, kde sa nachádza kvapalina s teplotou blízkou alebo rovnou teplote čerpanej kvapaliny, t. j. cca 270 °C, a jej vnútrajškom, kde sa nachádza kvapalina s teplotou zodpovedajúcou teplote kvapaliny používanej na zahltenie upchávok, teda kvapaliny s teplotou cca 40 °C. Ako vonkajšia, tak aj vnútorná kompenzačná stena g, g sú vytvorené v tomto príklade vyhotovenia vpodstate z dvoch častí, v tomto prípade navyše nerovnakej dĺžky. Tým je zabezpečená možnosť výškového prispôsobenia sekundárnej tepelnej bariéry Q podľa skutočnej stavebnej výšky medzi hornou stranou rozvádzacieho kolesa í, resp. primárnou tepelnou bariérou g, a prítlačnou prírubou Q hlavnej deliacej roviny čerpadla. Spodná časť tepelne kompenzačných stien g, g je tvorená vonkajšou spodnou stenou Q a vnútornou spodnou stenou ĺ, umiestnenými v odstupe od seba, a k nim kĺzne priliehajú vonkajšia horná stena Ľ a vnútorná horná stena Q. Vonkajšia horná stena a vnútorná horná stena m sú navyše v tomto príklade vyhotovenia vytvorené ako dutý blok tvam medzikmžia, pretože sú spojené prepájacou stenou m. Aby sa uľahčilo vyrovnanie tlakov v jednotlivých oddeleniach, vzniknutých rozdelením celého priestoru kompenzačnými stenami g, g sú v tomto príklade vyhotovenia vonkajšia horná stena DQ aj vnútorná horná stena Q vybavené otvormi m na kompenzovanie tlaku. Navyše je medzi prepájacou stenou Q a spodnou základňou l usporiadaný pružný člen E, ktorý zabezpečuje, že aj pri rôznych stavebných výškach budú spodnázákladňa g aj horná základňa sekundárnej tepelnej bariéry m pritlačované k príslušným plochám primárnej tepelnej bariéry g a prítlačnej príruby Q.Na obrázku Za až obrázku Zc je znázornený rez vyhotovením sekundárnej tepelnej bariéry m ide o riešenie, ktoré je podobné, ako je vyhotovenie na obrázku 1, ale má inak riešené jednotlivé časti. Rez samotnou sekundárnou tepelnou bariérou m je znázornený na obrázku Zb. Na obrázku Za je pohľad na túto sekundárnu tepelnú bariéru m, ktorá je inštalovaná v priestore medzi spodnou stranou prítlačnej príruby Q ulity v hlavnej deliacej rovine Čerpadla a hornou stranou rozvádzacieho kolesa i, respektíve primárnou tepelnou bariérou g,ktorá je na hornej strane rozvádzacieho kolesa i v tomto príklade vyhotovenia umiestnená. Vonkaj šia výškovo kompenzačná stena g a vnútorná výškovo kompenzačná stena g sú aj V tomto príklade vyhotovenia tvorené niekoľkými súčasťami a je do nich aj V tomto prípade zakomponovaná funkcia pružného člena 107, ktorý zabezpečuje tesnosť vloženej sekundárnej tepelnej bariéry m v mieste vloženia, teda aby nebol umožnený nekontrolovaný prietok kvapaliny medzi vonkajškom sekundárnej tepelnej bariéry, ako to bolo vo vyhotovení na obrázku la až lc. Ako je z obrázka gb alebo ešte lepšie z detailu zakončenia znázorneného na obrázku Zc zrejmé, ako vonkajšia, tak aj vnútorná kompenzačná stena g, g sú vytvorené aj v tomto príklade vyhotovenia V podstate z dvoch častí, V tomto prípade v podstate rovnakej dĺžky. Tým je aj V tomto príklade zabezpečená možnosť výškového prispôsobenia sekundárnej tepelnej bariéry Q podľa skutočnej stavebnej výšky medzi homou stranou rozvádzacieho kolesa í, resp. primárnou tepelnou bariérou Q, a prítlačnou prírubou Q hlavnej deliacej roviny čerpadla. Spodná časť tepelne výškovo kompenzačných stien g, g je tvorená vonkajšou spodnou stenou 1 a vnútornou spodnou stenou í, usporiadanými V odstupe od seba, a k nim kĺzne priliehajú vonkajšia horná stena Ě a Vnútorná horná stena Q. Vnútri priestoru medzi vonkajšou Výškovo kompenzačnou stenou g a vnútornou výškovo kompenzačnou stenou g je usporiadaný pružný člen 107,v tomto príklade vyhotovenia je vytvorený z niekoľkých symetricky po obvode rozmiestnených a príslušne na mieste prichytených vinutých pružín. Takisto ale môže byť pružný člen vytvorený napríklad jednou vinutou pružinou s príslušným priemerom, usporiadanou sústredne s výškovo kompenzačnými stenami g, g,alebo iným vhodným pružným dielom. Ako spodné steny Q, Q, tak aj horné steny Ě, Q sú V tomto príklade výhodne vybavené otvormi li na kompenzáciu tlaku. Je dôležité zdôrazniť, že prostriedky na kompenzáciu tlaku môžu byť vyhotovené aj inak než otvormi Ľ, napriklad definovanou medzerou medzi príslušnými hornými a spodnými stenami, priehybmi v oboch základniach atď. Otvory g na kompenzáciu tlaku teda predstavujú iba výhodné, nie jediné možné riešenie, ako zabezpečiť kompenzáciu tlaku. Navyše aj samotná kompenzácia tlaku je iba výhodným riešením a je možné ju v určitých vyhotoveniach, napr. s vhodne vytvorenými výškovo kompenzačnými stenami g, g, úplne vypustiť.Obrázok 3 a až obrázok 3 c predstavujú rez ďalším výhodným vyhotovením sekundárnej tepelnej bariéry m podľa tohto technického riešenia, v ktorom je použitá iba spodná základňa g a vonkajšia kompenzačná stena g aj vnútorná kompenzačná stena g sú vytvorené tak, že zastávajú jednak pražiacu, a jednak tesniacu funkciu. Ako vonkajšia výškovo kompenzačná stena g, tak aj vnútorná výškovo kompenzačná stena g sú v tomto príklade vyhotovenia vytvorené zo zvislých stien E, E, v podstate kolmých na spodnú základňu l, ku ktorej je v uhle pripojená príslušná šikmá stena m, E. Tak je vytvorené, najmä voľbou vhodného uhla medzi stenami Q, Ľ, E, E, pružné spojenie umožňujúce výškovú kompenzáciu pri rôznych stavebných výškach a pri stlačení šikmej steny E, ľ aj určitá sila, ktorou sa tieto steny 201, E, E, ľ opierajú o spodnú stranu prítlačnej príruby Q hlavnej deliacej roviny čerpadla. Výhodne môžu byť na voľných koncoch šikrných stien i, ľ nasadené alebo k nim inak pripevnené tesnenia Ľ, ktoré zabezpečia utesnené spojenie deliacej vonkajšej výškovo kompenzačnej steny g aj deliacej vnútornej výškovo kompenzačnej steny g s prítlačnou prírubou Q pritlačením tohto tesnenia 205 k spodnej strane prítlačnej príruby Q. Obrázok 4 a až 4 c znázorňuje rez ešte iným výhodným vyhotovením sekundárnej tepelnej bariéry Q podľa tohto technického riešenia v reze. Vo vyhotovení na obrázku 4 b je zrejmé, že sa sekundárna tepelná bariéra m skladá zo spodnej základne l, hornej základne 11, z vonkajšej výškovo kompenzačnej steny g a z vnútornej výškovo kompenzačnej steny g, pričom vonkajšia výškovo kompenzačná stena g a vnútorná výškovo kompenzačná stena g sú v tomto zvlášť výhodnom vyhotovení vybavené jedným celoobvodovo usporiadaným vlnovcovým záhybom 2, ktorý je vytvorený s cieľom umožniť výškovú kompenzáciu odlišných výšok zástavbových miest pri rôznych hlavných cirkulačných čerpadlách. Ako už bolo uvedené, každé čerpadlo môže mať túto výšku odlišnú od iného V dôsledku výrobných tolerancií a pod., čomu sa vlnovcový záhyb umožní do určitej miery prispôsobiť. Vzhľadom na to, že miera prispôsobenia je V takomto prípade menšia než V predošlých prípadoch, je možné to riešiť vopred danými vhodne odstupňovanými výškami sekundárnej tepelnej bariéry m. Vo vyhotovení na obrázku 4 a je táto sekundárna tepelná bariéra m usporiadaná na predpokladanom mieste inštalácie, teda medzi prítlačnou prírubou Q a tepelnou bariérou g v podstate rovnako,ako to bolo v opísaných prípadoch, takže to už tu nebude detailnejšie rozpisované. Na obrázku 4 c je znázornený detail zakončenia z obrázka 4 b. Ako je zrejmé, vonkajšia výškovo kompenzačná stena g aj vnútorná výškovo kompenzačná stena g sú v tomto vyhotovení vložené medzi spodnú základňu 1 a hornú základňu n,ku ktorým sú pripojené napríklad zvarom.