专利名称:用于核电站的带给水分配器的蒸汽发生器的制作方法
本发明论述了包括有一个承压壳体的蒸汽发生器，壳体内包含有热交换管束，壳体的上部有一个汽包，壳体内装有一个通常为环形的给水分配器，分配器上连接有穿过壳体壁并提供给水的管道，并配置有许多使给水流向壳体内部的分散通路。本发明主要在核电站上得到了大量的应用，特别是用在水堆核电站(本发明主要应用于蒸汽发生器的给水)或沸水堆核电站(本发明应用于冷却回路的给水)。
压水堆的蒸汽发生器通常都包含有一个环形的给水分配器，其形状类似垂直于竖轴的圆形环管或在瓣形的环形管，分配器由水平的给水管道供水。反应堆正常运行时，壳体内水的自由表面位于给水管道和分配器之上，管道内的水速较高。因此，运行是满意的。但在各种异常的瞬态工况下，蒸发器的运行会受到扰动。
特别是，各种运行的瞬态过程会导致产生水锤现象，从而会引起可能导致损坏的超压。特别是当蒸发器中的水位(例如热停堆工况下)下降到低于给水管道水位时就是这种情况。于是分配器排水，如果这种情况持续下去，给水分配器和给水管道就会排空而充满饱和蒸汽。在重新提升功率时，给水管道送入欠饱和的水，这些水引起蒸汽的急剧冷凝，因而出现减压进而形成压力波，这个压力波以水锤形式冲向给水管道。
人们已经通过防止给水分配器和(或)给水管道被排空来力图排除这一问题。为此，人们将一般布置在给水分配器内部的分配孔代之以连接到分配器上部的倒J形管(见FR-A-2 333，200和US-A-4 502，419)。这一布置解决了这一问题，但这种布置比较复杂，并难于应用到现有的蒸汽发生器上。
另一个问题是在很低负荷运行时由于给水的热分层现象造成的，对这一现象作了特别描述的文章是“受热冲击和热分层效应影响的轻水反应堆水平给水管道中的负荷情况”，该文由Miksch先生和其它人所著，刊登于“核工程和设计”84(1985)，179-187上。这一现象在正常负荷时供以予热水、而在事故工况及带有很小负荷时供冷水的蒸汽发生器中更加严重。在上述最后一种情况下，小流量的冷水注入到处于蒸发器运行温度的、充满水的给水管道中，流速很低，冷水未同热水进行混合，但在给水管道的底部形成清晰的一层。这一分层现象在给水管道管壁的下部与上部之间保持着一个较大的温度梯度，这就会产生引起裂纹的热应力，这种裂纹在给水管道连接到壳体的焊接处也会产生。这一现象还会由于水层间界面的摆动引起的疲劳而加剧。
为了减轻水锤现象而应用的J形管不会明显地减少这第二种现象，第二种现象似乎是由于汽包中的热水与给水管道内部之间的自然对流形成的热交换来保持的。为了解决这一问题，人们进行了各种各样的尝试。一种方法是将给水经过一个环形的溢流道引进给水管道，该溢流通道到一个里面进行一定混合的水箱。人们还建议，在给水管道弯管处的内表面上设置一个不高的环形或螺旋形的凸起部件，以增加水流的紊流。这一部件产生的效能很小，实际上，在流量很小时，也就是需要混合时，冷却水的给水流束只是在遇到上述构成的障碍物时绕过一下。
在沸水反应堆运行时也提出同样的问题，特别会引起破裂。
本发明力图提供一些装置，至少可在很大程度上消除上述蒸发器的问题，或至少可消除水锤问题，而这仅需要使用一些简单的装置，只对静态流动产生很小的压力损失，而且有可能将这些装置并不困难地安装到现有的蒸发器上。
为此目的，本发明特别推荐了一种蒸汽发生器，它的给水管道在其水平部分至少包括有一个导流器，这种导流器包括有一个轴向中心管和数个螺旋形叶片，这些叶片将中心管连接到给水管壁，叶片的长度至少要有半个螺旋圈节距。
当我们只是在环形分配器失水的情况下力图防止给水管道排空时，只要设置一个螺旋形导流器就够了，该导流器在给水管道中，或装在分配器与壳体管座之间，或者就装在管座的上游。这一导流器的叶片具有这样的长度和节距，使得叶片间每一个通道最高段的低点位于同一通道最低段的高点之上。我们最好在导流器上设置六个叶片，叶片围绕轴线的角度展开在一个至一个半的螺旋圈之间。
当我们同时希望实现混合以防止热的分层现象时，可以在壳体外部的给水管道内设置第二个导流器，第二个导流器位于第一个导流器以及壳体管座的上游，第二个导流器可以包括有数个叶片，叶片的角度展开只需要有半个螺旋圈。它可以设置四个围绕轴线呈规则分布的叶片。两个导流器最好采用相同节距的叶片。
在另一种实施方式中，可将两个导流器组合起来并装在同一个中心管上。在各种情况下，只采用一个导流器时它的头部或位于第一个位置的导流器的头部应做成能够导流，以便逐渐地使水流产生螺旋状运动。
在另外一种情况下，导流器用来防止出现热的分层现象。那么只要采用角度展开至少有半个螺旋圈的叶片就够了。只有假如我们希望在分配器失水的情况下防止给水管道排空时，导流器的叶片应当具有这样的长度和节距，使得叶片间每一个通道最高段的低点处于同一通道最低段的高点之上，这时要求叶片围绕轴线的角度展开至少有一个螺旋圈。
在各种情况下，最好使中心部位水流产生的压力损失明显地大于外围水流由螺旋形叶片引起的压力损失。
实际上，我们通常使叶片具有二至五倍给水管道直径的旋转节距，使中心管的直径在给水管直径的0.25至0.5倍之间。
在一种特殊的实施方式中，在第一种叶片与中心管之间设置第二种叶片。在我们只要求防止分层现象的情况下，两种叶片通常具有不同的卷绕方向。而相反，在我们力求降低水锤现象时，两个叶片的卷绕方向可以相同。
中心管具有一种顺着正常的流动方向从前向后逐渐扩大的形状，而在出现分层现象的情况下，力图使下部的水层至多提高到给水管道的上母线，以使之与热水相混合。在这种情况下的中心管可能具有圆锥形形状或弹头的形状。
在阅读了一些作为没有限制性的例子给出的特定实现方式的说明时，将会对本发明有较好的理解。这些说明需要参考一些附图，这些附图有图1是蒸汽发生器的给水分配器以及装有本发明装置的蒸汽发生器给水管道的示意图;
图2是装在图1管道中的数个导流器中的一个导流器的正视图，但只表示了一个叶片;
图3是图2中导流器的左侧视图;
图4是一个示意图，图中表示了图2导流器的叶片间通道中的一个存水弯;
图5和图6类似于图2和图3，它表示了装在图1中所示给水管道中的第2种导流器;
图7和图8是原理示意图，表示了装有散热片的几段给水管道，这些散热片可以减少分层现象;
图9和图10分别为图7和图8的右侧视图;
图11类似于图1，图中表示了装有本发明装置的一台蒸汽发生器及其给水管道;
图12是一个前视图，它表示了给水管的一部分，上面装有按照其它实施方式制成的导流器;
图13是图12导流器的一个正视图;
图14和图15表示了另一种实施方式(图上只表示了一个叶片);
图16是一个正视图，它示意地表示了本发明对于沸水反应堆的应用。
图1中所示的分配器和给水管道特别适用于压水堆核电站的蒸汽发生器，也特别适合于在前已提及的文件FR-A-2，333 200中所表示的具有一般结构的蒸汽发生器。分配器10由一个圆环构成，在图示的实施例中它呈圆环状，但若呈花瓣形也是可以的。这要分配器装在与之同轴的承在壳体12的上部。分配器内的水通过有规则分布的通路流到壳体内，这些通路可以采用简单的开口形式，也可以采用倒J形管。给分配器10提供给水的管道14包括有一个垂直段和一个水平段，该水平段固定到壳体12的管座的圆筒16上。管道14由一个与分配器10相接的连接段18加以延长，从而形成T形连接。
给管道14供以主给水，可借助于阀门20来切断，该阀门接入预热水。事故给水的管道同样装有阀门22，它在正常运行时关闭。热交换器包括有第一个导流器24，它装在连接段18中，其作用是在给水中断情况下防止给水管道被排空。为此目的，导流器24包含有一个中心管26，中心管的四周装有一些规则分布的叶片28。每个叶片28具有一个螺旋状的头部和一个矫正水流用的尾部，尾部与叶片后缘相切的平面与轴线相平行。这些叶片的数目至少有4个，在图示的实施方案中有6个。每个叶片具有不变节距的螺旋形状。
有必要使叶片间每一个通道(例如图4中所示的通道30)最高段的低点处于同一个通道最低段的高点之上方，这就要求每个叶片的长度与节距之间的比例是足够的。实际上，长度在一个节距至一个半节距之间就合适。为了使螺旋叶片构成的存水弯能够排水，在由叶片构成的螺旋通道之间应布置有连通机构。在图示的钻孔31来形成的。在那里，叶片经过给水管道的高处。当水位下降到中心管的上母线以下时，排水孔31使叶片上游和下游的蒸汽压力达到平衡，由带孔叶片28限定的那个叶片间通道上部的水位与叶片下游的水位同时下降。一旦叶片下游的水位下降到达中心管位置时，水位便稳定下来，直至导流器下游的给水管道完全排空为止。
由导流器24产生的压力损失是叶片相对于给水管道的倾斜度的增长函数。但是，导流器的纵向尺寸比起叶片节距要长这一点来更为重要。此外，所需要的节距数值取决于叶片的数目。因此我们将采取折衷的办法，采用尽可能小的倾斜度，并采用与有效长度相适应的最少的叶片数目。
图1所示的热交换器还包括含有第二个导流器32，它位于壳体12外部给水管道14内第一个导流器的上游。第二个导流器起到混合器的作用，用来阻止出现分层现象。导流器32包含有一个直径与中心管26相同的中心管34和数个叶片(在图示的实施例中为4个)，使中心管连接到给水管道14的管壁。每一个叶片36具有一个螺旋形的尾部，该尾部可以具有与叶片28有相同节距的矫正水流用的一个后缘，叶片36还有一个使水流转动的头部，它与叶片前缘相切的平面与轴线相平行。同样使给水管道14分成4个独立的叶片间的通道。每一个叶片具有与半个螺旋圈相当的长度。
在省去导流器32的情况下，叶片28还应包含有一个使水流逐渐旋转的头部。
当给水管道供以不同密度的两种成分形成的液体时，或者当通过给水管道注入一种与原来里面充的液体密度不相同的液体时，导流器32的作用立即就表现出来当高温度的液体流量较小时，就会形成分层的水流。但每一个叶片28产生半圈的翻转，它把下层的重的成分带往给水管道的上部，反之亦然。在导流器32的出口处，水层的原来的层次被颠倒了，于是便由扩散产生了混合。
导流器24的作用是在给水中断的情况下阻止给水管道通过分配器而排空。在采用的中心管尺寸适当和叶片的节距足够短时，叶片间每一个通道高段的低点位于低段的高点之上，如图4中所示。因此，叶片间的每一个通道至少形成一个整的螺旋圈，由此构成一个存水弯。在每一个通道中，自由水面38处于同中心管的轴线一样高或在轴线之上，于是在下部形成一个水塞，可阻止蒸汽流过，因此也防止给水管道被排空。
也可以不采用两个独立的导流器，而只采用一个导流器，但导流器要有足够的长度，其叶片至少要形成一个半螺旋圈。
我们认为，在一个已有的热热交换器中安装上面描述的导流器是比较简单的。导流器32可以这样安装，先割开一段给水管道14，然后在插入导流器后重新装上。这样，不会影响蒸汽发生器的内部。导流器24同样可从外部插入，例如把包装到一个滑动地穿过圆筒16的一个衬套中。
无论采用何种实施方式，导流器24可降低由于注入冷水引起的猛烈的水锤现象，此外，还防止给水管道14内出现持续的分层现象，这种现象是由于直接来自壳体内的热水进入给水管道、或者由于蒸发器中的水或蒸汽与给水之间自然对流交换引起的。导流器24实际上阻碍给水管道附近形成自然对流，并阻止冷水层与热水层交界面处温度振荡的扩散。
我们看到，我们同样建立了一个纯粹是静力学和流体动力学形式的导流器，因此，具有很长的使用寿命，并对正常区域的水流只产生很小的压力损失。
分层现象还可以通过在分配器10和短管18的下面安装T形翼片来增加热传递的方法进一步加以抑制，这些翼片可以采用规则分布的弧形片40(见图7和图9)，或者采用在丁形片下部沿着，母线焊起来的纵向板42。由于这些翼片增加了分配器下部的热交换，因而能减小冷层水与热层水之间的温度差。
图11所示的热交换器与图1所示的热交换器存在的区别就在于，图11中的热交换器只包括有一个导流器32，它位于壳体12外面的给水管道段14内。这一导流器至少用来完成阻止发生分层现象的混合器作用。
图12和图13中所示的导流图包括有一个外套管44，它可以构成一个热保护外壳，其外径与给水管道14的内径相适应，这就可使导流器在带有密封连接的给水管道14内整体装配。导流器包含有一个中心管46以及数个装在中心管四周并固定到外套管44上的规则分布的叶片28。每一个叶片28包括有一个通常的螺旋形部分，可能还有一个矫正水流的头部和(或)尾部，叶片呈径向螺旋形状式通过。为了使螺旋叶片构成的存水弯能够排水，在由叶片构成的螺旋通道之间布置了连通机构，这些机构可以采用简单的小孔(图中未示出)。如果所有叶片形成一个以上的螺旋圈，则通常把连通通路设置在下游的最高点。
中心轴或中心管46呈圈柱形，其头部的形状加工得可减少压力损失。这一中心管具有一个至少带二个叶片的旋翼，其外缘固定到圆柱形管壁50上。旋翼48、中心管46和管壁50之间的连接应当是密封的，以防止有空气流过。在图12、图13所示的实施方式中，固定有旋翼48的圆柱形管壁50可在同样为圆柱形的管壁52内滑动，管壁52上连接有叶片28，这些叶片与管壁52和外套管44以密封形式连接起来。这种布置有利于导流器的制造，实际上，我们可以分别制造两个组成部件，一个是外套管44、叶片28和管壁52，另一个是内部部件，然后使两个部件进行压配合，形成套管式连接。然而，我们也可以应用所有其它的装配方式，但要保证管壁50与52之间连接的密封性，例如采用对焊。
当我们只需要防止分层效应时，只要叶片28和翼片48具有最少为半个螺旋圈对应的长度就够了。装在导流器外圈的叶片28能完全地引进一薄层冷水并使它最多上升到给水管道的上母线。这样，当冷水层很薄时叶片28起到了至少带有二个叶片48的旋翼的作用，旋翼只能把冷水升到中心管46上母线一样的高度。
我们可以使叶片28具有同翼片48相及的卷绕方向。当导流器设计用来减轻水锤现象时，叶片28和翼片48应具有至少与一个螺旋圈(一圈半更有利)相对应的长度。
每一种叶片36和翼片48都具有通常的螺旋状部分，它们也可以有矫正水流的后缘和使水流转动的头部，头部与前缘相切的平面与轴线平行。这样我们也减小了叶片的负载。但当具有同方向节距的螺旋形叶片的第二个导流器装在壳体内给水管道中时，第一个导流器的后缘和第二个导流器的进水前缘不需要预先加以考虑。
应当这样来设计翼片48，使得水在流径中心管46与管壁50之间的环形空间过程中的压力损失超过叶片28引起的压力损失，以有利于冷水沿着叶片28流过。
图14和图15的导流器32包括有一个弹头形的实心中心管34，它通过四个规则分布的叶片28(图14中仅表示了其中的一个)连接到外套管44。导流器使可能分层的冷水层上升到给水管道的上母线，在此过程中使冷水层与热水层混合。实心中心管向后形成的喇叭形使流通截面减小，因而增加了流速，这有助于冷水与热水之间进行混合。
当图14、图15中所示的这种导流器只是用来克服分层现象时，最少需要半个螺旋圈的两个叶片28就够了。而实际上，应用三个或四个叶片更为可取。当我们只是力图减小水锤现象时，将应用一个带两个叶片28(每个叶片至少有一个螺旋圈)的导流器。最后，当我们想克服这两种现象时，希望使用带四个叶片的导流器，这些叶片至少有一个螺旋圈，一圈半更好。
为了保证叶片28周围有良好的密封性，外套管44用钢带子拼接缠绕而成，然后将钢带之间的螺旋圈焊接起来。
在沸水反应堆应用本发明时(图16)，导流器32装在给水管道14上，装在承压容器12的管座的前端。反应堆还包括有一个分配器10，它处于分离器60和各种器62的下面。蒸汽通过高度64流出压力容器。反应堆内部的循环由一般的带喷射器66的环路来保证。
本发明显然并不限于作为例子描述的特定的实施例，应当注意到，本发明的意义可在相当范围内扩展到其它的实施例，也可应用到核电站蒸汽发生器以外的其它蒸汽发生器。
权利要求
1.包含有一个壳体(12)的蒸汽发生器，壳体内包含有热交换管束，壳体的上部有一个汽包，壳体内装有一个给水分配器(10)，分配器上连接有穿过壳体壁并提供给水的管道(14)，并配置在许多使水流向壳体内的通路。这一蒸汽发生器的特点在于上述的给水管道在其水平段至少包含有一个导流器(24)，该导流器包括有一个轴向中心管和数个使中心管连接到给水管道的螺旋形叶片，叶片的长度至少要有螺旋圈的半个节距。
2.按照权利要求
1的蒸汽发生器，其特点是在由叶片限定的螺旋形通道之间具有连通结构，这种结构出现在通道的高处。
3.按照权利要求
1和2的蒸汽发生器，其特点在于导流器(24)位于给水分配器与壳体(12)，管座之间的给水管道内。
4.按照权利要求
3的蒸汽发生器，其特点在于上述导流器(24)至少有四个规则分布的叶片(28)，叶连的角度展开在一个螺旋圈至一个半螺旋圈之间。
5.按照权利要求
3或4的蒸汽发生器，其特点在于上述给水管道包含有第二个导流器(32)，它处于第一个导流器(其叶片至少有一个螺旋圈)及壳体管座的上游，该导流器同样具有一个中心管和数个与第一个导流器的叶片具有相同节距的螺旋形叶片。
6.按照权利要求
5的蒸汽发生器，其特点在于第二个导流器叶片的角度展开大约为半个螺旋圈。
7.按照权利要求
5或6的蒸汽发生器，其特点在于第二个导流器包含有四个叶片。
8.按照权利要求
1至4中任一项的蒸汽发生器，其特点是只装有一个导流器。
9.按照上述权利要求
中任一项的蒸汽发生器，其特点在于只装一个导流器时该导流器的叶片或位于最上游的导流器的叶片具有一个纵向的导流前缘。
10.按照上述权利要求
中任一项的蒸汽发生器，其特点在于只装一个导流器时该导流器的叶片或位于最下游的导流器的叶片在其尾部的径向平面内具有出水后缘。
11.按照权利要求
1的蒸汽发生器，其特点在于中心管与叶片被一个与叶片连接的圆柱形管壁(50)和一个位于中心管与圆柱形管壁之间的旋翼(48)分隔开，该旋翼至少有二个翼片，而翼片至少具有半个螺旋圈。
12.按照权利要求
11的蒸汽发生器，其特点在于旋翼的叶片至少具有一个螺旋圈。
13.按照权利要求
11或12的蒸汽发生器，其特点在于旋翼的叶片具有不同的卷绕方向。
专利摘要
蒸汽发生器包括有一个壳体(12)，壳体内包含有热交换管束，壳体上部有一个汽包，壳体内装有一个给水分配器(10)，分配器连接有穿过壳体壁的给水管道(14)，并装有使水流向壳体内的许多通路。给水管道的水平部分至少包含有一个导流器(24)，导流器包括有一个轴向中心管和数个将中心管连接至给水管道管壁的螺旋形叶片，叶片的长度最少应有一个螺旋圈。
文档编号F22B37/22GK86104482SQ86104482
公开日1987年1月7日 申请日期1986年7月2日
发明者阿兰·霍尔克布拉特, 帕特里克·桑德海默, 伊维斯·帕斯卡尔 申请人:法玛通公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan