一种具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构的制作方法

本实用新型涉及核电站反应堆的控制棒驱动机构，具体是一种适用于浮动式压水反应堆的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构。

背景技术：

核反应堆控制棒驱动机构是反应堆最重要的控制系统和安全保护系统的伺服设备，担负着反应堆的启动、功率调节、停堆及安全(紧急)停堆等生产运行和安全控制功能。由于工作环境不同于陆基，浮动式电站反应堆时刻处于周期性摇摆状态中，此时驱动机构不能始终保持固定竖直状态，依靠重力作为控制棒插入堆芯的驱动力已不能安全实现落棒动作。当浮动堆发生大角度倾斜，甚至发生倾覆时，重力就成为控制棒运动的阻力，阻碍其原设定落棒动作。因此，原有的陆基核反应堆控制棒驱动机构的驱动工作机理已不能满足浮动反应堆的生产和安全保证功能。为保证浮动式反应堆稳定可靠地正常工作，它的控制棒驱动机构必须采用新型的驱动技术和运动可靠性保障措施。

在浮动式反应堆控制棒驱动机构的设计应用中，俄罗斯因拥有大量的核动力破冰船和丰富的开发运行浮动式反应堆实践经验，从而成为该领域的领头羊。俄罗斯试验机械制造设计局(OKBM)的ABV、VBER和KLT系列浮动式反应堆是其多年的研究成果。其中KLT-40系列是其最成熟的浮动式核反应堆，该反应堆已为核动力破冰船在俄罗斯北部极恶劣环境工作提供动力，其总运行 时间超过7000堆年。Akademik Lomonosov是俄罗斯核电集团(Rosenergoatom)设计的全球第一座浮动核电站，就配备2座35MWe(KLT-40S)反应堆，电站预定在2016年试运行，其采用的外置式控制棒驱动机构使用步进电机和齿轮齿条驱动机构[KLT-40 floating nuclear heat and power unit with KLT-40s reactor plant(OKBM,Russian Federation).In:Status of advanced light water reactor designs IAEA-TECDOC-1391.Vienna:International Atomic Energy Agency,IAEA,2004:733-754.]。这种齿轮齿条式驱动机构动作可靠，但因传动机构特点，占用空间体积过大，无法适应高密度布置需求。日本的原子能研究机构(JAERI)则致力于内置式滚珠螺母丝杠式控制棒驱动机构的研发[Ishida,Toshihisa.Imayoshi,Shou.et al.Development of in-vessel type control rod drive mechanism for marine reactor.Journal of Nuclear Science and Technology.2001,38(7),557—570.]，并将其应用于船用一体化反应堆MRX、IMR。但是当采用内置式驱动机构设计时，复杂的机电部件位于压力容器内的高温、高压和高辐照环境中，要求部件具有更高的耐高温、防水和耐腐蚀性能，这将为驱动机构的材料选用、机构动作可靠性和运行寿命、设备的维修检查以及经济性带来了很大的挑战。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，提出一种具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构。

具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构包括：

承压壳体部件；所述承压壳体部件由螺杆行程壳体、电机承压壳体和导向套管组成；所述螺杆行程壳体、电机承压壳体和导向套管共同构成一体化结构，形成压力边界；其中所述导向套管与反应堆顶盖连接固定；

驱动电机部件；所述驱动电机部件由转子轴套、转子、定子绕组、定子外壳、向心推力轴承构成；其中所述转子轴套和转子连接成一体，通过所述向心 推力轴承套装在所述电机承压壳体内；

磁轭线圈部件；所述磁轭线圈部件由磁轭组件和工作线圈组成；

可分开螺母部件；所述可分开螺母部件由可分开螺母、多个连杆、衔铁、释放弹簧组成并套装在所述电机承压壳体内；其中两个所述连杆完全相同；所述两个完全相同的连杆、一个用于连接所述转子轴套的连杆、所述衔铁和所述可分开螺母构成一个具有平行四边形结构的单自由度连杆机构，通过所述衔铁的上下运动来控制所述可分开螺母的位置；

驱动螺杆部件；所述驱动螺杆部件由芯杆、驱动螺杆、定位块、落棒弹簧和导向块构成；其中所述驱动螺杆的一端与控制棒组件连接；所述驱动螺杆具有中空结构，所述芯杆位于其中并可轴向滑动，用于实现所述驱动螺杆与控制棒组件连接的拆装功能；所述定位块用于固定所述落棒弹簧的轴向位置；所述导向块与所述驱动螺杆之间采用固定连接，用于防止所述驱动螺杆的自由转动，其结构上有导流通道，以减少运动时流体阻力；

热屏蔽组件；所述热屏蔽组件位于所述电机承压壳体内部，并位于所述可分开螺母部件的靠近堆芯一侧，用于降低所述电机承压壳体内部温度；

棒位探测器；所述棒位探测器由多个线圈组成并围绕在螺杆行程壳体外部，通过所述线圈中的感应电压变化来测量所述驱动螺杆的位置。

优选地，所述向心推力轴承是推力轴承和向心轴承的组合或能够同时承受轴向载荷和径向载荷联合作用的轴承组合。

优选地，所述转子是永久磁铁或硅钢片叠制而成。

优选地，所述定子绕组可安装在所述电机承压壳体的外部或内部；当所述定子绕组位于所述电机承压壳体外部时，需要设置电机定子外壳；当所述定子绕组位于所述电机承压壳体内部时，需要设置定子绕组屏蔽套组件。

优选地，所述可分开螺母部件具有一个共同的衔铁和多组可分开螺母构成，每个可分开螺母均有一个具有平行四边形结构的连杆机构。

优选地，所述可分开螺母部件至少包含三组螺母，并且轴对称布置于所述驱动螺杆周侧。

优选地，所述可分开螺母可采用滚动螺柱型式。

优选地，所述可分开螺母部件与所述驱动电机部件的转子轴套连接，使其周向转动保持一致。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，传动动作可靠，运行精确度高，结构简单易行，可实现浮动式反应堆各种工况下的控制棒组件的插入、提出堆芯和位置保持功能。

2、本实用新型提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，放置于反应堆压力容器顶盖外部，可以通过结构热屏蔽设计和外部冷却有效降低电机驱动部件温度，有利于保障电气部件稳定工作。

3、本实用新型提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，采用可分开螺母旋转驱动螺杆作直线运动，螺杆内部中空，装有芯杆拆装螺杆与控制棒组件的连接，结构简单可靠，便于操作执行。

4、本实用新型提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，采用两个完全相同的连杆、一个连接转子轴套的连杆、衔铁和可分开螺母构成一个具有平行四边形结构的单自由度连杆机构，通过衔铁的上下运动来控制可分开螺母的位置。该结构型式改善了可分开螺母的受力状态，有利于提高整个可分开螺母部件的径向刚度和承载能力，可以保证可分开螺母始终保持平行于驱动螺杆轴线，长期维持啮合精度和传动稳定性，降低螺纹磨损。

5、本实用新型提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，可分开螺母可采用多个剖开式部分螺母或自滚动螺柱，并且轴对称布置于驱动螺杆周侧,提高螺母和螺杆的对中性刚度、部件的耐磨性、可靠性和使用寿命。

6、本实用新型提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，采用全程压 缩落棒弹簧作为蓄能组件，可以实现任意工况、任何姿态的紧急情况下安全落棒。

附图说明

图1为符合本实用新型优选实施例的正常工况下具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构的结构示意图。

图2为符合本实用新型优选实施例的所述驱动螺杆导向块与导向套管的横截面结构示意图。

图3为符合本实用新型优选实施例的落棒工况下可分开螺母工作示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-3所示，具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构包括：

承压壳体部件；所述承压壳体部件由螺杆行程壳体1、电机承压壳体7和导向套管17组成；所述螺杆行程壳体1、电机承压壳体7和导向套管17共同构成一体化结构，形成压力边界；其中所述导向套管17与反应堆顶盖连接固定；

驱动电机部件；所述驱动电机部件由转子轴套5、转子8、定子绕组9、定子外壳10、向心推力轴承6构成；其中其中定子绕组9可安装在电机承压壳体7的外部或内部(本图例为外部)，所述转子轴套5和转子8连接成一体，通过所述向心推力轴承套5装在所述电机承压壳体7内；

磁轭线圈部件；所述磁轭线圈部件由磁轭组件11和工作线圈12组成；

可分开螺母部件；所述可分开螺母部件由可分开螺母18、多个连杆21、衔 铁20、释放弹簧22组成并套装在所述电机承压壳体7内；其中两个所述连杆21完全相同；所述两个完全相同的连杆21、一个用于连接所述转子轴套5的连杆21、所述衔铁20和所述可分开螺母18构成一个具有平行四边形结构的单自由度连杆机构，通过所述衔铁20的上下运动来控制所述可分开螺母18的位置；衔铁20上下运动由工作线圈12和释放弹簧22共同协作实现，当工作线圈12通电后产生磁场力，衔铁20吸合；断电后磁场力消失，释放弹簧22弹开衔铁20，可分开螺母部件和转子轴套5的周向运动保持一致；

驱动螺杆部件；所述驱动螺杆部件由芯杆3、驱动螺杆4、定位块14、落棒弹簧15和导向块16构成；其中所述驱动螺杆4的一端与控制棒组件(图中未标出)连接；所述驱动螺杆4具有中空结构，所述芯杆3位于其中并可轴向滑动，用于实现所述驱动螺杆4与控制棒组件连接的拆装功能；所述定位块14用于固定所述落棒弹簧15的轴向位置；所述导向块16与所述驱动螺杆4之间采用固定连接，用于防止所述驱动螺杆4的自由转动，其结构上有导流通道，以减少运动时流体阻力；

热屏蔽组件；所述热屏蔽组件位于所述电机承压壳体7内部，并位于所述可分开螺母部件的靠近堆芯一侧，用于降低所述电机承压壳体7内部温度；

棒位探测器；所述棒位探测器由多个线圈组成并围绕在螺杆行程壳体1外部，通过所述线圈中的感应电压变化来测量所述驱动螺杆4的位置。

优选地，所述向心推力轴承6是推力轴承和向心轴承的组合或能够同时承受轴向载荷和径向载荷联合作用的轴承组合

优选地，所述转子8是永久磁铁或硅钢片叠制而成。

优选地，所述定子绕组9可安装在所述电机承压壳体7的外部或内部；当所述定子绕组位于所述电机承压壳体外部时，需要设置电机定子外壳；当所述定子绕组位于所述电机承压壳体内部时，需要设置定子绕组屏蔽套组件。

优选地，所述可分开螺母部件具有一个共同的衔铁20和多组可分开螺母18 构成，每个可分开螺母均有一个具有平行四边形结构的连杆机构。

优选地，所述可分开螺母部件至少包含三组螺母，并且轴对称布置于所述驱动螺杆周侧。

优选地，所述可分开螺母18可采用滚动螺柱型式。

优选地，所述可分开螺母部件与所述驱动电机部件的转子轴套5连接，使其周向转动保持一致。

图1中所示为正常工况下控制棒驱动机构的工作情况，此时工作线圈12始终保持通电状态，通电后产生的磁场力使衔铁20吸合，衔铁20通过两个完全相同的连杆19推动可分开螺母18，保持与驱动螺杆4的啮合状态。当反应堆调节系统发出控制棒运动指令时，通过控制定子绕组9内部的交变电流产生交变磁场，对转子8产生转矩，从而同步带动转子轴套5旋转。由于可分开螺母18与转子轴套5的周向运动保持一致，因此可驱动与可分开螺母18啮合的驱动螺杆4产生上下直线运动。

如图2所示，在本实用新型所采用的可分开螺母18转动驱动螺杆4直线运动的传动方式中，一方面导向套管17为驱动螺杆4的上下运动提供导向作用，另一方面为防止驱动螺杆4发生自转，与驱动螺杆4连接的导向块16与导向套管17之间采用凸凹槽接触方式。

如图3所示，当发生紧急安全状况断电时，驱动电机部件失效，驱动螺杆4无法运动。此时工作线圈12由于断电而使磁场力消失，释放弹簧22弹开衔铁20，衔铁20通过连杆19拉动可分开螺母18，脱离和驱动螺杆4的啮合状态，驱动螺杆4在落棒弹簧15的作用下快速推动控制棒组件进入堆芯。

与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：

1、本实施例提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，传动动作可靠，运行精确度高，结构简单易行，可实现浮动式反应堆各种工况下的控制棒 组件的插入、提出堆芯和位置保持功能。

2、本实施例提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，放置于反应堆压力容器顶盖外部，可以通过结构热屏蔽设计和外部冷却有效降低电机驱动部件温度，有利于保障电气部件稳定工作。

3、本实施例提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，采用可分开螺母旋转驱动螺杆作直线运动，螺杆内部中空，装有芯杆拆装螺杆与控制棒组件的连接，结构简单可靠，便于操作执行。

4、本实施例提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，采用两个完全相同的连杆、一个连接转子轴套的连杆、衔铁和可分开螺母构成一个具有平行四边形结构的单自由度连杆机构，通过衔铁的上下运动来控制可分开螺母的位置。该结构型式改善了可分开螺母的受力状态，有利于提高整个可分开螺母部件的径向刚度和承载能力，可以保证可分开螺母始终保持平行于驱动螺杆轴线，长期维持啮合精度和传动稳定性，降低螺纹磨损。

5、本实施例提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，可分开螺母可采用多个剖开式部分螺母或自滚动螺柱，并且轴对称布置于驱动螺杆周侧,提高螺母和螺杆的对中性刚度、部件的耐磨性、可靠性和使用寿命。

6、本实施例提供的具有可分开螺母驱动的控制棒驱动机构，采用全程压缩落棒弹簧作为蓄能组件，可以实现任意工况、任何姿态的紧急情况下安全落棒。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。