JP5072388B2 - 蒸気発生器の管支持板 - Google Patents

Description

本発明は蒸気発生器の管支持板に関し、圧損を低減すると共に十分な強度を確保できるように工夫したものである。

加圧水型原子力発電プラントでは、原子炉において加熱された一次冷却水を蒸気発生器へ供給する。蒸気発生器においては、一次冷却水の熱により二次冷却水を加熱して二次蒸気を生成する。この二次蒸気を蒸気タービンに供給して蒸気タービンを回転して発電機を駆動するようにしている。

ここで図５を参照して、加圧水型原子力発電プラントで用いられている蒸気発生器１０の構造を説明する。

図５に示すように蒸気発生器１０の竪型の外筒１１の下部には、管板１２が一体的に接続されている。この外筒１１の上部には、主蒸気管１３や給水管１４が接続されている。
管板１２は肉厚が厚い板状部材であり、外筒１１の下部を塞ぐ状態で配置されており、この管板１２には多数の孔が形成されている。

管板１２の下側は仕切板１５により、高温側水室１６と低温側水室１７とに区画されている。

外筒１１の内部には内筒１８が配置されている。そして、逆Ｕ字型の伝熱管１９が内筒１８の内部に多数本配置されている。図では簡略的に示しているが、伝熱管１９の配置本数は極めて多数であり、これら伝熱管１９は鉛直方向に伸びる状態で配置されると共に、各伝熱管１９の上端は逆Ｕ字型に湾曲している。また、各伝熱管１９の下側の両端は、管板１２に形成された多数の孔に挿入され拡管により固定されて、それぞれ、高温側水室１６と低温側水室１７に接続されている。

更に、内筒１８の高さ方向に沿う複数箇所には、水平方向に広がった管支持板２０が配置されている。管支持板２０には、多数の伝熱管１９が貫通するための貫通孔が形成されている。管支持板２０は、伝熱管１９の振動防止や相互間の間隔保持のために使用されている。つまり、管支持板２０に多数の伝熱管１９が貫通しているため、伝熱管１９相互間の間隔が保持できると共に伝熱管１９の振動防止を図り、更に、地震などにより横荷重が作用したときに、この横荷重を管支持板２０が支えている。

また、外筒１１の上部には、気水分離器２１や蒸気乾燥器２２が配置されている。

原子炉にて加熱された一次冷却水Ｗ１は、高温側水室１６に供給されてから、伝熱管１９内を流通し、低温側水室１７を通って、原子炉に戻る。
一方、二次冷却水Ｗ２は給水管１４を介して、外筒１１と内筒１８との間の空間（ダウンカマー）内に供給されてダウンカマー内を下降し、内筒１８の下端から内筒１８内に入り内筒１８内を上昇する。二次冷却水Ｗ２は、内筒１８内を上昇しつつ流通する際に、伝熱管１９を介して一次冷却水Ｗ１から熱を受けて加熱される。このため、蒸気Ｓが発生し、この蒸気Ｓは、気水分離器２１，蒸気乾燥器２２及び主蒸気管１３を通って蒸気タービンに送られる。

このようにして、蒸気Ｓが発生する状態において、ダウンカマー内の水位Ｈはほぼ一定に保たれる。

図６は、管支持板２０を上方からみた平面図であり、管支持板２０の中央部分（図ではクロスハッチングを施した部分）には、多数（例えば数千個）の貫通孔２０ａが形成されている。
従来では、この貫通孔２０ａの形状は、図７に示すような、三つ葉型（クローバー型）であった。図７では２つの貫通孔２０ａのみを示しているが、実際には、管支持板２０には、このような三つ葉型の貫通孔２０ａが、碁盤の目状に縦横方向に整列した状態で配置されている。

貫通孔２０ａは、伝熱管１９を支持する機能と、内筒１８内を上昇流通する二次冷却水Ｗや蒸気Ｓを流通させる流通路としての機能を果たしている。

特開平３−２５５８９２号公報

ところで、二次冷却水Ｗ２や蒸気Ｓが、管支持板２０の貫通孔２０ａを流通していく際に生じる圧損が大きいと、ダウンカマー部での水位Ｈの不安定性が増加してしまう。
ダウンカマー部での水位Ｈが不安定となりその水位高さが振動した場合には、気水分離器２１に水が掛かり、蒸気発生器１０の効率が低下してしまう。

このため、管支持板２０での圧損を低減させる必要があるが、圧損を低減させるために貫通孔２０ａの孔面積を大きくすると、管支持板２０の強度が低下してしまう。

地震等により蒸気発生器１０が大きな横荷重を受けると、管支持板２０にも横荷重が負荷される。その際、管支持板２０の面内圧縮強度が弱いと、貫通孔２０ａが潰れて伝熱管１９に接触し、伝熱管１９が変形（損傷）する虞がある。このような事態の発生を防ぐため、管支持板２０は一定の面内強度を持つ必要がある。

本発明は、上記従来技術に鑑み、低圧損で、且つ、十分な強度を持つ、蒸気発生器の管支持板を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
蒸気発生器の内部に配置されると共に、伝熱管が貫通する多数の貫通孔が形成された管支持板において、
前記貫通孔の孔形状は、六角形状であり、この六角形状を形成する辺のうち、一つおきの辺には、前記貫通孔の中心に向かって突出する突出部が形成されるとともに、
前記貫通孔の配列は、前記貫通孔が一定のピッチで直線状に並んだ貫通孔列が、平行状態で多数並んだ状態で配置されており、しかも、隣接する貫通孔列同士では、貫通孔の配置位置が、前記ピッチの半分の距離だけシフトしており、
更に、前記辺の端部は湾曲するとともに、前記辺どうしの接続部分は前記貫通孔の中心からみて外周側に凸となる湾曲形状になっており、
しかも、ある一つの貫通孔の辺と、前記一の貫通孔に隣接する他の貫通孔の辺の中で前記一の貫通孔に対向する辺とのうち、一方の辺にのみ、前記突出部が形成される状態で、前記突出部が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、貫通孔の孔形状を六角形状とすると共に、貫通孔の配列を所謂ハニカム配列とすることにより、貫通孔の面積を従来に比べて増加でき圧損の低減ができ、しかも、面内強度は従来のものと同等とすることができた。

以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。

図１は、実施例に係る、管支持板２００を上方からみた平面図であり、管支持板２００の中央部分（図１ではクロスハッチングを施した部分）には、多数（例えば数千個）の貫通孔１００が形成されている。
管支持板２００は、図５に示すのと同様な構造となっている蒸気発生器の内部に水平状態で配置されるものであり、伝熱管２１０が、貫通孔１００を鉛直方向に貫通する。
なお、貫通孔を総称して示すときには符号「１００」を用い、各貫通孔を区別して示すときには符号「１１０，１２０，・・・」等の百番台の数値を用いて説明をする。

貫通孔１００の形状は、図２に示すように、六角形状となっている。つまり、貫通孔１００の孔形状は、６つの辺１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６により囲まれた六角形状となっている。しかも、各辺１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６の両端部分は湾曲しており、辺同士の接続部分は湾曲形状（孔の中心からみて外周側に凸となる湾曲形状）となっている。

また、６つの辺１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６のうちの１つおきの辺１０２、１０４，１０６には、貫通孔１００の中心に向かって（つまり伝熱管２１０側に向かって）突出する突出部１００ａ，１００ｂ，１００ｃが形成されている。各突出部１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、辺１０２、１０４，１０６の中央部分に形成されており、伝熱管２１０との間のクリアランスを保持する機能と、伝熱管２１０を支持する機能を果たす。

また、貫通孔１００と、伝熱管２１０の外周面との間の空間が、二次冷却水や蒸気の流通路となる。

次に、貫通孔１００の配列について、図３を参照して説明する。
図３に示すように、貫通孔１１１，１１２，１１３，１１４，１１５・・・が一定のピッチで直線状に並んで、貫通孔列１１０となっており、貫通孔１２１，１２２，１２３，１２４，１２５・・・が一定のピッチで直線状に並んで、貫通孔列１２０となっており、
貫通孔１３１，１３２，１３３，１３４，１３５・・・が一定のピッチで直線状に並んで、貫通孔列１３０となっている。
このような貫通孔列１１０，１２０，１３０・・・が、平行状態となって多数並んで配置されている。

しかも、隣接する貫通孔列同士では貫通孔の配置位置が、前記ピッチの半分の距離だけ、貫通孔の直線状の並び方向（α方向）に沿い、シフトしている。
例えば、貫通孔列１１０の貫通孔１１１，１１２，１１３，１１４，１１５・・・と、貫通孔列１２０の貫通孔１２１，１２２，１２３，１２４，１２５・・・は、α方向に関して、前記ピッチの半分の距離だけシフトして配置されている。
他の隣接する貫通孔列においても、同様なシフト配置にしている。
いわば、貫通孔１００は、ハニカム状の配置（三角配置）となっている。三角配置とは、例えば、貫通孔１１１，１１２，１２１の孔中心を結ぶと三角形となる配置になっていることを意味する。

このような貫通孔１００のハニカム状の配置（三角配置）に応じて、伝熱管２１０の配置位置も設定されている。

本実施例では、貫通孔１００の孔形状を六角形状にしたため、孔面積が広くなり、圧損を従来技術（図７に示す三つ葉型）に比べて、約３割減少することができた。

また、貫通孔１００の配列状態を、ハニカム状の配列（三角配列）としたため、管支持板２００の面内強度は従来と同等な強度を確保することができた。
このように管支持板２００の強度を確保できたことは、有限要素法を用いた解析により確認した。

有限要素法による強度の確認結果を、図４（ａ）及び図４（ｂ）を用いて説明する。
図４（ａ）は、図７に示した三つ葉型（クローバー型）の貫通孔を持つ管支持板に、圧縮荷重が負荷された場合の応力分布図である。図４（ｂ）は、図２に示した六角形状の貫通孔を持つ管支持板に圧縮荷重が負荷された場合の応力分布図である。

図４（ａ）より、三つ葉形（クローバ型）の貫通孔では、図中のＡ部分に曲げ変形が発生していることが分かる。
一方、図４（ｂ）より、六角形状の貫通孔では、曲げ変形の発生がほとんど無いことがわかる。

このように、三つ葉形（クローバ型）に比べて孔面積を広くした六角形状の貫通孔は、曲げ変形が抑えられており、その結果として、図２に示すリガメントＬを小さくしても従来の三つ葉型（クローバ型）と同等の強度を得ることができたことを確認した。

本発明は、原子力プラントに用いる蒸気発生器に採用している管支持板のみならず、多数の伝熱管を有する各種の蒸気発生器に採用している管支持板にも適用することができる。

本発明の実施例に係る管支持板を示す平面図。 本実施例の管支持板に形成した貫通孔を示す平面図。 本実施例の管支持板に形成した貫通孔を示す平面図。 三つ葉型（クローバー型）の貫通孔を持つ管支持板に、圧縮荷重が負荷された場合の応力分布図。 六角形状の貫通孔を持つ管支持板に圧縮荷重が負荷された場合の応力分布図。 蒸気発生器を示す構成図。 従来の管支持板を示す平面図。 従来の管支持板に形成した貫通孔を示す平面図。

符号の説明

１０ 蒸気発生器
１１ 外筒
１２ 管板
１３ 主蒸気管
１４ 給水管
１５ 仕切板
１６ 高温側水室
１７ 低温側水室
１８ 内筒
１９ 伝熱管
２０ 管支持板
２０ａ 貫通孔
２１ 気水分離器
２２ 蒸気乾燥器
Ｗ１ 一次冷却水
Ｗ２ 二次冷却水
Ｓ 蒸気
１００ 貫通孔
１０１〜１０６ 辺
１００ａ，１００ｂ，１００ｃ 突出部
２００ 管支持板
２１０ 伝熱管
Ｌ リガメント

Claims (1)

1. 蒸気発生器の内部に配置されると共に、伝熱管が貫通する多数の貫通孔が形成された管支持板において、
   前記貫通孔の孔形状は、六角形状であり、この六角形状を形成する辺のうち、一つおきの辺には、前記貫通孔の中心に向かって突出する突出部が形成されるとともに、
   前記貫通孔の配列は、前記貫通孔が一定のピッチで直線状に並んだ貫通孔列が、平行状態で多数並んだ状態で配置されており、しかも、隣接する貫通孔列同士では、貫通孔の配置位置が、前記ピッチの半分の距離だけシフトしており、
   更に、前記辺の端部は湾曲するとともに、前記辺どうしの接続部分は前記貫通孔の中心からみて外周側に凸となる湾曲形状になっており、
   しかも、ある一つの貫通孔の辺と、前記一の貫通孔に隣接する他の貫通孔の辺の中で前記一の貫通孔に対向する辺とのうち、一方の辺にのみ、前記突出部が形成される状態で、前記突出部が配置されていることを特徴とする蒸気発生器の管支持板。

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