t
Prijs ƒ 3,-
OCTROOIRAAD Ter inzage gelegde Octrooiaanvrage Nr, 7 2 1 4 1 3 5 Int
NEDERLAND
Indieningsdatum: -19 oktober 1972,
'° L
G 21
c
?/l2
'
G 21
Datum van terinzagelegging:
^
c
17 12
/
april
'
1974>
* uur 59 min. ' De hierna volgende tekst is een afdruk van de beschrijving met conclusie(s) en tekening(en), zoals deze op bovengenoemde datum werd ingediend.
+ Aanvrager i N.V. HOLLANDSE SIGNAALAPPARATEN te HENGELO (o) Sedert 15-6-'73 Naam gewijzigd in: Hollandse Signaalapparaten B.V. Gemachtigde :
Drs W.E.M. ten ëti§e,lot^dezer zake' kantoor houdende bij de N".V. Hollandse Signaalapparaten
Ingeroepen recht van voorrang t Korte aanduiding :
geen
Begelstaafaandrijfmechanisme
De uitvinding heeft betrekking op een regelstaafaandrijfmechanisme voor watergekoelde kernreactoren, Bit aandrijfmechanisme heeft tot taak een regelstaaf in een reactorkern op en neer te bewegen, In de praktijk zijn daartoe systemen, waarbij op hydraulische 5
wijze direkt een lineaire beweging wordt verkregen, het eenvoudigst gebleken. Nadelen van volgens dit principe toegepaste systemen zijn, dat om een positioneringssysteem te verkrijgen onnauwkeurige oplossingen zijn toegepast, zoals een trapsgewijze beweging met een vergrendelingssysteem of een snelheidsregeling door middel ran
10
speciale regelkleppen. Toor rê&etoren ii het eoht®r van groot belang dat alle aandrijfmechanismen dezelfde snelheid en dezelfde start- en stoptijden hebben om een ongelijkmatige kemopbrand ten gevolge van' uit elkaar l'open van de regelstaven te voorkomen
De uitvinding stelt
zich dan ook ten doel een regelstaafaandrijfmechanisme te verschaffen
7 2 1 4 135
waarin de bovengenoemde nadelen op eenvoudige wijze worden vermeden. Overeenkomstig de uitvinding is daartoe het regelstaafaandrijfmechanisme voorzien van een, binnen een volledig afgedichte ruimte beweegbare zuiger met zuigerstang, met behulp waarvan een regelstaaf in een instelbare positie in een reactorvat kan worden geplaatst, een electromagnetisch-mechanisch besturingssysteem, hetwelk een, de in te stellen positie van de regelstaaf aanduidend stuursignaal van buiten de voornoemde ruimte overbrengt op een binnen de zuiger en zuigerstang roteerbare schroefspindel, een hydraulisch positie-teruggekoppeld volgsysteem met behulp waarvan de zuiger met zuigerstang en daarmede de daaraan gekoppelde regelstaaf de schroeflijn van de schroefspindel in diens lengterichting kan volgen en een positie-indicator om voortdurend de positie van de regelstaaf in het ' reactorvat om te zetten in een buiten de voornoemde raimte te verwerken positie-indicatiesignaal. Be uitvinding zal nu aan de hand van de bijgaande figuren worden toegelicht. Fig. 1 stelt hierbij een schematische weergave voor van een uitvoeringsvoorbeeld van het regelstaafaandrijfmechanisme volgens de uitvinding; terwijl in Fig. 2 een alternatief besturingssysteem voor het aandrijfmechanisme is afgebeeld. Het electro-hydraulische regelstaafaandrijfmechanisme,
w
zoals dit in fig. 1 is afgebeeld, bestaat in principe uit vijf funktionele delenj een elektromagnetisch-mechanisch besturingssysteem, een hydraulisch positie-teruggekoppeld-volgsysteem, een onafhankelijke positie-indicator, een scramsysteem en een steekverbinding. Eet elektromagnetisch-mechanisch besturingssysteem. Dit deel heeft tot taak een, de in te stellen positie van de regelstaaf aanduidend stuursignaal van buiten een volledig afgeöiahta suiati, in hst hiernavolgend© &£ukw&nd gmomü,
gondgr d§ze
te doorboren, hier binnen te brengen. Baar op dit systeem alleen maar kleine krachten werken is dit op eenvoudige en goedkope manier mogelijk. Vanaf een elektromotor 1 (asynchrone-, synchrone- of stappenmotor) kan via een transmissiesysteem 2, een permanente magnetenkoppeling 3 en een schroefspindel 4 een. moer 5 op en neer worden bewogen.
- 3 -4
De moer wordt tegen verdraaien geborgd door een leidstang 6, waaraan " een radiale lagering 7 is opgehangen, De leidstang heeft tevens de funktie om de eindstanden van de moer te indiceren, Hiertoe is de leidstang verend opgehangen en aan de bovenzijde voorzien van een aanslag 8 en een permanente magneet 9 die via de drukwand reed-switches 10 bedient om de elektromotor uit te schakelen. Djoor middel van deze wijze van eindstandschakeling is de zekerheid verkregen dat de moer 5 in zijn onderste positie op het radiale lager 7 komt te, rusten, hetgeen belangrijk is voor het hydraulisch volgsysteem. Wordt het regelstaafaandrijfmechanisme toegepast in een, zich in een schip bevindende kernreactor, dan dient de eigenfrequentie van de verende ophanging van de leidstang $ zodanig te zijn gekozen dat scheepsbewegingen en scheepstrillingen de eindstandschakeling
'
niet funktioneel beïnvloeden. Verder zij .opgemerkt dat zich bovenin de drukwand een ontluchting 11 bevindt. Het hydraulisch positie-teruggekoppeld volgsysteem. Dit systeem heeft tot taak de positie-input van het hierboven beschreven besturingssysteem te versterken en binnen nauwe grenzen te volgen en dit alles, voorzover de reactor zich in een schip bevindt, onafhankelijk van scheepsbewegingen en scheepstrillingen. Een zuiger 12 wordt via een lange zuigerstang 1J door middel van het regel staaf ge wicht en een scramveer 14 (welke een voorspanning van minimaal 1 m*g bezit, waarin m de totale lineair beweegbare massa, inclusief de halve massa van de scramveer voorstelt en g de versnelling van de zwaartekracht) altijd naar beneden getrokken, zelfs bij een eventuele scheepsversnelling van 1 g bij 45° slagzij. Onder de zuiger is dus altijd een overdruk nodig (ook bij een langzame regelbeweging naar beneden), waardoor een zogenaamde éénkantsturing kan worden toegepast. De toevoer van water onder overdruk geschiedt vanaf een pompeenheid 15» via een geopende klep 16, een filter en een vaste restrictie 17, naar de ruimte onder de zuiger. De uitstroming vanuit deze ruimte naar het reaktorvat geschiedt via spleten resp. tussen de zuiger 12 en de binnenwand van de afgedichte ruimte waarbinnen de zuiger heen en weer beweegbaar is en tussen de zuigerstang 15 en een zuigerstangdichting 18 en de variable restrictie gevormd door
f £ l
i j Ü
een opening 19 in de zuiger 12, in het hiernavolgende stuurpoort genoemd, en d« moer 5* Wordt de moer iets hoger gezet dan zal de variabele restrictie een groter drukval geven. Tevens wordt de stroming door de vaste restrictie iets minder. Het gevolg hiervan is dat de overdruk onder de zuiger 12 stijgt en deze met de zuigerstang 13 en een aangekoppelde regelstaaf 20 de moêr 5 blijft volgen. Bevindt de reactor zich in een schip dan moet deze besturing zodanig geconstrueerd zijn (grootte van overdruk, vaste „ restrictie, spleten en variabele restrictie) dat'bij bijna gesloten variabele restrictie voldoende overdruk onder de zuiger aanwezig is om de regelstaaf bij 1 g naar bovengerichte scheepsversnelling met de maximale regelsnelheid te heffen, en dat bij geheel geopende variabele restrictie een voldoend lage overdruk onder de zuiger aanwezig is om de regelstaaf bij 1 g naar beneden gerichte scheepsversnelling bij 45° slagzij met de maximale regelsnelheid te laten zakken. Daar onder de zuiger dus altijd overdruk heerst is ook bij toepassing op een reactor met interne pressurizer (zoals getekend met stoomruimte 21 bovenin) altijd water in het hydraulisch systeem aanwezig. Door de ruimte waarbinnen de zuiger heen en weer beweegbaar is tot onder het watemiveau te laten doorlopen wordt een intrede van stoom en daarmede cavitatie zo goed mogelijk voorkomen. De onafhankelijke positie-indicator. Deze positie-indicator heeft het predikaat "onafhankelijk" meegekregen omdat onafhankelijk van het vel of niet goed functioneren van het besturings- en/of volgsysteem de positie van de regelstaaf wordt geindiceerd. Op de zuiger is daartoe een permanente magneet 22 bevestigd die via de ruimte waarbinnen de zuiger heen en weer beweegbaar is de reed-switches 23 bekrachtigt. Door de reed-switches op onderlinge afstanden van 2 $ van de totale slag te plaatsen en de magneet zo lang te maken dat achtereenvolgens 1, 2, 1, 2 enz. reed-switches tegelijk worden bekrachtigd en men door middel van deze switches een, niet in de figuur weergegeven, uit 50 gelijke weerstanden opgebouwde potentiometer stapsgewijs laat aftasten, is een elektrisch positiesignaal met 2 fo nauwkeurigheid verkregen.
ïeyens is een extra onafhankelijke indicator (extra reedswitch) voor de gescramde (onderste) stand van de regelstaaf aanwezig. Ten behoeve van deze positieindicatie is de zuiger via de zuigerstarig tegen verdraaiing geborgd. Het scramsysteem.
i ƒ
Het scramsysteem (of nooduitschakelingssysteem) heeft tot taak in geval van nood de regelstaaf 20 snel in de recto;rkem te schieten. Het systeem moet "fail safe" zijn, d.w.z. het functioneren ^mag alleen afhankelijk zijn van de per regelstaaf gebufferde energie middelB bijv. een electrische accu, hydro-pneumatische accu of voorgespannen veer. Yoor een landreactor mag altijd op de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht gerekend worden, echter voor>scheepsreactoren in geen geval. Een nooduitschakeling volgt indieri een daartoe aanwezige scramklep 24 wordt geopend en de klep 16 (voor de zekerheid dubbel uitgevoerd) wordt gesloten door van beide kleppen de electrische aansluiting te onderbreken. Het water onder de zuiger kan dan met een relatief lage drukval door de scramklep 24 ontwijken. De scramveer 14 duwt de regelstaaf 20 snel in de kern, totdat de zuiger 12 de poort naar de scramklep 24 afsluit en ten gevolge van de aanwezige snelheid onder de zuiger een afremmende druk wordt'opgebouwd. In de2e situatie kan het water onder de zuiger alleen nog maar via de twee voornoemde spleten en de geheel geopende stuurpoort 19 ontwijken (de moer 5 is blijven staan), totdat over het laatste deel van de totale slag ook nog door middel van de radiale lagering 7 de stuurpoort 19 wordt gesloten. De snelheid is dan zodanig gedaald dat mechanisch contakt van de regelstaafkop op zijn aanslag (eventueel Verende aanslag) zonder schade kan plaatsvinden. Tijdens de snelle scrambeweging krijgt de ruimte boven de zuiger zijn water toegevoerd via doorboringen in de zuigerstang 15» de radiale lagering 1 ón de moer 5« Door de scramveer 14 zo dicht mogelijk bij de regelstaaf 20 te laten aangrijpen en door de hydraulische druk onder tegen de zuiger wordt de zuigerstang altijd op trek belast, waardoor deze buigingsslap kan worden uitgevoerd om eventuele afwijkingen in de hartlijn van 1
72 1 4 1 3 5
de regelstaaf en het aandrijfmechanisme gemakkelijk te kunnen opvangen. De veiligheidsnorm van dit scramsysteem is als volgt; weigert de scramklep 24 te openen bf wordt de klep 16 niet gesloten dan zal toch een nooduitschakeling, echter wel minder snel, plaatsf vinden. De afremming aan het einde van de slag blieft altijd voldoende. De voorspanning van de scramveer in de onderste regelstaafpositie is minimaal 1 m-g, zodat tot in de horizontale stand bij max. 1 g- scheepsrersnellingen de regelstaaf gescramd kan worden. Bij op de kop liggen van het schip is deze veerkracht alleen ontoereikend om tijdens scheepgbeweglngea de regelstaaf op aijn plaats te houden. Echter is in deze positie ook een sterke waterveer aanwezig - gevormd door de ruimte tussen de zuiger, de zuigerstangafdichting en de gesloten klep 16 (daarom dubbel uitgevoerd) waardoor tesamen met de dempende werking van de spleten resp. tussen de zuiger en de ruimte waarbinnen de zuiger heen en weer beweegbaar is en tussen suigerstang en zuigerstangdichting een gedempt massa-
'
veersysteem is ontstaan. Doordat de stuurpoort 19 is gesloten en de ruimte onder de zuiger klein is geworden is een niet te sterk gedempt massa-veersysteem net hoge eigenfrequentie ontstaan. De massa (regelstaaf) van dit systeem zal de laagfrequente scheepsbewegingen volledig volgen. Er is geen bezwaar tegen dat de waterveren van de onderscheiden aandrijfmechanismen blijven doorverbonden, daar op aj.le regelstaven tegelijk dezelfde versnellingen zullen werken. Eet is welv van groot belang dat de leidingen tus&en klep 16 en de aandrijfmechanismen kort en dun worden gehouden. ' Het starten van de regelbeweging na een scram gebeurt als volgtj eerst wordt achtereenvolgens de moer 5 geheel naar beneden bewogen, de pompeenheid. gestart en de kleppen 16 en 24 resp. geopend en gesloten. De zuiger met aangekoppelde regelstaaf zal dan automatisch zover omhoog worden gebracht, dat de stuurpoort 19 zich ter hoogte van de stuurkant van de moer 5 bevindt. Op dat moment moet ook de indicator voor de gescramde stand (door middel van de extra reed-switeh) zijn omgeschakeld naar de normale standindicatie. Hierna is het pas mogelijk de moer 5 door middel van het besturingssysteem verder omhoog te brengen.
$ 1 i 4 13 B
Be steekverbinding, Vooral voor een scheepsreactor is het belangrijk dat een snelle en eenvoudige wisseling van splijtstofelementen kan plaats vinden. Hiertoe wordt geeist dat de reactordeksel kan worden gehesen zonder dat eerst de aandrijfmechanismen moeten worden gedemonteerd. Vel moeten de regelstaven in hun gejgcramde positie blijven. jPerens is het gewenst dat tegelijk met het heffen van het reactordeksel slechts korte delen van de aandrijfmechanismen worden meegehesen.
,
Bit probleem is opgelost door ter plaatse van de zuiger*
stangdichting 18 direkt onder het reactordeksel 25 een simpele steekverbinding 26 te maken. Wordt het reactordeksel gehesen dan wordt de ruimte waarbinnen de zuiger heen en weer beweegbaar is, tesamen ' met het besturingssysteem en de kleppen van de zuiger en de zuigerstangdichting gescheiden. Deze zuigerstangdichting 18 blijft via een dompelcyclinder 27» dit is het verlengde van de ruimte waarbinnen de zuiger heen en weer beweegbaar is, op een steunrooster 28 rusten. Een volledige afdichting tussen boven en onderzijde van de zuigerstangdichting 18 is functioneel niet noodzakelijk. Stoomintrede in de ruimte onder de'zuiger is nagenoeg onmogelijk daar hier altijd een overdruk aanwezig is. Ook tussen de stoombuffer en de ruimte onder de zuigerstangdichting is een kleine lek geen bezwaar. Een voordeel van deze steekverbinding is dat na afnemen van het reactordeksel de waarschijnlijk meest aan slijtage onderhevige delen (grafietlagering van zuiger en zuigerstang) op simpele wijze geinspecteerd en eventueel verwisseld kunnen worden. Hiertoe dient te worden gezorgd dat in de gescramde positie de zuiger niet op de zuigerstangdichting rust. Na afnemen van het reactordeksel kan eventueel een verdere demontage plaatsvinden na eerst via de holle üuigerstang het grijpermechanisme 29 tussen het aandrijfmechanisme en de regelstaaf te lossen. Voor een gemakkelijke reactordekeelaontage zijn de verschillende in elkaar schuivende delen voorzien van taps toelopende geleidingen.
- 8 Ben alternatief besturingssysteem» In fig. 2 is een alternatief besturingssysteem ran eenvoudiger constructie getekend. Hier wordt alleen een schroefspindel 4 rondgedraaid, waarbij de stuurkant voor het hydraulisch volgsysteem 5
direct door de schroeflijn wordt gevormd. Hierbij is een nagenoeg direct starten na een scram mogelijk^ ook zijn geen' eindschakelaars voor dit "besturingssysteem noodzakelijk. Daar het glijdend oppervlakte van deze schroefspindel niet in grafiet kan worden uitgevoerd en de schroefspindel over een grote lengte redelijk paósend in de holle
10
zuigerstang moet glijden bestaat er onzekerheid over het nagenoeg wrijvingsloos •blijven functioneren. De vuilgevoeligheid is in ieder geval groter als bij het hiervoor beschreven besturingssysteem, zodat zeker een filter 30 onderaan de schroefspindel 4 als bescherming tijdens een snelle scrambeweging moet worden toegepast. Tevens zal
15
tijdens de scrambeweging de stuurpoort 19 voor de helft van de weg geheel geslo-ten en voor de andere helft geheel geopend zijn, hetgeen tijdens de afremfase mogelijk grote vertragingspieken zal geven. Snige verschillen tussen de uitvoering van het aandrijfmechanisme voor land- en scheepsreactoren.
20
Voor landreactoren mag zoals eerder is genoemd altijd worden gerekend op de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht. Het gevolg is dat de scramveer weggelaten kan worden. De pompeenheid kam dan in vermogen kleiner worden omdat de benodigde overdruk onder de zuiger minder is geworden.
25
Voor scheepsreactoren is in plaats van de scramveervoorspanning van 1 m«g ook nog een praktische mogelijkheid aanwezig waarbij een scramveervoorspanning van minimaal (1 -£\/2)m.g
0,3 m.g
wordt gekozen. Scram tot 45° slagzij is (ook bij de ongunstigste 30
scheepsvarens H i n g van 1 g) altijd mogelijk, Yoor de beveiliging van gekapseizde reactoren ió dan een mechanische vergrendeling in de onderste gescramde stand nodig. De vergrendeling kan weer automatisch gelost worden door middel van de hydraulische overdruk onder de zuiger tijdens langzame regelbewegingen.
7 2 1 4 135
Tot slot zij opgemerkt dat het aandrijfmechanisme volgens de uitvinding niet slechts beperkt is tot zodanig mechanisme
dat
voorzien is van een hydraulisch volgsysteem dat gebruik maakt van een lënkantsturing. Ook een "tweekantsturing" van het hydraulisch volgsysteem is mogelijk. Voor de éénkantsturing is echter essentieel dat altijd in één lengterichting aanwezige extern^ klachten aanwezig zijn zoals in casu de zwaartekracht en de door de scramveer uitgeoefende kracht. Bij de tweekantsturing is dit echter geen essentiëele voorwaarde.
1 4 13
- 10 C o n c l u s i e s ;
1.
Regelstaafaandrijfmechanisme voor watergekoelde kern-
reactoren, voorzien van een, binnen een volledig afgedichte ruimte beweegbare zuiger met suigerstang, met behulp waarvan een regelstaaf ƒ in een instelbare positie in een reactorvat kan woeden geplaatst, een electromagnetisch-mechanisch besturingssysteem, hetwelk een, de in te stellen positie van de regelstaaf aanduidend stuursignaal van buiten de voornoemde .ruimte overbrengt op een binnen de zuiger en zuigerstang roteerbare schroefspindel, een hydraulisch positieterugge' koppeld volgsysteem met behulp waarvan de zuiger met zuigerstang en daarmede de daaraan gekoppelde regelstaaf de schroeflijn van de schroefspindel in diens lengterichting kan volgen en een positieindicator om voortdurend de positie van de regelstaaf in het reactorvat om te zetten in een buiten de voornoemde ruimte te ververken positie-indicatiesignaal. 2.
Hegelstaafaandrijfmechanisme volgens conclusie 1, met het
kenmerk, dat het hydraulisch volgsysteem onder invloed van een altijd in één lengterichting aanwezige externe kracht bewerkstelligt _ dat de zuiger met zuigerstang de schroeflijn van de schroefspindel in beide richtingen volgt.
3.
Regelstaaf aandrijfmechanisme volgens conclusie 2, met het
kenmerk, dat het hydraulisch volgsysteem eem pompeenheid omvat, welke, onder overdruk, water via een vaste restrictie naar een, met een zuigerstangafdichting afgesloten ruimte onder de zuiger toevoert, terwijl de uitstroming van het water naar het reactorvat plaats vindt via enerzijds spleten resp. tussen de zuigerstang en de zuigerstangafdichting en tussen de zuiger en de binnenwand van de afgedichte ruimte waarbinnen de zuiger heen en weer beweegbaar is en anderzijds een variabele restrictie gevormd door een opening in de zuiger welke in afhankelijkheid van het benodigde drukverschil ovèr de zuiger meer of minder wordt afgesloten door de schroefspindel.
4.
Re gelstaafaandrijfmechanisme volgens conclusie 2, met het
kenmerk, dat de schroefspindel een moer bevat welke ten gevolge van
•
de rotatiebeweging van de schroefspindel langs deze in de lengterichting beweegt en waarvan een opstaande rand, tijdens het volgen van de zuiger met zuigerstang, de gedeeltelijke afsluiting vormt van de opening in de zuiger.
5.
ƒ
Regelstaafaandrijfmechanisme volgens conclusie 4, met het
kenmerk, dat een verend opgehangen leidstang aanwezig is waarlangs de moer zijn beweging in de lengterichting van de schroefspindel A
maakt, welke leidstang aan beide uiteinden is voorzien van aanslagen, waarvan de onderste tevens de radiale lagering van de schroefspindel vormt, terwijl aan de bovenzijde van de leidstang tevens een permanente magneet is bevestigd, die via de wand van de afgedichte ruimte een twe.etal reed-switches bekrachtigt. 6.
Regelstaafaandrijfmechanisme volgens conclusie 5» met het
kenmerk, dat om een vrije doorstroming van het water tussen de ruimte boven de zuiger en het reactorvat' te realiseren de moer en de radiale lagering zijn voorzien van daartoe geëigende openingen.
7.
Regelstaafaandrijfmechanisme volgens een der voorgaande
conclusies, met het kenmerk, dat het, de in te stellen positie van de regelstaaf aanduidende stuursignaal via een electromotor, een transmissiesysteem en een permanente magnetenkoppeling op de schroefspindel wordt overgebracht.
8.
Begelstaafaandrijfmechanisme volgens een der voorgaande
conclusies, met het kenmerk, dat de positie-indicator wordt gevormd door een permanente magneet op de zuiger en een aantal door deze magneet te bekrachtigen, op de buitenwand van de voornoemde afgedichte ruimte aangebrachte reed-switches,
9.
Regelstaafaandrijfmechanisme volgens conclusie 2, met het
kenmerk, dat schakelmiddelen aanwezig zijn om in geval van nood de watertoevoer vanuit de pompeenheid te blokkeren en een verbinding
7 2 1 4 135
tot stand te brengen tussen enerzijds de door de zuiger en zuigerstangafdichting begrensde ruimte en anderzijds het reactorvat, waarna onder invloed ran de voornoemde externe kracht, bestaande uit de zwaartekracht en/of de door een scramveer uitgeoefende kracht de regel'staaf in de reactorkern wordt geschoten, waarbij de scramveer is aangebracht rond de zuigerstang en zijn aandrijvende kracht zo dicht mogelijk bij de regelstaaf aangrijpt. ,
r?
7 2 1 4 135
N.V. HOLLANDSE SIGNAALAPPARATEN -
