Исполнительный механизм системы автоматического управления ядерной энергетической установки

 

Использование: относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в системах автоматического управления ядерных энергетических установок (ЯЭУ), исполнительный механизм которых имеет общий привод для группы органов регулирования. Сущность: в исполнительном механизме, содержащем привод с двигателем и редуктором, распределительный механизм, кинематические цепи, передающие движение на органы регулирования выполнены с люфтами. Величина люфтов выбраны в зависимости от реактивности, вносимой компенсирующими органами регулирования при выборе люфтов во время эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано в системах автоматического управления ядерных энергетических установок (ЯЭУ), исполнительный механизм которых имеет общий привод для группы органов регулирования.

В известных зарубежных ЯЭУ типа SNAP, KIWI, ITR каждый орган регулирования имеет, как правило, индивидуальный привод, расположенный в непосредственной близости от реактора, см. например, Механизмы управления ядерными реакторами для космических объектов. Атомная техника за рубежом, 1973, N 1, с. 3-7 (1), Основы автоматического управления ядерными космическими энергетическими установками. Под ред. Б.Н.Петрова, М. Машиностроение, 1974 (2), Опыт разработки отечественных космических ядерных энергетических установок (КЯЭУ) "Топаз-2" ("Енисей"), "Топаз" показывает, что жесткие требования по весогабаритным характеристикам, надежности алгоритмов управления и их приборной реализации заставляют применять групповые приводы, т.е. общий привод для нескольких органов регулирования. Требование радиационной и тепловой стойкости в течение длительного ресурса определяет необходимость размещения приводов за блоком теневой радиационной защиты, что практически исключает возможность применения индивидуальных приводов для каждого органа регулирования, см. Андреев П.В. Грязнов Г.М. Жаботинский Е.Е. Зарицкий Г.А. Никонов А. М. Сербин В.И. Принципы построения и основные характеристики космических термоэмиссионных ЯЭУ с тепловым реактором длительного ресурса. Атомная энергия, 1991, том 70, вып. 4, с. 217,(3) Далее по тексту будем рассматривать органы регулирования (стержни, цилиндры, барабаны) по функциональному назначению, как компенсирующие органы управления стержни КС и как органы автоматического регулирования стержни АР. Органы регулирования для ЯЭУ космического назначения выполняются обычно поворотного типа.

КЯЭУ "Топаз" имеет два исполнительных механизм (ИМ) с двумя приводами двух групп компенсирующих органов по 3 поворотных цилиндра в каждой и двух исполнительных механизмов с двумя приводами для двух групп органов автоматического регулирования также по 3 поворотных цилиндра в каждой. Движение от привода на органы регулирования передается через распределительный механизм, выполненный с зубчатой передачей, см.например, Богуш И.П. Грязнов Г.М. Жаботинский Е. Е. Макаров А.Н. Сербин В.И. Труханов Ю.Л. Космическая термоэмиссионная ЯЭУ по программе "Топаз". Принципы конструкции и режим работы. Атомная энергия, 1991, том 70, вып. 4, с. 211. (4) Приводы с компенсирующими цилиндрами используются для компенсации начальной подкритичности при пуске установки. Приводы с цилиндрами АР используются для тонкого и глубокого регулирования, для компенсации ресурсного изменения реактивности при работе установки на номинальном режиме.

Далее по тексту будем рассматривать органы регулирования (цилиндры, стержни, барабаны), предназначенные для управления реактором при ресурсной работе, по их функциональному назначению. Органы регулирования для тонкого регулирования определим как стержни АР для тонкого регулирования, органы регулирования для грубого регулирования компенсации ресурсного изменения реактивности определим как стержни КС.

Элементы кинематической цепи ИМ ЯЭУ работают в условиях глубокого вакуума, высокой температуры и радиации. Для работы в глубоком вакууме кинематические пары выполнены на основе сухой смазки с применением дисульфида молибдена. Особенности технологии нанесения покрытий, возможное его отслоение при ресурсной работе, необходимость исключения явления заклинивания при температурных расширениях определяют наличие в кинематической цепи зазоров (люфтов). Для обеспечения необходимости потери регулирования и исключения возможности потери управления люфты, как правило, стараются исключить либо ограничить за счет использования пружинных устройств, например анилюфтовых пружин, см. Афанасьева Н.В. Жаботинский Е.Е. Зарицкий Г.А. Оптимальные алгоритмы управления термоэмиссионными космическими ЯЭУ с тепловым реактором. Атомная энергия, 1991, том 71, вып. 5, с. 386.(5) Без использования антилюфтовых пружин реальное значение люфтов в кинематической цепи менее трех градусов получить не удается. Расчетно-экспериментальные исследования динамики ЯЭУ типа "Топаз", "Топаз-2" (Енисей), работающих в автоколебательном режиме, показывают, что величина люфта из-за требований, предъявляемых к параметрам автоколебаний и режиму работы двигателя, является предельно допустимой.

За прототип принят ИМ, имеющий групповой привод на несколько органов регулирования, распределительный механизм, органы регулирования с антилюфтовыми пружинами [4, 5] Недостатками прототипа, усиливающимися с ростом числа органов регулирования в группе, являются следующее.

1) С учетом возможной релаксации напряжений при высокой температуре, радиации при длительной ресурсной работе пружинные устройства выполняют достаточно мощными, что приводит к увеличению нагрузочного момента, сил и работы трения в подшипниках.

2) Увеличение нагрузочного момента из-за податливости кинематической цепи приводит к увеличению мертвого хода, т.е. реально не удается полностью избавиться от нелинейности типа "люфт".

3) При ресурсной работе вероятность местных заеданий в кинематической цепи ИМ увеличивается с числом органов регулирования в группе, что может привести к дополнительным возмущениям по реактивности за счет скачкообразного движения под действием пружинных устройств в момент преодоления заедания за счет момента, развиваемого двигателем.

4) Все органы регулирования в группе, независимо от величины действующих возмущений, принимают участие в регулировании, что приводит, особенно в автоколебательном режиме работы и большом ресурсе, к повышенному износу поверхностей трения, ухудшению качества регулирования.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности и улучшении качества регулирования ЯЭУ, имеющей исполнительный механизм системы автоматического управления (ИМ САУ) с общим (групповым) приводом на несколько (группу) стержней регулирования из-за невозможности использования индивидуальных приводов, определяемой жесткости требованиями к весогабаритным характеристикам ЯЭУ и к радиационной стойкости приводов.

Поставленная задача решается за счет разделения органов регулирования на стержни АР для тонкого регулирования (один или несколько стержней АР из общего числа органов регулирования в группе) и компенсирующие стержни (КС). Разделение осуществляют за счет выполнения кинематических цепей связи стержней КС с приводом с заданным соотношением люфтов, выбранным из определенного условия. Это позволяет обеспечить в пределах люфта стержней КС необходимый рабочий диапазон перемещения для стержней АР тонкого регулирования, а также допустить люфт стержней КС относительно двигателя, в несколько раз превышающий допустимый при регулировании всеми органами регулирования в группе. Допущение повышенных люфтов позволяет не устанавливать в кинематические цепи стержней КС антилюфтовые пружины. Для исключения самопроизвольного перемещения в пределах люфта стержни КС снабжены тормозными устройствами в виде пружинных подшипников скольжения.

Основанием для такого конструктивного решения является то, что суммарная эффективность органов регулирования выбирается из условия необходимости компенсации температурного и ресурсного изменения реактивности, получения необходимого запаса реактивности для пуска ЯЭУ.

Для целей собственно регулирования при работе на ресурсе достаточно не более 10% от общей эффективности. Рабочим режимом является работа ядерного реактора с управлением стержнями АР (стержнем АР) тонкого регулирования. При необходимости компенсации больших изменений реактивности осуществляется подключение в процесс управления стержней КС по мере выбора люфтов с последующим переходом их в состояние покоя и возвратом на регулирование стержнями АР тонкого регулирования. Опыт отработки пар трения на основе твердосмазочных покрытий при рабочей температуре, глубоком вакууме и радиации показывают, что нахождение пар трения в состоянии покоя в течение нескольких тысяч часов не отражается на их работоспособности. Это время значительно превышает реальное время нахождения в состоянии покоя стержней КС при штатной работе.

На фиг. 1 показана кинематическая схема ИМ; на фиг. 2 изображено тормозное устройство для стержней КС.

В состав ИМ (см. фиг. 1) входят привод АР 1 с исполнительным двигателем и редуктором, промежуточный вал 2, проходящий через блок радиационной защиты 3 и связывающий привод АР с механизмом распределения 4. Механизм распределения, например, кривошипного типа состоит из корпуса 5, ведущего 6 и ведомых 7 коленчатых валиков, соединенных венцом 8. Ведущий коленчатый валик 6 соединяет промежуточный вал 2 со стержнем АР тонкого регулирования 9 и с помощью венца 8 и ведомых коленчатых валиков 7 со стержнями КС 10. Механизм распределения может быть выполнен также на основе зубчатой передачи [4] Органы регулирования размещены в радиальном отражателе реактора и могут иметь различную конструкцию (стержни, барабаны, цилиндры, сектора и т.д.). Кинематическое соединение элементов исполнительного механизма выполнено посредством шарнирных устройств 11 14. При этом кинематическое соединение элементов 6-8, 8-7 и шарнирные устройства 14 выполнены с увеличенными зазорами, а шарнирные устройства 11, 12, 13 выполнены с минимальным зазором за счет конструктивного решения и технологии изготовления. Этот минимальный люфт в кинематической цепи двигатель-стержень АР тонкого регулирования может быть практически полностью выбран за счет установки на стержне АР 9 антилюфтовой пружины (на рисунке не показана). Подшипники органов регулирования, валиков, шарниров, контактные поверхности кинематических пар выполнены на сухой смазке.

При размещения привода АР вблизи реактора элементы 11, 12 в кинематической цепи ИМ отсутствуют.

Тормозное устройство (фиг. 2) состоит из пружины 15, установленной в опоре 16 подшипника 17, установленного на цапфу 18 стержня КС 10. Между подшипником и пружиной 15 размещена упорная шайба 19.

Удержание от самопроизвольного перемещения осуществляется за счет сил трения, возникающих на торцевой поверхности скольжения подшипника 17 под действием усилий пружины 15.

Исполнительный механизм работает следующим образом. Движение от привода через промежуточный вал 2 и распределительный механизм 4 передается на органы регулирования 9 и 10. Увеличенный люфт в кинематической цепи стержней КС относительно промежуточного вала 2 позволяет КС оставаться неподвижными во время работы стержня АР 9 при наличии малых возмущений, требующих небольшого изменения реактивности а также в режиме автоколебаний. При компенсации ресурсного изменения реактивности, регулировании рабочих параметров, при наличии достаточно больших возмущений, при изменении режима работы установки стержень АР тонкого регулирования выходит за пределы люфтов стержней КС 10. По мере выбора своих люфтов стержни КС включаются в процесс управления и после необходимого по величине изменения реактивности остаются в новом положении. Стержень АР 9 продолжает регулирование в пределах зоны тонкого регулирования, под которой понимается заданный минимальный люфт стержней КС, при перемещении в пределах которого стержня АР не происходит включения (подхвата) стержней КС. При новом существенном изменении рабочих параметров или существенном изменении критического состояния реактора стержни КС снова включаются в процесс управления и т.д. Величина зоны тонкого регулирования определяется суммарной величиной люфта в кинематическом соединении элементов 6-8, 8-7 и шарнирных устройств 14.

Таким образом, движение стержней КС носит кратковременный характер и происходит через значительные промежутки времени, что уменьшает износ контактируемых поверхностей пар трения и уменьшает вероятность заеданий, а пары трения в кинематической цепи стержня АР 9 практически весь ресурс работают при меньших нагрузках.

Для пояснения работы предлагаемого исполнительного механизма на фиг. 3 и 4 приведены соответственно зависимости изменения реактивности p и дифференциальной эффективности dρ/dϕ органов регулирования от угла поворота v.. На фиг. 3 за исходное положение в точке А принято положение, в котором люфты стержней КС "раскрыты" в направлении "выделения". При движении от 0^o к 180^o по мере выбора люфтов реактивность будет увеличивается по кусочно-линейной зависимости. Если люфтом в кинематической цепи "двигатель-стержень АР тонкого регулирования можно пренебречь, то участок AB характеризует зону тонкого регулирования, а углы ϕ₁, ϕ₂ люфты стержней КС. В общем случае рассматриваемая зависимость будет определятся люфтами стержней КС и числом стержней КС, имеющих эти люфты. Такая характеристика органов регулирования обеспечивает переменный коэффициент усиления регулятора за счет изменения дифференциальной эффективности, растущей с увеличением угла поворота. При изменении направления движения в точке Д на угле поворота ϕ₃ начинается выбор люфта стержней КС в другую сторону с повторением характера изменения реактивности, но уже в сторону уменьшения реактивности.

В положении точки Д, достигнутом при движении в прямом направлении с выбранными люфтами ϕ₁, ϕ₂ общая дифференциальная эффективность органов регулирования (стержень АР и стержни КС) будет равна (dρ/dϕ)₂, см. фиг. 4. При изменении направления движения дифференциальная эффективность уменьшится до величины (dρ/dϕ)₁, в точке Д', соответствующей дифференциальной эффективности стержня АР тонкого регулирования. Если бы все стержни КС имели люфт ϕ₂, то дифференциальная эффективность при движении в обратном направлении до момента выбора люфта в положении ϕ₅, осталась бы постоянной и равной (dρ/dϕ)₁. В положении ϕ₅,, когда ϕ₃-ϕ₅=ϕ₂,, стержни Кс придут в движение и дифференциальная эффективность возрастет скачком до величины (dρ/dϕ)₂.. В случае, когда люфты части стержней Кс будут равны ϕ₁,, а остальных ϕ₂,, изменение дифференциальной эффективности будет соответствовать кривой DDEEFF', где ϕ₃-ϕ₄=ϕ₁.. В общем случае итоговое изменение реактивности в результате прямого и обратного движения органов регулирования с выбором люфтов может быть определено по формуле где Δρ итоговое изменение реактивности; изменение дифференциальной эффективности при прямом (в направлении к 180^o) движении стержней КС и обратном движении; ϕ_нп, ϕ_кп углы в момент начала и конца прямого движения органов регулирования; ϕ_но, ϕ_ко углы в момент начала и конца обратного движения ϕ_но=ϕ_кп.

В общем случае при работе на номинальном режиме люфты стержней КС распределяются по обе стороны от рабочей точки и управление производится на уровне минимальной дифференциальной эффективности стержней АР тонкого регулирования. При обычном ИМ с групповым приводом и выбором всех люфтов управление при малых возмущениях производится всеми органами регулирования с дифференциальной эффективностью , что ведет к появлению избыточной реактивности управления обоих знаков и, как следствие, к ухудшению качества регулирования, а при наличии автоколебательного движения работы к ухудшению параметров автоколебаний.

В предлагаемой конструкции ИМ люфты выбирают так, чтобы Δρ (см. вышеприведенную формулу) удовлетворяла некоторому условию, выполнение которого обеспечивает необходимую динамику переходного процесса в режиме пуска и при регулировании на номинальном режиме. Выход реактора на заданный уровень нейтронной (тепловой) мощности при пуске ограничивают, как правило, по величине периода реактора или величине допустимой положительной реактивности, которые либо измеряют непосредственно, либо ограничивают заданием допустимых перемещений органов регулирования и скоростей перемещения при известной регулировочной характеристике и известном температурном изменении реактивности. Так вывод отечественных КЯЭУ на минимальный контролируемый уровень (МКУ) нейтронной мощности производят с допустимой границей по периоду реактора 5 с и с положительной реактивностью (0,4 ... 0,5)β_эфф, где β_эфф эффективная доля запаздывающих нейтронов. Эти условия можно считать граничными для автоматического пуска ЯЭУ различных типов (кроме импульсных реакторов). Предлагаемая конструкция ИМ обеспечивает необходимое качество регулирования при включении на МКУ регулятора нейтронной мощности, если величина реактивности Δρ ~ 0,5β_эфф будет скомпенсирована стержнями КС при заданной скорости перемещения к моменту окончания выбора их люфтов. Если исходить из предположения об изменении реактивности на 0,5β_эфф в момент выбора максимального люфта Λ_max стержней КС (при пояснении на фиг. 3 ϕ_max=ϕ₂)) и с учетом соотношения N_max к·N_мку N_мку·exp(T),
где N_мку, N_max нейтронная мощность на МКУ и допустимый выброс нейтронной мощности, k > 1;
T период реактора, то в первом приближении имеем:
Λ_max≅ ω·T·lnk,,
где ω скорость перемещения органов регулирования.

Поскольку люфты части стержней КС меньше L_max,, то изменение реактивности начнется раньше чем будет выбран люфт Λ_max,, поэтому в переходном процессе МКУ получим N < N_max.

При ресурсной работе установки для обеспечения тонкого регулирования при стабилизации электрической и тепловой мощности исключения возможности автоколебаний с захватом стержней КС при возможном возмущении по реактивности до 0,1β_эфф величина зоны тонкого регулирования в единицах реактивности должна быть не более 0,1β_{эфф u} или в угле поворота Λ_min=ϕ₁. Выбор люфтов Λ_i стержней КC в диапазоне, Λ_min≅ Λ_i≅ Λ_max дифференциальная эффективность на участках кусочно-линейной регулировочной характеристики определяются конкретными нейтронно-физическими характеристиками реактора, характером возможных для данной ЯЭУ возмущений, требованиями по качеству и устойчивости регулирования. С учетом требования по ядерной безопасности (п. 2.3.3.13 ПБЯ РУ АС-89) дифференциальная эффективность всех органов регулирования в группе (dρ/dϕ)Σ должна удовлетворять условию

Дифференциальную эффективность в зоне тонкого регулирования (dρ/dϕ)_Т.Р. выбирают с учетом требуемого запаса устойчивости, обеспечиваемого параметрами регулятора. Таким образом, дифференциальная эффективность стержней КС в группе ограничена диапазоном значений
(dρ/dϕ)_т.Р.<dρ/dϕ ≅ 0,07β_эфф/ω
Таким образом, основным отличительным признаком предлагаемой конструкции ИМ, обладающим новизной, является выполнение кинематической цепи большинства органов регулирования в группе, выполняющих функции компенсирующих органов, с люфтами относительно двигателя привода, удовлетворяющими соотношению, заданному в единицах реактивности:
ΔP_т.р.<0,1β_эфф ≅ ΔP_ко≅ 0,5β_эфф,
где Δρ_ко приращение реактивности, вносимой компенсирующими органами регулирования при их перемещении в пределах люфтов;
Δρ_т.р. величина диапазона регулирования для органов тонкого регулирования.

Авторы изобретения предлагают конструкцию исполнительного механизма, включающего группу органов регулирования с общим приводом, распределительный механизм и кинематические цепи связи органов регулирования с распределительным механизмом и распределительного механизма с приводом. Кинематические цепи большинства органов регулирования в группе выполнены с люфтами относительно привода, удовлетворяющими заданному соотношению. Для исключения самопроизвольного перемещения органов регулирования в пределах люфтов они снабжены тормозными устройствами.

Этот признак позволяет получить разделение органов регулирования по функциональному назначению на органы тонкого регулирования и компенсирующие органы регулирования, т.е. обеспечить выполнение двух функций управления от одного привода, которые обычно возлагают на два разных привода.

Формула изобретения

1. Исполнительный механизм системы автоматического управления ядерной энергетической установки, преимущественно космического назначения, состоящий из привода, включающего в себя исполнительный двигатель с редуктором, распределительного механизма, кинематических цепей связи, передающих движение на органы регулирования и самих органов регулирования, выполняющих функции органов тонкого регулирования и компенсирующих органов, отличающийся тем, что кинематические цепи связи органов регулирования, выполняющих функции компенсирующих органов, выполнены с люфтами относительно привода, удовлетворяющими заданному в единицах реактивности, вносимой органами регулирования при выборе люфтов, соотношению
ΔP_т.р.<0,1β_эф≅ ΔP_к.о ≅ 0,5β_эф,
где β_эф- эффективная доля запаздывающих нейтронов;
ΔP_ко- реактивность, вносимая компенсирующими органами регулирования при выборе люфтов;
ΔP_т.р.- величина диапазона регулирования для органов тонкого регулирования, определяемая величиной реактивности, вносимой органами тонкого регулирования при выборе минимального люфта компенсирующих органов.

2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что каждый из компенсирующих органов снабжен тормозным устройством, выполненным, например, в виде подпружиненного подшипника скольжения.

3. Механизм по п.1 отличающийся тем, что кинематические цепи связи одного или меньшинства органов регулирования из общего числа, выполняющих функций органов тонкого регулирования, выполнены с компенсацией люфтов относительно привода с помощью упругих элементов, например, антилюфтовых пружин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4