技术领域
本发明涉及一种带旋转机构的核反应堆安全棒及其密封结构，属于船舶核动力技术领域。
背景技术
人类过度消耗一次性能源发展经济的方式必须转变。未来的四十年，安全、清洁、高效、可靠的核能装置将会进入快速发展期，堆功率六万千瓦及以上船舶核动力装置将日益受到重视。
目前，商用船舶动力装置均采用柴油机或者汽轮机装置。随着经济发展，功率为6万千瓦以上的船舶核动力装置必将出现在人们的视野中。“三叉戟”核潜艇的续航力达到100 万海里，超大型商船（载重量30 万吨以上）的续航力多在1 万海里以上。当ULCC（超大型油船）使用核动力装置时，能有效地增加其装载量。大功率跨洋运输商船的核动力装置极具前景。
传统的核反应堆的压力管布置方式为竖直方式并排设置，这种结构在移动或更换内部的安全棒时，安全棒沿着管路方向上下滑动。由于超大型油船一直在海上漂浮，在波浪的作用下左右摇晃，安全棒及安全棒周边的密封结构会造成单边磨损，这样会减少该结构的使用寿命。
另外，在专利文件为“交叉管压式重水慢化轻水沸腾反应堆”中公开的核反应堆压力管为交叉布置，这种结构简单，点检方便，它具有体积小、质量轻、重水消耗少等特点。但是，因为交叉管压式反应堆的压力管倾斜（与铅垂线成18～23度）设置（为增加填、卸料阀之间开档所需），其安全棒极其容易单边磨损，其密封也容易磨损，使用寿命短。为此设计一种倾斜式反应堆安全棒旋转机构及特殊密封结构，极其重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种带旋转机构的核反应堆安全棒及其密封结构，该核反应堆与传统结构相比，增加了核反应堆中安全棒的旋转机构和密封结构，通过旋转机构对安全棒旋转使其与压力壳封头接触面变动，防止核反应堆因晃动产生的安全棒偏磨，提高其使用寿命，同时改进了安全棒周边的密封结构，在保证安全棒方便旋转的同时，实现其内部重水的零泄漏。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种带旋转机构的核反应堆安全棒及其密封结构，包括主要由核反应堆的压力室封头、固定于压力室封头外表面的行程壳体和行程顶盖组成的行程室，在行程室内设有一端伸入核反应堆内部的安全棒，所述的安全棒的另一端连接有传动轴，其特征在于：所述的传动轴的顶端设有旋转机构，在传动轴的中部设有升降控制机构，在安全棒与核反应堆内的压力壳封头连接处设有密封结构；
所述的旋转机构包括步进电机、主动电磁轮、被动磁性轮以及电机支撑架，所述的步进电机通过步进电机支撑架固接于行程顶盖上，步进电机的输出轴上设有主动电磁轮，所述的被动磁性轮套设于传动轴上，主动电磁轮和被动磁性轮之间电磁驱动。
对上述结构作进一步说明，所述被动磁性轮为永磁铁，被动磁性轮至少由二对N-S-N-S磁体组成，所述的主动电磁轮为电磁感应磁性轮，主动电磁轮至少由于二对S-N-S-N磁体组成，主动电磁轮和被动磁性轮的直径比约为1：3～8。
对上述结构作进一步说明，所述的密封结构为三级密封，分别为上密封、中密封和下密封，三个密封均通过密封压盖进行压紧限位，其中上密封为低压密封，工作压力为0.01～0.15Mpa，其结构为齿形对剖式的两部分组合而成梯形圆环，其外圆锥角指向反应堆外部；所述的中密封分为上下两层，上层为六瓣密封密封组成的圆环，其中每瓣夹角为60°，下层为三瓣密封密封组成的圆环，其中每瓣夹角为120°，上下两层叠加后接缝错开30°，在中密封的外侧围绕有中密封弹簧，中密封工作压力为0.16～6.0Mpa；所述的下密封为整体是环形密封圈，其工作压力为6～11Mpa。
对上述结构作进一步说明，所述的上密封外侧的上密封压盖是内凹的锥台式腔，与上密封外表面配合，在上密封压盖的下方是调整上密封和上密封压盖之间间隙的上密封软钢垫，其厚度为0.25～0.35mm；在中密封的外侧中密封压盖下表面设有调整中密封和中密封压盖之间间隙的中密封调整软钢垫。
对上述结构作进一步说明，所述的中密封的上、下二层的材质为碳化硅密封圈，下密封的材质为镍铬基碳化钨硬合金。
对上述结构作进一步说明，所述的上密封和中密封之间设有支撑安全棒的中轴承，在下密封的下部设有支撑安全棒的下轴承，在安全棒与传动轴连接的部位设有上轴承；所述的中轴承和下轴承为深沟球轴承，并且滚球进行二硫化钼高温扩散处理，上轴承为螺旋式轴承，轨道借用了传动轴的螺旋，轴承球直径为传动轴螺距的0.8倍，球体直径约为12.5mm，螺旋轴承用普通二硫化钼润滑脂润滑。
对上述结构作进一步说明，所述的升降控制机构包括升降电磁感应线圈、传递电磁感应线圈和保持电磁感应线圈，三者从上至下依次叠加，升降电磁感应线圈、传递电磁感应线圈和保持电磁感应线圈与传动轴接触的内圈均通过爪齿和柱销一起与传动轴定位连接，其中升降控制机构的升降、传递和保持爪齿均设计为重力释放型，在PLC 指令下，工作时三个电磁感应线圈被分别通电，电磁铁按指令吸上，相应爪齿按指令工作；当电磁感应线圈被分别断电时，电磁铁按指令进行重力释放，相应爪齿按指令解除工作。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1）本发明应用于核动力船舶或潜艇中，针对核反应堆的经常晃动或者倾斜设置的交叉管压式结构中安全棒偏磨的现象，在核反应堆的行程室内增加安全棒的旋转机构，通过控制旋转机构对安全棒进行旋转，使其接触面与压力壳封头接触位置发生改变，可以有效地防止安全棒产生偏磨，从而增加安全棒的使用寿命；
2）本发明中的旋转机构安装在传动轴的一端，传动轴与安全棒通过联轴器连接，旋转机构的驱动为步进电机，步进电机利用立式步进电机支撑架固定于行程室的行程顶盖上，相当于对永磁感应磁性轮、传动轴和安全棒的自由端提供了冗余支撑，实现了对传动轴自由端的约束，增加了系统的刚度，提高了系统的安全性；
3）本发明的安全棒增加的旋转机构，是利用磁性齿轮传递动力，需在传动轴和安全棒上加装了永磁体的从动轮，质量变大，有助于核反应堆的紧急停堆，由于端部质量变大，同时增加了安全棒的侧向负荷压力，同时对密封结构的改进，利用三道密封，改善其侧向负荷的问题；
4）本发明对安全棒与压力壳封头的接触面上设置了三级密封结构，上密封是低压可调整式外锥台型结构，其密封压盖是内凹的内圆斜台面式，二者相互配合，压盖紧下方是调整软钢垫圈，当上密封的中孔磨损时，可通过给压盖和软钢垫圈加压过盈，使一级密封间隙变小，从而提高上密封的密封安全性；中密封通过交叉设置的双层分瓣式密封圈外侧设置保持波纹弹簧，分瓣密封外流体压力将密封紧推向安全棒表面，在保证该密封层充分润滑的同时，使内部重水泄漏量保持最低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的用于核反应堆安全棒上的结构示意图，
图2为图1中Ⅰ处放大图；
图3为图2中主动电磁轮结构示意图；
图4是图2中被动磁性轮结构示意图；
图5是图1中Ⅱ处放大图；
图6是图1中Ⅲ处放大图；
图7是上密封的断面图；
图8是中密封的下层六瓣式结构示意图；
图9是中密封的上层三瓣式结构示意图；
其中：111、传动轴，112、行程顶盖，113、步进电机支撑架，114、行程壳体，115、安全棒，116、压力壳封头，117、压力水封管；101、步进电机，102、主动电磁轮，103、被动磁性轮；11、升降电磁感应线圈，22、传递电磁感应线圈，221、传递爪齿，222、传递销柱，33、保持电磁感应线圈、331、保持爪齿，332、保持销柱，94、升降机机构支持架，106，上轴承；41、上密封压盖，51、中轴承支持，61、上密封软钢垫，71、中密封压盖，81、下密封压盖，92、中密封调整软钢垫，93、下轴承压盖，108、下轴承，109、中密封，110、下密封，1091、中密封弹簧，107、中轴承，105、上密封。
具体实施方式
本发明具体涉及一种带旋转机构的核反应堆安全棒及其密封结构，主要用于具有核反应堆的舰船及潜艇中，其结构如附图1所示，包括主要由核反应堆的压力室封头116、固定于压力室封头116外表面的行程壳体114和行程顶盖112组成的封闭行程室，在行程室内设有一端伸入核反应堆内部的安全棒115，安全棒115的另一端通过联轴器与传动轴111连接，传动轴111的顶端设有旋转机构，在传动轴111的中部设有升降控制机构，在安全棒115与核反应堆内的压力壳封头116连接处设有密封结构；其中旋转机构控制传动轴与安全棒115的旋转，升降控制机构主要实现安全棒115的升降、传递动力、保持线圈之间的吸合、释放解除的协调控制的主功能；密封结构主要是防止核反应堆内部重水的泄露，同时可以消除因旋转机构而产生的安全棒上的侧向力问题。
上述的旋转机构的结构组成图如附图2所示，具体包括步进电机101、主动电磁轮102、被动磁性轮103以及电机支撑架113，步进电机101通过步进电机支撑架113固接于行程顶盖112上，步进电机101的输出轴上设有主动电磁轮102，被动磁性轮103套设于传动轴111上，主动电磁轮102和被动磁性轮103之间电磁驱动。被动磁性轮103为永磁铁，被动磁性轮103至少由二对N-S-N-S磁体组成，主动电磁轮102为电磁感应磁性轮，主动电磁轮102至少由于二对S-N-S-N磁体组成，主动电磁轮102和被动磁性轮103的直径比约为1：3～8，最佳直径比为1:4，也即：主动电磁轮102有S-N-S-N-S二对磁极，被动磁性轮103有N-S-N-S-N….八对磁极，如附图3和4。主动电磁轮102的磁力线圈通电时激磁，断电时消磁。主动电磁轮102和被动磁性轮103之间通过异性磁极相对排列，实现主动电磁轮102驱动被动磁性轮103，被动磁性轮103和传动轴111之间键连接，从而带动传动轴111旋转。
步进电机的立式底座安装，它通过借用主动电磁轮102、被动磁性轮103对传动轴111和安全棒115整体提供一种弹性支承。当核反应堆作为船舶核动力装置时，因船舶横摇产生附加载荷，以及地震产生水平载荷时，能给传动轴和安全棒、永磁体感应磁性轮系提供足够赘余支持。另外，传动轴111上安装的被动磁性轮103为永磁体式磁性轮，它可作为机械限位，防止安全棒坠入反应堆。
本旋转机构在核反应堆使用时，当核反应堆的安全棒115每次往上死点上升，永磁体组成的被动磁性轮103和传动轴111及安全棒115已经接近安全限位，才给磁主动电磁轮102的电磁感应圈供电，之后以步进电机101逆时针转动，被动磁性轮103顺时针转85～105度，之后对步进电机101轴进行电气锁制即可。也就是冷启堆或紧急停堆后，重新启堆并且近于临界运行时，传动轴111及安全棒115已经到上位时，以步进电机101将传动轴111及安全棒115轴顺时针90度，这就保证每次启堆后，传动轴111及安全棒115已经变换了90度方位,可以减少传动轴等系统的磨损,从而提高系统安全性。
但当反应堆周期过短，或堆功率过高、管堆泄漏及电离室和主控制电源失电时：电磁感应磁性轮上电磁感应圈断电、升降电磁感应线圈、传递电磁感应线圈和保持电磁感应线圈一并断电，传动轴111及安全棒115即以自由落体插入核反应堆，实施紧急停堆。
附图5为本发明中升降控制机构，其包括升降电磁感应线圈11、传递电磁感应线圈22和保持电磁感应线圈33，三者从上至下依次叠加，升降电磁感应线圈11、传递电磁感应线圈22和保持电磁感应线圈33与传动轴111接触的内圈均通过爪齿和柱销一起与传动轴11定位连接，其中升降控制机构的升降、传递和保持爪齿均设计为重力释放型，在PLC 指令下，工作时三个电磁感应线圈被分别通电，电磁铁按指令吸上，相应爪齿按指令工作；当电磁感应线圈被分别断电时，电磁铁按指令进行重力释放，相应爪齿按指令解除工作。
附图6为本发明中的密封结构，该密封结构位于安全棒115与压力壳封头116之间，原有的安全棒设置一层密封，这种结构的要么泄露大，要么在密封件和安全棒之间的干磨，对安全棒结构有很大的影响。本发明中的密封结构包括三级密封，从上向下分别为上密封105、中密封109和下密封110，三个密封均通过密封压盖进行压紧限位。
其中上密封105为低压密封，工作压力为0.01～0.15Mpa，其结构为齿形对剖式的两部分组合而成梯形圆环，如附图7所示，其外圆锥角指向反应堆外部；上密封105外侧的上密封压盖41是内凹的锥台式腔，与上密封105外表面配合，在上密封压盖41的下方是调整上密封105和上密封压盖41之间间隙的上密封软钢垫61，其厚度为0.25～0.35mm。当上密封的中孔磨损时，可通过给上密封压盖41和上密封软钢垫61加压过盈，使上密封间隙变小。
上密封软钢垫61厚度为中密封调整软钢垫92的0.99～0.995倍，当低压密封的中孔磨损时，可通过给上密封压盖41和上密封软钢垫61加压过盈，使低压级密封与安全棒115之间隙变小，延长了低压密封使用周期。当使用期限为二年以上，或软钢垫圈达疲劳极限，则必须更换新品的软钢垫圈。
中密封109分为上下两层，上层为六瓣密封密封组成的圆环，其中每瓣夹角为60°，下层为三瓣密封密封组成的圆环，其中每瓣夹角为120度，如附图8和9所示，在使用时上下两层叠加后接缝错开30度，反应堆115的压力壳封头116上安装着高压重水水密封管，此处重水兼作中密封的润滑用，通过下层的三瓣式密封结构，引入润滑用的重水，错开设置可使下方重水进入上层密封尽量少，但是要保持其润滑。在中密封109的外侧围绕有中密封弹簧1091，该中密封弹簧1091为保持波纹弹簧，可以限制中密封109的膨胀，影响其密封性能。中密封109工作压力为0.16～6.0Mpa；在中密封109的外侧中密封压盖71下表面设有调整中密封109和中密封压盖71之间间隙的中密封调整软钢垫92。中密封109的上、下二层的材质为碳化硅密封圈。
本发明中的下密封110为整体是环形密封圈，其材质为镍铬基碳化钨硬合金，工作压力为6～11Mpa，其结构与普通的密封圈类似，主要是防止重水进入核反应堆内部。
上密封105和中密封109之间设有支撑安全棒115的中轴承107，在下密封110的下部设有支撑安全棒115的下轴承108，在安全棒115与传动轴111连接的部位设有上轴承106；中轴承107和下轴承108为深沟球轴承，并且滚球进行二硫化钼高温扩散处理，上轴承106为螺旋式轴承，轨道借用了传动轴的螺旋，轴承球直径为传动轴螺距的0.8倍，即进程为16，球体直径约为12.5mm，螺旋轴承用普通二硫化钼润滑脂润滑。该轴承主要是对安全棒115起到支撑作用。
为了加强行程室的强度，在行程壳体114的外周安装有行程壳体加强筋，其与安全壳封头牢固连接。
上述内容，对核反应堆中安全棒的旋转机构、密封结构和升降控制机构，改进了安全棒的密封结构，通过旋转机构对安全棒旋转使其与压力壳封头接触面变动，防止核反应堆因晃动产生的安全棒偏磨，提高其使用寿命，同时改进了安全棒周边的密封结构，在保证安全棒方便旋转的同时，实现其内部重水的零泄漏。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
