本发明涉及反应堆密封传动领域，特别是涉及 一种高温气冷堆氦 气空间的密封传动装置及其驱动装置。 背景技术

高温气冷堆是以石墨为慢化剂、 氦气为冷却剂的高温反应堆， 是 一种固有安全性好、 发电效率高、 用途极为广泛的先进核反应堆。 高 温气冷堆堆内石墨材料或燃料元件因磨损而产 生的石墨粉尘带有放 射性，这些微小的石墨粉尘主要以气溶胶形式 弥散在一回路氦气空间 内。 众所周知， 与其它介质相比， 氦气具有很强的渗透性， 因而， 其 在工业领域中的一个重要应用方向是密封检漏 。流经反应堆堆芯的带 压氦气携带放射性石墨粉尘流动， 也具有一定的放射性， 因此， 对高 温气冷堆压力边界及辅助系统管路必须有严格 的密封措施。如果这些 系统的设备与管路附件发生外泄漏，不仅会影 响反应堆的正常运行和 安全停堆， 而且将危及操作人员和周围环境的安全。 另一方面氦气本 身价格昂贵， 如果泄漏也将造成经济上的浪费。

为了避免氦气泄漏， 高温气冷堆中的设备、 阀门、 管道和管件的 连接方式主要采用焊接结构，或者密封加封边 焊结构，例如， HTR-10 实验堆中的氦气阀门均釆用了在阀盖与阀杆之 间用波紋管再加填料 密封的结构。尽管如此， 在一回路压力边界及反应堆辅助系统管路中 设置有大量包含运动部件的承压机械设备， 要求釆用电动、 电磁等方 式进行远距离操作， 其驱动机构应该确保在现场的辐照、 温度、 湿度 环境下可以可靠的使用。 对于这些承压机械设备， 釆用填料或盘根密 封， 因存在密封面， 难以从根本上解决氦气的密封问题。 由于波紋管 固有的柔性， 其刚度小、 易失稳， 不能大角度扭转， 疲劳寿命有限， 因而， 釆用波紋管密封， 难以满足大转矩、 长时连续、 往复回转和频 繁启停等运转操作的技术要求。

为解决压力边界运转机械设备对放射性氦气的 可靠密封问题， 已 建和在建高温气冷堆主要釆用承压壳内电动或 电磁驱动机构置入式 结构， 如中国发明专利说明书 CN 101159172A公开的应用于高温气 冷堆吸收球停堆系统中的非能动安全驱动装置 ，以及 CN 101109390A 公开的一种球床高温气冷堆离心式氦气压缩。 釆用置入式结构后， 运 转部件的机械动密封转化为电气贯穿件的静密 封，虽然解决了氦气泄 漏问题，但是必须解决承压壳内严酷环境与可 靠运行要求的一系列技 术难题， 如驱动电机及传动件的抗辐照、 耐温、 承压、 润滑与磨损、 长寿期运行等问题，因而驱动电机及传动件必 须釆用非标设计和工程 考验。 另一方面， 核电厂电气贯穿件一般是针对特定堆型和压力 边界 特定安全及设备专用的 （如专利号 CN 1176469C ), 根据不同结构和 运行环境的承压机械设备定制或研制电气贯穿 件的成本相当高，这对 于辅助系统的非安全级承压机械设备而言是难 以接受的，因而通常只 能采用可靠性不高的电气接插件，此类常规电 气接插件及其与承压壳 的连接部位因此可能成为承压机械设备的薄弱 环节。 发明内容

(一） 要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是： 对现有技术进行改进， 以实现对热 态放射性氦气空间的全密封， 而且满足大转矩、 长时连续、 往复回转 和频繁启停等运转操作的可控性与可靠性使用 要求。

本发明要解决的另一个技术问题：提供一种新 的用于氦气空间密 封传动的驱动装置， 该驱动装置的各设备部件结构紧凑、运行安全 可 靠、 易于更换维修。

(二）技术方案

为了解决上述第一技术问题，本发明提供一种 高温气冷堆氦气空 间的密封传动装置， 该氦气空间由腔室本体、 承压壳、 紧固件和密封 件封闭而成， 在氦气空间内具有执行件， 在氦气空间外具有原动件， 传动件连接执行件和原动件并在其间传递运动 ，所述传动件为磁耦合 联轴器，包括承压壳、 置于所述承压壳外的主动磁组件和置于所述承 压壳内的从动磁组件， 所述原动件与主动磁组件相连组成主动件， 所 述执行件与从动磁组件相连组成从动件。

优选地， 所述原动件与主动磁组件之间的连接为静连接 ， 所述静 连接是任何形式的可拆卸连接。

优选地， 所述执行件与从动磁组件之间的连接为静连接 ， 所述静 连接是任何形式的可拆卸连接。

优选地， 所述执行件与从动磁组件之间的连接为动连接 ， 所述动 连接是螺旋或滚珠丝杠导向机构或者其他形式 的运动变换机构。

优选地，所述原动件由驱动电机驱动，所述驱 动电机是普通电机、 变频电机、 步进电机或者伺服电机， 原动件驱动从动件实现不同速度 或转矩的密封传动。

优选地， 所述主动件的轴系上具有运动传感器， 实现对执行件的 半反馈运动控制。

为解决上述第二技术问题，本发明提供一种用 于氦气空间密封传 动的驱动装置， 该驱动装置包括原动件、 执行件和传动件， 所述传动 件为磁耦合联轴器， 包括承压壳、位于所述承压壳外的主动磁组件 和 位于所述承压壳内的从动磁组件，所述承压壳 分别通过第一轴承对和 第二轴承对连接和支撑主动磁组件和从动磁组 件，所述承压壳与腔室 本体相连。

优选地， 所述磁耦合联轴器为圆盘式结构， 所述主动磁组件和从 动磁组件为平面形结构。

优选地， 所述磁耦合联轴器为圆筒式结构， 所述主动磁组件和从 动磁组件为套简状磁圆环形结构。

优选地， 所述承压壳开口端部具有凸缘， 所述凸缘与腔室本体的 端面之间具有密封垫片。

优选地， 所述承压壳开口端部具有凸缘， 所述凸缘与腔室本体端 面之间具有 O形金属环。

优选地， 所述承压壳外还具有套简法兰， 通过螺柱连接紧固件与 腔室本体连接。

优选地， 所述承压壳外还具有套简支座， 其端面设计为原动件轴 系的支撑， 套简法兰通过螺柱连接紧固件与腔室本体连接 。

优选地， 所述承压壳筒体外部具有散热结构。

优选地， 所述承压壳简体内部设有防尘挡片， 在从动轴上设有金 属防尘网。

优选地， 所述承压壳简体开口端内部设有厚壁金属屏蔽 环， 承压 壳封闭端设有加厚的屏蔽台阶。

优选地， 所述轴承对釆用耐磨合金制造。

优选地， 所述轴承对的滚道釆用等离子喷涂固体润滑膜 ， 滚珠釆 用陶瓷制成。

优选地， 所述承压壳采用钛合金制造。

(三）有益效果

由于磁耦合联轴器的承压壳、主动磁组件和从 动磁组件均为刚体 结构， 解决了波紋管密封存在的刚度小、 易失稳， 不能大角度扭转， 疲劳寿命有限等问题， 可以满足大转矩、 长时连续、 往复回转和频繁 启停等运转操作的技术要求。 原动件位于承压壳外， 在舱室标准环境 下运行， 可釆用成熟产品和标准部件； 主动磁组件与原动件之间的连 接， 以及从动件中的执行件与从动磁组件之间的连 接均为静联接， 而 且， 磁耦合联轴器的分离性特点可使复杂的机械传 动装置简化， 涉及 的运动设备部件易于更换维修和快速拆装， 保证了整体系统可靠性。 又因承压壳内无电气部件， 避免了电气接插件可能存在的连薄弱环 节， 进一步保证了密封驱动方法及其设备部件的可 靠性。 附图说明

图 1是本发明实施例的氦气空间密封传动装置的� �构示意图； 图 2是本发明一个实施例的用于氦气空间密封传� �的驱动装置结 构示意图；

图 3是本发明另一个实施例的用于氦气空间密封� �动的驱动装置 结构示意图；

图 4是本发明又一个实施例的用于氦气空间密封� �动的驱动装置 结构示意图。

其中， 1 : 氦气空间； 2: 腔室本体； 3: 承压壳； 4: 紧固件； 5: 密封件； 6: 执行件； 7: 原动件； 8: 传动件； 9: 主动磁组件； 10: 从动磁组件； 11 : 动力系统； 12: 减速机； 15、 第一轴承对； 16: 第二轴承对； 17: 凸缘； 18: 套筒法兰； 19: 套简支座； 20: 轴承； 21 : 端面； 22: 运动传感器； 23: 散热片； 24: 防尘挡片； 25: 金属 防尘网； 26: 金属屏蔽环； 27: 屏蔽台阶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施 方式作进一步详细 描述。 以下实施例用于说明本发明， 但不用来限制本发明的范围。

图 1示出了高温气冷堆氦气空间密封传动装置，� �气空间 1由一个 承压壳 3和腔室本体 2组成， 包含驱动电机和主动轴的原动件 7置于氦 气空间 1外， 执行件 6位于氦气空间 1内， 传动件 8连接所述原动件 7和 执行件 6。 传动件 8是磁耦合联轴器， 承压壳 3是磁耦合联轴器的组成 部分， 除承压壳 3外， 该磁耦合联轴器还包括一个置于承压壳 3外的主 动磁组件 9和一个置于承压壳 3内的从动磁组件 10， 主动磁组件 9、 从 动磁组件 10的永磁体磁路釆用紧密排列的组合形磁路， 原动件 7与主 动磁组件 9相连组成主动件， 执行件 6与从动磁组件 10相连组成从动 件。

磁耦合联轴器传动的工作原理是：在原动件和 执行件之间取消了 机械的直连部分（如刚性联轴器等）， 由磁耦合装置上的主动磁组件 和与之相互隔断而又彼此耦合的从动磁组件代 替直连装置完成各种 运动。 依赖磁耦合的主、 从动磁组件通过磁场作用的柔性连接， 完成 软传递操纵和控制系统实现运动和力的传递。 磁耦合联轴器变直联式 的硬传递为耦合式的软传递来实现主、 从动装置完全分离， 获得动态 下的静密封， 保证零泄漏的条件， 提高传动与控制的灵敏度、 稳定性 和可靠性。

基于磁耦合联轴器传动方法的程序是： 动力控制系统 11控制原动 件 7工作， 因原动件 7与主动磁组件 9连接， 而从动磁组件 10与执行件 6 连接， 在原动件 7直接带动主动磁组件 9后， 主、 从动磁组件的磁场透 过承压壳 3的壁层相互耦合， 当主动磁组件 9运动时， 从动磁组件 10 由于磁场作用开始运动， 进而带动和控制执行件 6运行， 即借助传动 件 8闭合永磁磁系的磁耦合作用，原动件 7以其运动状态来控制执行件 6的工作状态和参数， 从而完成设定的运动型式或状态的变换。 根据 运动要求， 磁耦合传动可以是匀速的， 也可以是变速可调的。

原动件 7由驱动电机驱动， 配套不同规格参数的减速机， 则可以 实现不同速度或转矩的密封传动要求。由于没 有相对运动，可通过主、 从动磁组件间产生的磁场力来实现主动件与从 动件的同步旋转。

优选地， 执行件 6与从动磁组件 10之间的联接釆用螺旋或滚珠丝 杠导向机构， 或者其他形式的运动变换机构动联接， 由于动联接之间 的运动变换， 主动磁组件带动从动磁组件的旋转运动时， 可以驱动执 行件作直线运动或者按照特定的运动轨迹运动 。 在此传动方法中， 通 过将磁耦合联轴器主、从动磁组件的磁路设计 和不同运动轨迹要求的 执行件的机械设计有机结合， 构成了运动系统的整体， 能够完成更复 杂的运动轨迹， 突破了传统的机械联动机制， 而且很好地实现了动态 下的静密封。

优选地，釆用变频电机、步进电机或者伺服电 机等控制电机驱动， 则在动力系统控制下， 可以利用电磁力驱动从动件实现变速、换向与 启停的密封传动的自动化控制。或者， 在主动轴系上设置运动传感器

22， 如旋转编码器、 旋转变压器等， 通过高精度控制电机与传感器检 测信号的配合， 可以执行对从动件的反馈运动控制， 进而实现运动执 行件的调速、 回转、 摆动或运动变换的精确控制。

本发明氦气空间的驱动装置， 其包括一个主动轴系、 一个从动轴 系和一个磁耦合联轴器， 所述磁耦合联轴器有一个承压壳 3、 一个置 于承压壳 3外的主动磁组件 9和一个置于承压壳 3内的从动磁组件 10, 该承压壳 3与承压设备腔室本体 2相连， 主动磁组件 9与承压设备的主 动轴系相连， 从动磁组件 10与承压设备运动执行部件的从动轴系相 连。

上述驱动装置中磁耦合联轴器的主从、动磁组 件在结构形式上可 采用圆盘式结构或者圆简式结构， 前者结构扁平， 轴向刚度和转动惯 量大， 可传递高转速、 大转矩， 适用于需进行全密封并具有较大动载 荷和高速旋转运动件的氦气压缩机； 后者与驱动电机和减速机组装， 结构细长， 承压壳简具有良好的导向性， 适用于低转速、 运行平稳、 运动控制要求高的各种承压机械设备的密封传 动，如卸料装置和各种 输送转换设备的驱动装置。

上述氦气空间的驱动装置中的密封处位于承压 壳端部凸缘与工 作腔室配合部位， 在腔室内温度较低时， 可釆用软密封垫片密封， 并 可重复使用。 当腔室内氦气温度超过 180°C时， 釆用 O形金属环， 利 用紧固件 4实现高温氦气的密封。在承压壳 3外通过设置一个标准法兰 盘，可加强对非标准承压壳端部凸缘结构对密 封件的紧固并改善紧固 件的载荷条件。 该法兰盘设计为套简结构， 置于主动磁组件 9外， 可 以通过轴承辅助支撑主动磁组件 9, 用于磁耦合联轴器的结构支撑与 吊装， 其端面可设计支撑结构用于支撑原动件轴系的 支撑。

在上述氦气空间驱动装置的承压壳内设置防尘 挡片 24，可以利用 防尘挡片 24阻挡和减弱工作腔室内的热量向从动磁组件� ��辐射传热， 另一方面利用承压壳 3外的散热翅片及其环境气流将氦气空间内的� � 量载出， 进一步改善承压壳 3内外轴承的运行环境温度， 保证磁耦合 联轴器及其他传动部件的使用寿命。 此外， 防尘挡片 24可以与从动轴 系上的防尘网配合使用，可以阻止石墨粉尘从 工作腔室进入磁耦合联 轴器承压壳 3内， 以保持从动磁组件及其轴承相对洁净的运行氛 围。 在承压壳 3内设置屏蔽环， 并与封闭端的加厚台阶一起， 保护承压壳 3 外原动件免受工作腔室内燃料元件的射线超剂 量照射，同时也可以保 证检修人员安全。

在上述氦气空间驱动装置的承压壳内轴承滚道 喷涂固体润滑膜， 并且釆用陶瓷滚珠， 可以保证高温环境下轴承得到良好的固体润滑 ， 避免滚珠与滚道发生热态粘连而影响其相对运 动性能， 喷涂耐磨涂 层， 或者采用耐磨合金轴承， 则可以提高轴承的减摩耐磨性能， 延长 设备部件使用寿命。 在磁耦合联轴器配对使用推力轴承和径向轴承 后， 驱动装置的安装灵活， 可以在空间任意位置安装。

优选地， 承压壳 3釆用 TC4钛合金制造， 由于比电阻大、 强度高， 在受同样内压环境下， 钛合金承压壳的壁厚可以比碳钢和不锈钢小， 既减轻了设备重量， 也减少了承压壳壁厚对磁场的涡流损失， 提高了 传动效率。

承压壳 3是设置在磁耦合组件中将从动件密封在工作� �器内的一 个重要组件， 除具备密封隔离作用外， 还对主动磁组件 9、 从动磁组 件 10具有定位、 支撑和控制从动件定向运动的作用， 选择 TC4钛合金 可使壁厚小而减少涡流损失， 同时保证承压壳强度和变形刚度。 为保 证运动传递的可靠性， 高温条件下从动磁组件 10釆用居里温度高、磁 热稳定性好的稀土钴永磁材料钐钴制成。 在主动磁组件 9、 从动磁组 件 10的磁路排列上， 对于图 1中圆盘式结构的磁耦合联轴器， 可釆用 紧密排列的磁路配置方式使结构紧凑，而对于 图 2至图 4的圆筒式磁耦 合联轴器而言，其轴向长度大，可釆用多行聚 磁排列的磁路配置方式， 以保证同步主、 从动磁组件间同步运动的控制精度。 为保证磁耦合联 轴器高温运行的可靠性和使用寿命，其支撑第 二轴承对 16的滚道可釆 用固体润滑涂层， 并可采用涂敷耐磨涂层的陶瓷滚珠， 以避免高温运 转粘连； 对于低速运转工况， 轴承也可以釆用耐磨合金制造。 图 4中 承压壳 3支撑主动磁组件 9、从动磁组件 10的第一轴承对 15和第二轴承 对 16釆用推力轴承与径向轴承配合使用， 既提高了支撑稳定性， 更可 使传动装置任意位置安装。

高温气冷堆一回路压力边界内及反应堆辅助系 统中氦气的输送、 通断、 控制、 变换、 调节等功能必须通过承压机械设备的传动部件 来 实现，球床高温堆燃料装系统的主要功能是球 形燃料元件的装卸与循 环， 其管路系统与一回路压力边界相连， 除执行上述针对氦气的运动 功能外， 还需要执行管路系统中燃料球的分选、 输送、 通断、 分流、 变向和数量控制等功能。因此高温气冷堆氦气 空间内运动执行件及其 运动型式是多样的， 如： 图 1所示的压缩机叶轮主轴高速旋转运动、 图 2所示碎球分离器主轴低速旋转运动、 图 3直线进给运动和图 4输送 转换设备低速角位移同步运动等。 图 3的直线运动是由磁耦合联轴器 传动与滚珠丝杠机械传动有机结合实现的，简 化了单纯机械传动的复 杂机械结构， 使运行平稳可靠。

图 1釆用了电机与磁耦合联轴器直连的方式， 可以高速驱动执行 件。 对于需要低速运行或变换扭矩的情况， 如图 2至图 4， 在原动件主 轴上， 还需要增加减速机配套使用。 对于图 3步进电机驱动和图 4伺服 电机的运动系统， 为实现执行件的行程与转角的自动控制， 可以在原 动件主轴上增设运动传感器， 如旋转编码器， 利用其反馈信号， 进行 闭环控制。 由于伺服电机自带运动传感器， 无需外加传感器， 因而传 动装置的结构更加紧凑， 图 4中选用自带高分辨率的旋转变压器的交 流伺服电机， 能够在更宽泛的运动速度范围内精确控制运动 件的转 角。

由于磁耦合联轴器 8的承压壳的密封作用， 所述氦气空间的动态 密封实际转化为承压壳 3的端部法兰 17与腔室本体 2结合处的静密封， 图 1直接通过紧固件 4与垫片密封件 5密封。 为了实现热态承压环境下 更可靠的密封， 可以将密封件更改为 O型金属环 5'， 同时在所述端部 设置一个支撑法兰 18， 如图 2和图 4所示， 也可以釆用图 3所示的套简 法兰， 以进一步作为原动件设备部件的支撑部件。

图 4示出了工作腔室带放射性粉尘的热态运行工� �， 可以依托承 压壳及从动轴进行散热、 防尘和屏蔽结构设计。 防尘挡片 24和散热片 23分别固定在静止承压壳内部和外部，避免磁� ��合联轴器的支撑轴承 以及外部原动件过热。 同时， 防尘挡片 24与从动轴上的金属防尘网 25 配合能够有效防止粉尘进入套内而增加运动负 荷。 固定于承压壳 3上 的屏蔽环 26与从动磁组件 10的屏蔽台阶 27配合， 可以避免燃料球 FE 对磁组件及外部原动件的直接超剂量照射。

在上述氦气空间的密封传动装置及驱动装置中 ，所述磁耦合联轴 器中的主动磁组件 9与从动磁组件 10之间是绝对分离的软连接， 使得 主、从动磁组件之间可用承压壳 3将其分隔在两个完全不同的体系中， 同时， 承压壳 3起到全密封作用。 当原动件带动主动件旋转时， 即可 通过主、从动磁组件子中组合磁路拉推作用产 生的磁转矩来实现主动 件与从动件的无接触动力传递，并利用磁耦合 联轴器的承压壳对壳内 热态放射性氦气氛与壳外舱室环境的隔离， 由动密封转化为静密封， 实现主、 从动件之间的无泄漏静密封。 磁耦合联轴器的承压壳、 主动 磁组件和从动磁组件均为刚体结构， 解决了波紋管密封存在的刚度 小、 易失稳， 不能大角度扭转， 疲劳寿命有限等问题， 可以满足大转 矩、 长时连续、 往复回转和频繁启停等运转操作的技术要求。 原动件 位于承压壳外，在舱室标准环境下运行，可釆 用成熟产品和标准部件； 主动磁组件与原动件之间的联接， 以及从动件中的执行件与从动磁组 件之间的联接均为静联接， 而且， 磁耦合联轴器的分离性特点可使复 杂的机械传动装置简化，涉及的运动设备部件 易于更换维修和快速拆 装， 保证了整体系统可靠性。 又因承压壳内无电气部件， 避免了电气 接插件可能存在的联接薄弱环节，进一步保证 了密封驱动方法及其设 备部件的可靠性。

本发明不限于上述实施方式，只要在氦气空间 密封传动中釆用了 釆用磁耦合联轴器， 不论原动件釆用何种驱动电机， 是否釆用减速机 与 （或）运动传感器及何种减速机与传感器， 磁耦合联轴器的磁路如 何排列， 主动磁组件与原动件是否直连， 从动磁组件与运动执行件是 否存在导向， 支撑轴承采用何种结构及是否涂敷， 均落在本发明的保 护范围之中。

工业实用性

由于磁耦合联轴器的承压壳、主动磁组件和从 动磁组件均为刚体 结构， 解决了波紋管密封存在的刚度小、 易失稳， 不能大角度扭转， 疲劳寿命有限等问题， 可以满足大转矩、 长时连续、 往复回转和频繁 启停等运转操作的技术要求。 原动件位于承压壳外， 在舱室标准环境 下运行， 可釆用成熟产品和标准部件； 主动磁组件与原动件之间的连 接， 以及从动件中的执行件与从动磁组件之间的连 接均为静联接， 而 且， 磁耦合联轴器的分离性特点可使复杂的机械传 动装置简化， 涉及 的运动设备部件易于更换维修和快速拆装， 保证了整体系统可靠性。 又因承压壳内无电气部件， 避免了电气接插件可能存在的连薄弱环 节， 进一步保证了密封驱动方法及其设备部件的可 靠性。