DE2254556C3 - Kreiselpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kreiselpumpe als Hauptkühlmittelpumpe für Druckwasser- oder Siedewasserreaktoren mit kugelähnlichem Pumpengehäuse und mit diesem in der gleichen Ebene liegenden Saug- und Druckstutzen mit nach der Antriebsseite hin ausziehbarem Laufrad und mit einem Druckgehäuse, das als ringförmiger bzw. spiralförmiger Einsatzkörper im Sauggehäuse angeordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Kühlmittelkreislauf und damit auch das Kühlmittelvolumen so klein, d. h. so platzsparend wie möglich auszuführen, ohne daß die Festigkeits- und Strömungseigenschaften der Reaktorkreiselpumpe beeinträchtigt werden. Insbesondere soll der vertikale Abstand zwischen dem Pumpendruckstutzen und der horizontalen Achse der Pumpensaugieitung möglichst klein gehalten und das Gehäuse störungsgünstig gestaltet werden. Aufgabe der Erfindung ist auch, eine solche strömungsgünstige Gehäuseform zu entwikkeln, daß sämtliche Einflüsse aus der Rohrleitung vermieden werden. Weiterhin soll die Umlenkung der Strömung so geführt werden, daß die Ausbildung einer Sekundärströmung mit allen Folgeerscheinungen möglichst gering ist. Die Strömung in den Rohrleitungen sowie in den Pumpen der Kernkraftwerke ist turbulent und ergibt dementsprechend hohe Reynoldsche Zahlen.

Die Strömung am Eintritt in das Laufrad einer

Kreiselpumpe muß möglichst alle folgenden Bedingungen erfüllen:

a) das Geschwindigkeitsfeld am Eintritt in das Laufrad soll möglichst gleichförmig sein.

b) Die Strömung soll stabil sein und darf keine Schwankungen ihres Geschwindigkeits- bzw. Druckfeldes aufweisen.

c) Die Strömung vor dem Laufrad soll keuie freien Wirbel enthalten.

d) Die Strömung vor dem Laufrad kann rotationsbehaftet sein. Eine Störung der rotationsbehafteten Strömung und dadurch eine Ausbildung von Wirbelschleppen und Wirbelschichten muß jedoch vermieden werden.

In Kernreaktoren ist man bei der Verlegung der Rohrleitungen meist aus Platzgründen nicht genügend frei und kann damit die Grundgesetzte der Hydrodynamik nicht vollständig beachten. Ideale hydrodynamische Strömungsverhältnisse am Pumpensaugsutzten sind deshalb fast nie vorhanden. Der Erfindung lag also zur Vermeidung der Nachteile als Ausgangspunkt eine »In-line-Pumpe« mit innenliegendem ringförmigen Druckgehäuse und außenliegendem Sauggehäuse zugründe, bei möglichst kleinem Kühlmittelvolumen des Reaktors unter jetzt möglicher Beachtung aller oben geschilderten hydrodynamischen Grundgesetzte (»Inline« = zusammen mit dem Gehäuse fluchtende Saug- und Druckstutzen).

μ Bei einer bekannten Kreiselpumpe (CH-PS 5 08 815) ist ein durch das Pumpengehäuse axial durchgehender Zulaufstutzen und ein radialer Druckstutzen vorgesehen. Eine solche Pumpe hat zwar gute Festigkeitseigenschaften und wegen der langen axialen Zuströmung auch geordnete Zuströmverhältnisse. Dieser Pumpe haftet indessen der Nachteil an, daß man wegen des axialen Zulaufes einen hohen Aufwand bezüglich des Kühlmittelkreislaufes mit entsprechend großem Kühlmittelvolumen benötigt. Es ist deshalb bereits bekannt

'Q (DE-OS !6 53 785), den Zulaufstutzen des Gehäuses mit einem 90° Krümmer zu verbinden. Mit dieser Maßnahme ließ sich jedoch die Aufgabe, den Aufwand für den Kühlmittelkreislauf zu senken, nur unvollkommen lösen. Desweiteren zeigt die AT-PS 178 541 zwar eine Pumpe in »In-Iine«-Konstruktion, jedoch ist hierbei das Druckgehäuse nicht in das Sauggehäuse eingeschoben (der Druckgehäusekörper ist eingegossen). Alle vom Rohrleitungssystem erzeugten Störungen in Form von freien Wirbeln, Drall und Instabilitäten in der Geschwindigkeitsverteilung wirken daher voll auf das Laufrad bzw. werden durch die ungünstige Gehäuseform noch verstärkt. Weiterhin wird nichts unternommen, um die durch die starke Umlenkung der Strömung im Sauggehäuse entstehende Sekundärströmung zu verhindern (s. Stromlinienverlauf 10—8). Die Strömung zum Laufrad ist infolge dieser ungünstigen Gehäuseform weiterhin nicht rotationssymmetrisch.

Auch ist aus der US-PS 34 37 047 eine Kreiselpumpe bekannt, die zwar keine In-Iine-Puinpe mit eingeschobe-

w nem Druckgehäuse ist, da nur die Strömungsführungsröhre an den Saugseiten und das doppelflutige Laufrad eingeschoben werden, jedoch liegen die Verhältnisse ganz ähnlich. Hier handelt es sich zwar um eine rotationssymmetrische zum Laufrad zugeführte Strö-

'■ ■ mung, aber die Rohrleitungseinflüsse auf die Strömung können nicht abgebaut werden. Infolge der sehr kurzen Umlenkung der Strömung im Gehäuse in Unfangsrichtung in eine axiale Strömung vor dem Laufrad führt die

Ausbildung der Stromlinien zu größeren Sekundärströmungen und damit zu Ablösungen und Wirbelbildungen. Die Strömung inkompressibler Flüssigkeiten mit geringer Reibung werden

a) durch das Kräftegleichgewicht aus Massenkräften, Druckkräften und Kräften der inneren Reibung,

b) durch die festen Begrenzungen (Wände, Leitbleche, Krümmer), um die oder in denen die Flüssigkeitsmasse strömt- bestimmt

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen langgezogenen als Purr.peneinlauftrichter dienenden freibleibenden Ringinnenraum des Druckgehäuses mit vorgeschalteten radialen Beschleunigungsrippen und durch einen den durch Sauggehäusewand und Druckgehäusewand gebildeten Saugraum radial durchdringenden, einschiebbaren Verbindungsstutzen zwischen Druckraum und Druckstutzen.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird zunächst die eingeströmte Flüssigkeitsmasse verzögert und in dem freibleibenden Ringraum zwischen Saug- und Druckgehäuse beruhigt. Die von der Rohrieitung ankommende ungleichförmige Geschwindigkeitsverteilung wird zunächst verringert Infolge der kleineren Geschwindigkeiten werden eventuell mitgeführte Wirbel und Drallströmungen in ihrer Intensität stark gemindert Die Intensität der Wirbel und Drallströmungen wird vorwiegend durch die großen Flächen der strömungsbegrenzten Gehäuse herabgesetzt da sich an den Oberflächen dicke Grenzschichten ausbilden und die Wirbel und Drallströmungen abbremsen.

Die Ausbildung einer rotationsförmigen Ringströmung wird durch den, den Saugraum durchdringenden Verbindungsstutzen zum Druckstutzen verhindert Um Platz zu sparen und außerdem das Kühlmittelvolumen des Reaktors so klein wie möglich zu halten, wird die verzögerte Strömung auf engstem Raum um 180° umgelenkt Diese Strömung kann man infolge der scharfen Umlenkung mit einer Krümmerströmung vergleichen. Infolge dieser scharfen Umlenkung entsteht bei nichtbeschleunigter Strömung eine Ablösung am inneren Krümmungsrad (Außenseite des Druckgehäuses). Diese Strömung gehorcht somit vollständig den Gesetzen der Prandt'schen Grenzschichttheorie. Danach setzt man voraus, daß die Reibungskräfte innerhalb der dünnen Grenzschicht von derselben Größenordnung sein müssen wie die Trägheitskräfte der strömenden Flüssigkeitsmassen. In dieser Strömung hängt die Druckverteilung der Grenzschicht folglich nur von der Hauptströmung ab. Ein Druckgefälle in Strömungsrirhtung beschleunigt das Grenzschichtmaterial. Besteht dagegen ein Druckanstieg, so wird das Grenzschichtmaterial noch stärker aufgehalten und löst sich ab. Um diese Erscheinung zu vermeiden, wurde die Strömung, die in der erfindungsgemäßen Pumpe ist, stark beschleunigt Dies geschieht durch die gewählte Gehäuseform.

Neben der wesentlichen Verringerung d'js Kühlkreislaufes und des Kühlmittelvolumens bietet die erfindungungsgemäße Kreiselpumpe die weiteren Vorteile, daß das Gehäuse festigkeitsmäßig äußerst günstig gestaltet und auch die Zuströmung zum Laufrad durch die Möglichkeit des Anordnens von Beruhigungsräumen und Beschleunigungsstrecken optimal ausgelegt sind. Während die Wandstärke des Sauggehäuses für den vollen Symstendruck ausgelegt ist, braucht das innenliegende Druckgehäuse bei der Reaktorpumpe nach der Erfindung, als weiterer Vorteil nur den Dirferenzdruck zwischen Zulaufdruck und Pumpendruck aufzunehmen, so daß es einer wesentlich geringeren Wandstärke als das Sauggehäuse bedarf.

Eine zusätzlich bekannte Ausführung (GB-PS 10 73 064) offenbart ein Pumpengehäuse mit innenliegendem Drucktsil und mit dem Pumpengehäuse in einer Ebene liegenden Saug- und Druckstutzen. Es fehlen, zur Kompensierung der äußerst scharfen Strömungsumlenkung, der erfindungsgemäße langgezogene, durch den freien Ringraum im einschiebbaren Druckgehäuse gebildete Einlauftrichter mit den erfindungsgemäßen

ι⁵ Beschleunigungsrippen.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist das Sauggehäuse innen in bezug auf die Stutzenanordnung punktsymmetrisch ausgebildet, wobei alle Stutzen innen zur Aufnahme des vom Druckgehäuse abgehenden Stutzens, z. B. durch Anbringen ringnutartiger Ausnehmungen, vorbereitet und so der DrucV.^.utzen und der Saugstutzen austauschbar sind.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann das Sauggehäuse mehr als zwei Ausschlußstutzen in der gleichen Ebene besitzen, so daß man praktisch frei Hand hat weldv.s der Saugstutzen sein soll und wohin der Druckstutzen gelegt wird. Man kann dabei entweder einen Teil der Stutzen verschließen, man kann aber auch mehrere Saugstutzen und bei entsprechender Ausbildung des innenliegenden Druckgehäuses mehrere Druckstutzen bekommen.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Gehäuse 1 der Reaktorumwälzpumpe ist aus Festigkeitsgründen kugeiähnlich gestaltet und weist ein zur Antriebsseite hin ausziehbares Laufrad 2 sowie einen Saugstutzen 3 und einen Druckstutzen 4 auf. Innerhalb des Gehäuses 1, das als Sauggehäuse ausgebildet ist, befindet sich ein ebenfalls nach der Antriebsseite ausziehbares, im wesentlichen kreis ingförmiges Druckgehäuse 5 mit einem in dessen Mitte gebildeten Einlauftrichter 6 und einer feststehenden Leitbeschaufelung 7.

Die Wandstärke des Gehäuses 1 ist für den vollen Systemdruck ausgelegt, und das Druckgehäuse 5 hat nur

·»'> den Differenzdruck zwischen Zulaufdruck und Pumpendruck aufzunehmen und hat deshalb geringere Wandstärke. Vom Druckgehäuse 5 geht ein Stutzen 8 ab, der in einer Ausnehmung 9 im Inneren des Druckstutzens 4 längsverschiebbar angeordnet und mittels Kolbenrin-

■jo gen 10 abgedichtet ist. Im Stutzen 3, der beim Ausführungsbeispiel als Saugstutzen dient, ist ebenfalls eine Ausnehmung 9 im gleichen radialen Abstand vorgesehen, so daß Saugstutzen 3 und Druckstutzen 4 der G'-h.iuses 1 vertauschbar sind. Zwischen der

)' Innenwand des Gehäuses 1 und der ihr zugekehrten Seite des Druckgeh iüses 5 sind mehrere «Jnlenkbe· schleunigungsrippen IS angeordnet.

Das Kühlmittel tritt durch den Saugstutzen 3 des Gehäuses 1 zunächst in einen ringförmigen Beruhigungsraum 12 ein, gelangt dann an den Umlenkbeschleunigungsrippen 11 vorbei durch den Einlauftrichter 6 zum Laufrad 2. Das vom Laufrad 2 abströmende Kühlmittel wird durch die Leitbeschaufelung 7 in das Innere des Druckgehäuses 5 gefördert und gelangt durch den Sutzen 8 und den Druckstutzen 4 in die Druckleitung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kreiselpumpe als Hauptkühlmittelpumpe für Druck- oder Siedewasserreaktoren mit kugelähnlichem Pumpengehäuse und mit diesem in gleicher Ebene liegenden Saug- und Druckstutzen mit nach der Antriebsseite hin ausziehbarem Laufrad und mit einem Druckgehäuse, das als ringförmiger bzw. spiralförmiger Einsatzkörper im Sauggehäuse angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen langgezogenen als Einlauftrichter (6) dienenden freibleibenden Ringinnenraum des Druckgehäuses (S) mit vorgeschalteten radialen Beschleunigungsrippen (11) und durch einen den von Druckgehäusewand und Sauggehäusewand gebildeten Saugraum radial durchdringenden, einschiebbaren Verbindungsstutzen (8).

2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichoc·, daß die Wandstärke des im Inneren des Sauggehkuses (1) angeordneten Druckgehäuse (5) geringer ist als diejenige des ersteren.

3. Kreiselpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauggehäuse (1) in bezug auf die Stutzenanordnung im Innern punktsymmetrisch ausgebildet ist, die Stutzen (3, 4) innen zur Aufnahme des vom Druckgehäuse (5) abgehenden Stutzens (8), z. B. durch Anbringen ringnutartiger Ausnehmungen (9) vorbereitet und so Druckstutzen (4) und Saugstutzen (3) austauschbar sind.

4. Kreiselpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch Anordnung von mehr als zwei Stutzen am Pumpengenäuse, so daß mehrere Saugstutzen und/oder bei entsprechender Ausbildung des inneren Druckgehäu. ;s (5) mehrere Druckstutzen gebildet werden können.