DE2257949A1

DE2257949A1 - Zentrifugalpumpe

Info

Publication number: DE2257949A1
Application number: DE2257949A
Authority: DE
Inventors: James R Raymond
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-12-14
Filing date: 1972-11-25
Publication date: 1973-06-20
Also published as: AT316998B; JPS5240058B2; FI54648B; NO137288C; JPS4866255A; US3732029A; CH570555A5; ES408786A1; BE792709A; FI54648C; CA937231A; NO137288B; NL7216331A; FR2165510A5; DE2257949B2; GB1365577A; NO137288L; DE2257949C3; IT971785B

Description

ing. B. HOLZEB

89 AUGSBURG

nianiii «ist»

Augsburg, den 2k. November 1972

Westinghouse Electric Corporations Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania 15222, V.St.A,

Zentrifugalpumpe

Die Erfindung betrifft eine Zentrifugalpumpe mit einem Flügelrad, welches durch eine in einem im allgemeinen zylindrischen Gehäuse drehbar gelagerte Welle angetrieben wird, ferner mit einer ringförmigen Kammer, die durch eine erste die Welle umgebende Wandung mit einer ersten Wellendichtung und eine zweite die Welle umgebende Wandung mit

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einer zweiten Wellendichtung gebildet ist, weiter mit mindestens einem in der Kammer angeordneten Kühlrohr, und schließlich mit Durchlässen zur Ableitung der aus der Pumpe entlang der Welle durch die ringförmige Kammer hindurchleckenden Flüssigkeit.

Derartige Pumpen finden insbesondere als Primärkreisumlaufpumpen von Atomreaktoren Anwendung.

Pumpen dieser Art verwenden Wärmeaustauscher zur Kühlung von aus der Pumpe herausleckender Flüssigkeit, bevor die letztere die Pumpenlager erreicht. Die Pumpenkonstruktionen bieten jedoch nur einen sehr begrenzten Raum für solche Wärmeaustauscher.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Pumpe der eingangs dargelegten allgemeinen Bauart mit einem hochwirksamen und in den begrenzten, im Pumpengehäuse verfügbaren Raum einbaubaren Wärmeaustauscher zu versehen.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Zentrifugalpumpe gemäß der Erfindung durch ein in der ersten Wandung angeordnetes erstes Kopfstück mit einer

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scheibenförmigen Verteilerplatte mit einer Vielzahl von Bohrungen, wobei die Querschnittsflächen der Bohrungen jeweils mit wachsenden Abständen zur Wellenachse größer werden, und durch ein in der zweiten Wandung angeordnetes, dem ersten Kopfstück ähnlich ausgebildetes zweites Kopfstück gekennzeichnet.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Pig. I einen Axialschnitt einer Zentri

fugalpumpe mit einem Wärmeaustauscher nach der Erfindung,

Fig.' 2 eine vergrößerte Darstellung einer

scheibenförmigen Verteilerplatte nach der Erfindung, wie sie im Wärmeaustauscher Anwendung findet,

Fig. 3 eine ebenfalls vergrößerte

Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform einer scheibenförmigen Verteilerplatte nach der Erfindung,

— "X M. *

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Fig. 4 einen vergrößerten Teilschnitt

eines in bekannter Weise aufgebauten Wärmeaustauschers,

Fig. 5 einen vergrößerten Teilschnitt

eines Wärmeaustauschers nach der Erfindung, und

Fig. 6 eine vergrößerte Draufsicht einer

der in dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher verwendeten Kühlröhren bzw. Kühlschlangen.

In Fig. 1 ist eine Zentrifugalpumpe 10 mit einem im allgemeinen zylindrischen Gehäuse 11 dargestellt, welch letztere am oberen Gehäuseteil einen radial angeordneten Auslaßstutzen 12 und in der unteren Gehäusewandung einen Ansaugstutzen 13, ferner einen ringförmigen Hauptflansch 14 mit einem im allgemeinen zylindrischen, sich nach unten in das Gehäuse 11 hinein erstreckenden Hals 15» weiter eine durch den Hauptflansch Ik und den Hals 15 verlaufende drehbare Welle 16, und schließlich ein Flügelrad 17 aufweist, das mittels einer Flügelradmutter 18 und einer Schraube 19 am unteren Wellenende befestigt ist. Die Welle 16 kann

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durch einen nicht dargestellten Elektromotor angetrieben werden, der auf einem mittels Sehrauben 22 auf der Oberseite des Hauptflansches Ik befestigten Motorgestell 21 montiert ist. Die Motorwelle ist mittels einer Kupplung 23 mit der Welle 16 gekuppelt. Das Gehäuse 11 ist an seiner oberen Stirnseite mittels Schrauben 24, die sich durch den Hauptflansch m hindurcherstrecken und in das Gehäuse 11 eingeschraubt sind, am Hauptflansch befestigt.

Wie die Fig. 1 weiter zeigt, ist am unteren Ende des Halses 15 ein Radiallager 25 zur Lagerung der Welle 16 mittels Schrauben 26 befestigt. Für das, Radiallager 25 kann jede beliebige Bauart Anwendung finden. Gemäß Fig. 1 besteht das Lager 25 aus einer auf die Welle 16 aufgepreßten Büchse 27» geeignetem Lagermaterial 28 und einem das Lagermaterial 28 einschließenden Lagergehäuse 29·

Wie weiterhin in Fig. 1 dargestellt ist, ist die Welle l6 innerhalb des Halses 15 und oberhalb des Lagers von Drosselringen 31 umgeben. Diese Drosselringe 31 können nach einer bekannten Bauart ausgeführt sein. Außerhalb der Drosselringe 31 sind im Hauptflansch 14 als Radialspaltdichtungen ausgeführte Wellendichtungen 30 angeordnet. Die Drosselringe 31 'werden durch eine Hülse 32 in ihrer

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Lage gehalten, die mittels Schrauben 33 an der oberen Stirnseite des Hauptflansches 14 befestigt ist. Auf der Hülse 32 ist ein dampfdichtes Gehäuse 34 mittels Schrauben befestigt. Auf dem Gehäuse 34 ist durch Schrauben 37 ein Deckel 36 montiert. Die Wellendichtungen in der Hülse und im Gehäuse 34 können in bekannter Weise ausgeführt sein, beispielsweise gemäß einer in der US-PS 3 347 552 beschriebenen Anordnung.

Eine geeignete Ausleckverbindung zur Hülse 32 kann durch eine Rohrkupplung 38 und ein an der Hülse 32 befestigtes Rohr 39 hergestellt werden. Ebenso kann das Gehäuse 34 durch eine Rohrkupplung 41 und ein am Gehäuse 34 befestigtes Rohr 40 mit einer Ausleckverbindung versehen sein. Die ausleckende Flüssigkeit wird in bekannter Weise in das Kreislaufsystem zurückgeführt.

Die vorliegende Pumpe eignet sich zum Umwälzen einer Flüssigkeit in einem Kreislaufsystem bei verhältnismäßig hoher Temperatur und hohem Druck. Zum Ansaugstutzen 13 und zum Auslaßstutzen 12 müssen geeignete Verbindungen hergestellt sein, damit die Pumpe die Flüssigkeit im Kreislaufsystem umwälzen kann.

Zusätzlich zum Flügelrad 17 weist die Pumpe einen

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Hauptflügelraddichtungsring 42, einen sich vom Flügelrad nach oben in das Gehäuse 11 erstreckenden Diffusor 43 und einen Rohrkrümmer 44 auf, welcher den Diffusor 43 mit dem radial angeordneten Auslaßstutzen 12 verbindet. Die von der Pumpe durch den Ansaugstutzen 13 angesaugte Flüssigkeit wird also mittels des Flügelrades 17 durch den Diffusor und den Rohrkrümmer 44 hindurch zum Auslaßstutzen 12 geleitet.

Zum Schutz des Lagers 25 und der Wellendichtungen in der Hülse 32 und im Gehäuse 34 gegen die hohe Temperatur der von der Pumpe umgewälzten Flüssigkeit ist das Lager von einer zylindrischen Wärmeschranke 45 umgeben und zwischen dem Flügelrad 17 und dem Lager 25 ist ein ringförmiger Wärmeaustauscher oder Kühler 46 angeordnet. Die zylindrische Wärmeschränke 45 weist eine innere Wandung und eine mit Abstand zu derselben angeordnete äußere Wandung 48 auf. Diese Wandungen 47 und 48 sind jeweils an ihrer oberen Stirnseite beispielsweise durch Schweißen an einem Flansch 49 befestigt. Der Flansch 49 ist durch die Schrauben 24 zwischen dem Hauptflansch 14 und dem Gehäuse festgeklemmt. Der Zwischenraum zwischen den Wandungen 47 und wird an seiner Unterseite durch eine Stirnwandung 51 verschlossen. An der äußeren Wandung 48 ist ein Flanschring vorgesehen. Der Diffusor 43 ist beispielsweise durch

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Schweißen an diesem Flanschring 53 befestigt. Der Rohrkrümmer ¹J¹I weist nach oben ragende Stützen 54 und 55 auf, die mittels Schrauben 56 am Plansch 49 angeschraubt sind. Zwischen dem Plansch 53 und den Stützen 55 verläuft ein zylindrisches Teil 52.

Wie in Fig. 5 deutlicher gezeigt ist, enthält der Wärmeaustauscher 46 eine ringförmige Kammer 57, welche durch eine untere, die Welle 16 umgebende Wandung 58, eine obere, die Welle 16 umgebende und mit Bezug auf dieselbe mit axialem Abstand zur unteren Wandung 58 angeordnete Wandung 59, eine innere Büchse 6l und eine mit radialem Abstand von derselben angeordnete äußere Büchse 62 gebildet ist. Die Büchsen 61 und 62 verlaufen parallel zur Welle 16 zwischen der unteren Wandung 58 und der oberen Wandung 59. Innerhalb der Kammer 57 ist eine Vielzahl von Kühlwindungen oder Kühlröhren 63 angeordnet. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit der in die Kammer 57 strömenden Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, ist ein unteres Kopfstück 64 in der unteren Wandung 58 mit einer scheibenförmigen Verteilerplatte 65 mit einer Anzahl von Bohrungen versehen. Ebenso ist ein oberes Kopfstück 67 in der oberen Wandung 59 mit einer ähnlichen scheibenförmigen Verteilerplatte 65 versehen, damit die Flüssigkeit mit gleichförmiger

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Strömungsgeschwindigkeit aus der Kammer 57 ausströmte

Wie in Fig. 2 deutlicher dargestellt ist, sind die Bohrungen 66 der Verteilerplatten 65 in Umfangsrichtung in mehrere, beispielsweise drei Reihen angeordnet* die mit Bezug auf die Wellenachse gegenseitige radiale Abstände aufweisen. Die Anzahl der Bohrungen in den radial nach außen aufeinanderfolgenden Reihen wächst mit dem radialen Abstand von der Wellenachse an. Bei der dargestellten Ausführungsform· enthält die innere Reihe 16 Bohrungen, die mittlere Reihe 20 Bohrungen und die äußere Reihe 2k Bohrungen, wobei die Bohrungen alle gleiche Durchmesser aufweisen. Infolgedessen vergrößert sich die Gesamtquerschnittsfläche der Bohrungen der Verteilerplatten mit dem Abstand von der Wellenachse, wodurch eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit der in die Kammer 57 hinein und aua derselben herausströmenden Flüssigkeit erzielt wird, da die Gesamtquerschnittsfläche der Bohrungen in den Verteilerplatten im selben Maße anwächst, wie der Flüssigkeitsdruck abnimmt.

Bei der- in Fig. 3 dargestellten abgewandelten Verteilerplatte 65a enthalten die einzelnen Reihen jeweils die gleiche Anzahl von Bohrungen 66a, jedoch nehmen die Bohrungsdurchmesser der Bohrungen der radial aufeinanderfolgenden Reihen mit dem

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radialen Abstand von der Wellenachse zu. Demgemäß wächst auch bei der abgewandelten Verteilerplatte 65a die Gesamtquerschnittsfläche der Bohrungen mit dem Abstand zur Wellenachse.

Gemäß Fig. 5 ist an der Stelle, an welcher die untere Wandung 58 die Welle 16 umgibt, eine erste Labyrinthdichtung 68 vorgesehen. Ebenso ist an der Stelle, an welcher die obere Wandung 59 die Welle 16 umgibt, eine zweite Labyrinthdichtung 69 vorgesehen. Die untere Wandung 58 weist eine Vielzahl von Durchlässen 71 auf, welche bei der ersten Labyrinthdichtung 68 vom unteren Kopfstück 61 zur Welle 16 hin verlaufen. Die obere Wandung 59 weist eine Vielzahl von Durchlässen 72 auf, welche sich bei der zweiten Labyrinthdichtung 69 vom oberen Kopfstück 67 zur Welle 16 hin erstrecken.

Gemäß Fig. 1 sind im Flügelrad 17 verhältnismäßig kleine öffnungen 73 und 7^ vorgesehen, durch welche Flüssigkeit in eine Kammer 75 oberhalb des Flügelrades zugeführt wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß eine verhältnismäßig kleine Menge der vom Flügelrad 17 umgewälzten Flüssigkeit durch einen Abschnitt der ersten Labyrinthdichtung 68 und durch die unteren Durchlässe 71 in das untere Kopfstück strömt. Wie durch die Pfeile in Fig. 5 angedeutet ist,

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strömt die Flüssigkeit vom unteren Kopfstück 64 durch die Bohrungen 66 der unteren Verteilerplatte 65 hindurch und mit über die ganze Querschnittsfläche der Kammer 57 gleichmäßiger Strömungsgeschwindigkeit in die Wärmeaustauscherkammer 57 hinein. Die Flüssigkeit strömt dann mit einem geradlinigen Strömungsbild durch die Kammer 57 hindurch an den Kühlröhren 63 vorbei. Die gekühlte Flüssigkeit kann durch die Bohrungen 66 der oberen Verteilerplatte 65 im oberen Kopfstück 67 aus der Kammer 57 ausströmen und von dort aus durch die oberen Durchlässe 72 und einen Teil der zweiten Labyrinthdichtung 69 entlang der Welle 16 in den das Lager 25 umgebenden Bereich strömen. Die erste Labyrinthdichtung 68 leitet die Flüssigkeit in die unteren Durchlässe 71 hinein und die zweite Labyrinthdichtung 69 leitet die Flüssigkeit ,an der Welle 16 entlang in den das Lager umgebenden Bereich hinein. Infolgedessen sind das Lager und die Wellendichtungen gegen die hohe Temperatur der durch die Pumpe mittels des Flügelrades 17 umgewälzten Flüssigkeit geschützt.

Es ist wesentlich, daß die Einlaßöffnungen der unteren Durchlässe 71 und die Auslaßöffnungen der oberen Durchlässe mit Bezug auf die Achse der Welle 16 auf demselben Durehmesser angeordnet sind. Andernfalls würde ein Druckungleichgewicht auftreten, was ein Zurückströmen der Flüssigkeit ,

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entlang der Welle 16 zur Folge hätte.

Durch die Kühlröhren 62 zirkuliert eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, stehen die Durchlässe 76 und 77 im Flansch 49 niit den jeweils entsprechenden Röhren 78 und 79 in Verbindung. Diese Röhren 78 und 79 verlaufen durch den Zwischenraum zwischen dem Hals 15 und einer zylindrischen Wandung 81, die zwischen dem Flansch 49 und der oberen Wandung 59 des Wärmeaustauschers angeordnet ist. Das Rohr 78 ist mit einer halbzylindrischen Endkammer 82 verbunden, die sich außerhalb der äußeren Büchse 72 entlang des Wärmeaustauschers 46 erstreckt. Radial außen ist die Endkammer 82 durch eine zwischen der unteren Wandung 58 und der oberen Wandung des Wärmeaustauschers angeordnete senkrechte Wandung 83 begrenzt. Der Boden der Endkammer 82 ist durch eine Wandung oder Platte 84 verschlossen.

Ebenso ist das Rohr 79 gemäß Fig. 6 mit einer Endkammer verbunden, die ähnlich der Endkammer 82 ausgebildet ist. Der Durchlaß 76 kann über ein Rohr 86 an eine geeignete Versorgungsquelle angeschlossen sein. Mit dem Durchlaß 77 ist ein Abflußrohr 87 verbunden. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, stehen die Kühlwindungen oder Kühlröhren 63 mit den

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Endkammern 82 und 85 in Verbindung, so daß die Kühlflüssigkeit von der Endkammer 82 aus durch die Kühlröhren 63 zirkuliert und in die Endkammer 85 strömt, von wo aus sie durch die Röhren 79 und 87 abfließt. Die Kühlwindungen oder Kühlröhren 63 sind als Flachspule ausgebildet, wobei zwischen den einzelnen Windungen Abstandsstücke 88 angeordnet sind.

Ein Teil der durch das Flügelrad 17 umgewälzten Flüssigkeit wird aus dem Pumpengehäuse,11 durch öffnungen 89 in der äußeren Wandung 48 und im Teil 52 in die Wärmeschranke zugeführt. Infolgedessen ist die Wärmeschranke 45 mit Flüssigkeit gefüllt, welehe durch die durch die Röhren 78 und 79 und die Endkammern 85 und 82 strömende Flüssigkeit und durch die in dem das Lager 25 umgebenden Bereich befindliche Flüssigkeit etwas abgekühlt wird.

Die Wirksamkeit der Wärmeschränke 45 kann noch vergrößert werden, indem zwischen der inneren Wandung 46 und der äußeren Wandung 48 der Wärmeschranke 45 eine Vielzahl von mit gegenseitigen radialen Abständen konzentrisch angeordneten Büchsen 91 vorgesehen werden. Die Büchsen 91 trennen die innerhalb der Wärmesehranke 45 befindliche Flüssigkeit in vertikale Schichten, so da& dadurch die Wirksamkeit

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der Wärmeschranke vergrößert wird.

Die Vorteile des vorliegenden Wärmeaustauschers gegenüber bekannten Wärmeaustauschern gehen aus einem Vergleich der Fig. 4 und 5 hervor. Bei dem in Pig. 4 dargestellten bekannten Wärmeaustauscher ist in der Mitte desselben eine Trennplatte 92 vorgesehen, die den Flüssigkeitsstrom aufteilt. Wie durch die Pfeile angedeutet ist, strömt eine Flüssigkeit derart durch die Wärmeauatauscherkanäle» daß die tatsächliche Wärmeaustauschfläche zwischen den strichpunktierten Linien verkleinert wird. Infolgedessen ist der Wirkungsgrad des bekannten Wärmeaustauschers wegen dieser Strömungscharakteristik beträchtlich kleiner als 100 % und deshalb kann der Wärmeaustauscher nicht kompakt gebaut werden. Weiterhin ist zwischen der Trennplatte 92 und der Welle 16 eine Labyrinthdichtung 93 erforderlich, wodurch sich die Kosten des Wärmeaustauschers erhöhen.

Wie die Pfeile in Fig. 5 andeuten, tritt die Flüssigkeit in die Wärmeaustauscherkammer 57 mit einer über die ganze Querschnittsfläche der Kammer 57 gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit ein und durchströmt die Kammer 57 geradlinig. Folglich ist die wirksame, die Gesamtheit der Kühlröhren 63 umgebende Wärmeaustauschfläche im Vergleich

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mit dem in Fig. 4 gezeigten Wärmeaustauscher wesentlich vergrößert. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher kann deshalb' kompakter ausgebildet sein und benötigt weniger Einbauraum im Gehäuse einer Zentrifugalpumpe.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß durch die Erfindung ein Wärmeaustauscher mit großer Kühlwirkung erzielt wird. Der Wärmeaustauscher ist deshalb kompakt gebaut und besonders zum Einbau in ein kompaktes'Wellendichtungsgehäuse einer Zentrifugalpumpe geeignet.

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Claims

Patentansprüche

IJ Zentrifugalpumpe mit einem Flügelrad, welches durch eine in einem im allgemeinen zylindrischen Gehäuse drehbar gelagerte Welle angetrieben wird, ferner mit einer ringförmigen Kammer, die durch eine erste die Welle umgebende Wandung mit einer ersten Wellendichtung und eine zweite die Welle umgebende Wandung mit einer zweiten Wellendichtung gebildet ist, weiter mit mindestens einem in der Kammer angeordneten Kühlrohr, und schließlich mit Durchlässen zur Ableitung der aus der Pumpe entlang der Welle durch die ringförmige Kammer hindurchleckenden Flüssigkeit, gekennzeichnet durch ein in der ersten Wandung (58) angeordnetes erstes Kopfstück (64) mit einer scheibenförmigen Verteilerplatte (65) mit einer Vielzahl von Bohrungen (66), wobei die Querschnittsflächen der Bohrungen jeweils mit wachsenden Abständen zur Wellenachse größer werden, und durch ein in der zweiten Wandung (59) angeordnetes, dem ersten Kopfstück ähnlich ausgebildetes zweites Kopfstück (67).
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der weiteren Ausbildung der genannten ringförmigen Kammer (57) zwischen der ersten Wandung (58) und

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der zweiten Wandung (59) eine innere Büchse (6i) und eine äußere Büchse (62) mit gegenseitigem radialem Abstand jeweils koäjciäl zur Welle (16) angeordnet sind«

3* Pumpe riäch Anspruch i oder 2* dadurch gekenhz§iehhet $ daß die Wellendichtungen (3ö) als kabyrinthdidhMngen ausgebildet sind und daß die genannten Durchlässe (71* 72) in der ersteh Wandung (58) und in der aweiten Wähdühg (59) gebildet sind* wobei die Einlaßöffnungen der BürehMsäe* (H) in der ersten Wandung und die Aü'äläßÖffriüngeh der Duföhlääse (72) in der zweiten Wandung jeweils mit Bezug auf die Wellehachse auf dem gleichen Durchmesser angeordnet sind«

4* £umpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (66) in den beiden genannten scheibenförmigen Vefteilerpiätten (65) mit vöischiedSneh radialen Abständen vofl der Weiienachse ähgeoMhet öißd und daß die Anzähl der Bohrungeh jeweils mit zunehmendem .radialem Abstand Von der WeÜehäChse größer wird«

5* Pumpe nach einem der Ansprüche Ϊ bis h_t dadurch geköririzeiehnet, daß die Bohrungen (66) in iäeh beidön scheibenförmigen Verteilerplatteh (65) jeweils auf eiher Vielzahl vöh konzentrischen, mit Bezug auf die Wellenächse gegenseitige

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radiale Abstände aufweisenden Kreisen angeordnet sind, und daß die Anzahl der jeweils auf einem Kreis liegenden Bohrungen mit ssunehmendem radialem Abstand von der Wellenachse größer wird.

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