DE2305123A1 - Pumpenabstuetzung - Google Patents

Description

Klein, Schanzlin & Becker, Aktiengesellschaft

Pumpenabstützu ng

Die Erfindung betrifft hochbelastbare Abstützungen von Pumpen, insbesondere Reaktorpumpen bei sich aus den Forderungen der Unfallsicherheit von Kernkraftanlagen ergebender Aufgabenstellung. Um eine Freisetzung von Radkxktivität an die Umgebung mit Sicherheit zu vermeiden, darf als Grundforderung eine Sicherheitshülle, die das nukleare Dampferzeugungssystem umgibt, auch beim größten anzunehmenden Unfall (= GaU) nicht undicht werden. Als solcher Unfall gilt der, allerdings äußerst unwahrscheinliche, Fall eines vollständigen Bruches der größten Kühlmittelrohrleitung. Sowohl die Folgen eines vollständigen Quertrennbruches als auch eines Längsrisses mit dem doppelten Rohrquerschnitt müssen beherrscht werden. Dabei ist der Zulassungsbehörde nachzuweisen, daß die ergriffenen Maßnahmen ausreichen.

Das Primärwasser steht bei Reaktoren unter hohem Druck und hoher Temperatur, z.B. bei Druckwasserreaktoren unter Über 150 bar und etwa 300 C. Bei der Entspannung werden deshalb außerordentlich große Kräfte frei, die die Größenordnung von etwa 1000 Mp haben. Zum Vergleich: Der Reaktorkessel wiegt rund 500 Mp, die Pumpe mit Motor 70 bis 100 Mp je nach Leistung. Da die Kräfte in ungünstigen Fällen quer zur Rohrachse wirken, entwickeln sie zugleich Biegemomente, die die Rohrleitung plastisch abknicken. In solchen Fällen hat

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man mit Momenten von 3000 bis 5000 Mpm zu rechnen ο Diese Lasten wirken auch auf die Pumpe, die in das Rohrsystem eingeschweisst ist, Ein Tausendstel dieser Werte gilt üblicherweise schon als sehr große Stutzenbelastung. Ohne konstruktive Gegenmaßnahmen muß daher, angesichts solcher Zahlen, befürchtet werden, daß eine der großen Komponenten des Dampferzeugungssystems aus ihren Leitungen und Verankerungen herausgerissen und so beschleunigt werden könnte, daß sie die genannte Sicherheitshülle durchschlägt, Um dies zu vermeiden, werden bauseits Fesselungen vorgesehen, die die Rohrleitungen und die Komponenten an ihrem Platz halten kennten, wobei Krafteinfeitungspunkte (Pratzen, Klammern, u. dgl.) anzubringen sind, die für diese Lasten geeignet sind.

Als weitere, die technischen Probleme verschärfende behördliche Sicherheitsanforderung ist jedoch der genannte Unfall GaU als denkbare Folge eines Erdbebens anzusehen und zur Vorbeugung die Anlage nachweislich erdbebensicher auszuführen, d.h. der Betrieb der Maschine muß während eines Bebens möglich sein bzw, ein sicheres Auslaufen der Maschine gerantiert werden.

Das nukleare Dampferzeugungssystem ist, schwingungstechnisch gesehen, ein elastisch abgestütztes räumliches Vie Irriassenschwingungssystem, welches gegebenenfalls ohne Gegenmaßnahmen, in Resonanz mit den Erdbebenwellen kommen könnte. Die schweren Komponenten Reaktorkessel und Dampferzeuger, die

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öber die vergleichsweise kleinen Hauptkühiralfteileitungen miteinander verbunden sind, wurden auf diese bei Resonanz sehr große Lasten ausüben und sie gefährden.

Zur leichteren, aber noch immer unzulänglichen Beherrschung des Problems kann die ganze Anlage hoch abgestimmt, d.h, jegliche der vielen Eigenfrequenzen so hoch gelegt werden, daß die Anlage mit eimern Sicherheitsabstand über der Obergrenze des zu betrachtenden Erdbebenspektrums liegt. Auch dies geschieht durch Fesselungen, die aber, um ihre Aufgabe zu erfüllen, besonders steif sein müssen. Als weitere Erschwerung kommt hier hinzu, daß die Wärmedehnung des Kreislaufes, die einge Zentimeter erreicht, praktisch nicht behindert werden darf.

Speziell für die Reaktorpumpe ergibt sich hieraus, daß diese in den Kraftfluß eingeschaltet und damit von den gleichen Kräften beaufschlagt ist, wie die Hauptkomponenten des Systems, Durch Hebelwirkung können diese Kräfte noch verstärkt werden. Da die Pumpe wesentlich kleiner ist - knapp 1 m Radius bis zur Krafteinleitung gegen etwa 2 m bei den Hauptkomponenten - ist bei ihr die Verstärkung entsprechend größer als bei diesen. Diese absolut größeren IVatzenkräfte sind naheliegenderweise von einer im Vergleich sehr viel dünneren Gehäusekonstruktion aufzunehmen. Dies führt dazu, daß die Spannungen durch äußere Kräfte in den ungünstigsten Lastkombinationen diejenigen durch den Innendruck weit übertreffen, und zwar nicht nur örtlich, sondern über den größten Teil des Gehäuses hinweg. Aus diesem Grund muß das Gehäuse nicht mehr nur auf seine

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eigentliche Aufgabe hin, nämlich den normalen Pumpenbetrieb, optimal dimensioniert sein, sondern sehr wesentlich gerade auf den unwahrscheinlicheren größten Unfall hin. Das kqnn sich sogar so weit auswirken, daß die Pumpe durch die im Betriebszyklus auftretenden Wärmespannungen unzulässige Spannungen erfährt oder gar betriebsuntüchtig wird. Alle genannten Probleme machen als Aufgabe der Erfindung das Auffinden einer Kompromißlösung nötig, welche eine ausführbare und den Betrieb/sowie die Wartung wenig behindernde Pumpenabstützung gewährleistet, die angesichts hoher Kosten nicht nur für den Pumpenlieferanten, sondern noch mehr für den Kraftwerksplaner (hoher Prozentsatz des Pumpenpreises) und unter Berücksichtigung immer wieder sich ändernder Sicherheitsforderungen, neuer Erkenntnisse und Anlageänderungen, die zwangsläufige Hindernisse bei der Kraftwerksplanung auf einem Minimum hält.

Die Lösung nach der Erfindung besteht in einem Kreiselpumpengehäuse, insbesondere für Primärkühlmittelpumpen von Reaktoren, bestehend aus Gehäusemantel, Gehäuseflansch sowie Saug- und Druckstutzen mit einem saugseitigen und/oder druckseitigen in den Gehäusemantel eingeschweissten, entsprechend dimensionierten ringförmigen Gehäuseabschluß zur Aufnahme der Bruchlast der angeschlossenen Rohrleitungen und der aus dieser resultierenden gebäudeseitigen Stützkräfte mit eine pendelnde Verbindung mit dem Gebäude herstellenden zylindrischen Zapfen oder mit in einer Richtung eine gleitende gebäudeseitige Auflage und in der dazu Senkrechten eine Führung ergebenden Pratzen bzw. Klammern oder mit

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Führungsnut bzw. umlaufendem Führungsbund für direkte Auflage. Als besondere Ausführung kann für die Anwendung auf größere Kreiselpumpengehäuse der genannten Art zur Senkung von Wärmespannungen und Sekundärspannungen eine Ringnut im Gehäuseabschluß vorgesehen werden.

Mit dem Kreiselpumpengehäuse nach der Erfindung ist also grundsätzlich die Aufnahme der Bruchlast der angeschlossenen Rohrleitungen und der daraus resultierenden gebäudeseitigen Stützkräfte unter Anpassung an die Gegebenheiten in verschiedenen Kraftwerken in hohem Maße gewährleistet. Eine solche Konstruktion ermöglicht die Standardisierung der Gehäuseformgebung, und dem Anlageplaner gibt sie eine wesentlich größere Freizügigkeit bei Planung und Konstruktion der Pumpenabstützung. Letztere wird durch die erfindungsgemäße Konzeption weniger aufwendig und kann zugleich zur Erhöhung der Eigenfrequenz des Dampferzeugungssystems mitbenutzt werden. Die zulässigen Lasten sind dabei derartig hoch, daß keine aufwendigen Zusatzabstützungen des Kreislaufs zum Schutz der Pumpe mehr erforderlich sind. Dadurch verbilligt und vereinfacht sich die Tragkonstruktion wesentlich. Das geschaffene Standard-Gehäuse ist im Betrieb gut inspizierbar und bringt keine höheren Herstellungskosten als ein vergleichbares auf herkömmliche Art abgestütztes Gehäuse. Im Katastrophenfall treten die höchsten Spannungen und Verformungen an einer für die Funktion der Pumpe unwichtigen Partie des Gehäuses auf, wo ein sicheres Auslaufen derselben gewährleistet ist.

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Die Figuren 1 bis 7 zeigen Ausfuhrungsbeispiele des Kreiselpumpengehäuses nach der Erfindung, und zwar Fig. 1 das Pumpengehäuse 1 mit saugseitiger Rohrleitung 2 und druckseitiger Rohrleitung 3 sowie mit einem Dichtungsgehäuse 4 zwischen Gehäuseflansch und Laterne 5 und dem Antriebsmotor 6 für die Welle

Saugseitig ist der erfindungsgemäße ringförmige Gehäuseabschluß 11 zwischen saugseitiger Rohrleitung 2 und dem Gehäusemantel 12 angeordnet (s.a.Fig.2 und 3), an den sich oben der Gehäuseflansch 13 anschließt. Der Gehäuseflansch 11 hat eine möglichst große zylindrische Außenfläche sowie unten eine genügend breite Auflagefläche, um direkt oder mittelbar Abstützkräfte einleiten zu können. Die in der speziellen Form dargestellten Teile 11,12,13 und 14 bilden ein Standard-Gehäuse, das für alle Pumpen mit ähnlichen Auslegedaten verwendet werden kann.

Die Fig.2 und 3 zeigen den Gehäuseabschluß 11 ohne bzw, mit Ringnut 18. Nach Fig. 4 sind am Umfang des ringförmigen Abschlußes 11 mehrere zylindrische Zapfen 15 angebracht. An diese können vertikale oder horizontale Stutzen angebracht werden, um die Pumpe pendelnd mit dem Gebäude zu verbinden, eine Maßnahme, welche eine Wärmedehnung der infrage kommenden Teile ermöglicht und doch hohe Kräfte und Steifigkeit der Abstützung zuläßt. An Stelle der Zapfen 15 können auch Pratzen oder Klammern oder ähnliche Elemente vorgesehen werden, die in einer Richtung ein Gleiten des Pumpengehäuses zulassen und in der dazu Senkrechten eine Führung gewährleisten.

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In der in Fig. 5 dargestellten Anordnung ist das lampengehäuse gleitend auf das Fundament bzw. Gehäuse 8 gesetzt. Der Abschluß Π ist mit einer außen umlaufenden eingedrehten Führungsnut 16 versehen, in welche Klammern 81 eingreifen, die mit dem Fundament verbunden sind und so das Gehäuse halten. Ganz analog ist die Wirkungsweise der Anordnung in Fig. 6. Anstelle der Führungsnut 16 ist jedoch ein umlaufender FUhrungsbund 17 vorgesehen. Der ringförmige Gehäuseabschluß nach der Erfindung ist, wie Fig. 7 als Beispiel zeigt, nicht nur saugseitig (11), sondern ebenfalls druckseitig (141) oder gar saug- und druckseitig ausführbar.

Wegen der außerordentlich großen Rohrleitungskräfte ist die Dicke des Gehäuseabschlußes 11 ein Mehrfaches der Rohrwandstärke und auch beträchtlich dicker als der Gehäusemantel 12. Das bedingt, daß der Gehäuseabschluß beträchtlich träger Temperaturänderungen folgt als Rohrleitung und Mantel. Dies wieder führt zu Wärmespannungen, deren Höhe von der Temperaturänderung und deren Geschwindigkeit tewie von der Größe des Gehäuseabschlußes abhängt. Bei der heute üblichen Größe der Maschinen erreichen sie bereits die Grenze des Zulässigen.

Außerdem treten sowohl unter Temperaturbelastung als auch unter äußeren Kräften Spannungsspitzen, sogenannte Sekundärspannungen, insbesondere an dem Übergang vom Rohr in den Gehäuseabschluß auf: Wenn beispielsweise die Rohrleitung auf

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den Gehäuseabschluß drückt, so wird dieses vergleichsweise kompakte Gebilde verstülpt. Dies ist in Fig. 8 dargestellt, wobei die unverformte Geometrie stark und die verformte strichliert dargestellt sind. Wie ersichtlich, erfährt die neutrale Faser 112 keine Radialverschiebung, sondern lediglich eine axiale. Alles Material oberhalb der neutralen Faser der dicken Platte jedoch erfährt zusätzlich zur axialen Verschiebung auch eine Radialverschiebung nach außen, die proporional zum Abstand von der neutralen Faser ist. Unterhalb davon erfolgt eine entsprechende Einwärtsbewegung. Das konische Übergangsstück zum Rohr, das auf Grund seiner Geometrie sehr steif mit der Platte verbunden ist, wird noch stärker nach innen gezwungen als die Unterkante der Platte 113, so daß die maximale Radialverschiebung erheblich größer als die oben ist. Die Rädialverschiebungen rufen Umfangsspannungen hervor, die die Vergleichsspannung heraustreiben. Gegen beide Effekte ist die umlaufende Ringnut 18 wirksam. Sie setzt die Wärmekapazität des Gehäuseabschlußes herab und läßt ihn damit besser der Wassertemperatur folgen. Sie macht ihn außerdem etwas elastischer und damit geeignet, den Wärmedehnungen mit niedrigeren Spannungen nachzugeben. Schließlich wird der Übergang zur Rohrleitung näher an die neutrale Faser herangerückt und damit die schädliche Radialverschiebung verringert. Die Ringnut 18 macht somit die Maßnahmen nach der Erfindung zusätzlich bei größeren Gehäusen anwendbar.

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Patentansprüche

1.) Kreiselpumpengehäuse, insbesondere für Primärkühlmittelpumpen von Reaktoren, bestehend aus Gehäusemantel, Gehäuseflansch sowie Saug- und Druckstutzen, gekennzeichnet durch einen saugseitigen und/oder druckseitigen an den Gehäusemantel (12) angeschweissten, entsprechend dimensionierten ringförmigen Gehäuseabschluß (Tl) zur Aufnahme der Bruchlast der angeschlossenen Rohrleitungen und der aus dieser resultierenden gebäudeseitigen Stutzkräfte, mit eine pendelnde oder gleitende Verbindung mit dem Gebäude (8) herstellenden zylindrischen Zapfen (15), oder mit in einer Richtung eine gleitende gebäudeseitige Auflage und in der dazu Senkrechten eine Führung ergebenden Pratzen bzw. Klammern (81), oder mit Führungsnut (16) bzw. umlaufendem Führungsbund (17) für direkte Auflage.

2. Kreiselpumpengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseabschluß (11) zum Ausgleich von Wärmespannungen und Sekundärspannungen eine Ringnut (18) aufweist.

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