DE3042128A1

DE3042128A1 - Fluessigmetallpumpe

Info

Publication number: DE3042128A1
Application number: DE19803042128
Authority: DE
Inventors: William E. Greensburg Pa. Penrell
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1980-03-10
Filing date: 1980-11-07
Publication date: 1981-10-08
Also published as: GB2071764B; US4360314A; JPS56126694A; FR2477645A1; FR2477645B1; GB2071764A

Description

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Flüssigmetallpumpe

Die Erfindung betrifft eine Flüssigmetallpumpe mit einem im wesentlichen kugelförmigen Gehäuse und einem .daran anschließenden Schaftgehäuse, wobei ein Pumpeneinsatz in die Gehäuse eingesetzt und im Bereich des unteren Endes des Schaftgehäuses abgestützt ist und mit einem in dem Pumpeneinsatz drehbar gelagerten Pumpenschaft, an welchem ein doppelseitiges Laufrad zum Fördern des Flüssigmetalls montiert ist.

Diese Flüssigmetallpumpe findet als Kühlmittelpumpe für Atomreaktoren und insbesondere für schnelle Brüter Verwendung.

Konzeptstudien für die Konstruktion von Flüssigmetallpumpen für schnelle Brüter gehen von einem Pumpenkonzept aus, wie es für Leichtwasserreaktoren bereits bekannt ist. Dabei ergibt sich, daß die Konfiguration der Pumpen, wie sie für Leichtwasserreaktoren Verwendung finden, als Flüssigmetallpumpen für schnelle Brüter nicht übernehmbar ist. Es stellen sich nämlich bei der Übernahme derartiger Pumpenkonzepte für

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schnelle Brüter nachfolgende Schwierigkeiten ein:

a) Die auftretenden hohen Temperaturen können mit den Konstruktionsprinzipien bekannter Pumpen nicht beherrscht werden.

S I) ::s ergeben sich Schwierigkeiten für die Beibehaltung der Ausrichtung mehrerer hintereinander angeordneter Lager für den Pumpenschaft.

c) YAn hoher Leckfluß für das Kühlmittel ist nicht zu unterbinden.

d) Fs besteht eine verhältnismäßig große Gefahr für Preß- und Verschweißerscheinungen.

e-j Für die Herstellung müssen bei der maschinelle^ Bearbeitung und die Dimensionierung sehr enge Toleranzen bei der Herstellung großer, aus Teilen zusammengesetzter Konstruktionselemente aus rostfreiem Stahl eingehalten werden.

i) Die Zugänglichkeit für Wartungsdienste und Reparaturarbeiten ist stark eingeschränkt.

Die konstruktive Ausgestaltung von Kühlmittelpumpen bereitet in der Anwendung bei Leichtwasserreaktoren keine besonderen Schwierigkeiten, da eine niedere differentielle Kerntemperatur und die begrenzte Wärrneübertragungseipenschaften des Kühlwassers die Gefährlichkeit von Wärmeübergangsspannungen in der Pumpe stark verringern. In der Umgebung eines schnellen Brüters sind jedoch die differentielle Kerntemperatur und auch die Geschwindigkeiten der Temperaturänderungen wesentlich größer als beim Leichtwasserreaktor. Wenn man diese charakteristischen Eigenschaften mit den ausgezeichneten Wärmeübertragungseigenschaften des zur Kühlung benutzten Flüssigmetalls kombiniert, zeigt sich, daß die thermischen Spannungsbeanspruchungen bei Komponenten für schnelle Brüter eine dominierende Wichtigkeit erhalten. Die Pumpeneinsätze von Kühlmittelpumpen bei Leichtwasserreaktoren können unter diesen Bedingungen nicht

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h / 1 / ntöi eingesetzt

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eingesetzt werden, da sowohl die schweren strukturellen Bauteile als auch der hohe Umfang der internen konstruk-,iv bedingten Zwänge und das lokale ungleichförmige Ausqesetztsein bezüglich des primären Flüssigmetallflusses dazu beiträgt, die Amplitude der thermischen Obergangsspannungen in der Pumpenkonstruktion zu vergrößern, sowie die damit verbundene Geschwindigkeit der Akkumulation von Langzeitermüdungsschäden zu beschleunigen.

Mechanische Flüssigmetallpumpen verwenden Abdichtungen an der Laufradummantelung und hydrostatische Lager, welche sich im Betrieb keinem großen Ausdehnungsspiel anpassen können. Um die erforderliche Kontrolle über das Ausdehnungsspiel im Betrieb beibehalten zu können, müssen Verformungen im Aufbau des Pumpenschafts und im Aufbau der Laufradummantelungen minimalisiert werden. Die Beherrschung der Verformung im Aufbau der Laufradummantelung erfordert ein gleichförmiges Ansprechen des entsprechenden Bauteils auf große Temperaturänderungen, welche im Kühlmittel für den schnellen Brüter während einer Zustandsänderung im Reaktor plötzlich auftreten können. Ein derartiges, durch den strukturellen Aufbau bedingtes gleichmäßiges Ansprechverhalten auf Temperaturänderungen im Kühlmittel läßt sich bei Pumpen für schnelle Brüter nicht erhalten, wenn sie auf der Konstruktion für Pumpen für Leichtwasserreaktoren aufbauen, da die Konfiguration des Pumpeneinsatzes die Oberfläche der Ummantelung des Laufrades nicht direkt dem primären Kühlmittelfluß in einer gleichförmigen und achssymmetrischen Weise aussetzt.

Bei derartigen, von Pumpen für Leichtwasserreaktoren abgeleiteten Pumpen sind die Lager und die Halterung für die Ummantelung des Laufrades entweder direkt oder über Elemente mit sehr engen Toleranzen an dem Außengehäuse der Pumpe abgestützt. Unter diesen Bedingungen stehen sowohl die Lager

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als auch die Halterung für die Ummanteluni; des Laufrades unter dem Zwang, jeder Verformung des Pumpengehäuses zu folien. Die Hauptursachen für die nicht achs-svmmetrische Verformung des Pumpengehäuses ergeben sich aus den Temperaturgradienten im Pumpengehäuse und der durch die angeschlossenen Rohre eingeleiteten mechanischen Belastung des Pumpengehäuses. Diese externen Einflüsse auf die Verformung des Pumpengehäuses sind infolge der Verwendung von Flüssigmetallen bei Pumpen für schnelle Brüter wesentlieh schwerwiegender als bei Pumpen für Leichtwasserreaktoren. Die Abdichtung des Pumpenschaftes bei einer druckabhängigen Grenzschichtpenetration ist für eine Pumpe für schnelle Brüter nur dann zufriedenstellend zu bewerkstelligen, wenn die Dichtung auf einer Temperatur gehalten werden kann, welche merklich unter der des flüssigen Natriums als Kühlmittel liegt, und wenn sie nicht in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel steht. Diese Bedingungen werden durch das Vorsehen eines Pumpentanks im Pumpenaufbau erfüllt, wobei das Kühlmittel im Pumpentank eine freie Oberfläche hat, die sich in axialer Richtung in Abhängigkeit von Änderungen der Betriebsbedingungen der Pumpe verschiebt. Die erforderliche axiale Länge des Pumpentanks, um sich sowohl an die freien Oberflächenniveauänderungen als auch an das notwendige Isolations- und Abschirmmaterial anzupassen, bedingt eine Gesamtlänge für eine Pumpe zur Verwendung bei einem schnellen Brüter, welche wesentlich größer als die der äquivalenten Pumpe bei einem Leichtwasserreaktor ist. Die Abstützungen der Pumpe sind typischerweise am oberen Ende und die Anschlußrohre am bodenseitigen Ende angebracht. Die Biegeverformungen des Pumpentanks unter dem Einfluß der über die Anschlußrohre eingeleiteten Drucklasten steigt etwa mit der dritten Potenz der Länge des Pumpentanks (1) an. Aus diesem Grund sind die Biegeverformungen des Pumpentanks bei einer Pumpe für schnelle Brüter, und ebenso die davon abhängigcn Verformungen jeglicher direkt damit gekoppelter Lager

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sowie

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sowie des Aufbaus der Lauf radumman te lung wesentlich größer als sie bei Pumpen für Leichtwasserreaktoren wären. Bei Pumpen für Leichtwasserreaktoren sind diese Verformungen auch durch die massive und schwere Ausführung der Bauteile begrenzt, üiese Maßnahme ist jedoch bei Pumpen für schnelle Brüter nicht verwendbar, da derartige schwere und massive strukturellen Bauteile ein nicht akzeptierbares Ansprechverhalten gegenüber den auftretenden hohen und zeitlich raschen Änderungen zeigen, wie sie bei schnellen Brütern mit einer Flüssigmetallkühlung auftreten.

Zusätzlich können Konvektions ströme außerhalb des Pumpengehäuses in demjenigen Teil des Pumpentanks zu starken querverlaufenden Temperaturgradienten führen, welcher über der freien Natriumoberfläche verläuft. Ausbeulungen bzw. Verbiegungen des Pumpentanks in Abhängigkeit von diesen Temperaturgradienten können die Ursache von weiteren nicht annehmbaren Lagerverformungen und Verformungen der Ummantelung des Laufrades sein. Auch diese Zustände treten bei Pumpen für Leichtwasserreaktoren nicht auf, sodaß die Leichtwasser-Pumpentechnologie keine Anregungen für die Lösung derartiger Probleme bietet.

Bei einer typischen Pumpe für Leichtwasserreaktoren sind viele Oberflächen innerhalb der Pumpe nicht unmittelbar dem primären Kühlmittelfluß ausgesetzt. Entsprechende Verhältnisse ergeben sich auch bei Pumpen für schnelle Brüter,wenn sie von dem Pumpenkonzept für Leichtwasserreaktoren abgeleitet sind. Oberflächen, welche nicht unmittelbar dem primären Kühlmittelfluß ausgesetzt sind, haben ein thermisches Ansprechverhalten auf rasche Änderungen der Kühlmitteltemperatur, welches dem Ansprechverhalten derjenigen Oberflächen nacheilt, die unvermeidlich direkt dem primären Kühlmittelfluß ausgesetzt sein müssen. Diese Phasenverschiebung im thermischen Ansprechverhalten ist eine weitere Ursache für

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thermische

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thermische Spannungen und Verformungen im Pumpenaufbau. Derartige thermische Spannungen und Verformungen können bei Pumpen für Leichtwasserreaktoren ohne weiteres akzeptiert werden,da die Amplitude des Temperaturdifferenti als des Reaktorsystems klein ist und da der Effekt auf das Ansprechverhalten von Bauteilen durch den niederen 'wärrroübert ragungskoef fizient des Kühlwassers weiter reduziert wird. Bei einer Pumpe für schnelle Brüter werden infolge der hohen Differenzialtemperatur des Reaktorsy-

H) stems und der ausgezeichneten Wärmeübertragungseigens.-haften des flüssigen Natriums die thermischen Beanspruchungen und Verformungen auf Grund des außerphasigen thermischen Ansprechverhaltens des Aufbaus unannenmbar hoch. Deshalb sind spezielle Vorkehrungen zu treffen, um bei einer derartigen Pumpe für schnelle Brüter das gleichphasige Ansprechverhalten aller strukturellen Elemente zu begünstigen. IUn Mittel zur Verringerung der Phasendifferenzen im strukturellen Ansprechverhalten ist das Umleiten eines Teils des abfließenden primären Kühlmittelflusses in Bereiche, die sonst nicht diesem primären Kühlmittelfluß ausgesetzt wären. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß der gesamte unter Hochdruck befindliche primäre Kühlmittelfluß, welcher zur Beherrschung von sich ändernden Temperaturen umgeleitet wird,auch während eingeschwungener Betriebszustände entsprechend dieser Umleitung fließt. Von dieser Umleitung des ausgangsseitigen Kühlmittelflusses ergibt sich eine direkte Verringerung der Effizienz der Pumpe. Diese Verringerung der Effizienz kann bedeutend sein, da es notwendig werden kann,zur effizienten Steuerung des Ansprech-Verhaltens für Temperaturänderungen erhebliche Anteile des ausgangsseitigen Strömungsmittelflusses umzuleiten.

Es ist daher wünschenswert,eine Lösung zu finden, mit welcher das erforderliche gleichförmige Ansprechverhalten der strukturellen Bauteile der Pumpe auf Temperaturänderungen er-

zielt

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zielt werden kann, ohne daß ein Leckfluß notwendig wird, und ohne Beeinträchtigung der Effizienz der Pumpe.

Das Arbeitsspiel einer Pumpe für schnelle Brüter umfaßt .Obergangsbedingungen, die zu einer differentiellen Temperaturänderung zwischen der Grenzschicht des Pumpentanks und der Tragkonstruktion des Pumpenschafts führen. Diese differentielle Temperaturänderung bewirkt eine differen-. tielle axiale Ausdehnung der beiden strukturellen Bauteile.

Wenn diese beiden Bauteile im Bereich der Abdichtungen eingespannt sind, muß eine axiale Verschiebebewegung beim Vorhandensein hoher Kontaktdrücke eintreten. Diese Bedingungen führen zu der potentiellen Möglichkeit, daß Materialverschweißungen und Freßerscheinungen auftreten. Aus diesem Grund sollte eine Pumpe für schnelle Brüter derart aufgebaut sein, daß in Bereichen einer Relativbewegung hohe Grenzschichtdrücke und damit auch Freß- bzw. Verschweißerscheinungen vermieden werden.

Bei herkömmlichen Typen für Leichtwasserreaktoren wird die Abdichtung zwischen dem Pumpeneinsatz und dem Pumpengehäuse durch mit engcu Toleranzen hergestellte Paßflächen an den beiden Komponenten erzielt. Wenn diese Bauteile vergrößert werden, um sie an die notwendigen Abmessungen für Pumpen von schnellen Brütern anzupassen, wird es äußerst schwierig, bei der maschinellen Bearbeitung die erforderlichen engen Toleranzen einzuhalten. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich für die Einhaltung einer Abdichtung mit engen Toleranzen aus der Tatsache, daß die strukturellen Elemente eine zu geringe Eigensteifigkeit haben. Auch können die Bauteile nach der fabrikationsmäßigen Bearbeitung keinem Entspannungsprozeß unterzogen werden, da die rostfreien Stahlmaterialien einer Formierung und damit Veränderung ausgesetzt wurden. Andererseits haben Experimente gezeigt, daß derarti ge nichtentspannte Bauteile aus rostfreiem Stahl sowohl

während

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während der fabrikationsmäßigen Bearbeitung als auch während dem Betrieb Verformungen erleiden, hs ist daher notwendig, daß ein Pumpenaufbau gefunden wird, deT sich diesen Verformungen anpassen kann, ohne daß dadurch die funktioneile Wirkungsweise nachteilig beeinflußt wird.

Fin weiterer Gesichtspunkt für die konstruktive Gestaltung einer Pumpe für schnelle Brüter ist die leichte Zugänglichkeit für Wartungs- und Reparaturdienste, sodaß einzelne Teile zu diesem Zweck leicht entfernt und erneuert werden können. Aus diesem Gesichtspunkt heraus ist ein Pumpeneinsatz von Vorteil, der vollkommen aus dem Pumpengehäuse bzw. aus dem Pumpentank herausgenommen werden kann, damit die Innenseite des Pumpentanks für die Inspektion und die Repa-

IS tür zugänglich ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigmetallpumpe zu schaffen, bei der Probleme, welche sich auf Grund hoher Temperaturen, der Ausrichtung der Lager und der Abdichtung sowie der Leckverluste für das Strömungsmittel und die Möglichkeit von Verschweißungen im Betrieb ergehen, weitgehendst vermieden werden, wobei bei der Herstellung an Fertigungstoleranzen und an die Eigenstabilität nur geringe Anforderungen zu stellen sind, und die Pumpe für Wartungs- und Reparaturzwecke leicht zugänglich ist.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von der angangsseitig erwähnten Flüssigmetallpumpe, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein am Pumpeneinsatz gehaltertes Laufradgehäuse das Laufrad umgibt, wobei das Laufradgehäuse seinerseits von einem ringförmigen Leitapparat umschlossen ist, welcher zentral im kugelförmigen Pumpengehäuse angeordnet, an diesem abgestützt ist und das vom Laufrad abfließende Flüssigmetall wegleitet; daß der Leitapparat eine im wesentlichen kugelförmige Außen-

wandung hat, welche zusammen mit der in einem Abstand verlaufenden

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laufenden Innenwand des kugelförmigen Pumpengehäuses die zufließende Kühlflüssigkeit zum Laufrad leitet, wobei die Kühlflüssigkeit im wesentlichen über die gesamte Oberfläche des Leitapparates strömt, und daß der Leitapparat eine im wesentlichen zylindrische Innenwandung hat, an welcher das Laufradgehäuse abgestützt ist, und aus welcher das Laufradgehäuse zusammen mit dem Laufrad und dem Pumpenschaft als Einheit herausziehbar ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansnrfichen.

Eine nach den Merkmalen der Erfindung ausgestaltete Flüssigmetallpumpe hat den Vorteil, daß sie verhältnismäßig

IS einfach aus rostfreiem Stahl hergestellt werden kann..

wobei geringe Anforderungen an die Bearbeitungstoleranzen und die Eigensteifigkeit zu stellen sind. Durch die Maßnahmen der Erfindung wird auch dafür gesorgt, daß kurzzeitige hohe Temperaturänderungen keinen nachteiligen Einfluß auf die Lagerung und die Ausrichtung der Abdichtung haben, sodaß sich für das Kühlmittel nur ein geringer Leckfluß ergibt, und durch strukturelle Verformungen keine Gefahr für Freß- und Verschweißerscheinungen auftreten.

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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispieifcii in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Fs zeigt:

Fig. 1 Einen Längsschnitt durch eine Flüssigmetallpumpe. Fig. 2 Einen Schnitt längs der Linie II - II der Fig. 1.

Fig. 3 Einen Längsschnitt durch den unteren Teil der Flüssigmetallpumpe gemäß Fig. 1.

Fig. 4 Einen Längsschnitt durch den unteren Teil der Flüssigmetallpumpe gemäß Fig. 1, bei welchem der ringförmige Leitapparat und das Laufrad entfernt

sind.

Fig. S Einen teilweise gebrochenen Längsschnitt durch die Flüssigmetallpumpe gemäß Fig. 1, bei welchem der obere und untere Pumpeneinsatz teilweise her

ausgezogen ist.

Fig. 6 Einen Längsschnitt durch eine weitere Ausgestaltung einer Flüssigmetallpumpe.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Flüssigmetallpumpe 10 umfaßt ein oberes Gehäuse 12, welches an einer Halterung befestigt ist und am unteren Ende ein unteres Gehäuse 16 trägt. Dieses untere Gehäuse 16 kann einstückig mit dem oberen Gehäuse 12 ausgebildet und kugelförmig gestaltet sein.

Die Flüssigmetallpumpe 10 hat ferner einen oberen Pumpeneinsatz 18, der innerhalb des oberen Gehäuses 12 angeordnet und mit diesem über eine Abdichtkonstruktion 20 nach außen dicht verbunden ist. Diese Abdichtkonstruktion 20 bewirkt eine Ab-

dichtung über den gesamten Umfang zwischen dem oberen Gehäuse 1

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se 12 und dem oberen Pumpeneinsatz 18. Im Bereich dieser Abdichtkonstruktion wird auch das gesamte Gewicht des oberen "umpeneinsatzes 18 auf das obere Gehäuse 12 abgetragen. L-:in orster metallischer Dichtring 22 ist im unteren Teil des oberen Pumpeneinsatzes 18 angebracht und erstreckt sich über den gesamten Umfang des Pumpeneinsatzes. Dieser metallische Dichtring 22 ist in einem Dichtungsschlitz 24 am oberen Pumpeneinsatz 18 derart angeordnet, daß er auf der Innenseite des Gehäuses 12 anliegt und eine Abdichtung zwischen dem Geh.'iuse und dem Pumpeneinsatz bewirkt. Auf Grund der Anordnung des Dichtringes 22 im Dichtungsschlitz 24 des oberen Purapeneinsatzes 18 kann dieser beim Einwirken von Querkräften nach der Seite ausweichen, ohne daß der obere Pumpeneinsatz 18 wesentlichen Spannungsbeanspruchungen ausgesetzt wird. Dieser Dichtring 22 dient auch dem Zweck, das Eindringen der Kühlflüssigkeit vom unteren Gehäuse ins obere Gehäuse während eines Pumpüberganges zu erschweren. In dem oberen Pumpeneinsatz 18 ist ein Pumpenschaft 26 angeordnet, der sich bis in das untere Gehäuse 16 erstreckt. Am oberen Ende ist der Pumpenschaft 26 mit einer Kupplung 28 versehen, um diese an einen nicht dargestellten Motor anzuschließen. Ein sphärisches Lager 30 ist im Bereich des oberen Pumpeneinsatzes 18 angeordnet, wogegen ein hydrostatisches Lager 31 am unteren L-nde des Pumpenschaftes 26 vorgesehen ist und mit der Kühlflüssig- - 25 keit als Lagermedium arbeitet. Der Pumpenschaft 26 trägt am unteren Ende ein doppelseitiges Laufrad 32. Dieses Laufrad 32 ist mit einem jeweils um den Pumpenschaft 26 sich erstrekkenden oberen Einlauf 34 und unteren Einlauf 36 versehen. Das Laufradgehäuse 38 umgibt das Laufrad 32 und ist mit Hilfe von Streben 40 am oberen Pumpeneinsatz 18 gehaltert. Das Laufradgehäuse 38 dient der konstruktiven Abstützung des Leitapparates und der Labyrinthdichtungen. Die Streben 40 dienen nicht nur der Halterung des Laufradgehäuses 38, sondern ermöglichen auch, daß das Kühlmittel mit der Innenfläche des unteren Gehäuses 16 in Kontakt kommt und in den Einlauf 34 fließen kann.

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Als Kühlmittel kann dabei flüssiges Natrium Verwendung finden. In den Streben 40 sind Bohrungen vorgesehen, durch welche das unter hohem Druck stehende Kühlmittel in das hydrostatische Lager 31 fließen kann, um dort als S La-i'.'.rmedium :u dienen. Ein abnehmbarer ringförmiger Leitapparat 42 ist mit dem unteren Gehäuse 16 und dem Laufradgehäuse 38 verbunden. Das untere Gehäuse 16 umfaßt ferner einen Einlauf 44 und einen Auslauf 46 für die Kühlflüssigkeit, wobei der Einlauf und der Auslauf unter einem Winkel von 90 zueinander angeordnet sein können, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Die über den Hinlauf 44 zulaur'er.dc Kühlflüssigkeit dringt in das kugelförmige untere Gehäuse 16 ein, wobei das Laufrad 32 das Laufradgehäuse 38 und der ringförmige Leitapparat 44 vollständig von der Kahlflüssigkeit umgeben werden. Auf Grund des sich drehenden Laufrades 32 wird die Kühlflüssigkeit in den oberen hinlauf 34 und den unteren Einlauf 36 gesaugt. Vom Laufrad aus wird die Kühlflüssigkeit unter Druck durch den ringförmigen Leitapparat gepreßt, von welchem aus die Kühlflüssigkeit über den Auslauf 46 die Flüssigmetallpumpe 10 verläßt.

Ira unteren Gehäuse 16 sind eine Vielzahl von Druckkonsolen vorgesehen, in welchen der ringförmige Leitapparat 42 gehaltert ist. Diese Druckkonsolen können auf den Leitapparat 42

Z- wirkende Querkräfte aufnehmen. Ein Dichtring 50 sowie ein weiterer Dichtring 54 sind in einem Dichtungsschlitz 52 bzw. 56 des Laufradgehäuses 38 angeordnet. Diese Dichtringe sind in der selben Weise aufgebaut wie der im Dichtungsschlitz iv-geordnete Dichtring 22. Sie verlaufen längs dem gesamten

""■ Umfang des Laufradgehäuses und lassen eine seitliche Auslen-Vjng des ringförmigen Leitapparates 42 relativ zum Laufradgehäuse 38 zu, ohne daß die einzelnen Teile der Flüssigmetallpumpe 10 mit wesentlichen Spannungen beaufschlagt werden. >M?ser zweite und dritte Dichtring 50 bzw. 54 bewirken auch

eine Aufrechterhaltung der Auswirkung der einzelnen Teile zueinander

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einander während einer Relativbewegung.

7n der Darstellung gemäß Fig.5 ist die Flüssigmetallpumpe 10 in einem teilweise herausgezogenen Zustand gezeigt,wobei das Laufradgehäuse 38 zusammen mit dem darin befindlichen Laufrad und der obere Pumpeneinsatz 18 angehoben dargestellt ist. Aus dieser Darstellung läßt sich entnehmen,daß beim Anheben des oberen Pumpeneinsatzes 18 der ringförmige Leitapparat 42 sowohl mit dem Auslauf 46 als auch mit den Druckkonsolen 4 8 in Verbindung bleibt.Jedoch auch der ringförmige Leitapparat 4 2 ist herausnehmbar, und zwar dann, wenn der obere Pumpeneinsatz mit dem daran befestigten Laufradgehäuse entfernt ist. Auf diese Weise ist es möglich, sowohl Wartungsarbeiten als auch Inspektionen im oberen und im unteren Gehäuse sowie an den herausgenommenen Teilen vorzunehmen.

Bei der in Fig.6 dargestellten weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Flüssigmetallpumpe 10 mit einer erweiterten Einlaufkonstruktion versehen. Zu diesem Zweck ist am unteren Gehäuse 16 eine Führung 58 ausgebildet, welche an eine untere Einlaufleitfläche 60 für das Laufradgehäuse 38 angepaßt ist. Ferner sind am unteren Teil des oberen Pumpeneinsatzes 18 weitere Leitflächen in Verbindung mit den Streben 14 ausgebildet, welche zusammen mit den unteren Einlaufleitflächen 60 dafür sorgen, daß die Kühlflüssigkeit vom Einlauf 44 aus möglichst optimal zum Laufrad 42.geführt wird.

Aus den Darstellungen ergibt sich, daß die Kühlflüssigkeit vom Einlauf 44 aus mit Hilfe des sphärischen unteren Gehäuses 16 zum oberen Einlauf 34 und unteren Einlauf 36 in einfacher Weise geleitet wird.Da die ankommende Kühlflüssigkeit extrem hohe Temperaturunterschiede haben kann,können die Konstruktionsteile ,welche mit der Kühlflüssigkeit in Berührung kommen,extrem hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sein.

Da jedoch alle strukturellen Teile im unteren Gehäuse 16 der Kühlflüssigkeit

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achssymmetrisch ausgesetzt sind, wenn die sich aus einer iemperaturfehlverteiiung ergebenden thermischen Beanspruchungen und Deformationen minimalisiert. Der ringförmige Leitapparat 42 ist derart ausgebildet, daß die Druckbelastungen primär Membranspannungen in den Wandungen auslösen. Die strukturelle Effizienz, welche sich aus der extensiven Benutzung von Membranspannungszustiinden ergibt, ermöglicht die Verwendung verhältnismäßig dünner Wandungen mit einer geringen thermischen Trägheit. Überdies sind alle Teile des ringförmigen Leitapparates 42 direkt dem primären Kühlmittel ausgesetzt, sodaß sich dadurch vorübergehende Temperatur fehl Verteilungen minimalisieren.

Wie sich auf Grund der aus der Zeichnung entnehmbaren An-Ordnung ergibt, wird die durch den Auslauf ausfließende Strömung entstehende Schubbelastung von den Druckkonsolen 4 im unteren Gehäuse 16 aufgenommen. Da das Laufradgehäuse 38 gegenüber dem ringförmigen Leitapparat 42 mit Hilfe der schwimmenden Dichtringe abgedichtet ist,wird über die Dichtringe keine wesentliche Querkraft auf das Laufrad 32 und den Pumpenschaft 26 Übertragen. Deshalb ist die Lagerkonstruktion des Pumpenschaftes im wesentlichen unbeeinflußt von den ungleichen Drucklasten, welche auf Grund der Strömung des Kühlmittels durch die Pumpe entstehen. Die schwimmenden 5 Dichtringe dienen auch dazu, den Pumpenschaft 26 und dessen Lagerkonstruktion gegen Verformungen zu schützen, welche auf das obere Gehäuse 12 und das untere Gehäuse 16 einwirken und von Anschlußleitungen bzw. Verformungen im oberen Gehäuse herrühren können. Die Pumpenteile, welche exakt mit den rotierenden Teilen ausgerichtet sein müssen, sind die Lager und die Abdichtungen. Die Montage aller dieser Teile an Konstruktionselementen, welche gegenüber äußeren Einflußquellen für Verformungen isoliert sind, bewirkt eine ganz wesentliche Reduzierung des Betrags der Fehlausrichtung, welche im Betrieb noch auftreten kann.

Durch

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Durch die Maßnahmen der Erfindung werden innerhalb des unteren Gehäuses 16 große Taschen bzw. Ansammlungen des Kühlmittels

ermieden, welche von dem primären Kühlmittelfluß getrennt sind. Es besteht daher keine Notwendigkeit, einen Leckfluß vorzusehen, um innerhalb des unteren Gehäuses 16 ein Temperaturgleichgewicht sicherzustellen, wie das bei bekannten Pumpen der Fall ist. Die Verwendung von schwimmenden Dichtringen eliminiert auch die Notwendigkeit einer hohen Toleranzgenauigkeit, um die Ausrichtung der Zentren der Abdichtflächen sicherzustellen und beizubehalten. Die verhältnismäßig große Toleranz bezüglich der wahren Position der Durchmesserlagen der Dichtflächen wird möglich auf Grund der Anpassungsfähigkeit an Exzentrizitäten durch die schwimmenden Dichtringe und die statische Bestimmtheit der Dreipunktbefestigung.für den ringförmigen Leitapparat 42. Alle mechanische Bearbeitung bezüglich der Abdichtungen wird an den Dichtringen und in den Bereichen vorgenommen, in welchen sie untergebracht sind. Diese Bearbeitung kann mit herkömmlicher Genauigkeit für Komponenten dieser Art erfolgen und trotzdem zu einer hohen Dämpfung des Leckflusses führen. Die Konstruktion der Abdichtung macht es möglich, daß man einen Betrieb mit geringen Leckflüssen erreicht, indem die Anforderungen an eine präzise Passung für große, durch maschinelle Bearbeitung hergestellte Baugruppen eliminiert werden können. Ferner wird durch die direkte Übertragung außermittiger Druckbelastungen am ringförmigen Leitapparat 42 über die Druckkonsolen 48 auf das untere Gehäuse 16 die Notwendigkeit für die Abtragung von Lasten über die Dichtkontruktionen eliminiert. Dadurch wird auch das Problem der nicht axialsymmetrischen Dichtungsverformung unter Last zusammen mit den damit verbundenen zusätzlichen Leckverlusten eliminiert. Die Kombination dieser vorteilhaften Merkmale hilft dazu, die durch die Pumpeneinsätze an sich bedingten Kühlleckverluste wesentlich zu verringern.

Da alle wesentlichen querwirkenden Wechsellasten zwischen den

Pumpeneinsätzen

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Pumpeneinsätzen an den Grenzschichten zwischen dem ringförmigen Leitapparat 42 und dem unteren Gehäuse 16 im wesentlichen eliminiert sind, können differentielle axiale Ausdehnungen der Pumpeneinsätze relativ zum oberen S Gehäuse 12 und zum unteren Gehäuse 16 unter Bedingungen stattfinden, bei welchen Wechselwirkungslasten nahezu null sind. Dadurch wird die potentielle Gefahr für Verschweißerscheinungen oder Freßerscheinungen in diesen Bereichen ausgeschaltet.

Die Toleranzschwierigkeiten bei der maschinellen Bearbeitung, die sich bei der Anpassung von Pumpen für Leichtwasserreaktoren an Flüssigmetallpumpen für schnelle Brüter einstellen, ergaben sich auf Grund der Notwendigkeit, große rostfreie Stahlstrukturen mit hoher Genauigkeit ineinander einzupassen, um eine effektive Abdichtung für das unter hohem Druck stehende Natrium sicherzustellen. Durch die Verwendung der schwimmenden Dichtringe gemäß der Erfindung wurden diese Toleranzprobleme ausgeschaltet. Die schwimmenden Dichtringe machen die Pumpleistung unempfindlich gegen viele strukturelle Verformungserscheirungen, welche während der Herstellung und der Wartung der Pumpe auftreten können. Auch die bisherige begrenzte Zugänglichkeit für die Wartung und die Reparatur wird ausgeschaltet, da die Pumpeneinsätze leicht herausnehmbar sind. Damit ergibt sich eine Flüssigmetallpumpe, welche sehr zweckmäßig für schnelle Brüter verwendbar ist.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

\1 ^Flüssigmetallpumpe mit einem im wesentlichen kugelförmigen Pumpengehäuse und einem daran anschließenden Schaftgehäuse, wobei ein Pumpeneinsatz in die Gehäuse eingesetzt und im Bereich des unteren Endes des Schaftgehäuses abgestützt ist, und mit einem in dem Pumpeneinsatz drehbar gelagerten Pumpenschaft, an welchem ein doppelseitiges Laufrad zum Fördern des Flüssigmetalls montiert ist, d a du r c h gekennzeichnet,
- daß ein am Pumpeneinsatz (18) gehaltertes Laufradgehäuse (38) das Laufrad (32) umgibt, wobei das Laufradgehäuse (38) seinerseits von einem ringförmigen Leitapparat (42) umschlossen ist, welcher zentral im kugelförmigen Pumpengehäuse (16) angeordnet, an diesem abgestützt ist und das vom Laufrad (32) abfließende Flüssigmetall wegleitet,

- daß der Leitapparat (42) eine im wesentlichen kugelförmige Außenwandung hat, welche zusammen mit der in einem Abstand verlaufenden Innenwand des kugelförmigen Pumpengehäuses (16) die zufließende Kühlflüssigkeit zum Laufrad (32) leitet, wobei die Kühlflüssigkeit im wesentlichen über die gesamte Oberfläche des Leitapparates (42) strömt,

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-und

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- und daß der Leitapparat (42) eine im wesentlichen zylindrische Innenwandung hat, an welcher das Laufradgehäuse (38) abgestützt und aus welcher das Laufradgehäuse (58) zusammen mit dem Laufrad (32) und dem Pumpenschaft (Zb) als liinheit herausziehbar ist.
2 Flüssigmetallpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß am Pumpeneinsatz (18) ein erster Dichtungsschlitz (24) ausgebildet ist, in welchem ein am Schäftgehäuse (12) anliegender Dichtring (22) angeordnet ist, - und daß der Dichtring (22) einerseits das Pumpengehause (](>) gegen das Schaftgehäuse (12) abdichtet und andererseits Pine relative Bewegung zwischen dem Schaftgehäuse (12) und dem Pumpeneinsatz (18) zuläßt.
3 Flüssigmetallpumpe nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r ch gekennzeichnet,

daß weitere Dichtringe (SO, 54) in weiteren am Laufradgehäuse (38) angeordneten Dichtungsschlitzen (52, 56) angebracht sind, wobei diese Dichtringe (50, 54) an dem ringförmigen Leitapparat (42) anliegen und eine relative Bewegung zwisehen dem Laufradgehäuse (38) und dem ringförmigen Leitapparat (42) zulassen.
4 Flüssigmetallpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d adurch gekennzeichnet, - daß im unteren Pumpengehäuse (16) eine Vielzahl von Druckkonsolen (48) vorgesehen sind, in welchen der ringförmige Leitapparat (42) abgestützt ist.

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5 Flüssigmetallpumpe nach Anspruch 4, dadurch eekennzeichnet ,

- daß der ringförmige Leitapparat (42) einen radial ausgerichteten Auslauf hat, der verschiebbar in einen Auslauf s'4<>) für die Kühlflüssigkeit am Pumpengehäuse (16) eingreift.

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