DE3308914A1 - Einrichtung zum vermeiden oder wesentlichen vermindern von teillast-kavitationsschaeden bei einer kreiselpumpenanlage - Google Patents

Description

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M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg

Aktiengesellschaft

Nürnberg, 09. März 1983

Einrichtung zum Vermeiden oder wesentlichen Vermindern von Teillast-Kavitationsschäden bei einer Kreiselpumpenanlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Vermeiden oder wesentlichen Vermindern von Teillast-Kavitationsschäden bei einer Kreiselpumpenanlage, insbesondere Kondensatpumpenanlage .

Bei Kondensatpumpen von Kraftwerksanlagen, insbesondere Dampfkraftwerken, treten im Zuge der Vergrößerung der Pumpenfördermengen auf Werte von = 900 r- (r- = Tonnen pro Stunde) immer häufiger kavitationsbedingte Schaden am Eintritt von im Auslegepunkt auf stoßfreien Eintrittszustand ausgelegten Laufradschaufeln auf. Aus der Lage der Beschädigungen an der Unterseite der Laufschaufeln geht hervor, daß als Ursache der Schaden Teillast-Kavitation anzunehmen ist.

Als Gegenmaßnahme gegen Kavitationsschäden wiriim Kraftwerksbau nach Erreichen eines bestimmten niedrigen Kondensatspiegels eine Teilmenge - in der Praxis als Mindestmenge bezeichnet - über eine Bypassleitung, die die Pumpendruckleitung mit dem Innenraum des Kondensators verbindet und in der eine vom Kondensatspiegel geregelte Ventileinrichtung angeordnet ist in den Kondensator zurückgefördert. Obwohl die von den Pumpenherstellern geforderten Mindestmengen teilweise schon 50 bis 60 % des Auslegungsförderstroms, d. h. des dem Auslegungspunkt der Pumpe zugeordneten Förderstroms, erreichen, ist immer noch kein ausreichender Schutz vor Teillast-Kavitation vorhanden.

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Auch der Einsatz von Materialien hoher Verschleißbeständigkeit beim Pumpenlaufrad hat bisher keinen sichtbaren Erfolg gebracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der Schaden infolge Teillast-Kavitation bei möglichst geringem Aufwand zumindest wesentlich verringert werden. Außerdem soll die Einrichtung so angeordnet sein, daß im "Normalbetrieb" der Kraftwerksanlage durch sie keinerlei Verengungen des Querschnitts der flüssigkeitsfordernden Leitung gegeben ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Saugleitung der einzigen Kreiselpumpe bzw. - falls eine aus Vor- und Hauptpumpe bestehende Kreiselpumpenanlage vorgesehen ist— die Saugleitung der Vorpumpe an wenigsten einer Stelle unter Bildung eines bzw. je eines Axialspaltes unterbrochen ist, daß die Umfangsflache im Axialspalt auf Höhe des Saugleitungsaußendurchmessers die ringförmige Mündungsfläche einer konvergenten Ringdüse ist, deren Eintrittsöffnung in einer die Saugleitung umgebenden Treibwasserkammer mündet, der Druckwasser über eine mit der die sogenannte Mindestmenge führenden Druckleitung verbundenen Leitung zuführbar ist, und daß der sich an den Axialspalt anschließende, der Kreiselpumpe zugewandte Saugleitungsteil über seine Länge konstanten Querschnitt aufweist.- Durch diese Maßnahmen wird das Entstehen von Dampfblasen vermieden, da der Druck im Pumpeneinlauf durch Rückführung der Mindestmenge über die Ringdüse entsprechend erhöht ist. Auch ist die erfindungsgemäße Einrichtung ohne großen Aufwand noch nachträglich bei bestehenden Anlagen einbaubar.

Datei entsprechend hoher Ausflußgeschwindigkeit des Treibwassers (Kondensats) aus der Ringdüse zunächst eine erhebliche örtliche Druckabsenkung mit der Gefahr der Dampfblasenbildung stattfindet, sind, um Dampfblasenbildung in der Ringdüse zu vermeiden, in die Leitung zur Treibwasserkammer entsprechende druckreduzierende Mittel wie Drosselblenden, Drosselventile oder dergleichen eingebaut. Durch diese Maßnahmen kann der die Ausflußgeschwindigkeit bestimmende Druck in der Treibwasserkammer auf einen solchen Wert reduziert werden, daß Dampfblasenbildung und damit ^ Kavitation in der Ringdüse und in nachgeschalteten Rohrleitungsteilen , unterbleibt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt die Druckerhöhung in mehreren Stufen. - Diese Maßnahme ist erforderlich, wenn die durch Dampfblasenbildung in der Ringdüse der ersten Treibwassereinspeisung begrenzte Drucksteigerung nicht ausreicht, um am Eintritt der Kreiselpumpe Druckwerte zu erreichen, die genügend weit vom Sättigungsdruck des Wasserdampfkondensat^ entfernt liegen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind - bei Vor-' handensein mehrerer Ringdüsen entlang der Saugleitung -

in den Leitungen zu den Treibwasserkammern druckreduzierende Mittel unterschiedlicher Druckreduzierung vorgesehen, derart, daß der Treibwasserdruck an der der Kreiselpumpe bzw. Vorpumpe entferntesten Einspeisung am geringsten und an der der Kreiselpumpe bzw. Vorpumpe nächstliegenden Einspeisung am höchsten ist. - Die Wahl eines höheren Treibwasserdrucks an den der ersten Einspeisung folgenden Einspeisungen ist möglich, weil durch die vorgeschaltete (n) Ringdüse (n) bereits eine Drucksteigerung erfolgt ist, und dadurch der Abstand zum Druck, bei dem Dampfblasen entstehen, größer wurde.

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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung im Zusammenhang mit einer Kondensatpumpenanlage einer Dampfkraftwerksanlage schematisch dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus dem Schema eines Dampfkraft-.prozesses und,

Fig. 2 'einen Längsmittelschnitt durch die Saugleitung der Vorpumpe im Bereich der erfindungsgemäßen Einrichtung.

In Fig. 1 ist mit 1 der Kondensator zum Niederschlagen des Abdampfes einer Dampfturbine oder Dampfturbinenstufe beziffert, dessen Kondensatsammeiraum 2 über eine Leitung 3 - in die eine eine Vorpumpe 4 und eine Hauptpumpe 5 aufweisende Kondensatpumpenanlage mit Ausbildung der Pumpen in Form von Kreiselpumpen, eine Kesselspeisewasser-Vorwärmeinrichtung 6 und eine Ventileinrichtung geschaltet sind - mit dem nicht gezeichneten Kesselspeisewasserbehälter bzw. dem Kessel verbunden ist. Vor der Ventileinrichtung 7 und hinter der Kesselspeisewasser-Vorwärmeinrichtung 6 zweigt eine Bypass-Leitung 8, die in de^ Kondensator 1 mündet, ab. In der Bypass-Leitung 8 ist nahe ihrem kondensatorseitigen Ende ein Ventil 9, eine Blende oder dergleichen die Geschwindigkeit durch Querschnittsverringerung erhöhendes Mittel vorgesehen. Von der Bypass-Leitung 8 zweigt - vor dem Ventil 9 eine Leitung 10 ab, die mit einer die Saugleitung der Vorpumpe 4 umgebenden Ringdüse verbunden ist. In die Leitung 10 oder in den vor der Abzweigung der Leitung 10 liegenden Leitungsteil der Leitung 8 ist eine Ventileinrichtung 11 geschaltet. Die der Veränderung des Durchflußquerschnitts dienenden Organge der Ventileinrichtungen 7 und 11 werden in Abhängigkeit vom Niveau des Kondensatspiegels so geregelt, daß der Kondensatpumpenanlage stets eine ausreichende Kondensatmenge zur Verfügung steht. Das Ventil 9 hat die Aufgabe, etwaigen über der sogenannten Mindestmenge liegenden Mengenüberschuß in den Kondensator

abfließen zu lassen, sowie bei längerem Bypass-Betrieb das Temperaturniveau zu begrenzen.

Die Leitung 10 mündet in eine die Saugleitung 12 der Vorpumpe 4 umgebende. Treibwasserkammer 13. Damit das unter einem entsprechend hohen Druck stehende Wasser (Kondensat) aus der Treibwasserkammer 13 in den entsprechenden Saugleitungsteil gelangen kann, ist die Saugleitung 12 unter Bildung eines sich über den ganzen Rohrdurchmesser erstreckenden Axialspalts 14 getrennt. Die Umfangsflache auf Höhe des Saugleitungsaußendurchmessers ist die Mündungsfläche einer konvergenten Ringdüse'15, deren äußere Mantelfläche von einem entsprechend geformten Wandteil 16a der Treibwasserkammer 13 und deren innere Mantelfläche von einer entsprechend geformten Außenfläche 16b der Saugleitung 12 gebildet wird. Die Eintrittsöffnung der Ringdüse 15 mündet in die Treibwasserkammer 13, so daß die Einführung der für die Drucksteigerung in der Saugleitung bestimmten Mindestmenge ringförmig am gesamten Umfang der Saugleitung 12 erfolgt. Die Verhältnisse sind hinsichtlich einzuspritzender Kondensatmenge, Austrittsquerschnitt an der Ringdüse und Druckniveau des Treibwassers so zu wählen, daß der Druck vor dem Laufradschaufeleintritt der Vorpumpe 4 /^ stets so hoch ist, daß sich das Strömungsmedium (Kondensat) ausreichend weit vom Sättigungsdruck ent-• fernt befindet. Die der Ringdüse 15 nachgeschaltete Saugleitung bleibt, wie bisher_/ zylindrisch, wobei auf eine mögliche Ausbildung der Saugleitung als Diffusor und Mischstrecke mit Querschnittsverminderung bewußt verzichtet wird. Das Beibehalten der zylinderischen Saugleitung bedingt zwar eine Wirkungsgradeinbuße der Wasserstrahlpumpe, jedoch wird der Normalbetrieb mit großen Mengen - d.h. der Betriebszustand, bei denn die Ventileinrichtung 7 offen und die Ventileinrichtungen 9 und 11

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geschlossen sind - durch zusätzliche Druckverluste als Folge von Querschnittsverengung nicht beeinträchtigt.

Falls der Druck in der Tr-eibwasserkammer 13 so hoch ist, daß die Gefahr der Kavitation in der Ringdüse 15 und nachgeschalteten Rohrleitungsteilen gegeben ist, ist es zweckmäßig, den Druck vorher durch Drosselblenden oder entsprechende druckmindernde Armaturen auf einen ungefährlichen Wert zu verringern.

Statt das Treibwasser (Kondensat) an einer Stelle der Saugleitung 12 einzuführen, kann man es auch, in Strömungsrichtung der Saugleitung 12 gesehen,in mehreren Stufen zuführen. Vorzugsweise wird man entlang der Saugleitung mehrere Ringdüsen entsprechend der Ringdüse 15 vorsehen, und die Zuleitungen zu den Ringdüsen bzw. zu den entsprechenden Treibwasserkammern und die Ringdüsen so gestalten, daß die einzuspeisende Treibwassermenge bei allen Stufen zumindest annähernd gleich ist. Dabei kann der Druck vor Einspeisung des Treibwassers durch den Einbau von entsprechenden Drosselblenden oder dergleichen druckverringernden Armaturen gestaffelt werden, derart, daß der Treibwasserdruck an der der Kreiselpumpe (Vorpumpe 4) . entferntesten Einspeisung am geringsten ist.

Der Treibwasserstrom aus der Mindestmengenleitung bleibt infolge des Ventils 9 konstant. - Da die Drucksteigerung durch das eingespeiste Treibwasser um so höher wird, je kleiner der Durchsatz in der Saugleitung 12 ist, steigt auch die erreichbare Drucksteigerung in der Pumpenleitung mit abnehmenden Durchsatz. Diese Tendenz kommt dem wachsenden Vordruckbedarf der Pumpen bei fallendem Durchsatz entgegen.

Statt einer Kreiselpumpenanlage mit Vor- und Hauptpumpe kann

auch eine Anlage mit nur einer einzigen Kreiselpumpe vorhanden sein.

Bevorzugte Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Einrichtung sind Anlagen mit Kondensatpumpen, Nebenkondensatpumpen , Kesselspeisepumpen,und Umwälzpumpen im Kernreaktorbereich, wobei die dort eingesetzten Pumpen generell Kreiselpumpen sind.

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Claims (5)

1. 33089H

   sk-gr

   M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg

   Aktiengesellschaft

   Nürnberg, 09. März 1983

   Patentansprüche

   Einrichtung zum Vermeiden oder wesentlichen Vermindern von Teillast-Kavitationsschäden bei einer Kreiselpumpenanlage, insbesondere Kondensatpumpenanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugleitung der einzigen Kreiselpumpe bzw. - falls eine aus Vor- und Hauptpumpe bestehende Kreiselpumpenanlage vorgesehen ist - die Saiag!ße5i,tung (12) der Vorpumpe (4) an wenigstens einer Stelle unter Bildung eines bzw. je eines Axialspaltes (14) unterbrochen ist, daß die Umfangsflache im Axialspalt auf Höhe des Saugleitungsaußendurchmessers die ringförmige Mündungsfläche einer konvergenten Ringdüse (15) ist, deren Eintrittsöffnung in einer die Saugleitung umgebenden Treibwasserkammer (13) mündet, der Druckwasser über eine mit der die sogenannte Mindestmenge führenden Druckleitung (8) verbundenen Leitung (10) zuführbar ist, und daß der sich an den Axialspalt (14) anschließende, der Kreiselpumpe (4) zugewandte Saugleitungsteil über seine Länge konstanten Querschnitt aufweist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitung (10) zur Treibwasserkammer (13) druckreduzierende Mittel wie Drosselblenden, Drosselventile oder dergleichen eingebaut sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerhöhung in mehreren Stufen erfolgt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei mehrere Ringdüsen entlang der Saugleitung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Leitungen zu den Treibwasserkammern druckreduzierende Mittel unterschiedlicher Druckreduzierung vorgesehen sind, derart, daß der Treibwasserdruck an der der Kreiselpumpe bzw. Vorpumpe (4) entferntesten Einspeisung am geringsten und an. der der Kreiselpumpe bzw. Vorpumpe (4) nächstliegenden Einspeisung am höchsten ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse (15) an der tiefsten Stelle der Saugleitung

   (12) vorgesehen ist.