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Diese
Erfindung bezieht sich auf Pumpen, die zum Zirkulieren von Kühlwasser
in Kernreaktoren eingesetzt werden. Mehr im einzelnen bezieht sie sich
auf eine Wärmesperre,
welche Pumpendichtungen und Lager vor dem heißen Reaktorkühlwasser schützt, und
auf eine Pumpe, die eine solche thermische Sperre beinhaltet.
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Die
Pumpen, welche Kühlwasser
durch einen Kernreaktor zirkulieren, sind rauhen Bedingungen ausgesetzt.
Das Reaktorkühlwasser
in einem Druckwasserreaktor (PWR) befindet sich typischerweise auf
einem Druck von etwa 15,5 MPa (2250 psi) und auf einer Temperatur
oberhalb von 260°C
(500° Fahrenheit).
Die Lager und Dichtungen für
die Pumpenwelle werden vor diesen Bedingungen durch eine thermische
Sperre geschützt.
Eine übliche
Bauart einer thermischen Sperre umfasst eine zylindrische Abdeckung,
welche in einer Aussparung im Pumpengehäuse sitzt, wo die Pumpenwelle
in die Pumpenkammer verläuft.
Diese Abdeckung hat eine Endwand, durch welche die Pumpenwelle in
die Pumpenkammer verläuft.
Kühlwasser
wird durch einen Flansch am gegenüberliegenden Ende der Abdeckung
eingespritzt, das im Pumpengehäuse
sitzt, und strömt
durch einen Spielraum zwischen der Pumpenwelle und der Öffnung in
der Endwand der Abdeckung in die Pumpenkammer heraus. Zur Unterstützung der
durch dieses eingespritzte Wasser bewirkten Kühlung umgibt ein Stapel von
Flachkühlschlangen
die Welle unter der Abdeckung. Einlaß- und Auslassabschnitte der Flachkühlschlagen
verlaufen axial vom Umfang des Schlangenstapels und durch den Flansch
der Abdeckung hindurch. Eine getrennte Zufuhr von Kühlwasser
kann durch dieses geschlossene Kreislaufsystem zirkuliert werden.
Ein zusätzlicher
Wärmeschutz
wird durch einen ringförmigen
Isolator bewirkt, der an der Innenfläche der Abdeckungsseitenwand
angeordnet ist. Solche thermische Sperren halten die Temperatur
des Wassers innerhalb der Abdeckung deutlich unterhalb der 288°C (550° Fahrenheit)
des gepumpten Reaktorkühlwassers
und auch unterhalb der 104°C
(220° Fahrenheit) Maximaltemperatur
für die
Dichtungen und Lager.
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Jedoch
haben sich nach vielen Betriebsjahren einige Risse am Übergang
zwischen der Endwand und der Seitenwand der Abdeckung, in der Schweißung zwischen
der Abdeckungsseitenwand und dem Flansch, und im Flansch angrenzend
an die Einlaß-
und Auslaßdurchführungen
der Flachkühlschlangen
und der Durchführung
für das
Einspritzwasser entwickelt.
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Es
besteht daher ein Bedarf nach einer verbesserten thermischen Sperre
für Reaktorkühlmittelpumpen
und eine Reaktorkühlmittelpumpe,
die eine solche verbesserte thermische Sperre beinhaltet.
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Die
US-A-5 246 337 und die FR-A-2 649 165 beschreiben jeweils eine Reaktorkühlmittelpumpe gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet eine Reaktorkühlmittelpumpe, wie sie im Anspruch
1 angegeben ist.
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Diese
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die gegenwärtige Konfiguration
von thermischen Sperren für
Reaktorkühlmittelpumpen
zu einer schlechten Vermischung des relativ kühlen Einspritzwassers, das
mit etwa 54°C
(130° Fahrenheit)
und einer Strömungsrate
von etwa 30 Liter/Minute (8 Gallonen pro Minute) in die Abdeckung
eintritt, und dem heißeren,
etwa 82°C
(180° Fahrenheit)
Wasser innerhalb der thermischen Sperre resultiert. Die im Ergebnis
erzeugte Strömungsschichtung
setzt die Innenwände
der die thermische Sperre bildenden Abdeckung schwankenden Wassertemperaturen
aus. Je höher
die stationäre
Wandtemperatur der thermischen Sperre ist, desto schlechter sind
die Wirkungen der Wassertemperaturschwankungen bei der Induzierung
zyklischer thermischer Spannungen in der Sperre. Wirbel, die durch
die hohe Drehzahl der Pumpenwelle erzeugt werden, tragen zu der
ungleichmäßigen Temperaturverteilung über der
Endwand der Wärmesperreabdeckung
bei. Schließlich ist
festgestellt worden, daß sich
Spalte zwischen dem inneren Becherisolator und der Innenwandfläche der Abdeckungswand öffnen, wodurch
die thermischen Schwankungseffekte noch verstärkt werden.
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Dementsprechend
hat bei der thermischen Sperre nach der Erfindung die etwa zylindrische
Abdeckung vorzugsweise eine Innenwandfläche, die komplementär zu der
unregelmäßigen Umfangsfläche des
Flachkühlschlangenstapels
verläuft,
die sich aus den axial verlaufenden peripheren Einlaß- und Auslaßrohren
der Flachkühlschlangen
ergibt. Dies minimiert das freiströmende Wasservolumen in dem Ringraum
zwischen dem Flachkühlschlangenstapel und
der Innenwandfläche
der zylindrischen Abdeckung, um die Tendenz zur Strömungsschichtung
zu verringern und die Strömungsturbulenz
zu steigern, die eine bessere Durchmischung der heißen und
kalten Strömungen
erzeugt.
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Vorzugsweise
verläuft
eine Manschette entlang der Pumpenwelle von der Endwand des etwa zylindrischen
Gehäuses
aus, um die Ausbildung von Wirbeln zwischen der Endwand und dem
Flachkühlschlangenstapel
zu verhindern. Diese Manschette hat eine Mehrzahl von umfangsmäßig verteilten,
radial verlaufenden Durchgangsbohrungen. Vorzugsweise ist diese
Manschette mit einem ringförmigen
Füllstück kombiniert,
das zwischen der Endwand der etwa zylindrischen Abdeckung und dem
Flachkühlschlangenstapel
zum Vorbelasten der Schlangen angeordnet ist. Bei dieser Anordnung
stellt die Manschette die Zentrierung des Füllstücks sicher.
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Als
zusätzlichen
Aspekt der Erfindung ist der innere Becherisolator zugunsten eines äußeren Isolators
eliminiert, der umfangsmäßig um mindestens einen
Teil der Außenfläche der
etwa zylindrischen Abdeckung und axial entlang derselben verläuft. Dieser äußere Isolator
umfasst eine äußere Hülse, die zusammen
mit der etwa zylindrischen Abdeckung eine Ringkammer bildet, die
im wesentlichen stagnierendes Reaktorkühlwasser enthält. Vorzugsweise unterteilt
eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter ringförmiger Becher die ringförmige Kammer
in eine Mehrzahl konzentrischer Abschnitte, die jeweils Reaktorkühlwasser
enthalten. Die ringförmige
Kammer und daher die konzentrischen Abschnitte stehen mit der Pumpenkammer
ausreichend in Verbindung, um den Druck auszugleichen, aber trotzdem
das Kühlwasser
in der Kammer im wesentlichen stagnierend zu halten.
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Die äußere Hülse kann
auf den etwa zylindrischen Deckel aufgeschrumpft und räumlich durch axial
beabstandete Schultern auf dem zylindrischen Deckel fixiert sein.
Vorzugsweise hat die Hülse
einen niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten
als der zylindrische Deckel.
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Ein
vollständiges
Verständnis
der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen, in denen zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine Reaktorkühlmittelpumpe
gemäß der Erfindung,
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2 einen
Teilschnitt durch eine Pumpe nach 1, in vergrößertem Maßstab dargestellt,
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3 ebenfalls
einen Teilschnitt durch die Pumpe nach 1, aber
winkelmäßig versetzt
von der Ansicht nach 2,
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4 eine
isometrische Darstellung eines Stapels von Flachkühlschlangen,
der Teil der Pumpe nach 1 bildet, kopfstehend dargestellt,
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5 eine
Draufsicht eines Deckels, der Teil der Pumpe bildet, wobei kaskadenartige
Abstufungen der Innenwandfläche
der Deckelwand dargestellt sind,
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6 einen
Vertikalschnitt durch den zylindrischen Deckel, wobei die kaskadenartigen
Abstufungen gezeigt sind,
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7 einen
Längsschnitt
durch eine Wirbelschutzsperre, die Teil der Pumpe nach 1 bildet,
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8 einen
Schnitt in vergrößertem Maßstab durch
den zylindrischen Deckel, wobei die Konstruktion des äußeren Isolators
dargestellt ist, der Teil der Erfindung bildet,
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9 eine
Einzelheit von 8 in vergrößertem Maßstab,
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10 eine
weitere Einzelheit von 8 in vergrößertem Maßstab.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Gemäß 1 weist
die Reaktorkühlmittelpumpe 1 ein
Pumpengehäuse 3 auf,
das eine Pumpenkammer 5 bildet. Eine von Lagern 9,
die im Gehäuse 3 montiert
sind, abgestützte Pumpenwelle 7 verläuft in die
Pumpenkammer 5. Ein Laufrad 11 ist am freien Ende
der Pumpenwelle 7 in der Pumpenkammer 5 befestigt.
Die Pumpenwelle 7 wird durch einen Motor 13 (schematisch
dargestellt) zum Antrieb des Laufrads 11 gedreht, welches
Reaktorkühlmittel
durch einen Einlaß 15 ansaugt
und es durch einen Auslaß 17 abfördert. Wie
besser in 2 sichtbar ist, trägt eine
Hülse 19 obere
und untere Labyrinthdichtungen 21u und 21l, die
gegen die Pumpenwelle 7 abdichten.
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Wie
oben erörtert,
befindet sich das Reaktorkühlwasser
in der Pumpenkammer 5 auf einer Temperatur von etwa 288°C (550° Fahrenheit)
und einen Druck von etwa 15,5 MPa (2250 psi). Um die Dichtungen 21 und
die Lager 9 gegen diese rauen Bedingungen zu schützen, ist
eine thermische Sperre 23 vorgesehen. Die thermische Sperre 23 umfaßt eine etwa
zylindrischen Deckel 25 mit einer Endwand 27 mit
einer mittigen Öffnung 29,
durch welche die Pumpenwelle 7 verläuft. Eine thermische Hülse 31 ist
auf der Pumpenwelle 7 an der Öffnung 29 vorgesehen.
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Eine
Anzahl von Montageschrauben 33 verläuft durch Längsbohrungen 35 in
diametral gegenüberliegenden
Sektoren des zylindrischen Deckels 25 (siehe 2 und 5),
um diesen am Pumpengehäuse 3 zu
befestigen (Diese Anordnung eliminiert Rissbildung in den Schweißungen,
die zuvor den Deckel mit dem Gehäuse
verbunden haben.) Eine ringförmige
Dichtung 37 ist zwischen dem zylindrischen Deckel 25 und
dem Gehäuse 3 vorgesehen.
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Gemäß 3 wird
Kühlwasser
in das Innere des zylindrischen Deckels 25 durch einen
Kanal 39 eingespritzt, der eine Radialbohrung 41 umfaßt, die mit
einer Axialbohrung 43 im Gehäuse 3 in Verbindung
steht. Die Axialbohrung 43 ist an ihrer Schnittstelle mit
der Radialbohrung 41 eingeschnürt, um den erforderlichen Druckabfall
für einen
Strömungsmesser
(nicht dargestellt) zu schaffen, schließt aber das Einspritzen eines
Hochgeschwindigkeitsstroms in das Innere des zylindrischen Deckels 25 aus.
Das eingespritzte Kühlwasser
bewirkt eine Kühlung
der Pumpenwelle 7 und der Dichtungen 21 und gelangt aus
dem Deckel in die Pumpenkammer 5 durch den Ringspalt heraus,
der durch die Öffnung 29 in
der Endwand 27 des Deckels und die thermische Hülse 31 auf
der Pumpenwelle gebildet ist.
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Eine
sekundäre
Kühlung
der Pumpenwelle 7 und der Dichtungen 21 wird durch
einen Stapel 45 von Flachkühlschlangen 47 bereitgestellt.
Wie am besten in 4 sichtbar ist, hat jede der
Flachkühlschlangen 47 ein
Einlaß-
und ein Auslassrohr 49, die von diametral gegenüber liegenden
Stellen am Umfang der Schlange axial wegragen. Die Einlaß- und Auslaßrohre 49 der
aufeinanderfolgenden Flachschlangen 47 im Stapel 45 sind
winkelmäßig von denjenigen
der benachbarten Schlange versetzt. Dies erzeugt eine unregelmäßige Umfangsfläche 41 am
Stapel 45. Da sämtliche
Einlaß-
und Auslassrohre 49 aufwärts zum Pumpengehäuse verlaufen,
bildet diese unregelmäßige Umfangsfläche 45 zwei
diametral gegenüber
liegende Gruppen 53a und 53b von kaskadenartigen
Abstufungen 55. Bei den herkömmlichen thermischen Sperren
war die Innenoberfläche des
Deckels zylindrisch und hatte einen Durchmesser, um die Einlaß- und Auslaßverrohrung
der Flachkühlschlangen
aufzunehmen. Daher war ein ziemlich großer Ringraum zwischen dem Stapel 45 der
Flachkühlschlangen
und dem Deckel im Bereich der anderen, nicht vom Verlauf der Kühlrohre
eingenommenen Bereich des Stapels vorhanden. Wir haben gefunden,
daß dies
zur Erzeugung von Strömungsschichtung
tendiert, welche die Wände
des Deckels schwankenden Wassertemperaturen aussetzt. Dies wiederum
induzierte zyklische Wärmespannungen, von
denen wir glauben, daß sie
zur Rissbildung im Deckel führte,
insbesondere am Übergang
zwischen Seitenwand und Stirnwand.
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Gemäß der Erfindung
ist der zylindrische Deckel 25 mit einer inneren Umfangsfläche 57 ausgebildet,
die komplementär
zur unregelmäßigen äußeren Umfangsfläche 51 des
Stapels 45 von Flachkühlschlangen
ist. Daher ist, wie in den 5 und 6 sichtbar
ist, diese Innenfläche 57 des
Deckels mit zwei diametral gegenüber
liegenden Gruppen 59a und 59b von kaskadenartigen
Abstufungen 71 versehen, die mit Gruppen 53a und 53b kaskadenartiger Abstufungen
am Stapel 45 der Kühlschlangen
zusammenpassen. Diese Anordnung minimiert den Ringraum 63 (siehe 3)
zwischen dem Stapel 45 der Flachkühlschlangen und der Innenfläche 57 des zylindrischen
Gehäuses 25 und
bildet einen etwa ringförmigen
Strömungspfad
für Einspritzwasser.
Die radiale Abmessung dieses Strömungspfads
beträgt etwa
0,25 Zoll (3,175 mm) bis 0,25 Zoll (6,35 mm) und vorzugsweise etwa
0,125 Zoll (3,175 mm). Dies bietet einen zweifachen Vorteil. Es
minimiert eine Strömungsschichtung
von Kühlwasser
und steigert die Strömungsturbulenz,
was wiederum eine bessere Durchmischung der Einspritzströmung mit
dem Wasser in der thermischen Sperre begünstigt.
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Wie
erwähnt,
bildet der Stapel 45 von Flachkühlschlangen eine alternative
Maßnahme
zur Bereitstellung von Kühlung
für die
Dichtungen 21 und die Lager 9. Zusätzliches
Kühlwasser
wird in einer geschlossenen Schleife durch diese Flachkühlschlangen 47 zirkuliert.
Ohne Einspritzen von Kühlwasser
durch den Kanal 39 strömt
das Reaktorkühlmittel
in der Pumpenkammer 5 durch den Spalt zwischen der Öffnung 29 in
der Endwand 27 des Deckels und der Pumpenwelle 7 und
strömt
aufwärts und
auswärts über die
untere Hälfte
des Stapels 45 von Kühlschlangen.
Wie man aus 2 erkennt, hat die Hülse 19 einen
Radialflansch 65 an ihrem unteren Ende, der sich zwischen
oberen und unteren Hälften des
Stapels 45 der Flachkühlschlangen
auswärts
erstreckt. Dies resultiert in einer Strömung von Reaktorkühlmittel
radial auswärts
in der unteren Hälfte
des Stapels und dann radial einwärts
in der oberen Hälfte.
Dieses Kühlmittel
gelangt dann durch die Labyrinthdichtungen 21 und durch
die Lager.
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Die
thermische Sperre 23 nach der Erfindung enthält weiter
eine zylindrische Manschette 67, die entlang der Pumpenwelle 7 von
der mittigen Öffnung 29 in
der Endwand 27 aus und dann axial in den Stapel 45 der
Flachkühlschlangen
hinein verläuft,
wie man in 2 sehen kann. Diese Manschette 67,
die in 7 im Schnitt gezeigt ist, bildet eine Antiwirbelsperre,
die verhindert, daß durch
den Umlauf der Pumpenwelle 7 erzeugte Wirbel radial über den
unteren Bereich des Deckels strömen,
was thermische Schwankungen an der unteren Innenfläche des
Deckels verursachen könnte.
Die Manschette 67 hat eine Anzahl von radial verlaufenden,
umfangsmäßig beabstandeten Öffnungen 69,
so daß die
thermischen Bedingungen der Wärmetauscherschlangen durch
das Vorhandensein der Manschette nicht wesentlich verändert werden.
Vorzugsweise verläuft
ein Ringflansch 71 radial auswärts vom unteren Ende der Manschette
angrenzend an die Endwand 27. Dieser Flansch 71,
der zwischen den Stapel 45 der Flachkühlschlangen und der Endwand 27 angeordnet
ist, erfüllt
die Funktion des zuvor vorgesehenen Füllstücks, welches den Stapel der
Flachkühlschlangen
vorbelastet, und kann so bearbeitet werden, daß es Toleranzen beim Zusammenbau
des Stapels aufnehmen kann, die von Pumpe zu Pumpe variieren können. Die Öffnungen 69 verlaufen
abwärts
zum Flansch 71, um den Deckel für die Wartung vollständig zu
entleeren.
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Wie
erwähnt,
wurde außerdem
herausgefunden, daß die
zuvor verwendete innere Isolatorhülse eine Quelle für thermische
Spannungen bildete, indem sie heißes Kühlmittel in einen Spalt zwischen dem
unteren Ende der inneren Sperre und dem zylindrischen Deckel eintreten
ließ.
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Die
vorliegende Erfindung eliminiert diesen inneren Isolator und sieht
stattdessen einen äußeren Isolator 73 vor.
Wie man am besten in den 8–10 sieht,
weist der äußere Isolator 73 eine
Hülse 75 auf,
welche mit der äußeren Fläche 77 des
zylindrischen Gehäuses 25 einen
ringförmige Kammer 79 bildet.
Vorzugsweise ist diese ringförmige
Kammer durch eine Ringnut 81 in der Umfangsfläche 77 des
zylindrischen Gehäuses 25 gebildet.
Diese Ringkammer 79 kommuniziert mit der Pumpenkammer 5 durch
eine kleine Öffnung 83.
Diese Öffnung 83 läßt Reaktorkühlmittel
die Kammer 79 füllen. Die
Größe der Öffnung 83 ist
derart, daß der
Druck innerhalb der Ringkammer 79 mit dem Druck in der Pumpenkammer 5 ausgeglichen
wird, aber das Reaktorkühlmittel
innerhalb der Ringkammer 79 bleibt im wesentlichen stagnierend.
Bei der beispielsweisen Ausführungsform
der Erfindung hat diese Öffnung 83 einen
Durchmesser von etwa 0,125 Zoll (3,175 mm). Die stagnierende Schicht
des Reaktorkühlmittels
bildet eine ringförmige
Isolierschicht für den
Deckel.
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Vorzugsweise
ist die Ringkammer 79 durch eine Reihe von verschachtelten
ringförmigen
Bechern 85a–85c in
eine Anzahl konzentrischer ringförmiger
Abschnitte 79a bis 79d unterteilt. Bei dem beispielsweisen äußeren Isolator 73 hat
die Nut 81 eine Reihe ringförmiger Abstufungen 87a–87c,
an welchen die oberen Enden der Becher 85a–85c jeweils angeschweißt sind.
Daher sind die unteren Enden der Becher offen, so daß die konzentrischen
Abschnitte 79a–79d der
Kammer 79 miteinander in Verbindung stehen. Die radiale
Abmessung der konzentrischen Abschnitte 79a–79d der
Kammer 79 werden durch Noppen 89 auf den Bechern 85a–85c aufrechterhalten.
Diese Radialabmessung der konzentrischen Abschnitte 79a–79d beträgt vorzugsweise etwa
1,3 mm (0,05 Zoll) oder weniger.
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Die
Isolatorhülse 75 ist
auf das zylindrische Gehäuse 25 aufgeschrumpft.
Des weiteren ist die Isolatorhülse 75 aus
einem Material mit einem Wärmedehnungskoeffizienten
hergestellt, der kleiner als der Wärmedehnungskoeffizient des
zylindrischen Deckels 25 ist. Bei der beispielsweisen thermischen Sperre
wird dies dadurch erreicht, daß der
zylindrische Deckel aus rostfreiem 304-Stahl hergestellt wird, der
einen Wärmedehnungskoeffizienten
von etwa 9,5 bis 9,6 Zoll/Zoll/Grad Fahrenheit (17,195 bis 17,376
mm/mm/Grad Celsius) hat, während
die Isolatorhülse 75 aus
Legierung-625 hergestellt ist, die einen Wärmedehnungskoeffizienten von
etwa 7,1 Zoll/Zoll/Grad Fahrenheit (12,85 mm/mm/Grad Celsius) hat.
Die Isolatorhülse 75 ist
weiter an Ort und Stelle auf dem zylindrischen Deckel 25 durch
Ringschultern 91 und 93 gesichert. Diese Schultern
haben eine Radialabmessung von etwa 0,190 Zoll (4,826 mm) am oberen
Ende und 0,030 Zoll (0,762 mm) am unteren Ende. Die Isolatorhülse 75 wird
auf etwa 480°C
(900° Fahrenheit)
zum Aufschrumpfen auf das zylindrische Gehäuse 25 erhitzt und über die Schulter
von 0,30 Zoll (0,762 mm) eingeführt.
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Von
der oben beschriebenen thermischen Sperre wird erwartet, daß sie das
Auftreten von Rissbildung durch Minimieren des Volumens von eingespritzten
Kühlwasser
zum Reduzieren einer Schichtung durch Verschachtelung des Flachkühlschlangenstapels
mit Abstufungen minimiert, die in die Innenfläche des zylindrischen Deckels
eingearbeitet sind. Sie reduziert weiter die Rissbildung durch Vorsehen
einer Manschette, welche das Ausbreiten von Wirbeln über den
unteren Bereichen des Deckels unterdrückt. Außerdem reduziert sie den thermischen Gradienten über der
zylindrischen Deckelwand durch Vorsehen eines Isolators auf der
Außenfläche des
zylindrischen Deckels. Dies eliminiert auch die Temperaturspannungen,
die daraus resultieren, daß Wasser
unter den Rand des herkömmlichen
inneren Isolators gelangt. Rissbildung in der den Montageflansch
der herkömmlichen
Sperre sichernden Schweißung
wird durch Verwendung einer Schraubverbindung stattdessen eliminiert.