DE2257949C3 - Zentrifugalpumpe mit Leckströmungskühler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentrifugalpumpe mit Leckströmungskühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Pumpen finden insbesondere als Primärkreisumlaufpumpen von Kernreaktoren Anwendung.

Eine Pumpe dieser Gärung ist bereits aus der GB-PS 51 785 bekannt Bei dieser bekannten Pumpe ist die den Leckströmungskühler bildende Ringkammer radial innen durch die Laufradwelle selbst begrenzt, und die durch die Wellendichtung an der laufradnahen Katnmerstirnwand entlang der Laufradwelle hindurchlekkende heiße Förderflüssigkeit tritt aus dieser Wellendichtung unmittelbar in die kühlrohrdurchzogene Ringkammer aus und verläßt diese Ringkammer nach Abkühlung schließlich durch einen zwischen der wellen- lagernahen Kammerstirnwand und der Welle gebildeten Ringspalt hindurch, wonach die abgekühlte Leckströmung zur Schmierung der Wellenlagerung benützt wird,

Der Leckströmungskühler der bekannten Pumpe hat den Nachteil, daß die durch die Wellendichtung an der laufradnahen Stirnwand in die Ringkammer eintretende Leckströmung sich erst allmählich über dr volle radiale Ausdehnung der Ringkammer ausbreitet und sich ίο dann wieder zur Welle hin konzentrieren muß, um an der wellenlagernahen Kammerstirnwand zwischen dieser und der Welle aus der Ringkammer austreten zu können. Dadurch bilden sich an beiden Kammerstirnwänden im radial äußeren Ringkammerbereich tote Zonen aus, die zur Leckströmungskühlung unwirksam sind.

Im Hinblick darauf, möglichst wenig Raum innerhalb

des Pumpengehäuses durch den Leckströmungskühler zu verlieren, ist jedoch anzustreben, den Leckströ mungskühler mit größtmöglicher Kühlwirkung und so kompakt wie möglich auszubilden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Pumpe der eingangs genannten Gattung den Leckströmungskühler im Hinblick auf die eben genannten Gesichtspunkte zu verbessern.

Diese Aufgabe wd gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird sichergestellt, daß sich die Leckströmung vor dem Eintritt in die Ringkammer über deren gesamte radiale Ausdehnung ausbreitet und die Ringkammer über deren gesamte axiale Länge in ihrer gesamten Radialausdehnung gleichmäßig durchsetzt, so daß weder an der Eintrittsseite noch an der Austrittsseite des Leckströmungs kühlers sich tote Zonen ausbilden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine bevorzugte Ausführungsr'orm der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt einer Zentrifugalpumpe mit einem Wärmeaustauscher nach der Erfindung,

F i g. 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, F i g. 4 einen vergrößerten Teilschnitt eines in bekannter Weise aufgebauten Wärmeaustauschers,

F i g. 5 einen vergrößerten Teilschnitt eines Wärmeaustauschers nach der Erfindung, und

F i g. 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 Gehäusewan dung 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 Hauptes flansch 14 und den Hals 15 verlaufende Welle 16, und schließlich ein Laufrad 17 aufweist, das mittels einer Laufradmutter 18 und einer Schraube 19 am unteren Wellenende befestigt ist. Die Welle 16 kann durch einen

nicht dargestellten Elektromotor angetrieben werden, der auf einem mittels Schrauben 22 auf der Oberseite des Hauptflansches 14 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 14 hindurcherstrecken und in das Gehäuse 11 eingeschraubt sind, am Hauptflansch befestigt

Wie die F i g. 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 Fi g. 1 besteht das Lager 25 aus einer auf die Welle 16 aufgepreßten Büchse 27, geeignetem Lagerroaterial 28 und einem das Lagermatcrial 28 einschließenden Lagergehäuse 29.

Wie weüerhin in F i g. 1 dargestellt ist, ist die Welle 16 innerhalb des Halses 15 und oberhalb des Lagers 25 von Drosselringen 31 umgeben. Diese Drosselringe 31 können nach einer bekannten Bauart ausgeführt sein. Außerhalb der Drosselringe 31 sind im Hauptfk nsch t4 als Radialspaltdichtungen ausgeführte Wellendichtungen 30 angeordnet Die Drosselringe 3t werden durch eine Hülse 32 in ihrer 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 35 befestigt Auf dem Gehäuse 34 ist durch Schrauben 37 ein Deckel 36 montiert

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 Laufrad 17 weist lie Pumpe einen Laufraddichtungsring 42, einen sich vom Laufrad 17 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 mitteis des Laufrades 17 durch den Diffusor 43 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 höht Temperatur der von der Pumpe umgewälzten Flüssigkeit ist das Lager 25 von einer zylindrischen Wärmesperre 45 umgeben und zwischen dem Laufrad 17 und dem Lager 25 ist ein ringförmiger Wärmeaustauseher oder Kühler 46 angeordnet. Die zylindrische Wärmesperre 45 weist eine innere Wandung 47 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 11 festgeklemmt. Der Zwischenraum zwischen den Wandungen 47 und 48 wird an seiner Unterseite durch eine Stirnwandung 51 verschlossen. An der äußeren Wandung 48 ist ein Flanschring 53 vorgesehen. Der Diffusor 43 ist beispielsweise durch

Schweißen an diesem Flanschring 53 befestigt Der Rohrkrümmer 44 weist nach oben ragende Stützen 54 und 55 auf, die mittels Schrauben 56 am Flansch 49 angeschraubt sind. Zwischen dem Flansch 53 und den Stützen 55 verläuft ein zylindrisches Teil 52.

ίο 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 61 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 6S 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 Verteilet platte 65 mit einer Anzahl von Bohrungen 66 versehen. Ebenso ist ein oberes Kopfstück 67 in der oberen Wandung 59 mit einer ähnlichen scheibenförmigen Verteilerplatte 65 versehen, damit die Flüssigkeit mit gleichförmiger Strömungsgeschwindigkeit aus der Kammer 57 ausströmt.

Wie in Fig.2 deutlicher dargestellt ist, sind die Lochungen 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 Wellcnachse an. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält die innere Reihe 16 Bohrungen, die mittlere Reihe 20 Bohrungen und die äußere Reihe 24 Bohrungen, wobei die Bohrungen alle gleiche Durchmesser aufweisen. Infolgedessen vergrößert sich die Gesamtquerschnittsfläche der Bohrungen der Verteilerplatten mit den» Abstand von der Wellenachse, wodurch eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit der in die Kammer 57 hinein und aus derselben herausströmenden Flüssigkeit erzielt wird, da die Gesamtquerschnittsfiäche 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 van Lochungen 66a, jedoch nehmen die Bohrungsdurchmesser der Bohrungen der radial aufeinanderfolgenden Reihen mit dem radialen Abstand von der V/ellenachse zu. Demgemäß wächst auch bei der abgewandelten Verteilerplatte 65a die GesamtquerschniUsfläche der Bohrungen mit dem Abstand zur Wellenachse.

Gemäß F i g. 5 ist an der Stelle, an welcher die untere Wandung i>8 die Welle 16 umgibt, eine erste Labyrinthdichtung 68 vorgesehen. Ebenso ist <tn 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 64 zur Welle 16 hin verlaufen. Die obere Wandung 59 weist eine Vieizahl

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 Laufrad 17 verhältnismäßig kleine Öffnungen 73 und 74 vorgesehen, durch welche Flüssigkeit in einer Kammer 75 oberhalb des Laufrades zugeführt wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß eine verhältnismäßig kleine Menge der vom Laufrad 17 umgewälzten Flüssigkeit durch einen Abschnitt der ersten Labyrinthdichtung 68 und durch die unteren Durchlasse 71 in das untere Kopfstück 64 strömt. Wie durch die Pfeile in Fig. 5 angedeutet ist, strömt die Flüssigkeit vom unteren Kopfstück 64 durch die Lochungen 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 Kuhiröhren 6J vorbei. Die gekühlte Flüssigkeit kann durch die Lochungen 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 '.ager 25 umgebenden Bereich hinein. Infolgedessen sind das Lager 25 und die Wellendichtungen gegen die hohe Temperatur der durch die Pumpe mittels des Laufrades 17 umgewälzten Flüssigkeit geschützt.

Es ist wesentlich, daß die Einlaßöffnungen der unteren Durchlässe 71 und die Auslaßöffnungen der oberen Durchlässe 72 mit Bezug auf die Achse der Welle 16 auf demselben Durchmesser angeordnet sind. Andernfalls würde ein Druckungleichgewicht auftreten, was ein Zurückströmen der Flüssigkeit entlang der Welle 16 zur Folge hätte.

Durch die Kühlröhren 62 zirkuliert eine Kühlflüssigkeit beispielsweise Wasser. Wie in F i g. 1 dargestellt ist, stehen die Durchlässe 76 und 77 im Flansch 49 mit 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 /2 entlang des Wärmeaustauschers 46 erstreckt Radial außen ist die Endkammer 82 durch eine zwischen der unteren Wandung 58 und der oberen Wandung 59 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 85 verbunden, die ähnlich der Endkammer ausgebildet ist Der Durchlaß 76 kann Ober ein Rohr an eine geeignete Versorgungsquelle angeschlossen seia Mit dem Durchlaß 77 ist ein Abflußrohr 87 verbunden. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, stehen die Kühlwindungen oder Kühlröhren 63 mit den 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 Laufrad 17 umgewälzten Flüssigkeit wird aus dem Pumpengehause Il durch öffnungen 89 in * τ äußeren Wandung 48 und im Teil 52 in die Wärmesperre 45 zugeführt. Infolgedessen ist die Wärmesperre 45 mit Flüssigkeit gelullt, welche 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.

L)ie Wirksamkeit der Wärmesperre 45 kann noch vergrößert werden, indem zwischen der inneren Wandung 46 und der äußeren Wandung 48 der Wärmesperre 45 eine Vielzahl von mit gegenseitigen radialen Abständen konzentrisch angeordneten Büchsen 91 vorgesehen werden. Die Büchsen 91 trennen die innerhalb der Wärmesperre 45 befindliche Flüssigkeit in vertikale Schichten, so daß dadurch die Wirksamkeit der Wärmesperre vergrößert wird.

Die Vorteile des vorliegenden Wärmeaustauschers gegenüber bekannten Wärmeaustauschern gehen aus einem Vergleich der F i g. 4 und 5 hervor. Bei dem in Fig.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 Wärmeaustauscherkanäle, 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 F i g. 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 Kuhiröhren 63 umgebende Wämeaustauschfläche im Vergleich mit dem in Fig.4 gezeigten Wärmeaustauscher wesentlich vergrößert. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher kann deshalb kom pakter 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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Zentrifugalpumpe mit etwa zylindrischem Gehäuse und darin gelagerter Laufradwelle sowie mit einem zwischen Laufrad und Wellenlagerung um die Laufradwelle herum angeordneten Leckströmungskühler in Form einer kühlrohxdurchzogenen Ringkammer mit zwei Stirnwänden, an denen jeweils eine Wellendichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer (57) an beiden Stirnseiten jeweils ein Kopfstück (64,67) mit einer gelochten (66) Verteilerplatte (65) aufweist, deren Gesamtlochquerschnittsfläche mit wachsendem Radialabstand von der Wellenachse größer wird, und daß die Wellendichtungen (68, 69) an den beiden Kammerstirnwänden jeweils zwei axial entlang der Welle (16) auseinanderliegende Dichtungsabschnitte aufweisen, deren Zwischenräume über Durchlaßkanäle (71, 72) mit dem betreffenden Kopfstück (64, 67) der Ringkammer verbunden sind.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer (57) radial innen durch eine mit Radialabstand von der Welle (16) angeordnete Büchse (61) begrenzt ist

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an den beiden Kammerstirnwänden (58, 59) angeordneten Wellendichtungen (68, 69) als Labyrinthdichtungen ausgebildet sind und daß uie Mündungsöffnungen der Durchlaßkanäle (71, 72) in de* Zwiv ',lenraum zwischen den beiden Dichtungsabf:hnitten der betreffenden Wellendichtung an beiden Villendichtungen gleiche Radialabstände von der Wellenachse haben.

4. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochungen (66) der Verteilerplatten (65) in Form von mit zunehmenden Radialabständen von der Wellenachse gelegenen konzentrischen Kränzen angeordnet sind, die entsprechend ihren Radialabständen von der Wellenachse wachsende Anzahlen von Lochungen aufweisen.

5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der in Form von konzentrischen Kränzen mit wachsendem Radialabstand von der Wellenachse angeordneten Lochungen (66a) der Verteilerplatten (65a^ mit wachsendem Abstand von der Wellenachse größer wird.