DE1928422A1

DE1928422A1 - Strahlpumpe

Info

Publication number: DE1928422A1
Application number: DE19691928422
Authority: DE
Inventors: Moen Robert Henry; Gluntz Douglas Marvin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-06-14
Filing date: 1969-06-04
Publication date: 1969-12-18
Also published as: ES368264A1; BE734531A; NL6908916A; US3625820A; GB1276143A; CH504626A; FR2010938A1

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH - ^_Λ so₃₄ unterpfaffenhofen 30. Mai 1969

PATENTANWALT 1928422 ^blumenSTRAsse s EH/AX

TELEFON; (MÜNCHEN) θ* 3β 38

TELEGRAMMADRESSE: PATENDLICH MÜNCHEN CABLE ADDRESS: PATENDLICH MUNICH

Meine Akte: G-2398 Anmelder: General Electric Company, Schenectady, New York, N.Y. USA

Strahlpumpe

Die Erfindung betrifft eine Strahlpumpe.

Übliche Strahlpumpen haben einen Körper mit drei verschiedenen Stufen, nämlich einer konvergierenden Einlaßstufe, einer Mischstufe mit im wesentlichen konstanter Querschnittsfläche auf der ganzen Länge und einer Diffusorstufe, deren Querschnittsfläche in Strömungsrichtung divergiert oder ansteigt. Gewünschtenfalls kann ein kurzes Endrohr mit konstanter Querschnittsfläche, die gleich der Querschnittsfläche des Diffusorendes ist, am Ende des Diffusors vorgesehen sein. In der Einlaßstufe befindet sich eine Düse,um einen Hochdruckstrahl, eines Treibfluids in einen schnellen Niederdruckstrahl des Treibfluids umzuwandeln, der axial durch die Einlaßstufe in der Mischstufe des Strahlpumpenkörpers strömt. Der schnelle Strahl reißt Fluid mit, das die Düse in der Einlaßstufe ebenso wie am Anfang der Mischstufe umgibt, so daß das umgebende oder Förderfluid kontinuierlich in und durch die Einlaßstufe abgesaugt wird. Die Geschwindigkeit des mitgerissenen Förderfluids steigt mit abnehmender Querschnittsfläche der Strömung an, wenn das Fluid sich durch den'.konvergierenden Einlaß bewegt. Daher wird der Druck des Förder- und Treibfluids auf einen niedrigen Wert verringert. Die konvergierende Einlaßstufe, die die Düse umgibt, leitet das Förderfluid in die Mischstufe. In der Mischstufe verbreitert sich der schnelle Strahl des Förderfluids allmählich, wenn das Förderfluid mitgerissen und gemischt wird. Während des Mischens wirdein Impuls vom schnellen Treibstrahl auf das Förderfluid übertragen, so daß der Druck der Gesamtströmung ansteigt. Das Mischen endet theoretisch, nachdem die Längsgeschwindigkeit in einer zu der Längsachse senkrechten Fläche ungefähr konstant bis auf die Grenzschicht in der Nähe der Wand geworden ist. Wenn das der Fall ist, ist ein sogenanntes ebenes Geschwindigkeitsprofil erreicht. Im allgemeinen wird angenommen, daß das ebene Geschwindigkeitsprofil kurz danach auftritt, wenn der Strahl sich expandiert, um die Wände

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der Mischstufe zu berühren. Aus der Mischstufe strömen das gemischte Treib- und Förderfluid in einen Diffusor mit zunehmender Querschnittsfläche in Strömungsrichtung, so daß der Pumpdruck weiter erhöht wird, während die Geschwindigkeit der gemischten Fluide weiter verringert wird.

Eine Strahlpumpe nützt also die Umwandlung von Impuls in Druck aus. Das Treibfluid aus der Düse hat einen niedrigen Druck, aber eine hohe Geschwindigkeit und damit einen hohen Impuls. Durch einen Impulsaustausch wird das Förderfluid von der Einlaß- oder Ansaugshife mitgerissen und strömt zusammen mit dem Treibfluid in die Mischstufe ein, wo das Geschwindigkeitsprofil, d.h. die Fluidgeschwindigkeit als Funktion des Abstands von der Längsachse der Mischstufe durch Mischen so geändert wird, daß der Impuls abfällt und das Geschwindigkeitsprofil nahezu eben, d.h. senkrecht zur Längsachse der Mischkammer, wird. Die Verringerung des Impulses führt zu einem Ansteigen des Fluiddrucks. Das ebene Geschwindigkeitsprofil führt zu einem minimalen Impuls bei dadurch bedingtem höchsten Druckanstieg in der Mischstufe. Ferner sollte die Grenzschicht zwischen dem Strömungshauptteil des Fluids und der Kammerwand möglichstdünn sein, um einen optimalen Betrieb der Diffusorstufe hinter der Mischstufe zu gewährleisten. In diesem nach außen divergierenden Diffusor wird die relativ hohe Geschwindigkeit des vereinigten Strahls allmählich verringert und in einen noch höheren Druck umgewandelt.

In Strahlpumpen treten jedoch anders als in hydraulischen Anlagen Strömungspulsationen auf, die entweder in der Pumpe selbst oder in benachbarten Einrichtungen erzeugt werden. Es ist wichtig, daß diese Pulsationen niedrig gehalten werden, da pulsierende Strahlpumpen strömungsinduzierte Schwingungen erzeugen, die ein Lösen von Bolzen, Ermüdungsspannungen usw. in den angeschlossenen Einrichtungen hervorrufen können. Wenn mehrere Strahlpumpen zusammengefaßt sind, um eine gemeinsame Füllkammer zu versorgen, müssen Resonanzen infolge strömungsinduzierter Pulsationen verhindert werden. Daher muß die Gesamtkonstruktion eines Strahlpumpensystems so gewählt sein, daß Strömungspulsationen begrenzt und ausgedämpft werden.

Strahlpumpen werden in vielen Systemen verwendet, wo große Fluidmengen schnell gepumpt werden müssen. Daher haben kleinere Verbesserungen des Pumpenbetriebs einen großen Einfluß auf den Systembetrieb und die Systemwirtschaftlichkeit. Strahlpumpen sind

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besonders zum Umwälzen von Kühlmittel in einem Siedewasser-Kernreaktor geeignet. Strahlpumpen sind aber auch zum Pumpen vieler Fluide wie Wasser, Gase, flüssiger Metalle, Flüssigkeiten mit suspendierten festen Teilchen usw. geeignet. In einem typischen großen Leistungskernreaktor werden etwa 1,2 ·- 10 l/min (2,7· 10 gallon/min) Kühlmittel durch Strahlpumpen umgewälzt. Es ist daher ersichtlich, daß kleine Verbesserungen des Strahlpumpenbetriebs zu bedeutenden Verbesserungen des Systembetriebs und der Systemwirtschafflichkeit führen.

Eine Strahlpumpe gemäß der Erfindung hat eine Düse mit verbessertem Verlauf, die an einer optimalen Stelle in einem Einlaß mit verbessertem Verlauf angeordnet ist, eine Mischstufe mit einem optimalen Längen-Durchmesser-Verhältnis, und einen optimalisierten Diffusor mit gewünschtenfalls einem Endrohr, so daß eine Pumpe mit außerordentlich großem Wirkungsgrad erreicht wird.

Der Strahlpumpenwirkungsgrad E ist definiert als das Produkt des Durchflußverhältnisses M und des Druckverhältnisses N. Das Durchflußverhältnis M ist das Verhältnis von Förderfluiddurchfluß und Treibfluiddurchfluß durch die Düse. Das Durchflußverhältnis wird durch die Gleichung M = W~ /W, berechnet, wobei *W„ der Massendurchsatz des Förderfluids und W₁ der Massendurchsatz des Treibfluids ist. Das Druckverhältnis ist das Verhältnis der Druckdifferenz, die im Förderfluid durch die Strahlpumpenwirkung erzeugt wird, und der Druckdifferenz, die das Treibfluid an der Düse hat. Dieses Druckverhältnis wird berechnet durch die Gleichung

d N= —

wobei N das Druckverhältnis, F. der stromabwärts gemessene Staudruck am Pumpenaus-

tritt, P der stromaufwärts gemessene Staudruck im Förderfluid, bevor es den Pumpeneinlaß erreicht, und P. der stromaufwärts gelegene Staudruck im Treibfluid im Düsenspeiserohr vor der Düse ist. Daher wird der Wirkungsgrad in % aus der Gleichung E = M· N · 100 berechnet. Obwohl diese Definition von den üblichen Wirkungsgraddefinitionen abweicht, ist sie in der StraMpümpentechnik üblich, da sie deutlich die Leistungsfähigkeit vergleichbarer Strahlpumpen angibti Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

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Fig. 1 schemafisch einen Längsschnitt durch eine Strahlpumpe gemäß der Erfindung zusammen mit dem Druckverlauf in Längsrichtung der Pumpe;

Fig. 2 schematisch eine genaue Ansicht der Düsen- und Einlaßsfufe der Strahlpumpe gemäß der Erfindung; und

Fig. 3 eine schematische Ansicht der Strahlpumpe gemäß der Erfindung in einem Siedewasser-Kernreaktor.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Strahlpumpe gemäß der Erfindung abgebildet. Diese Pumpe besteht in der Hauptsache aus einer Düse 10, einer konvergierenden Einlaßstufe 11, einer zylindrischen Mischstufe 12, einer divergierenden Diffusionsstufe 13 und einem zylindrischen Endrohr 14.

Die Druckverteilung in der Düse und im Pumpenkörper für das Treibfluid und das Förderfluid ist näherungsweise durch Kurven 15 bzw. 16 über den entsprechenden Stufen ^ in der Strahlpumpe gezeigt. Das Treibfluid tritt in die Düse 10 mit einem relativ hohen

Druck und niedriger Geschwindigkeit ein. Das Fluid verläßt die Düse mit wesentlich verringertem Druck und hoher Geschwindigkeit infolge des verringerten Düsendurchmessers am Auslaß. Dieser schnelle Treibstrahl reißt Förderfluid mit. Die Bewegung des Förderfluids in die konvergierende Einlaßstufe führt zu einem niedrigen Druck am Einlaß der Mischstufe, was zu einer Strömung des Förderfluids in die Mischstufe führt.

Von der Düse 10 divergiert der Strahl allmählich und mischt sich mit dem Förderfluid. Da ein Impuls vom Treibfluid auf das Förderfluid übertragen wird, steigt deren Gesamtdruck an. Schließlich ist der Strahl von der Düse 10 so aufgeweitet, daß er die Innenwand der Mischstufe 12 berührt. Für einen möglichst hohen Wirkungsgrad sollte das an der Linie der Fall sein, wo die Mischstufe 12 an die Diffusionsstufe 13 stößt. Wenn der Strahl " zuerst die Wand der Mischstufe 12 beträchtlich vor dieser Linie berührt, fällt der Wirkungsgrad wegen der erhöhten Reibung entlang der restlichen Wand der Mischstufe 12 ab. Der Wirkungsgradverlust ist jedoch noch größer, wenn der Strahl nicht die Mischstufenwand berührt, sondern sich in die Diffusionsstufe erstreckt, und zwar infolge unvollständigen Mischens des Treib- und Förderfluids und ungünstiger Bedingungen am Diffusoreinlaß. Daher ist es in der Praxis besser, die Mischstufe 12 etwas langer als. optimal zu machen, um zu gewährleisten, daß der Strahl aus der Düse 10 die Wand der Mischstufe 12 berührt, bevor er die Diffusionsstufe 13 erreicht.

Es ist ersichtlich, daß,wenn die Druckkurve sich dem Punkt 17 nähert, der Druck nicht langer stark ansteigt, da das Mischen beendet ist. Wenn die vereinigten Fluide in die Diffusionsstufe 13 eintreten, steigt der Druck wieder an, und zwar infolge der

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Impulsübertragung von dem allmählich langsamer werdenden Fluid. Der Druckanstieg verlangsamt sich, wenn das Fluid das Ende einer optimalen Diffusionsstufe erreicht hat, wie am Punkt 18 der Druckkurve angedeutet ist. Es ist festgestellt worden, daß die zusätzliche Verwendung eines Endrohrs 14 optimaler Länge hinter der Diffusionsstufe zu einem kleinen zusätzlichen Druckanstieg führt, da die Fluidströmung geglättet und weiter verlangsamt wird.

Viele Abmessungen der Strahlpumpe gemäß der Erfindung können auf den Innendurchmesser D., der Mischstufe bezogen werden. Zum Beispiel ist festgestellt worden, daß bei einem Strömungsverhältnis von etwa 1 - 2,5 und einer Wassertemperatur von etwa 200-350 °C (400-650 °F) das Verhältnis der Mischstufenlänge L ' zum Mischstufendurch-

messer D.. vorzugsweise 9,5-18 betragen sollte. Innerhalb der angegebenen Grenzen können optimale L-VD. .-Verhältnisse für gegebene Strömungsverhälfnisse und Wassertemperaturen erreicht werden. Typisch ist für etwa 280 C (530 F) und ein Durchflußverhältnis von etwa 1 das optimale L ,VD ..-Verhältnis etwa 11, während bei einer Temperatur von etwa 280 C (530 F) und einem Strömungsverhältnis von etwa 2 das optimale L. VD.,-Verhältnis etwa 13,5 ist.

Wenn die anderen Größen konstant gehalten werden, ist festgestellt worden, daß der Strahlpumpenwirkungsgrad typisch um 2% verringert wird, wenn die Mischstufe 25% langer als optimal ist, und um etwa 4% verringert wird, wenn die Mischstufe etwa 25% kürzer als optimal ist. Wenn die Mischstufe kürzer als optimal ist, ist der Verlust viel ■ größer, als wenn er langer als optimal ist, da der Einfluß des unvollständigen Mischens in der kurzen Stufe größer als der der erhöhten Reibungsverluste in der längeren Stufe ist. Außerhalb des oben angegebenen L-Tt)^-Bereichs sind die Wirkungsgradverluste hoch. Daher ist es sehr wünschenswert, daß das optimale L .VD^-Verhältnis für eine gegebene Pumpe innerhalb dieses Bereichs gewählt wird.

Von größerer Wichtigkeit ist auch die Ausrichtung der Düse zu der Misch- und Diffusionsstufe. Vorzugsweise sollte die Exzentrizität der Mittellinien der Düse und der Mischstufe nicht größer als 0,05 D., sein, wobei ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird, wenn diese Exzentrizität kleiner als 0,02 D.. ist. Das Verkanten der Düsenmittellinie zu

ο der Diffusormittellinie sollte nicht größer als 1°, vorzugsweise nicht größer als 0,1 sein.

Die Exzentrizität der Mischer- und Diffusormitte I linien sollte nicht mehr als 0,02 D.. sein, vorzugsweise nicht mehr als 0,002 D... Ausrichtungsfehler, die diese Grenzen überschreiten

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führen dazu, daß die eine Seite des expandierten Strahls aus der Düse auf die Wand der Mischstufe lange vor der Mischer-Diffusor-Grenzschicht trifft, während die andere Seite nicht die Mischerwand erreicht. Daher ist das Geschwindigkeifsprofil des Fluids, wenn es in den Diffusor eintritt, verzerrt, so daß der Diffusorbetrieb stark beeinträchtigt wird. Es ist festgestellt worden, daß bei Konstanthaltung der anderen Größen diese Fehlausrichtung außerhalb der oben angegebenen Stufen leicht zu einem Wirkungsgradverlust von mehr als 5% führen kann.

In der Diffusorstufe wird der höchste Gesamtpumpenwirkungsgrad erreicht, wenn das Verhältnis von Diffusoraustrittsquerschnittsfläche zu -eintrittsfläche etwa 7-5 und der eingeschlossene Winkel 0 etwa 5-8 beträgt. Für Wasser mit einer Temperatur von etwa 200-350 °C (400-650 °F) und ein Durchflußverhältnis von etwa 1-2,5 werden optimale Ergebnisse mit einem Flächenverhältnis von etwa 6 und einem eingeschlossenen Winkel von etwa 6 erreicht. Es ist festgestellt worden, daß bei Konstanthalten der anderen Größen der Strahlpumpenwirkungsgrad um einige % abfällt, wenn die Diffusorabmessungen außerhalb dieser Stufen liegen.

Der Gesamtwirkungsgrad der Strahlpumpe kann um bis zu 0,8% weiter erhöht werden, indem zusätzlich ein Endrohr verwendet wird, das vorzugsweise eine Länge L_ von etwa

2,5 - 15 T.. (Durchmesser der Mischstufe) hat.
M

Der Verlauf der Düse 10 und der Einlaßstufe 11 haben ebenfalls einen größeren Einfluß auf den Pumpenwirkungsgrad. Diese Stufen sind genauer in Fig. 2 abgebildet.

Die Düse 10 besteht aus einem Rohr mit einem konvergierenden Ende, das innen wie ^ ein Kegelstumpf verläuft, der zu einem geraden Kreiszylinder kurzer Länge führt. Die

Düse verläuft koaxial zu der Einlaß- Misch-Diffusions- und Endrohrstufe.

Für Durchflußverhältnisse von etwa 1-2,5 sollte das Verhältnis von Düsendurchmesser D_n zu Mischstufendurchmesser D.. etwa 0,53 - 0,30 betragen. Die Änderung des Düsendurchmessers hat einen direkten Einfluß auf das Durchflußverhältnis, bei dem der Spitzenwirkungsgrad durch die Strahlpumpe angenommen wird.

Um die Eintrittsverluste und/oder Abweichungen des Düsenaustrittsgeschwindigkeifsprofils von einem bevorzugten im wesentlichen konstanten Geschwindigkeitsprofil klein zu halten, sollte der Durchmesser D des Speiserohrs 19 mindestens doppelt so groß wie der Düsendurchmesser D_n sein.

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Der Außenwinkel O und der Innenwinkel Ύ der konvergierenden Düsenstufe haben einen größeren Einfluß auf den Pumpenwirkungsgrad. Vorzugsweise sollte der Außenwinkel θ etwa 14-50 und der Innenwinkel^ 4-30 betragen. Der Außenwinkel θ sollte gewöhnlich größer als der Innenwinkel T sein. Die Düsenwand sollte dick genug sein, um eine Korrosion während der Lebensdauer der Pumpe auszuhalten, ferner die notwendige Festigkeit zu geben und Schwingungen zu verhindern. Wenn jedoch die Wände zu dick sind, treten Handhabungsschwierigkeiten infolge des großen Gewichts und Kostenerhöhungen auf. Die Düsenwanddicke kann entweder durch Änderung des Verhältnisses von Innen- und Außenwinkel oder durch Änderung der Länge des kurzen zylindrischen Einlaßabschnitts 20 in Fig. 2 geändert werden. Optimale Ergebnisse sind für einen Außenwinkel θ von etwa 22° und einen Innenwinkel'Ϋ von 15 erzielt worden. Wenn der Innenwinkel kleiner ist, treten größere Reibungsverluste in der Düse auf, während bei größerem Außenwinkel Drehverluste im Förderfluid verursacht werden, das in den Einlaß um die Düse eintritt.

Es ist sehr wünschenswert, daß ein kurzer Zylinderabschnitt 20 an der Düsenaustrittsöffnung vorhanden ist. Vorzugsweise sollte die Länge L_ des Zylinderabschnitts etwa 0,1-0,3 D. . (Durchmesser der Düsenöffnung) sein. Optimale Resultate wurden erhalten für ein Verhältnis D. . : L_ von etwa 0,25. Ein längerer Zylinderabschnitt 20

NC ' '

führt zu einer Erhöhung von Reibungsverlusten, während ein kürzerer Abschnitt nicht lang genug ist, um die ursprünglich hergestellten Abmessungen beizubehalten, falls eine Werkstofferosion während der vorgesehenen Lebensdauer der Pumpe stattfindet. Ferner ist ein stumpfer Rand 21 um die Düsenöffnung vorhanden. Vorzugsweise sollte der Rand 21 eine Dicke von etwa 0,025 - 0,50 cm (0,01 - 0,20") haben, wobei optimale Werte für etwa 0,125 cm (0,05") erhalten werden. Wenn dieser Rand zu dick ist, wird Turbulenz am Düsenvorderende begünstigt, während ein zu dünner Rand zu wenig Werkstoff aufweist, um möglichst Werkstoff Verluste durch Erosbn aufzufangen, sowie nicht fest genug ist, um strömungsinduzierte Oberflächenschwingungen auszuhalten.

Wenn die anderen Größen konstant gehalten werden, hat sich herausgestellt,

zu/
daß die in Fig. 2 abgebildete Düse/einem Anstieg des Strahlpumpenwirkungsgrads von 2-3% gegenüber üblichen Düsen mit relativ langem zylindrischen Innenabschnitt, dicken Wänden und relativ großem Außenwinkel führt.

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Die richtige Anordnung der Düse 10 relativ zur Einlaßstufe Π ist zur Erreichung eines hohen Pumpenwirkungsgrads wichtig. Wenn die Düse zu weit in den Einlaß vorspringt, wird die Strömung des Förderfluids um die Düse durch den Einlaß unnötig gedrosselt. Wenn die Düse zu weit vom Einlaß entfernt ist, expandiert der Strahl des Treibfluids aus der Düse zu schnell und mischt sich nicht gut mit dem Förderfluid. Tatsächlich kann eine "Fluiddrosselung" auftreten, die die Menge des Förderfluids stark begrenzt, das in die Pumpe eintritt. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn das Düsenende vom Anfang der zylindrischen Mischstufe um etwa 0-2 D.. (Mischstufendurchmesser) entfernt ist. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn das Verhältnis dieses Abstands zu D^ etwa 0,1 für Durchflußverhältnisse von etwa 1 und 0,5 für Durchflußverhältnisse von etwa 2,5 beträgt. Es ist festgestellt worden, daß der Strahlpumpen- ψ Wirkungsgrad schnell abnimmt, wenn der Abstand außerhalb dieses Bereichs liegt. Z.B.

ist festgestellt worden daß eine Erhöhung dieses Abstahds um nur etwa 0,8 D. einen

Wirkungsgrad verlust von mehr als 3% verursachen kann.

Im allgemeinen haben die bekannten Strahlpumpeneinlässe einen konisch konvergierenden Verlauf. Es ist jedoch festgestellt worden, daß ein höherer Pumpenwirkungsgrad erreicht werden kann, wenn die Einlaßstufenwand einen elliptischen Querschnitt hat. Dieser Verlauf erlaubt, daß das Förderfluid glatter in den Pumpenkörper einströmt. Eine derartige Geometrie verhindert ein Strömungsabreißen von den Wänden des Einlasses, was häufig bei Konstruktionen auftritt, bei denen kein glatter Übergang zwischen der Einlaß- und Mischstufe auftritt, wie er durch eine elliptische Übergangsgeometrie gewährleistet ist. In Fig. 2 ist dieser elliptische Querschnitt schematisch durch die gestrichelte ψ Linie 22 dargestellt, wobei der Ellipsenmittelpunkt bei 23 liegt. Die besten Ergebnisse

wurden erzielt, wenn die Ellipse eine Hauptachse (A .) etwa gleich D.. (Mischstufendurchmesser) und eine Nebenachse (A . ) = mindestens etwa 0,36 D., hat. Es ist festgestellt worden, daß ein Ersatz der bekannten konischen Einlasse durch die Einlaßform gemäß der Erfindung zu einem Anstieg im Wirkungsgrad von mindestens 1% führt. Die Oberflächenbeschaffenheit der Innenfläche der Düse und des Pumpengehäuses ist wichtig. Vorzugsweise sollten die Innenflächen hydraulisch glatt für die verwendeten Strömungsbedingungen sein. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die effektive Oberflächenrauhheit wenigeijals etwa 160 »10 cm (63 Mikrozoll) (quadratischer Mittelwert) beträgt, wobei die besten Ergebnisse für eine effektive Rauhheit von weniger als

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etwa 60· 10 cm (24 Mikrozofl)(quadratischer Mittelwert) erzielt wurden. Es ist festgestellt worden, daß eine Rauhheit, die diese Obergrenze beträchtlich überschreitet, zu einem Wirkungsgradverlust von mehr als 10% führen kann.

Strahlpumpen, deren Parameter innerhalb der oben angegebenen Bereiche liegen, haben einen bedeutend besseren Pumpwirkungsgrad gegenüber den bekannten Strahlpumpen. Diese Pumpen erzeugen eine sehr gute Strömungspulsationsstabilität. Optimale Werte innerhalb dieser Stufen können durch den Fachmann gewählt werden, um die Pumpe mit dem höchsten Wirkungsgrad für einen bestimmten Satz von Fluiddurchfluß und Temperaturbedingungen zu ergeben.

Pumpen der eben beschriebenen Art sind besonders für Siedewasser-Leistungsreaktoranlagen geeignet, wie schematisch in Fig. 3 abgebildet ist.

Gemäß Fig. 3 ist der Reaktor in einem hochkant stehenden zylindrischen Druckgefäß 24 eingeschlossen, das an seinem unteren Ende durch einen schotenförmigen Bodenverschluß 25 verschlossen ist und einen gewölbten lösbaren Deckel 26 hat. Ein Belüftungsrohr 27 im Deckel 26 ist normalerweise durch ein Absperrorgan 28 geschlossen. Ein üblicher Reaktorkern 29 befindet sich in einem Kernmantel 30, der gleichachsig in dem Druckgefäß 24 angeordnet ist, so daß ein ringförmiger Fallraum 31 zwischen dem Mantel 30 und dem Druckgefäß 24 gebildet ist. Eine aufrecht stehende Strahlpumpe 32 befindet sich in dem Fallraum 31, wobei das Auslaßende der Pumpe durch einen zylindrischen Mantelhalter 33 verläuft. Obwohl gewöhnlich mehrere Strahlpumpen verwendet " werden, ist nur eine in Fig. 3der Übersichtlichkeit wegen abgebildet. Im allgemeinen ist der zylindrische Mantelhalter 33 am Boden des Kernmantels 30 und des Druckgefäß-Verschlusses 25 befestigt, um eine Speisewasserkammer 34 zu bilden. Treibfluid wird der Strahlpumpe 32 durch eine Umwälzpumpe 35 über eine Leitung 36 zugeführt, die an die Düse 37 am Einlaßende der Pumpe 32 angeschlossen ist. Ein schneller Wasserstrahl wird durch die Düse 37 in den Pumpeneinlaß gerichtet, um eine Strömung von Förderwasser aus dem Wasserbassin in dem Fallraum zu erzeugen und in die Kammer 34 zu treiben. Das Wasser wird im Druckkessel 24 auf einem Pegel 38 über dem Einlaßende der Strahlpumpe gehalten.

Das Wasser wird durch den Reaktorkern 29 gedrückt, wo es Wärme entzieht, und ein Teil des Wassers wird in Dampf umgewandelt, der nach oben in eine Dampfkammer über dem Reaktorkern gelangt. Die im Kern 29 erzeugte Wärmemenge wird teilweise

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durch Kontrollstäbe gesteuert, von denen einer bei 40 abgebildet ist.

Ein Wasser-Dampf-Gemisch strömt nach oben durch Dampfabscheider 41 und Dampftrockner 42. Das Wasser fließt zum Fallraum 31 zurück, während der Dampf den Druckkessel über eine Dampfleitung 43 in eine Turbine 44 verläßt. Der die Turbine verlassende Dampf wird in einem Kondensator 45 kondensiert, und das Kondensat wird durch eine Pumpe 46 zum Reaktor zurückgepumpt. Die Turbine kann einen elektrischen Generator 47 antreiben, der im Reaktor erzeugte Dampf kann jedoch auch für andere Zwecke verwendet werden. In einem typischen Reaktor, wie er in Fig. 3 abgebildet ist, der etwa 600 MWe erzeugt, ist es wünschenswert, daß etwa 33" 10 kg (72*10 Pfund) Wasser/h umgesetzt werden. Es ist daher ersichtlich, daß kleine Erhöhungen des Strahlpumpenwirkungsgrads zu größeren Einsparungen in der Größe und in der Leistungsaufnahme der Umwälzpumpen wie der Pumpe 35 in Fig. 3 führen.

Das folgende Ausführungsbeispiel zeigt besonders deutlich die mit einer Strahlpumpe gemäß der Erfindung erreichten Vorteile, wenn die Strahlpumpe optimale Abmessungen für Düse, Einlaß, Mischer, Diffusor und Endrohr hat.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Diese Strahlpumpe hat den in Fig. 1 und 2 gezeigten Aufbau. Das Pumpengehäuse hat eine konvergierende Einlaßstufe mit einem elliptischen Querschnitt mit einer Hauptachse von etwa 7,3 cm (6,8") und einer Nebenachse von etwa 5,54 cm (2,18"), eine zylindrische Mischstufe mit einem Innendurchmesser von etwa 7,3 cm (6,8") und eine Länge von etwa 235 cm (81,5"), auf die eine divergierende Diffusionsstufe-mit einem Auslaßdurchmesser von etwa 42,5 cm (16,75") und einem eingeschlossenen Winkel von etwa 6 und schließlich ein Endrohr mit einer Länge von 43,2 cm (17,0") folgen. Gleichachsig zu dem Pumpengehäuse ist eine Düse in einem Abstand von etwa 7,52 cm (2,96") vom Anfang der Mischstufe angeordnet. Das Speiserohr für die Düse hat einen Innendurchmesser von etwa 17,8 cm (7").Die Düsenöffnung hat einen Innendurchmesser von etwa 8,64 cm (3,4"). Der eingeschlossene Winkel der Innenwand der Düse beträgt etwa 15° und der Außenwand etwa 22°. Die kurze zylindrische Innenwand an der Düsenöffnung hat eine Länge von etwa 3,3 cm (1,3"). Die Randdicke an der Düsenöffnung beträgt etwa 0,125 cm (0,05"). Diese Strahlpumpe wird mit Wasser mit einer Temperatur von etwa 277 °C (530°F) bei einem Durchflußverhältnis von etwa 1,2

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betri eben.

Der Wirkungsgrad dieser Strahlpumpe war besser als etwa 45 %.

In einem typischen Kraftwerk wie in Fig. 3 abgebildet, beträgt =die elektrische Nennleistung etwa 600 MWe. Im Siedewasserreaktor ist der gesamte Kühlwasserdurchfluß durch den Kern etwa 33,3 · 10 kg (73,5 · 10 Pfund)/h. Davon verlassen etwa 4,64 · 10 kg (10,24 · 10 Pfund)/h der» Reaktor als Dampf, während der Rest umgewälzt wird. Der Dampf wird mit einem Druck von etwa 84,4 at (1020 psi^und einer Temperatur von etwa 285 C (545 F) erzeugt. Bei einem Verhältnis von Förderfluid zu Treibfluid von etwa 1,2 werden etwa 15,5 · 10 kg (34,2 · 10 Pfund) Wasser/h durch die Umwälzpumpen gepumpt, von denen 98% zu einer Verzweigung gelangt, die das Wasser in die Strahlpumpendüsen leitet. Das Wasser erreicht die Düsenstufe mit einem Druck von etwa 8,3 at (118 psi) über dem Druck des umgebenden Fallraumfluids und einer Temperatur von etwa 278 C (532 F). 20 Strahlpumpen wie oben beschrieben sind parallel in dem Ringraum zwischen dem Reaktorkern und dem Druckgefäß angeordnet. Jede Pumpe erzeugt einen Gesamtdurchfluß von etwa 1,67 · 10 kg (3,68 · 10 Pfund)/h. Diese Pumpen mit hohem Wirkungsgrad ermöglichen die Verwendung von weniger Strahlpumpen und einer schwächeren Umwälzpumpe als bisher möglich.

Patentansprüche

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Claims

-12- 3. Juni 1969 EH/AX

Meine Akte: G-2398

Patentansprüche

/ 1 J Strahlpumpe mit einer Düse und einem Körper, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine konvergierende Einlaßstufe (11), eine Mischstufe (12) mit im wesentlichen konstanter Querschnittsfläche auf seiner Länge und eine divergierende Diffusiorissfufe (13) hat, und daß die Mischstufe ein Verhältnis von Länge (L,,) zu Durchmesser (D-...) von etwa 9,5 bis 18 hat.
2. Strahlpumpe nach Anspruch !,dadurch gekennzei ch net, daß die Düse (10) einen Öffnungsdurchmesser (D..) gleich etwa dem 0,30 - 0,53-fachen

Mischstufendurchmesser (D..) hat«, ; -
3. Strahlpumpe nach Anspruch 1, dad ure h gekennzeichne t, daß der durch die Außenwand des konvergierenden Abschnitts der Düse (lO) eingeschlossene Winkel (ßf) etwa 14-50 und der von der Innenwand des konvergierenden Abschnitts eingeschlossene Winkel (Ύ>) etwa 4-30 beträgt.
4. StrahIpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Außenwand eingeschlossene Winkel (J?) etwa 22 und der vonι der Innenwand eingeschlossene Winkel [^y) etwa 15 beträgt.
5. Strahlpumpe nach Anspruch 1, dad ure h gekennzeichnet, daß die Innenwand der Düse (10) einen zylindrischen Abschnitt (20) an der Düsenöffnung hat, dessen Länge (L_r) gleich etwa dem 0,1 - 0,3-fachen des Durchmessers (D_n)

fc der Düsenöffnung ist.
6. Strahlpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (10) einen Rand (21) ander Düsenöffnung mit im wesentlichen zu der Düsenachse senkrechter Fläche hat, und daß der Rund eine Dicke von etwa 0,025 -0,50 cm (0,01 - 0,20") hat.
7. Strahlpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung sich im wesentlichen auf der Mischsrufenmittel linie befindet und vom Anfang der Mischstufe (12) in einem Abstand (L-) entfernt ist, der etwa doppelt so groß wie der Durchmesser (D,.) der Mischstufe ist_o

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8. Strahlpumpe nach Anspruch I₇ dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der konvergierenden Einlaßstufe (11) einen Querschnitt in Form mindestens eines Teils einer genauen Ellipse hat, deren Nebenachse (A . ) im wesentlichen senkrecht zu der Mittellinie der Mischstufe (12) am Anfang der Mischstufe verläuft, und deren Hauptachse (A ) etwa doppelt so groß wie der Mischstufendurchmesser (Di.) und deren Nebenachse etwa das 0,36-fache des Mischstufendurchmessers (D") ist.
9. Strahlpumpe nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die divergierende Diffusionsstufe (13) ein Verhältnis von Austriftsquerschnittsflache zu Eintrittsquerschnittsfläche von etwa 5-7 hat,
IQt Strahlpumpe nach Anspruch 1, dad ure h gekennzeichnet, daß die divergierende Diffusionsstufe (13) einen innen eingeschlossenen Winkel (0) von etwa 5-8° hat. "
11. Strahlpumpe nach Anspruch T₇ gekennzeichnet durch eine Endrohrstufe (14) mit einer Länge (L, ), die gleich dem etwa 2,5 - 15-fachen des Mischstufendurchmessers (D. J ist.
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