Beschreibung

Pumpenanordnung

Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung, insbesondere eine Kreiselpumpenanordnung, mit einem Hydraulikgehäuse, einem am Hydraulikgehäuse ausgebildeten Saugstutzen mit einer Einlassöffnung, einem am Hydraulikgehäuse ausgebildeten Druckstutzen mit einer Auslassöffnung, einer durch das Hydraulikgehäuse zumindest teilweise begrenzten Strömungskammer, einen das Hydraulikgehäuse verschließenden Gehäusedeckel, einem in der Strömungskammer angeordneten, über eine Welle um eine Drehachse antreibaren Laufrad und einer Einlaufdüse mit einem mittelbar oder unmittelbar mit dem Hydraulikgehäuse verbundenen ersten Ende und einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt, der sich koaxial zur Drehachse in Richtung Einlassöffnung erstreckt, wobei ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites, freies Ende am Übergang von Einlassöffnung zur Strömungskammer in einer Rücknehmung der Einlassöffnung angeordnet ist und im Bereich der Rücknehmung zwischen dem Abschnitt der Einlaufdüse und dem Hydraulikgehäuse ein radialer Ringspalt entsteht.

Derartige Pumpenanordnungen finden beispielsweise bei nuklearen Hauptkühlmittelpumpen Anwendung.

Das freie Ende der Einlaufdüse und das Hydraulikgehäuse bilden einen Ringspalt, der den Hochdruck- und den Niederdruckbereich der Pumpe verbindet. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckbereich kommt es zu einem Volumenstrom durch diesen Spalt, der zu volumetrischen Verlusten und damit zu einem reduzierten Wirkungsgrad der Pumpe führt. Diese volumetrischen Verluste sind abhängig

ERSATZBLATT (REGEL 26) von der Druckdifferenz und der Spaltbreite zwischen Gehäuse und Einlaufdüse. Um die Montage der Einlaufdüse zu ermöglichen, ist ein gewisser radialer Ringspalt zwischen diesen beiden Teilen unvermeidlich. Zusätzlich wird der Spalt im Heißbetrieb durch die Ausdehnung des Hydraulikgehäuses aufgrund von Innendruck und Temperatur vergrößert. Dies führt zu erhöhten volumetrischen Verlusten durch diesen Spalt im Heißbetrieb und damit zu einem reduzierten Wirkungsgrad. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den Ringspalt, insbesondere die radiale Spaltweite, im Heißbetrieb zu minimieren und damit die volumetrischen Verluste zu reduzieren und den Wirkungsgrad der Pumpe zu erhöhen. Dies unter Berücksichtigung der Tatsache, dass ein gewisser Spalt bei Umgebungstemperatur aus montagetechnischen Gründen immer noch erforderlich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mängel der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen abzumildern oder gar ganz zu beheben. Konkret ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Pumpenanordnung bereitzustellen, bei der die Vergrößerung des Spaltes durch Druck und Temperatur im Heißbetrieb der Pumpe reduziert wird und der Wirkungsgrad der Pumpe erhöht wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Pumpenanordnung mit dem Mekmal des Anspruchs 1 gelöst, wonach der zylindrische Abschnitt in einen ersten Teilabschnitt und einen dem freien Ende nahen zweiten Teilabschnitt unterteilt ist und im Bereich des freien Endes der zweite Teilabschnitt ein hülsen- oder ringartiges Ausdehnungselement umfasst, wobei das Material des Ausdehnungselements einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Hydraulikgehäuses aufweist.

Um den Ringspalt sicher zu verringern oder ganz zu verschließen, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Material des Ausdehnungselements austeniti- chen Stahl umfasst. Das austenitische Material weist einen hohen Ausdehnungskoeffizienten bei gleichzeitig guter Beständigkeit gegenüber dem Fördermedium auf.

Eine einfache und betriebssichere Ausführungsform kann dadurch erhalten werden, dass das Ausdehnungselement und der erste Teilabschnitt miteinander verschweißt sind, wobei das Material des Ausdehnungselements einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als das Hydraulikgehäuse aufweist.

Damit eine exakte Ausrichtung des ersten Teilabschnitts mit dem zweiten Teilabschnitt ohne wesentlichen Absatz während des Betriebs möglich ist und die Innenmantelfläche des Ausdehnungselements und die Innenmantelfläche des ersten Teilabschnitts strömungsgünstig im Wesentlichen in einer Flucht liegen, weist vorzugsweise das Ausdehnungselement eine zum ersten Teilabschnitt weisende Anlagefläche auf, die eine axiale ringförmige Erhebung und einen axialen Rücksprung umfasst.

Dazu weist der erste Teilabschnitt eine zum Ausdehnungselement gerichtete Anlagefläche auf, die zumindest teilweise komplementär zur Anlagefläche des Ausdehnungselements ausgebildet ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst der dem freien Ende nahe zweite Teilabschnitt im Bereich des freien Endes das hülsen- oder ringartige Ausdehnungselement und eine das Ausdehnungselement zumindest teilweise umgebende Haltevorrichtung.

Vorteilhafteweise ist für einen betriebssicheren Aufbau die Haltevorrichtung einstückig mit dem ersten Teilabschnitt ausgebildet ist und das Ausdehnungselement in der Haltevorrichtung angeordnet.

Das Material der Haltevorrichtung weist vorteilhafterweise einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten auf als das Material des hülsen- oder ringartigen Ausdehnungselements. Dadurch wird die Haltevorrichtung über das hülsen- oder ringartige Ausdehnungselement bei höheren Temperaturen durch den höheren Ausdehnungskoeffizienten des hülsen-oder ringartigen Ausdehnungselementes nach außen gedehnt und somit der Spalt zum Hydraulikgehäuse verringert oder geschlossen.

Für eine einfache Montage und einen sicheren Betrieb sind das Ausdehnungselement und die Haltevorrichtung mittels Schrumpf-Pressitz miteinander verbunden. Auf die Anwendung eines Schweißverfahrens kann somit verzichtet werden. Damit der radiale Ringspalt während des Heißbetriebs sicher verschließbar ist, weist die Haltevorrichtung vorteilhafterweise einen Bereich mit einem vergrößerten Innendurchmesser auf, derart dass die Haltevorrichtung eine Flexibilität in radialer Richtung aufweist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachstehenden Figuren. Hierbei zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Pumpenanordnung mit einer Einlaufdüse gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einlaufdüse,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einlaufdüse.

Die Fig. 1 zeigt eine Pumpenanordnung 1 in Form einer Hauptkühlmittelpumpenanordnung gemäß dem Stand der Technik. Die Pumpenanordnung 1 weist ein als Hydraulikgehäuse 2 ausgebildetes Gehäuseteil, einen Gehäusedeckel 3 und eine Laterne 4 auf.

Das Hydraulikgehäuse 2 weist an einem Saugstutzen 5 eine Einlassöffnung 6 zum Ansaugen eines Fördermediums und an einem Druckstutzen 7 eine Auslassöffnung 8 zum Ausstößen des Fördermediums auf. Der Gehäusedeckel 3 ist an der der Einlassöffnung 6 gegenüberliegenden Seite des Hydraulikgehäuses 2 angeordnet. An der dem Hydraulikgehäuse 2 abgewandten Seite des Gehäusedeckels 3 ist die Laterne 4 befestigt. Ein nicht dargestellter Motor ist mittels der Laterne mit dem Hydraulikgehäuse 2 verbunden.

Eine um eine Drehachse A drehbare Welle 9, die in der beispielhaft dargestellten Ausführungsform mehrteilig ausgebildet ist, erstreckt sich von dem nicht dargestellten Motor durch eine in dem Gehäusedeckel 3 vorgesehene Öffnung 10 in eine mittels des Hydraulikgehäuses 2 und des Gehäusedeckels 3 begrenzte Strömungskammer 11 . In der Öffnung 10 ist eine nicht dargestellte Lagervorrichtung zur Lagerung der Welle 9 vorgesehen. Mit einem Dichtungspaket 12, welches mehrere, in axialer Richtung hintereinander angeordneten Dichtungsvorrichtungen umfasst, wird die Strömungskammer 11 gegen Leckage in die Laterne 4 abgedichtet.

An einem innerhalb der Strömungskammer 11 liegenden Ende 13 der Welle 9 ist ein Laufrad 14 befestigt. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist an der dem Saugstutzen 5 bzw. der Einlassöffnung 6 gegenüberliegenden Seite ein das Laufrad 14 umgebendes Leitrad 15 drehfest und in axialer Richtung nicht verschiebbar an dem Hydraulikgehäuse 2 angeordnet bzw. befestigt. Das Leitrad 15 sorgt dafür, dass die aus dem Laufrad 14 austretende Drallströmung möglichst verlustarm in eine drallfreie Strömung umgelenkt wird, wobei die Größe der Absolutgeschwindigkeit verringert und der statische Druck erhöht wird.

Mit einem ersten Ende 16 ist eine Einlaufdüse 17 an dem Leitrad 15 befestigt. Die Einlaufdüse 17 weist einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt 18 auf, der sich koaxial zur Drehachse A in Richtung Einlassöffnung 6 erstreckt. Ein dem ersten Ende 16 gegenüberliegendes zweites, freies Ende 19 ist am Übergang von Einlassöffnung 6 zur Strömungskammer 11 in einer Rücknehmung 20 der Einlassöffnung 6, also einem Bereich mit einem vergrößerten Innendurchmesser, angeordnet. Im Bereich des vergrößerten Innendurchmessers entsteht zwischen dem Abschnitt 18 nahe dem Bereich des freien Endes 19 der Einlaufdüse 17 und dem Hydraulikgehäuse 2 ein radialer Ringspalt 21.

Bei einer weiteren, jedoch nicht dargestellten Ausführungsform können die Einlaufdüse 17 und das Leitrad 15 als einteiliges oder einstückiges Bauteil ausgebildet sein.

Anstelle einer mittelbar über Leitrad 15 und Gehäusedeckel 3 mit dem Hydraulikgehäuse 2 verbunden Einlaufdüse 17 kann auch eine unmittelbar mit dem Hydraulikgehäuse 2 verbundene Einlaufdüse 17 vorgesehen sein. Die Figur 2 zeigt die Anordnung des freien Endes 19 einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Einlaufdüse 17 in der Rücknehmung 20, wobei der linke Bereich der Fig. 2 die komplette Einlaufdüse 17 und der rechte Bereich im Wesentlichen das freie Ende 19 derselben zeigt. Der Abschnitt 18 ist in einen ersten Teilabschnitt 22 und einen dem freien Ende 19 nahen zweiten Teilabschnitt 23 unterteilt. Im Bereich des freien Endes 19 umfasst der zweite Teilabschnitt 23 ein hülsen- oder ringartiges Ausdehnungselement 24. Ausdehnungselement 24 und erster Teilabschnitt 23 sind miteinander verschweißt. Die Innenmantelfläche des Ausdehnungselements 24 und die Innenmantelfläche des ersten Teilabschnitts 22 des Abschnitts 18 liegen im Wesentlichen in einer Flucht. Das Material des Ausdehnungselements 24 weist einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Hydraulikgehäuses 2 und/oder des Abschnitts 18 auf. Das Ausdehnungselement 24 weist eine zum ersten Teilabschnitt 22 weisende Anlagefläche 25 auf, die eine ringförmige axiale Erhebung 26 und einen axialen Rücksprung 27 umfasst. Der erste Teilabschnitt 22 weist eine zum Ausdehnungselement 24 gerichtete Anlagefläche 28 auf, die zumindest teilweise komplementär zur Anlagefläche 25 des Ausdehnungselements 24 ausgebildet ist. Insbesondere weist die Anlagefläche 28 eine Nut 29 auf, in welche die Erhebung 26 eingreift.

Somit ist im Betrieb eine exakte Ausrichtung des zweiten Teilabschnitts 23 bzw. des Ausdehnungselements 24 an den ersten Teilabschnitt 22 ohne wesentlichen Absatz möglich. Die Innenmantelfläche des Ausdehnungselements 24 und die Innenmantelfläche des ersten Teilabschnitts 22 liegen dabei strömungsgünstig im Wesentlichen in einer Flucht.

Bei der Verschweißung kann es sich um eine partielle Verschweißung, wie in Figur 2 dargestellt, handeln oder um eine durchgehende Verschweißung über die komplette radiale Erstreckung des Teilabschnittes 23.

Der Ringspalt 21 , der eine radiale Spaltweite w aufweist, ist derart ausgelegt, dass im kalten Zustand der Kreiselpumpe 1 ein Rückfluss des Fördermediums über den Ringspalt 21 in die Einlassöffnung 6, somit vom Hochdruckbereich über den Ringspalt 21 in den Niederdruckbereich, möglich ist. Während des Betriebs mit einem üblicherweise heißen Fördermedium dehnt sich das freie Ende 19, insbesondere das Ausdehnungselement 24 aus. Da das Material des Ausdehnungselements 24 einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Hydraulikgehäuses 2 hat, kommt das Ausdehnungselement 24, insbesondere durch seine Ausdehnung in radialer Richtung, in der Rücknehmung 20 der Einlassöffnung 6 in Anlage mit dem Hydraulikgehäuse 2 oder zumindest reduziert den Ringspalt 21 in radialer Richtung.

Die Figur 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Einlaufdüse 17. Der linke Bereich der Fig. 3 zeigt die komplette Einlaufdüse 17 und der rechte Bereich im Wesentlichen das freie Ende 19 der Einlaufdüse 17. Der dem freien Ende 19 nahe zweite Teilabschnitt 23 umfasst im Bereich des freien Endes 19 das hülsen- oder ringartige Ausdehnungselement 24 und eine das Ausdehnungselement 24 zumindest teilweise umgebende Haltevorrichtung 30. Die Haltevorrichtung 30 ist einstückig mit dem ersten Teilabschnitt 22 ausgebildet und bildet somit einen Bereich mit vergrößertem Innendurchmesser. Das Ausdehnungselement 24 ist in der Haltevorrichtung 30 angeordnet. Ausdehnungselement 24 und Haltevorrichtung 30 sind mittels Schrumpf-Pressitz miteinander verbunden. Auch bei dieser Ausführungsform liegen im Wesentlichen die Innenmantelfläche des Ausdehnungselements 24 und die Innenmantelfläche des ersten Teilabschnitts 22 des Abschnitts 18 in einer Flucht. Das Material des Ausdehnungselements 24 weist einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als das Material des Hydraulikgehäuses 2 und der Haltevorrichtung 30. Die Haltevorrichtung 30 weist einen Bereich 31 mit einem vergößerten Innendurchmesser auf, sodass die Haltevorrichtung 30 eine gewisse Flexibilität in radialer Richtung aufweist.

Während des Betriebs mit einem heißen Fördermedium dehnt sich das Ausdehnungselement 24 aus. Durch seine radiale Ausdehnungkomponente bringt das Ausdehnungselement 24 die flexibel angeordnete Haltevorrichtung 30 in der Rücknehmung 20 der Einlassöffnung 6 in Anlage mit dem Hydraulikgehäuse 2 oder reduziert zumindest den Ringspalt 21 , insbesondere die radiale Spaltweite w, in radialer Richtung.

Durch die beschriebenen Ausführungsformen der Einlaufdüse 17 werden im Heißbetrieb durch die Verengung oder Verschließung des Ringspalts 21 die volumetrischen Verluste reduziert und der Wirkungsgrad der Pumpe erhöht. Das Ausdehnungselement 24 umfasst vorzugsweise austenitischen Stahl.