Strahlpumpe sowie Siedewasserreaktor mit einer derartigen Strahlpumpe

Die Erfindung betrifft eine Strahlpumpe mit einem Mischkammerrohr und mit einem Diffusorrohr, wobei das Mischkammerrohr endseitig nach Art einer geschachtelten Anordnung in das Diffusorrohr hinein gesteckt und darin gleitend gelagert ist, so dass in einer Überlappungsregion das Diffusorrohr das Mischkammerrohr unter Ausbildung eines ringförmigen Leckagespaltes umschließt. In einer möglichen Variante bezieht sich die Erfindung speziell auf den Fall, dass innerhalb der Überlappungsregion an der Außenseite des Mischkammerrohres mehrere in Um- fangsrichtung ausgerichtete und in Axialrichtung der Strahlpumpe gesehen durch umlaufende Stege voneinander getrennte umlaufende Rillen vorhanden sind. Die Erfindung betrifft ferner einen Siedewasserreaktor mit einer derartigen Strahlpumpe. In ihrer allgemeinsten Form betrifft die Erfindung eine Rohrleitungsanordnung mit einem ersten Rohr und mit einem zweiten Rohr, wobei das erste Rohr endseitig nach Art einer geschachtelten Anordnung in das zweite Rohr hinein gesteckt und darin gleitend gelagert ist, so dass in einer Überlappungsregion das zweite Röhr das erste Rohr unter Ausbildung eines im Wesentlichen ringförmigen Leckagespaltes umschließt.

Bei Strahlpumpen, die im englischsprachigen Raum auch als„Jet Pumps" oder Jet-Pumpen bezeichnet werden, reißt ein in einer Treibdüse beschleunigtes Treibmedium ein durch einen Ansaugschlitz in eine Mischkammer eintretendes Saugmedium durch Impulsaustausch mit, wodurch die gewünschte Pumpwirkung in Bezug auf das Saugmedium entsteht. Die Mischkammer ist üblicherweise rohr- förmig ausgebildet. Häufig ist einem derartigen Mischkammerrohr ein sich in Strömungsrichtung trichterförmig erweiterndes Diffusorrohr zur Druckerhöhung des sich bei der Vermischung von Treibmedium und Saugmedium bildenden Ge- mischs nachgeschaltet. Je nach Anwendung können Treibmedium und Saugmedium unterschiedliche Medien oder ein- und dasselbe Medium - ggf. in unterschiedlichen Aggregatzuständen - sein. Strahlpumpen kommen häufig bei Siedewasserreaktoren zum Einsatz, um dort einen Transport oder eine Umwälzung von im Reaktordruckbehälter vorhandenem Reaktorkühlmittel - im Wesentlichen Wasser - durch den Reaktorkern zu bewirken. Üblicherweise sind die Strahlpumpen in diesem Anwendungsfall stehend, also mit vertikal ausgerichtetem Mischkammerrohr und mit darunter befindlichem, ebenfalls vertikal ausgerichtetem Diffusorrohr angeordnet, wobei die Hauptströmungsrichtung vertikal von oben nach unten zeigt. In einer gebräuchlichen Bauweise sind beide Rohre separat gefertigt, und das Mischkammerrohr ist endseitig nach Art einer geschachtelten Anordnung von oben in das - an der Verbindungsstelle einen entsprechend großen Innendurchmesser besitzende - Diffusorrohr hinein gesteckt. Während das Diffusorrohr in der Regel am oberen Ende durch entsprechende Halterungen relativ starr fixiert ist, ist das untere Ende des Mischkammerrohres darin axial gleitend gelagert, um so unterschiedliche (differenzielle) thermische Expansionen ausgleichen zu können. Dieser im englischsprachigen Raum auch als„Slip Joint" bezeichnete Rohrverbindungstyp bedingt, dass in der Überlappungsregion das Diffusorrohr das Mischkammerrohr unter Ausbildung eines im Wesentlichen ringförmigen Leckagespaltes umschließt, durch den während des Betriebs unvermeidlicherweise ein entgegen der Hauptströmungsrichtung gerichteter Leckagestrom aus dem Rohrinneren in die Umgebung entweicht.

Wie bereits seit einiger Zeit bekannt ist, können bei diesem Design in ungünstigen Fällen über weite Bereiche der Betriebsparameter erhebliche Vibrationen an der Strahlpumpe auftreten, die ursächlich auf die gleitende Lagerung und durch die dabei mögliche exzentrische (radiale) Auslenkung des Mischkammerrohres aus der konzentrischen Zentralposition im Diffusorrohr zurückzuführen sind. Dabei kommt es infolge der zeitlich instabilen Leckageströme zu einer Hin- und Herbewegung oder auch zu einer präzidierenden Bewegung des Mischkammerrohres im Gleitsitz, die sich in unerwünschter Weise resonanzartig verstärken kann (LIV = Leakage [Flow] Induced Vibrations, oder auch LFI = Leakage Flow Instability). Dies kann über die Zeit erhebliche Schäden an den Komponenten der Strahlpumpe hervorrufen, die mit entsprechendem Überwachungs- und Wartungsaufwand verbunden sind. Mögliche Gegenmaßnahmen zielen in der Regel zum einen darauf ab, die Dämpfung des schwingenden Systems zu erhöhen. Dazu wird beispielsweise das Mischkammerrohr mit Hilfe von Klemmen, Trägern, Halterungen etc. im Gleitsitz fixiert, was jedoch zusätzliche Konstruktionen erfordert, die auf Dauer vergleichsweise stark belastet werden. Zum anderen wird versucht, die Stärke des Leckagestroms als Auslöser der Vibrationen zu minimieren. Dies geschieht in der Regel durch geeignete Konturierung der den Leckagespalt begrenzenden Rohrflächen innerhalb der Überlappungsregion, etwa nach Art einer Labyrinthdichtung mit umlaufenden Rillen an der Außenseite des Mischkammerrohres. Ein anderer Ansatz basiert auf einem im Längsschnitt durch die Rohranordnung gesehen in Richtung des Leckagestroms konisch zulaufenden (das heißt, sich in radialer Richtung verengenden) Leckagespalt, im englischsprachigen Raum auch als„Tapered Gap" bezeichnet. Durch den konvergierenden Strömungspfad für den Leckagestrom wird gewissermaßen die Rückstellkraft auf das im Gleitsitz schwingende Mischkammerrohr erhöht und somit die Neigung zur Resonanzanregung herabgesetzt. Einige der in diesem Zusammenhang möglichen Maßnahmen sind beispielsweise in der Offenlegungsschrift US 201 1 / 0069804 A1 der AREVA NP Inc. beschrieben.

Obwohl diese Maßnahmen im Großen und Ganzen Leckage-bedingte Schwingungsanregungen recht wirksam unterdrücken, so besteht doch bei bestimmten Auslegungsfällen / Geometrien und/oder Betriebsbereichen noch Verbesserungsbedarf.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zur Vermeidung von Leckage-induzierten Vibrationen und Erschütterungen bei einer Strahlpumpe der eingangs genannten Art vorzusehen, die ohne zusätzliche mechanische Komponenten auskommen, die möglichst die Ursache des Problems beseitigen, und die auch in denjenigen Auslegungsfällen und Betriebsbereichen wirksam sind, bei denen die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nicht ausreichen. In entsprechender Verallgemeinerung stellt sich diese Aufgabe auch bei anderen Rohrleitungsanordnungen der eingangs genannten Art. Zu diesem Zweck sind gemäß einer ersten Hauptvariante der Erfindung bei einer Strahlpumpe der genannten Art innerhalb der Überlappungsregion zumindest in einem Teilabschnitt des Umfangs an der Außenseite des Mischkammerrohres mehrere axial ausgerichtete und durch radial nach außen hervorstehende Grate oder Stege voneinander getrennte Rillen oder längliche Vertiefungen vorhanden, deren Tiefe in Richtung des sich im Betrieb der Strahlpumpe einstellenden Leckagestroms abnimmt.

Die nachfolgenden Betrachtungen gehen zwar meist von der Annahme aus, dass das Diffusorrohr starr gegenüber der Umgebung fixiert ist, und dass das Mischkammerrohr demgegenüber frei in seitlicher (lateraler bzw. radialer) Richtung schwingen kann, die Situation könnte aber auch umgekehrt sein, oder beide Rohre könnten im Bereich der Verbindung mit seitlichem Spiel angeordnet sein. Die nachfolgenden Ausführungen gelten dann sinngemäß. Die gilt auch für die weiter unten beschriebene zweite Hauptvariante der Erfindung.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es wünschenswert ist, das Problem an der Wurzel zu packen und nicht nur die Auswirkungen abzumildern (etwa durch Vergrößerung der Dämpfung infolge von Zwangsbedingungen). In diesem Zusammenhang wurde erkannt, dass der Mechanismus der Schwingungsanregung gerade in seinem Anfangsstadium (in statu nascendi) nicht allein auf einer pendelartigen Hin- und Herbewegung des jeweiligen Rohres beruht - vielmehr spielen kreisförmige, präzedierende Bewegungen des freien Rohrendes im Gleitsitz eine wesentliche Rolle. Eben diese Bewegungsmuster werden durch die oben spezifizierte Geometrie von Anfang an unterdrückt, wie nunmehr durch theoretische, numerische und experimentelle Untersuchungen herausgefunden wurde. Die konisch zulaufenden, in Richtung des Leckagestroms flacher werdenden Rillen bauen dabei im Prinzip auf dem bewährten Design vom Typ„Tapered Gap" auf und führen zu einem ähnlichen Effekt, nämlich zu einer Verstärkung der radial gerichteten Rückstell kraft auf das Mischkammerrohr im Falle exzentrischer Auslenkung. Darüber hinaus führen die zwischen den Rillen liegenden axialen Stege oder Grate in Umfangsrichtung gesehen zur Ausbildung von„Bergen" und„Tälern" in der räumlichen Druckverteilung des Leckagestroms, die das System gewissermaßen versteifen und Präzessionsschwingungen, die ihrerseits als Auslöser oder Verstärker für Pendelschwingungen wirken können, von Anfang an konsequent dämpfen. Damit wird überraschenderweise die Tendenz zur Schwingungsanregung gegenüber dem elementaren„Tapered Gap" Design, das derartige Stege oder Grate nicht besitzt, noch einmal signifikant herabgesetzt, und zwar auch bei ursprünglich nicht mit diesem Design beherrschbaren Auslegungs- und Betriebsbereichen.

In einer vorteilhaften Ausprägung des Grundkonzeptes sind die vorzugsweise länglichen axialen Rillen - und damit auch die zwischen den Rillen befindlichen axialen Stege oder Grate - über den kompletten Umfang des Mischkammerrohres hinweg vorhanden. Dieses Design kommt bevorzugt dann zur Anwendung, wenn das Mischkammerrohr durch die Wirkung der strömungsdynamischen Kräfte zentrisch in dem vom Diffusorrohr gebildeten Gleitsitz gehalten werden soll. Dies hat den Vorteil, dass sich die beiden Rohre nicht berühren, sondern stets über den kompletten Umfang hinweg durch das den Leckagestrom ausbildende Strömungsmedium voneinander separiert werden.

Zweckmäßigerweise sind dabei alle Rillen gleichartig konturiert. Entsprechendes gilt für die Stege oder Grate. Besonders bevorzugt ist eine in Umfangsrichtung periodische Anordnung von Rillen / Vertiefungen und Stegen / Graten / Erhöhungen mit gleichmäßigen Abständen zwischen je zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Vertiefungen bzw. Erhöhungen.

In einer einfach zu fertigenden, aber besonders effektiven Variante nimmt die Tiefe der Rillen in etwa linear mit der Axialposition in Richtung des Leckagestroms im Spalt ab.

Vorteilhafterweise sind die Rillen an dem in das Diffusorrohr gesteckten Ende des Mischkammerrohres - also dort, wo sie ihre größte Tiefe haben - in Axialrichtung zu dem vom Diffusorrohr umschlossenen Strömungskanal hin offen. Am anderen Ende, also an dem zum Ende des Diffusorrohres korrespondierenden Ende der Überlappungsregion haben die Rillen ihre geringste Tiefe, beispielsweise die Tiefe Null. Die Länge der Rillen entspricht somit vorzugsweise der Länge der Überlappungsregion in Axialrichtung (sprich der Überlappungslänge). Über den kompletten Umfang hinweg sind - je nach Rohrumfang und spezifischer Auslegung - vorzugsweise 20 bis 40 Rillen und ebenso viele Stege oder Grate angeordnet.

Bei der Bemessung der Rillentiefe ist das Verhältnis der Spaltbreite unten - am unteren Ende der Überlappungsregion, also am Rilleneingang - zur Spaltbreite oben - am oberen Ende der Überlappungsregion, also am Rillenauslauf - besonders relevant. Spaltbreite meint dabei die radiale Ausdehnung des Spalts vom Rillenboden bis zur Innenwand des konzentrisch zum Misch kammerrohr ausgerichteten Diffusorrohres. Das genannte Spaltbreitenverhältnis liegt bevorzugt zwischen 2,0 und 2,4 und beträgt besonders bevorzugt etwa 2,2. Damit ist der bevorzugte Winkel der den Rillenboden bildenden Schrägfläche gegenüber der Vertikalen abhängig von der Eintauchtiefe des Mischkammerrohres in das Diffusorrohr, sprich von der Überlappungslänge.

In bevorzugter Ausgestaltung werden die Rillen durch Materialabtrag in ein Mischkammerrohr mit im Bereich der Überlappungsregion im Wesentlichen konstantem Außendurchmesser eingebracht, so dass die stehenbleibenden Stege oder Grate bezüglich ihrer radialen Ausdehnung gewissermaßen in einer Flucht mit dem daran angrenzenden zylindrischen Rohrabschnitt liegen.

Die Rillen können in herkömmlicher Weise durch Fräsen oder eine andere Art der spanabhebenden mechanischen Bearbeitung in die Rohrwand des Mischkammerrohres eingebracht werden. In einer besonders bevorzugten Variante geschieht dies jedoch durch Funkenerodieren (kurz EDM = Electrical Discharge Machining), vorzugsweise unter Wasser. Dabei handelt es sich um ein bewährtes thermisches, abtragendes Bearbeitungsverfahren für leitfähige Materialien, das auf elektrischen Entladevorgängen (Funken) zwischen einer Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück beruht. Der besondere Vorteil besteht darin, dass gerade dieses Verfahren - neben anderen, ebenfalls in Frage kommenden Verfahren - problemlos mit Hilfe eines Roboters unter Wasser durchgeführt werden kann. Bei der Nach- rüstung / Nachbearbeitung einer bereits benutzen und ggf. radioaktiv belasteten Strahlpumpe im Reaktordruckbehälter eines Siedewasserreaktors braucht diese nicht aus dem Strahlungsabschirmenden Kühlwasser herausgenommen zu werden, sondern das Einbringen der Rillen kann - nach dem Zerlegen der Strahlpumpe - unter Wasser erfolgen. Alternativ kann das Rohr auch mit Hilfe einer entsprechenden Form gegossen werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung nimmt die Breite der Rillen in Richtung des Leckagestroms ab. Dadurch werden gegenüber axialen Rillen mit konstanter Breite die fluiddynamische Steifigkeit des Rohrstoßes und die Dämpfung erhöht, wie überraschenderweise erkannt und in Simulationen bestätigt wurde.

Besonders bevorzugt ist dabei die Breite der Rillen an dem zum Ende des Diffusorrohres korrespondierenden Ende der Überlappungsregion Null. In Draufsicht besitzt die jeweilige Rille vorteilhafterweise die Kontur eines Dreiecks, welches sich in Strömungsrichtung des Leckagestroms verjüngt, vorzugsweise eines gleichschenkligen Dreiecks. Der jeweilige Steg oder Grat besitzt dann in komplementärer Ausgestaltung ebenfalls die Kontur eines vorzugsweise gleichschenkligen Dreiecks, welches sich Strömungsrichtung des Leckagestroms verbreitert.

In bevorzugter Ausgestaltung bilden die Rillen und die Grate / Stege im Querschnitt betrachtet annähernd rechtwinklige Profile, vorzugsweise mit abgerundeten Kanten bzw. Übergängen, um zu vermeiden, dass sie bei Kontakt mit dem äußeren Rohr anfangen zu schaben.

Vorteilhafterweise ist die der Rillenstruktur des Mischkammerrohres gegenüberliegende Innenseite des Diffusorrohres innerhalb der Überlappungsregion unprofiliert.

In alternativer Ausgestaltung können die axialen Rillen und die Stege / Grate aber auch an der Innenseite des Diffusorrohres angeordnet sein, während in diesem Fall die Außenseite des in das Diffusorrohr hineinragenden Mischkammerrohres vorzugsweise unprofiliert ist. Die Ausführungen weiter oben sind dann sinngemäß zu übertragen. In einer weiteren Abwandlung ist es denkbar, dass sowohl die Innenseite des Diffusorrohres als auch die Außenseite des Mischkammerrohres entsprechend mit axialen Rillen ausgestattet sind.

In einer alternativen Ausgestaltung der ersten Hauptvariante der Erfindung sind die Rillen ausschließlich in einem Teilabschnitt des Rohrumfangs vorhanden, insbesondere in einer Umfangshälfte, während der Rest des Umfangs vorzugsweise unstrukturiert ist. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine in Umfangsrich- tung ungleichmäßige Verteilung der strömungsdynamischen Kräfte bewirkt werden soll, die das Mischkammerrohr in eine zeitlich konstante Richtung bezüglich des Umfangs auslenkt. Das heißt, das Mischkammerrohr wird gegenüber der konzentrischen Grundposition, in der der Leckagespalt einen über den gesamten Umfang hinweg gleich breiten Ringraum bildet, durch den Leckagestrom - solange er vorhanden ist - permanent in ein- und dieselbe exzentrische Lage ausgelenkt.

Mit anderen Worten ist es dadurch unter konsequenter Ausnutzung eines intrinsischen, auf fluiddynamischen Überlegungen beruhenden Ansatzes möglich, ohne zusätzliche externe Hilfsmittel wie Klammern, Federn und dergleichen eine permanente Ungleichverteilung des Leckagestroms über den Rohrumfang hinweg zu erreichen, die zu einem Ungleichgewicht der umfänglich angreifenden Kräfte und im Ergebnis zu einer zeitlich zumindest in ihrer Richtung konstanten resultierenden Auslenkungskraft führt. Dadurch wird das in das Diffusorrohr hineinragende Mischkammerrohr durch den Leckagestrom selber permanent in eine konstante Richtung bezüglich des Umfangs ausgelenkt und eine Schwingungsanregung bereits im Ansatz konsequent vermieden. Dabei wird das Mischkammerrohr während des Pumpenbetriebs zwar aus der konzentrischen Mittelposition in eine zeitliche konstante exzentrische Position ausgelenkt und berührt bevorzugt das Diffusorrohr an dessen Innenseite, um keinen Spielraum für weitere Schwingungsanregungen zuzulassen. Es erfolgt aber keine feste, dauerhafte Verbindung, so dass eine bedarfsgerechte thermische (differentielle) Expansion der beiden Rohre im Verbindungsbereich ungehindert erfolgen kann. In einer Variation dieses Konzeptes sind in einem ersten Teilabschnitt des Umfangs an der Außenseite des Mischkammerrohres mehrere axial ausgerichtete und durch radial nach außen hervorstehende Grate oder Stege voneinander getrennte Rillen vorhanden, deren Tiefe in Richtung des sich im Betrieb der Strahlpumpe einstellenden Leckagestroms abnimmt, während in einem von dem ersten Teilabschnitt verschiedenen zweiten Teilabschnitt des Umfangs an der Außenseite des Mischkammerrohres mehrere axial ausgerichtete und durch Grate oder Stege voneinander getrennte Rillen vorhanden sind, deren Tiefe in Richtung des sich im Betrieb der Strahlpumpe einstellenden Leckagestroms zunimmt. Insbesondere kann eine Umfangshälfte in der einen und die andere Umfangshälfte in der anderen Weise gestaltet sein. Die oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen hinsichtlich Form und Kontur der Rillen in den jeweiligen Bereichen gelten sinngemäß.

Entsprechend den Ausführungen weiter oben wird auch durch diese Maßnahme über den Rohrumfang hinweg eine ungleichmäßige Kraftverteilung durch den Leckagestrom selber erzeugt bzw. unterstützt, die während der Durchströmung der Strahlpumpe eine konstante exzentrische Auslenkung des Mischkammerrohres im Leckagespalt hervorruft. Eine Besonderheit besteht in diesem Fall darin, dass diese Wirkung - mit entgegengesetzter Auslenkungsrichtung - selbst im Fall einer Richtungsumkehr des Leckagestroms erhalten bleibt. Die Kombination unterstützt also beide möglichen Strömungsrichtungen innerhalb des Rohrleitungssystems, was insbesondere bei Anwendungen, die über Strahlpumpen hinausgehen, sinnvoll sein kann.

Gemäß einer zweiten Hauptvariante der Erfindung, bei der innerhalb der Überlappungsregion an der Außenseite des Mischkammerrohres mehrere in Umfangsrich- tung ausgerichtete und in Axialrichtung der Strahlpumpe gesehen durch umlaufende Stege voneinander getrennte umlaufende Rillen vorhanden sind, ist jede der umlaufenden Rillen in Umfangsrichtung durch Stege in mehrere voneinander getrennte Abschnitte unterteilt. Man kann also auch vom unterbrochenen kreis- bzw. ringförmigen Rillen sprechen (auf Englisch: Interrupted Circular Grooves). Auch hier sind es die Stege, die sich in Umfangsnchtung zwischen den rillenartigen Vertiefungen erheben und diese dabei in mehrere Umfangsabschnitte unterteilen, die maßgeblich durch ihre Dämpfung von Präzessions- oder Kreisbewegungen des Mischkammerrohres im Gleitsitz eine Anregung unerwünschter Schwingungen und Vibrationen verhindern. Der Effekt geht also deutlich über die reine Drosselung der Leckageströmung durch die Labyrinthstruktur hinaus. Der Effekt tritt bei beiden möglichen Strömungsrichtungen des Leckagestroms auf.

Vorteilhafterweise umschließt jede der Rillen im Wesentlichen den kompletten Umfang des Misch kammerrohres und ist durch eine entsprechende Anzahl von Stegen in 5 bis 15 Abschnitte unterteilt.

In bevorzugter Ausgestaltung sind alle derart gebildeten Abschnitte einer Rille in Umfangsnchtung gesehen gleich lang. Die die Abschnitte voneinander trennenden Stege sind in Umfangsrichtung gesehen vorzugsweise kürzer als die Abschnitte der Rillen. Bevorzugt liegt das Verhältnis zwischen Rillenlänge zu Steglänge im Bereich zwischen 2,0 bis 3,0 und beträgt beträgt besonders bevorzugt ungefähr 2,55. Eine in Umfangsrichtung gesehen periodische Anordnung von Rillenabschnitten und Stegen ist bevorzugt.

Ferner sind die die Rillenabschnitte voneinander trennenden Stege von in Axialrichtung unmittelbar aufeinander folgenden Rillen in Umfangsrichtung gesehen vorteilhafterweise nach Art eines Mauerwerksverbandes gegeneinander versetzt angeordnet.

Die Tiefe der Rillen ist wie folgt zu bemessen: Das Verhältnis der Spaltbreite vom Rillenboden bis zum äußeren Rohr (Diffusorrohr) zur Spaltbreite zwischen Stegaußenfläche und äußerem Rohr liegt bevorzugt im Bereich von 1 ,7 bis 2,1 und beträgt besonders bevorzugt 1 ,87.

Prinzipiell ist es zwar denkbar, die Stege durch Materialauftrag auf der Außenseite des Mischkammerrohres herzustellen, wodurch sich automatisch die dazwischen liegenden Rillen ausbilden. Vorteilhafterweise werden jedoch die Rillen durch Ma- terialabtrag, etwa durch Fräsen oder durch Funkenerosion, in das Mischkammer- rohr eingebracht. Es gilt das weiter oben in Bezug auf die erste Hauptvariante der Erfindung Gesagte.

Alternativ oder zusätzlich zu der an der Außenseite des Mischkammerrohres angeordneten Rillenstruktur kann auch bei dieser Variante eine Einbringung einer entsprechenden Rillenstruktur an der Innenseite des Diffusorrohres vorgesehen sein.

Weiterhin ist es auch hier möglich, die beschriebene Rillenstruktur nur über einen Teilabschnitt des Rohrumfangs, insbesondere eine Umfangshälfte, zu erstrecken, während der Rest unstrukturiert bleibt. Analog zu der weiter oben beschriebenen Variante wird durch diese Maßnahme eine über den Rohrumfang hinweg ungleichmäßige Kraftverteilung durch den Leckagestrom selber erzeugt bzw. unterstützt, die während der Durchströmung der Strahlpumpe eine konstante exzentrische Auslenkung des Mischkammerrohres im Leckagespalt hervorruft.

Ein besonders wichtiges Anwendungsfeld der beschriebenen Erfindung liegt im Bereich eines Siedewasserreaktors mit einem Reaktordruckbehälter und mit mindestens einer in dem Reaktordruckbehälter angeordneten Strahlpumpe zum Transport oder zur Umwälzung von im Reaktordruckbehälter vorhandenem Reaktorkühlmittel. Aber natürlich ist die erfindungsgemäße Problemlösung nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt, sondern lässt sich bei allen Strahlpumpen mit der eingangs spezifizierten Bauweise auf allen denkbaren technischen Gebieten verwenden. Darüber hinaus kann das Erfindungsprinzip generell bei verschiedensten fluiddurchströmten Rohrleitungssystemen, bei denen ein Rohrstück unter Ausbildung eines„Slip Joints" in ein anderes gesteckt ist, angewandt werden, um Leckage-induzierte Vibrationen und Erschütterungen zu vermeiden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch eine einfache Maßnahme unter Ausnutzung intrinsischer fluiddynamischer Gesetzmäßigkeiten durch Spaltleckage hervorgerufene betriebliche Vibrationen bereits im Ansatz eliminiert werden, so dass zusätzliche Dämpfungs- und Verstei- fungsmaßnahnnen unnötig sind. Es werden Designs für die Spaltgeometrie bereitgestellt, die die bekannten Designs vom Typ„Tapered Gap" und„Annular Groo- ves" erweitern und in unerwarteter Weise verbessern und somit deren Anwendungsbereich vergrößern.

Durch Computersimulationen (CFD = Computational Fluid Dynamics) einerseits und durch Messreihen an Modelsystemen und Prototypen andererseits kann auch eine quantitative Projektierung, Auslegung und Optimierung der Rillenstrukturen und der durch sie hervorgerufenen fluiddynamischen Effekte vorgenommen werden.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen in jeweils stark vereinfachter und schematisierter Darstellung: einen Längsschnitt durch einen Reaktordruckbehälter eines Siedewasserreaktors mit einer darin installierten Strahlpumpe

FIG. 2 eine perspektivische Ansicht einer Strahlpumpe mit einem Mischkammerrohr und einem Diffusorrohr

FIG. 3 eine zum Teil geschnittene Ansicht der Verbindungsregion zwischen dem Mischkammerrohr und dem Diffusorrohr bei einer Strahlpumpe gemäß dem Stand der Technik,

FIG. 4 eine zum Teil geschnittene und zum Teil perspektivische Ansicht der

Verbindungsregion zwischen dem Mischkammerrohr und dem Diffusorrohr bei einer ersten Hauptvariante einer erfindungsgemäßen Strahlpumpe,

FIG. 5 eine Abänderung der in FIG. 4 dargestellten Variante, und FIG. 6 eine zum Teil geschnittene und zum Teil perspektivische Ansicht der Verbindungsregion zwischen dem Mischkammerrohr und dem Diffusorrohr bei einer zweiten Hauptvariante einer erfindungsgemäßen Strahlpumpe.

Gleiche oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

FIG. 1 zeigt einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen Reaktordruckbehälter 2 eines Siedewasserreaktors 4. Der Reaktorkern 6 enthält im Betrieb hier nicht näher dargestellte nukleare Brennelemente zur Erhitzung und Verdampfung eines durch den Reaktordruckbehälter 2 geleiteten Reaktorkühlmittels 8, im Wesentlichen Wasser (Kühlwasser). Oberhalb des Reaktorkerns 6 befinden sich Dampfseparatoren 10, und darüber Dampftrockner 12. Der getrocknete Wasserdampf wird durch den Hauptauslass 14 über eine Rohrleitung zu einer Dampfturbine (nicht dargestellt) geleitet, in der er sich arbeitsleistend entspannt. Der entspannte Wasserdampf wird in einem Kondensator (nicht dargestellt) kondensiert und anschließend mit Hilfe einer Kühlwasserpumpe (nicht dargestellt) als flüssiges Kühlwasser über eine Rohrleitung durch den Haupteinlass 16 zurück in den Reaktordruckbehälter 2 gespeist, so dass der Kühlkreislauf geschlossen ist.

Mehrere Strahlpumpen 18, die in einem den Reaktorkern 6 umschließenden und von ihm durch einen zylindrischen Kernmantel 20 separierten Ringraum 22 angeordnet sind, sorgen innerhalb des Reaktordruckbehälters 2 für eine Zirkulation des Kühlwassers durch den Reaktorkern 6. Der Strömungsverlauf ist in FIG. 1 durch entsprechende Strömungspfeile angedeutet. Jede der aufrecht stehend im Ringraum 22 angeordneten Strahlpumpen 18 weist als wesentliche Komponenten von oben nach unten eine Treibdüse 24, ein auch als Mischer, Mixer oder Mischrohr bezeichnetes Mischkammerrohr 26 und ein auch Diffusor bezeichnetes Diffusor- rohr 28 auf. Die jeweilige Strahlpumpe 18 ist an einen aus dem Reaktordruckbehälter 2 herausgeführten Pumpenkreislauf 30 angeschlossen, über den mittels einer Rezirkulationspumpe 32 Kühlwasser aus dem unteren Bereich des Ringraums 22 als Treibmedium in die Treibdüse 24 eingespeist wird. Über eine bei- spielsweise nach Art eines Ringschlitzes ausgebildete Ansaugöffnung 34 reißt das aus der Treibdüse 24 austretende Treibmedium durch Impulsübertrag Kühlwasser aus dem oberen Bereich des Ringraums 22 mit und vermischt sich mit diesem anschließend im Mischkammerrohr 26. In dem in Strömungsrichtung nachgeschalteten, sich trichterförmig erweiternden Diffusorrohr 28 erfährt das Gemisch aus Treib- und Saugmedium (in beiden Fällen Kühlwasser) einen Druckanstieg. Das am unteren Ende der Strahlpumpe 18 aus dem Diffusorrohr 28 austretende Gemisch vermischt sich mit dem weiteren Kühlwasser im Reaktordruckbehälter 2 und treibt durch seinen Impuls die gewünschte Zirkulation durch den Reaktorkern 6 an.

FIG. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer typischerweise in diesem Zusammenhang verwendeten Strahlpumpe 18. Es handelt sich genauer gesagt um eine Zwillingspumpe mit zwei parallel zueinander angeordneten Pumpensektionen, die über ein gemeinsames Steigrohr 36, ein nachgeschaltetes Verzweigungsstück 38 und jeweils ein bogenförmiges Verbindungsstück 40 mit Treibmedium bespeist werden. Jede der beiden Pumpensektionen weist in der zuvor beschriebenen Weise eine Treibdüse 24, ein vertikal ausgerichtetes Mischkammerohr 26 und ein ebenfalls vertikal orientiertes Diffusorrohr 28 auf. Das Mischkammerrohr 26 und das Diffusorrohr 28 sind separate Bauteile, die in der nachfolgend beschriebenen Weise miteinander verbunden sind.

FIG. 3 zeigt in stark vereinfachter und schematischer Weise eine zum Teil geschnittene Ansicht der Verbindungsregion zwischen dem Mischkammerrohr 26 und dem Diffusorrohr 28 bei einer Strahlpumpe 18 gemäß dem Stand der Technik. Bei dieser und in den folgenden Figuren wird zur Vereinfachung der Beschreibung und im Einklang mit der üblichen Einbausituation in einem Siedewasserreaktor 4 weiterhin von einer aufrecht stehenden Anordnung der Strahlpumpe 18 ausgegangen. Man erkennt, dass das untere Ende des Mischkammerrohres 26 nach Art einer geschachtelten Anordnung und unter Ausbildung eines im Wesentlichen ringförmigen Leckagespaltes 42 in das obere Ende des Diffusorrohres 28 eingreift. Der Außendurchmesser des Mischkammerrohres 26 ist in diesem Bereich also etwas geringer als der Innendurchmesser des Diffusorrohres 28, und das Diffusorrohr 28 umschließt innerhalb einer Überlappungsregion 44 mit der Überlappungs- länge L das Mischkammerrohr 26 entlang dessen Umfang. Während das obere Ende des Diffusorrohres 28 üblicherweise relativ starr gegenüber den umliegenden Komponenten (z. B. dem Kernmantel 20) fixiert ist, ist das untere Ende des Mischkammerrohres 26 axial und auch radial gleitend in seinem Sitz im Diffusor- rohr 28 gelagert, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen kompensieren zu können.

Aufgrund des Leckagespaltes 42, dessen Spaltbreite S typischerweise im Bereich von 50 μιτι bis 300 μιτι (Mikrometer) liegt, bildet sich beim Betrieb der Strahlpumpe 18 ein entgegen der Hauptströmung 46 gerichteter Leckagestrom 48 von der innenliegenden, ringförmigen Spalteintrittsöffnung 50 hin zur außenliegenden, ringförmigen Spaltaustrittsöffnung 52. Der Leckagestrom 48 folgt dabei dem Druckgefälle vom Hochdruckbereich im Rohrinneren zum Niederdruckbereich in der äußeren Umgebung. Der Leckagestrom 48 führt im Zusammenspiel mit der gleitenden, spielbehafteten Lagerung des Mischkammerrohres 26 im Diffusorrohr 28 in bestimmten Bereichen der Betriebsparameter (charakterisiert durch Strömungsgeschwindigkeit, Druck, Dichte etc.) zur Ausbildung hochgradig unerwünschter Vibrationen, bei denen das untere Ende des Mischkammerrohres 26 seitlich / radial hin und her oder kreisförmig präzedierend in seinem Gleitsitz oszilliert und dabei periodisch oder irregulär an die Wand des Diffusorrohres 28 schlägt. Derartige Lecka- ge-induzierte Vibrationen können in ungünstigen Fällen zur Materialermüdung bis hin zur Zerstörung von Komponenten der Strahlpumpe 18 und deren Aufhängung führen.

FIG. 4 zeigt eine zum Teil geschnittene und zum Teil perspektivische Ansicht der überlappenden Verbindung zwischen dem Mischkammerrohr 26 und dem Diffusorrohr 28 bei einer ersten Hauptvariante einer erfindungsgemäßen Strahlpumpe 18, die das beschriebene Problem vermeidet. Dazu sind im Bereich der Überlappungsregion 44 in die Rohrwand 60 des Mischkammerrohres 26 von der Außenseite her parallel zur Rohrachse 62 ausgerichtete längliche Rillen 64 eingebracht, die jeweils durch dazwischen liegende, ebenfalls axial ausgerichtete Stege 66 separiert sind. Die Rillen 64 haben eine in axialer Richtung konstante Breite, ebenso die Stege 66. Hier im Ausführungsbeispiel ist die Breite der Rillen 64 und der Stege 66 ungefähr gleich. Sie ist klein gegenüber der Umfangslänge des Mischkammerrohres 26 in der Überlappungsregion 44. Hier im Ausführungsbeispiel sind ungefähr 30 Rillen 64 und ebenso viele Stege 66 nach Art einer periodischen Anordnung über den Rohrumfang verteilt. Am unteren Rand des Mischkammerrohres 26 ist die in radialer Richtung gegenüber den Außenflächen der Stege 66 gemessene Tiefe der Rillen 64 am größten. Nach oben hin nimmt die Tiefe der Rillen 64 kontinuierlich ab, und zwar linear mit der Axialposition, und beträgt Null am oberen Ende der Überlappungsregion 44.

Das heißt, die am unteren Ende in axialer Richtung offenen Rillen 64 laufen nach oben hin sanft aus und vereinigen sich mit den Stegen 66 zur zylindrischen Mantelfläche 68 der Rohrwand 60. Die Rillen 64 sind durch Materialabtrag aus der Rohrwand 60 gebildet, die eine ausreichende Dicke hat, so dass es zu keinem Durchbruch zum Rohrinnenraum kommt - vielmehr bleiben die gegenüber der Rohrachse 62 geneigten Schrägflächen 69 stehen. Die Außenflächen der Stege 66 hingegen bilden eine geradlinige Verlängerung der oberhalb der Überlappungsregion 44 ausgebildeten zylindrischen Mantelfläche 68 des Mischkammerrohres 26. Es handelt sich gerade um diejenigen Zonen, an denen kein Materialabtrag beim Einbringen der Rillen 64 in die Rohrwand 60 erfolgt.

Die beschriebene Rillenstruktur an der Außenseite des Mischkammerrohres 26 bewirkt im Verbund mit der unstrukturierten, glatten Innenseite des das Mischkammerrohr 26 von unten übergreifenden Diffusorrohres 28 eine Unterdrückung von resonanzartigen Vibrationen und Erschütterungen, die ohne derartige Maßnahmen durch den entgegengesetzt zur Hauptströmung 46 gerichteten Leckagestrom 48 ausgelöst würden. Durch das regelmäßige Rillen-Stege-Gitter werden insbesondere rotierende bzw. präzedierende Bewegungen des Mischkammerrohrs 26 in dem Gleitsitz im Diffusorrohr 28 unterdrückt, die häufig pendelartigen, linearen Schwingungen vorausgehen und diese initiieren. Dieser Bewegungstyp wird seinerseits durch die von den Rillen 64 gebildeten, in Richtung des Leckagestroms 48 konvergierenden Strömungskanäle gehemmt. Dies gilt in besonderem Maße auch für die in FIG. 5 dargestellte Variante, bei der im Gegensatz zu der in FIG. 4 dargestellten Variante nicht nur die Tiefe der Rillen 64 nach oben hin zu Null abnimmt, sondern auch deren Breite. Man kann daher auch von einer doppelten Konvergenz der Leckagekanäle sprechen. In der Draufsicht besitzen die Rillen 64 jeweils die Kontur eines regelmäßigen Dreiecks. In dem Maße, wie sich die Rillen 64 nach oben hin verjüngen, verbreitern sich entsprechend die dazwischen liegenden, ebenfalls dreiecksförmig berandeten Stege 66.

Schließlich ist in FIG. 6 eine zweite Hauptvariante der Erfindung dargestellt, die ebenfalls die Anregung von Leckage-bedingten Schwingungen verhindert. Hierzu sind innerhalb der Überlappungsregion 44 mehrere parallel zueinander verlaufende, in Umfangsrichtung umlaufende Rillen 70 in die zylindrische Mantelfläche 68 des Mischkammerrohres 26 eingebracht, die durch zwischen ihnen liegende umlaufende Stege 72 voneinander getrennt sind. Die Außenflächen der Stege 72 liegen in radialer Richtung gesehen auf der Höhe der fortgesetzt gedachten Mantelfläche 68.

Um auch hier Präzessionsschwingungen bereits im Ansatz zu unterdrücken, sind die umlaufenden Rillen 70 an mehreren Umfangsstellen durch Unterbrechungsstege oder Trennstege definierter Länge, kurz: Stege 74, unterbrochen. Die in ihrer gedachten Verlängerung den kompletten Kreisumfang umlaufenden Rillen 70 werden also durch die Stege 74 in endliche Kreisbogenabschnitte unterteilt. Die Stege 74 bilden gewissermaßen Brücken zwischen den komplett um den Kreisumfang umlaufenden Stegen 72. Die Stege 74 sind bevorzugt nach Art einer Gleichteilung des Vollkreises über den Rohrumfang verteilt, hier beispielsweise 10 Stück über den Umfang. Die Stege 74 innerhalb eines Rillenkreises sind hier gegenüber den Stegen 74 des unmittelbar über oder unter ihm liegenden Rillenkreises in Umfangsrichtung gesehen versetzt angeordnet. Abweichend von der (ohnehin schematischen) Darstellung in FIG. 6 brauchen die Stege 74 in Wirklichkeit nicht ganz so schmal zu sein, wie die Zeichnung den Eindruck vermittelt, sondern können beispielsweise maximal halb so lang wie die Rillenabschnitte sein. Optimal ist ein Längenverhältnis von Rillenlänge zu Steglänge von ungefähr 2,55.

Eine Besonderheit der dargestellten Struktur besteht darin, dass sie auch dann vibrationsmindernd wirksam ist, wenn sich die Richtung des Leckagestroms 48 umdreht.

Abweichend von den in FIG. 4 bis FIG. 6 dargestellten Ausführungsbeispielen kann die jeweilige Rillen-Stege-Struktur nur auf einem Teilbereich des Rohrumfangs, insbesondere auf einer Umfangshälfte, angeordnet sein, wenn eine global gesehen asymmetrische Beeinflussung des Leckagestroms 48 gewünscht ist. Alternativ oder zusätzlich können sich entsprechende Strukturen auf der Innenseite des Diffusorrohres 28 befinden.

Bezugszeichenliste

2 Reaktordruckbehälter 68 Mantelfläche

4 Siedewasserreaktor 69 Schrägfläche

6 Reaktorkern 70 Rille

8 Reaktorkühlmittel 72 Steg

10 Dampfseparator 74 Steg

12 Dampftrockner

14 Hauptauslass L Überlappungslänge

16 Haupteinlass S Spaltbreite

18 Strahlpumpe

20 Kemmantel

22 Ringraum

24 Treibdüse

26 Mischkammerrohr

28 Diffusorrohr

30 Pumpenkreislauf

32 Rezirkulationspumpe

34 Ansaugöffnung

36 Steigrohr

38 Verzweigungsstück

40 Verbindungstück

42 Leckagespalt

44 Überlappungsregion

46 Hauptströmung

48 Leckagestrom

50 Spalteintrittsöffnung

52 Spaltaustrittsöffnung

56 Rohrwand

60 Rohrwand

62 Rohrachse

64 Rille

66 Steg