Efficiency scale-up of reactor coolant pumps

Abstract

Das Verfahren zur Leistungsaufwertung hydraulischer Maschinen wird derzeit durch die internationalen Normen IEC 60193 und IEC 62097 geregelt. Die anerkannten Normen sind zwei, da die neuere (IEC 62097) nicht an allen Maschinentypen anwendbar ist. Reaktorkühlpumpen (RCPs) sind Teil der Maschinen, die nicht von der neuen Norm abgedeckt werden und müssen deshalb weiterhin mit der ungenaueren Methode der älteren Norm aufgewertet werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die zur Anwendung der neuen IEC 62097 Norm notwendigen Aufwertungsfaktoren für axiale RCPs durch die Studie zweier solcher Pumpen zu bestimmen. Die dafür eingesetzten Methoden variieren je nach Geometrie und Strömungsdynamik der Komponenten, da unterschiedliche Ansätze zur genauen und dennoch nicht überkomplizierten Abschätzung der Reibungsverluste (aufwertbare Verluste) notwendig sind. Die Reibungsverluste der Lauf- und Leitschaufeln werden daher mit dem Reibungsverlustfaktor einer ebenen Platte berechnet, während für die ringförmigen Gehäuseteile vom Leit- und Laufrad die Verlustkoeffizienten-Formel von Nichtawitz verwendet wird. Die Reibungsverluste des zylindrischen Gehäuses werden aufgrund der komplexen Strömungsdynamik durch eine CFD-Analyse ermittelt und die Deckbandverluste des Laufrades durch den Verlustkoeffizient für zwei konzentrisch rotierende Zylinder. Aus den Ergebnissen werden dann linearen Funktionen extrapoliert, die die Aufwertungsfaktoren gemäß der spezifischen Drehzahl der Maschine beschreiben. Durch Anwendung der neuen Aufwertungsmethode für axiale RCPs wurde eine Wirkungsgradsteigerung von Modell zu Prototyp von 2,1% ermittelt. Dieses Ergebnis unterscheidet sich wesentlich von der 5% Wirkungsgradsteigerung, die mit der Norm IEC 60193 erhalten wird und bestätigt damit die Tatsache, dass die ältere Norm die Wirkungsgradaufwertung überschätzt. Mittels Vergleiche von Wirkungsgradaufwertungen mit unterschiedlichen Wandrauhigkeiten konnten auch die Wandrauhigkeitseinflüsse im Aufwertungsprozess untersucht werden und es ergab sich, dass gröbere Prototyp-Wandrauhigkeiten die Wirkungsgradsteigerung verringern.

The scale-up procedure for hydraulic machinery is currently regulated by two international standards: IEC 60193 and IEC 62097. The accepted standards are two since the newer one (IEC 62097) isn’t applicable to all types of machines, due to the lack of sufficient studies. Reactor coolant pumps (RCPs) are part of the machines not covered by the new standard, and therefore still have to be scaled-up with the less accurate method, presented in the older norm. This work aims to determine the needed scale-up factors to apply the new standard IEC 62097 to axial-flow RCPs, through the study of two such pumps. The methods used vary for each component since different approaches are needed to estimate in an accurate, yet non-overcomplicated way the friction losses (scalable losses), according to the geometry and flow dynamics of the component. Hence, the friction losses of runner blades and guide vanes are calculated with the friction loss factor of a flat plate, while for the casing sections of runner blades and guide vanes the loss coefficient formula of Nichtawitz is used. The friction losses of the cylindrical casing, due to the complex flow dynamics, are determined by performing a CFD-analysis. Lastly, the shroud ring losses are obtained through the loss coefficient for two concentric rotating cylinders. It is to note, that the shroud ring losses are relevant only for one of the two studied pumps, as solely the Type 1400 RCP is provided with a shroud ring. The results are then combined into linear functions which describe the scale-up factors according to the specific speed of the machine. Finally, the scale-up formulas presented in the standard IEC 620197, are adapted according to the new component subdivision of axial RCPs. By performing scale-up calculations with the new method, an efficiency increase from model to prototype of roughly 2,1% was determined. This result differs from the efficiency increase of roughly 5% calculated with the standard IEC 60193 and therefore confirms the fact that the older norm overestimates the efficiency increase. Through the comparison of scale-up calculations with different wall roughnesses, it was also possible to investigate the wall roughness effects on the scale-up, which showed that rougher prototype wall roughnesses decrease the efficiency increase.