(57)【要約】  本発明は、液体金属をポンプ輸送するための軸流ポンプであって、液体を受け取るための入口と、少なくとも１つの回転子であって、回転子ハブおよびその上に配置される複数の回転子ブレードを備える回転子と、固定子ハブおよび複数の固定子羽根を備える固定子と、液体金属を放出するための放出口とを備え、液体金属によってポンプの浸食を減らすかまたは回避すると共に、効果的なポンプ輸送を提供するように構成されているポンプについて記載している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属をポンプ輸送するための軸流ポンプであり、
液体を受け取るための入口と、
少なくとも１つの回転子であって、回転子ハブおよびそこに配置される複数の回転子ブレードを備える回転子と、
固定子ハブおよび複数の固定子羽根を備える固定子と、
前記液体金属を放出するための放出口と、
を備える軸流ポンプであって、
前記入口は、軸方向に同心の２つの壁により画成され、前記入口壁が、法線ベクトルが前記軸流ポンプの軸にほぼ垂直である入口エントランス領域を画成するように、前記同心壁は湾曲した端を有し、そして前記回転子ブレードは、前記回転子に対向する前記壁の最も近くに配置される先端を有し、そしてそれによって、回転子先端半径である、前記回転子軸と前記回転子ブレード先端の間の距離に対する、回転子ハブ半径である、前記回転子軸と前記回転子ハブの間の距離の比率は、０．８７より大きい軸流ポンプ。
【請求項２】
鉛ビスマス共晶混合物をポンプ輸送するように構成される請求項１に記載の軸流ポンプ。
【請求項３】
前記ポンプの入口領域は、前記回転子の前の領域より８．５〜１０．８倍大きい請求項１〜２のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項４】
前記壁の長手方向断面は、前記入口の前記エントランスから単調に次第に減少する湾曲を備え、前記湾曲は前記ポンプの前記軸に関して定められる請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項５】
前記回転子の前の前記入口の部分の長さは、０．５より大きい曲率半径を有して、少なくとも長さ１メートルである請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項６】
前記回転子先端半径である、前記回転子軸と前記回転子ブレード先端の間の前記距離に対する、前記回転子ハブ半径である、前記回転子軸と前記回転子ハブの間の前記距離の前記比率は、０．９より大きく、例えば０．９５より大きい請求項１〜５のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項７】
前記回転子は、少なくとも２０のブレード、有利には少なくとも２３のブレードを備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項８】
前記回転子ブレードはステンレス鋼を含む請求項１〜７のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項９】
前記回転子ブレードは、前記回転子ブレードのブレードそり曲線に沿ったいろいろな位置に対して、前記ポンプの軸に関して様々な角度を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項１０】
前記ポンプの軸に関する前記角度の変化は、前記ハブの近くのそり曲線と比較して前記回転子ブレードの前記先端の近くのそり曲線の場合と異なる請求項１〜９のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項１１】
最大回転子ブレード厚みは、前記ハブで１１ｍｍおよび前記先端で１０ｍｍである請求項１〜１０のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項１２】
前記回転子ブレードの横断面は、二重円弧と交差することにより画成される請求項１〜１１のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項１３】
前記回転子ブレードの横断面は、非対称の二重円弧と交差することにより画成される請求項１〜１２のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項１４】
前記放出口は拡散器を更に備え、前記拡散器は、ＲＨＵＢの１．３９〜１．６４倍の長さを有する請求項１〜１３のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項１５】
前記固定子は、少なくとも１つの列の羽根を備える請求項１〜１４のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項１６】
前記羽根は、前記羽根そり曲線に沿って前記ポンプの軸に関して様々な角度を備える請求項８〜１５のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項１７】
前記羽根の少なくとも１つの列は、少なくとも２５の軸羽根を備える請求項１〜１６のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項１８】
前記固定子羽根最大厚みは１０ｍｍ〜１１ｍｍである請求項１〜１７のいずれか一項に記載の軸流ポンプ。
【請求項１９】
冷却用の液冷剤を用いて冷却する原子炉であって、前記冷却システムは、請求項１〜１８のいずれか一項に従って前記液体金属冷却材をポンプ輸送するための軸流ポンプを備えた原子炉。
【請求項２０】
前記液冷剤は液体金属冷却剤である請求項１９に記載の原子炉。
【請求項２１】
前記液冷剤は鉛ビスマス共晶混合物である請求項１９または２０のいずれか一項に記載の原子炉。
【請求項２２】
原子炉の冷却のために鉛ビスマス共晶混合物をポンプ輸送するための請求項１〜１８のいずれか一項に記載の軸流ポンプの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプの分野に関する。より詳細には、それは、例えば液体金属をポンプ輸送するのに類似した原子炉アプリケーションのような厳しい環境で動作するポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉は、それらの燃料の放射性性質のため、保守のために特別な管理および要件を必要とする。理想的には、放射能漏れの危険があってはならず、それ故に、原子炉の要素と接触する全部品は、同時に伝熱を最大にするとともに、物質の外部へのいかなる転送（例えば、二次冷却剤および／または環境への転送）も回避しなければならない。それ故に、適当な冷却剤の精選は基本である。原子炉の有用な冷却剤は、液体金属および合金である。
【０００３】
液体金属冷却炉の例は、それらを原子力応用のために（例えば、原子力発電用であるが、それに限らない）有利にする、高速中性子スペクトルを特徴とする第４世代高速炉である。この種のシステムの一例は、（Ｍｕｌｔｉ−ｐｕｒｐｏｓｅ  ｈＹｂｒｉｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｒｅａｃｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−ｔｅｃｈ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓのための）ＭＹＲＲＨＡ原子炉  である。ＭＹＲＲＨＡ原子炉は、２つの可能な構成、臨界または亜臨界を有する「鉛冷却高速炉」である。
【０００４】
用いることができる液体金属冷却剤の例は、鉛または鉛ビスマス共晶混合物（ＬＢＥ）である。この種の金属は、それらの比較的低い融解温度のため、冷却剤として望ましい。さらに、それらは放射線を他の物質より低いリスクで吸収することができて、それらは原子炉ブリーチングの場合に急速に固まることができて、放射能漏れを減らす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
冷却剤は、通常閉ループを循環し、そして冷却剤の良好な圧力を得て、冷却剤を循環させるために、強力なポンプが必要である。さらにまた、鉛ビスマス共晶混合物（ＬＢＥ）には、アグレッシブであるという欠点がある。ポンプは、従って、多くの浸食を被る。保守が、通常、冷却回路の一部または全体の分解を必要とし、従って原子炉の非動作に結果としてなることがありえるので、ポンプの摩耗を制限することが望ましい。
【０００６】
本発明の実施形態の目的は、原子力応用に適して保守の必要ができるだけ少ない、液体金属用の強力で頑丈なポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的は、本発明の実施形態による装置およびシステムにより達成される。
【０００８】
本発明は、液体金属をポンプ輸送するための軸流ポンプに関する。軸流ポンプは、液体を受け入れるための入口と、少なくとも１つの回転子であって、回転子ハブおよびその上に配置される複数の回転子ブレードを備える回転子と、固定子ハブおよび複数の静翼を備える固定子と、液体金属を放出するための放出口とを備え、そこにおいて、入口は２つの軸方向同心壁により画成され、入口壁が、法線ベクトルが軸流ポンプの軸にほぼ垂直である入口領域を画成するように、同心壁は曲線縁を有する。
【０００９】
回転子ブレードは、回転子に対向する壁の最も近くに配置されている先端を有し、そして回転子ハブ半径である、回転子軸と回転子ハブの間の距離の、回転子先端半径である、回転子軸と回転子ブレード先端の間の距離に対する比率は、０．８７より大きい。
【００１０】
軸流ポンプは、浸食を制限または防止すると共に、鉛ビスマス共晶混合物のような液体金属を正確にポンプ輸送するために充分な効率を可能にすることがよく分かった。最大速度が制限されることがありえるが、必要なヘッドをポンプによって届けて、ポンプの浸食リスクを低下させることができることは、本発明の実施形態の利点である。
【００１１】
さらに、ポンプの構造および製造がラジアルポンプより容易であることは、本発明の実施形態の利点である。
【００１２】
よい効率を動作位置で達成できることは、本発明の実施形態の利点である。効率は、８０％超、有利には８５％超、さらにより有利には８７％以上でありえる。
【００１３】
液体の最大相対速度が１２ｍ／ｓ以下であり、ポンプの腐食の制限および／または防止の役に立つことは、本発明の実施形態の利点である。
【００１４】
先端直径に対するハブの大きな比率が適用されて、ポンプの腐食の制限および／または防止の役に立つことは、本発明の実施形態の利点である。
【００１５】
滑らかな流路が得られて、ハブの応力の蓄積を減らすことは、本発明の実施形態の利点である。
【００１６】
軸流ポンプは、鉛ビスマス共晶混合物をポンプ輸送するように適合できる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、ポンプの入口領域は、回転子の前の領域より８．５〜１０．８倍大きいことがありえる。
【００１８】
入口領域から回転子への液流の円滑な移行があることは、本発明の実施形態の利点である。
【００１９】
壁の長手方向断面は、入口から単調に減少する湾曲を含むことができて、湾曲はポンプの軸に関して画成される。
【００２０】
湾曲は段階的に減少することができて、回転子に向って円滑な流れを起こし、さらに曲がり角および枯渇領域を回避し、それによって入口におけるキャビテーションを減らすことは、本発明の実施形態の利点である。
【００２１】
回転子の前の入口の部分の長さは、０．５メートルより大きい曲率半径を有することができて、少なくとも１メートルの長さである。
【００２２】
入口と放出口の間の領域減少は、回転子の前において一定の入口速度を保証し、そして入口の、例えば最初の０．２５ｍ〜０．４ｍにおいて、最初の急速な減少によって得られ、そこでハブは、回転子のハブ表面の下で０．１〜０．０５ｍの半径に達することは、本発明の実施形態の利点である。それが回転子のハブ半径に達するまで、これの後にハブ半径の段階的な増加を有する第２の部分が続く。
【００２３】
それらが回転子に向かう流れの円滑な加速を提供することは、本発明の実施形態の利点である。流れが回転子入口における速度においてほぼ一定でありえることは、本発明の実施形態の利点である。
【００２４】
液体の速度が回転子において、規則的で滑らかでありえることは、本発明の実施形態の利点である。
【００２５】
回転子ブレードは、回転子に対向する壁の最も近くに配置される先端を有することができ、それによって、回転子ハブ半径である、回転子軸と回転子回転子ハブの間の距離の、回転子先端半径である、回転子軸と回転子ブレード先端の間の距離に対する比率は、０．９より大きく、例えば０．９５より大きい。
【００２６】
回転子ハブ半径の回転子先端半径に対する大きな比率が、制限された最大速度を有し、したがってそれでも充分な効率を可能にすると共に、摩耗を制限または回避するのに役に立つことは、本発明の実施形態の利点である。
【００２７】
液体の速度が回転子領域において最大であり、キャビテーションを回避できる最大速度を上げて、ヘッドライズを増大させることは、本発明の実施形態の利点である。
【００２８】
回転子は、少なくとも２０のブレード、有利には少なくとも２３のブレードを備えることができる。
【００２９】
回転子ブレードは、ステンレス鋼を含むことができる。回転子が、容易に利用できる材料を使用して剛性および浸食耐性を呈することができることは、本発明の実施形態の利点である。
【００３０】
回転子ブレードは、回転子ブレードのブレードそり曲線に沿ったいろいろな位置に対してポンプの軸に関して様々な角度を有することができる。
【００３１】
ポンプの軸に関する角度の変化は、ハブの近くのそり曲線と比較して回転子ブレードの先端の近くのそり曲線に対して異なることがありえる。最大回転子ブレード厚みは、ハブで０．０１１メートル、そして先端で０．０１メートルでありえる。厚みは、コードの約４０％で最大でありえる。回転子ブレード厚みは、より大きく選択することができて、実施形態は上記の制約に限定されない。
【００３２】
ブレードに沿った最大流速が低下して、ブレードの浸食および点食を減らし、そしてブレードの吸引側の応力を減らすことは、本発明の実施形態の利点である。
【００３３】
回転子ブレードの横断面は、二重円弧と交差することによって画成できる。回転子ブレードの横断面は、非対称の二重円弧と交差することによって画成できる。
【００３４】
放出口は拡散器を更に備え、拡散器は０．５５〜０．６５メートルの長さを有する。放出口と入口との面積比率は、１．３〜２．２の範囲でありえる。
【００３５】
固定子は、少なくとも一列の羽根を備えることができる。液体の渦巻成分を減らし、それによって圧力を更に増大させることができることは、本発明の実施形態の利点である。
【００３６】
羽根は、羽根そり曲線に沿ってポンプの軸に関して様々な角度を占めることができる。
【００３７】
少なくとも一列の羽根は、少なくとも２５の軸羽根を備えることができる。
【００３８】
羽根厚みは、０．０１〜０．０２２メートルでありえる。
【００３９】
本発明は、冷却のために液体金属冷却剤を用いて冷却される原子炉にも関する。冷却システムは、上記のように液体金属冷却剤をポンプ輸送するための軸流ポンプを備える。
【００４０】
本発明は、原子炉の冷却のための鉛ビスマス共晶混合物をポンプ輸送するために上記の通りに軸流ポンプを使用することにも関する。
【００４１】
本発明の特定で好ましい態様は、添付の独立および従属クレームにおいて述べられる。従属クレームの特徴は、独立クレームの特徴と、そして他の従属クレームの特徴とを、必要に応じて、そしてクレームにおいて明確に述べられるだけでないように組み合わせることができる。本発明のこれらの態様およびその他の態様は、以下に記載されている実施形態から明らかであり、そしてそれに関して解明される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】ハブおよび囲い板から成る本発明のいくつかの実施形態によるポンプを示す。
【図２】本発明のいくつかの実施形態によるポンプの横断面を示す。
【図３】本発明のいくつかの実施形態によるポンプの入口およびその横断面を示す。
【図４】本発明のいくつかの実施形態によるポンプ用のフォイルを示す。
【図５】本発明のいくつかの実施形態によるポンプの軸に関するブレードのそり曲線角度の変化を示す。
【図６】本発明のいくつかの実施形態によるポンプ用のブレードの厚さ側面を示す。
【図７】ブレードにおける入口流れ／出口流れ比率に関連する、所与の流れに対する、流れ角度の設計選択を示す。
【図８】本発明のいくつかの実施形態によるポンプの放出口およびその横断面を示す。
【図９】本発明の特定の実施形態による、軸長の関数としての壁の半径として入口の横断面の略図を示す。
【図１０】本発明の実施形態の所与の条件に対するブレードのそり曲線に沿った最大（相対的）流れを示す。
【図１１】本発明の他の実施形態の所与の条件に対するブレードのそり曲線に沿った最大（相対的）流れを示す。
【図１２】本発明の実施形態の所与の条件に対する羽根のそり曲線に沿った最大流れ、ならびにその流れ角度変化を示す。
【図１３】６つの異なる速度領域に対する、名目流速の関数としての効率および全ヘッドライズを示す。
【図１４】６つの異なる速度領域に対する、名目流速の関数としての必要とされるネットポジティブ吸込ヘッドおよびトルクを示す。
【図１５】水力効率の関数としての全ヘッドライズ、ならびに水力効率の関数としての最大（相対的）流れおよび効率の上昇によるブレードのそり曲線の最大流れの増大の代表例を示す。
【図１６】直進および逆の流れ方向に対する、名目流速の関数としてのゼロＲＰＭ（静止回転子）におけるポンプの全ヘッド損失を示す。
【図１７】停止時間（放物線状のスロットル線）の算出のための、いくつかの速度領域に対する、名目流速の関数としてのトルクおよび全ヘッドを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図面は単に概略であり、非限定的である。図において、要素のいくつかのサイズは、例示のために誇張されて、一定の尺度で描かれていないことがありえる。請求項のいかなる参照符号も、範囲を制限するものとして解釈してはならない。
【００４４】
いろいろな図面において、同じ参照符号は、同じであるかまたは類似した要素を指す。
【００４５】
本発明は、特定の実施形態に関して、そして特定の図面に関して説明されるが、本発明はそれに限定されなくて、請求項によってだけ限定される。記載されている図面は、単に概略であり、非限定的である。図において、要素のいくつかのサイズは、例示のために誇張されて、一定の尺度で描かれていないことがありえる。寸法および相対的な寸法は、本発明の実施への実際の縮小に対応しない。
【００４６】
さらにまた、説明および請求項における用語「第１」、「第２」などは、類似の要素を区別するために使われて、必ずしもシーケンスを時間的に、空間的に、ランキングにおいて、または他のいかなる方法でも説明するために使われない。そのように使用する用語は適切な状況の下で交換可能であること、そして本願明細書に記載の本発明の実施形態は、本願明細書に記載または例示される以外のシーケンスで動作できることを理解すべきである。
【００４７】
さらに、説明および請求項における用語「上部」「下部」などは、記述的目的のために使われて、必ずしも相対的位置を述べるために使われない。そのように使用する用語は適切な状況の下で交換可能であること、そして本願明細書に記載の本発明の実施形態は、本願明細書に記載または例示される以外の配置で動作できることを理解すべきである。
【００４８】
請求項において使用する用語「備える」は、その後でリストされる手段に限定されると解釈してはならず、それは他の要素またはステップを除外しないことに留意すべきである。それは、したがって、参照されるように、定まった特徴、整数、ステップ、または構成要素の存在を特定すると解釈すべきであるが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、または構成要素、あるいはそのグループの存在または追加を排除しない。したがって、表現「手段ＡおよびＢを備える装置」の範囲は、構成要素ＡおよびＢだけから成る装置に限定してはならない。それは、本発明に関して、装置の第一の関連した構成要素がＡおよびＢであることを意味する。
【００４９】
「一実施形態」または「ある実施形態」に対する本明細書の全体にわたる参照は、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。このように、本明細書の全体にわたるさまざまな箇所のフレーズ「一実施形態において」、または「ある実施形態において、」の出現は、必ずしも同じ実施形態を参照しているというわけではない。さらにまた、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態で、本開示から当業者にとって明らかであるように、何か適切な方法で組み合わせることができる。
【００５０】
同様に、本発明の例示的実施形態の説明で、本発明のさまざまな特徴は、本開示を簡素化して、さまざまな発明の態様の１つまたは複数を理解するのを助けるために、単一の実施形態、図、またはその説明に時々集められることを理解すべきである。この開示方法は、しかしながら、請求された本発明が各請求項に明確に詳述されるより多くの特徴を必要とするという意図を表すと解釈してはならない。むしろ、以下の請求項が反映するように、発明の態様は、単一の前述の開示された実施形態のすべての特徴より少ない。したがって、詳細な説明の後の請求項は、この詳細な説明に明確に組み込まれて、各請求項は本発明の別々の実施形態として自立している。
【００５１】
さらにまた、本願明細書に記載のいくつかの実施形態が、他の実施形態に含まれる他の特徴をいくつか含むこともあるが、いろいろな実施形態の特徴の組合せは、本発明の範囲内であることを意味して、当業者により理解されるように、いろいろな実施形態を形成する。例えば、以下の請求項において、請求される実施形態のいずれも、いかなる組合せでも用いることができる。
【００５２】
本願明細書に提供されている説明において、多数の特定の詳細が記載される。しかしながら、本発明の実施形態が、これらの特定の詳細なしで実践できると理解される。他の例において、周知の方法、構造、および技術は、この説明の理解をあいまいにしないために、詳細に示されなかった。
【００５３】
本発明の特定の実施形態の説明は、ポンプのいろいろな部品に言及する。これらの部品のいくつかは、本発明のすべての実施形態に存在しないこともありえる。本発明の実施形態によるポンプは、「囲い板」の外壁および内壁のような壁を備える「入口」、および端により画成されるエントランスを備える。本発明のいくつかの実施形態において、内壁は、回転子および固定子を支持するハブを画成できる。入口壁は、ポンプ輸送される液体を回転子および固定子に向けるのに役立つことができる。本発明のいくつかの実施形態は、拡散器を備えることができる「放出口」に言及する。放出口は、ポンプ輸送される液体をポンプの出口に向けることができて、この種の出口は、囲い板壁によって、または囲い板およびハブ壁によっても画成できる。
【００５４】
本発明の実施形態において、参照が「ブレード」および「羽根」になされる場合には、参照は、フォイルまたはプレートに、通常、ポンプの特定の機能のために成形されて配置される、金属またはセラミックフォイルまたはプレートになされる。回転子の一組のブレードは、「フロースルーカスケード」として公知であり、そして固定子の一組の羽根は、「リング羽根」として公知でありえる。
【００５５】
本発明の実施形態において、参照がブレードまたは羽根の「そり曲線」になされる場合には、ブレードまたは羽根の横断面を見るときに、参照は、ブレードまたは羽根の外面に等距離の位置によって形成される線になされる。
【００５６】
本発明の実施形態において、参照が「ハブ半径」またはＲＨＵＢになされる場合には、参照は、ポンプの軸とハブ壁の間の距離になされる。例えば、「回転子ハブ半径」（またはＲＨＵＢ）は、ハブに最も近い（例えば取り付けた）回転子ブレードの部分である。一方では、「フォイル先端半径」またはＲＴＩＰは、回転子がポンプの内壁に置かれる場合、ポンプの軸とポンプの軸から最も遠い回転子の部分の間の距離を指す。ブレードのタイプに応じて、ブレード（ハブまたは先端）半径、ＲＢＨＵＢ、およびＲＢＴＩＰ、ならびに羽根（ハブまたは先端）半径、ＲＶＨＵＢ、およびＲＶＴＩＰへの参照がある。差ＲＴＩＰ−ＲＨＵＢは、ブレードまたは羽根の高さを決定して、それは、本発明の特定の実施形態において、回転子のその領域におけるハブと囲い板の間の距離に近いことがありえる。
【００５７】
第１の態様において、本発明は、液体をポンプ輸送するための軸流ポンプ、詳細には、例えば鉛合金（例えば液体ビスマス共晶（ＬＢＥ）混合物）のような、液体金属をポンプ輸送するのに適している軸流ポンプに関する。ＬＢＥは約１２５℃で溶解し、それゆえに、それは原子炉用の非常に適切な液体金属冷却剤である。
【００５８】
本発明の実施形態において、軸流ポンプは、液体を受け入れるための入口、少なくとも１つの回転子、固定子、および液体を排出するための放出口を備える。回転子は、回転子ハブおよびそこに配置される複数の回転子ブレードを備える。固定子は、固定子ハブおよび複数の固定子羽根を備える。本発明の実施形態によれば、入口は２つの軸方向に同心の壁により画成されて、入口壁が、法線ベクトルが軸流ポンプの軸にほぼ垂直である入口領域を画成するように、同心の壁は湾曲した端を有する。
【００５９】
壁の一方または両方は、ほぼ円筒形または円錐形の部分を有することができる（例えば、両方の壁とも円形横断面を有する）。壁は、少なくとも、ポンプ軸に関して特定の湾曲および／または湾曲した傾斜を有する部分を備えることができる。壁は、ベル形の壁、例えば湾曲した端を有する円筒または円錐でありえる。入口のエントランスは、外面および内面壁の湾曲した端によって画成することができて、エントランスは、法線がポンプの軸と直角をなすことができる領域（例えば、円筒の側壁）を画成できる。流れは一方向性でなくて、ハブの応力を減らすことができる。本発明のいくつかの実施形態において、軸流ポンプは、回転子および固定子のハブ画成部分を画成する外面および内面を備える。外面および内面は、軸対称を有して、ポンプ軸に関して同心円でありえる。それ故、入口は外面および内面の壁によって画成することができて、それはポンプ軸に関して同心円であって、対称性の流れを可能にし、それは円滑な回転および浸食リスクの減少のために有利である。
【００６０】
本発明の実施形態によれば、回転子ブレードは、回転子に対向する壁の最も近くに配置される先端を有し、そして回転子ハブ半径である、回転子軸と回転子ハブの間の距離の、回転子先端半径である、回転子軸と回転子ブレード先端の間の距離に対する比率は、０．８７より大きい。
【００６１】
図１に示すように、軸流ポンプ１００の実施形態は、ハブ１１０を画成する内壁１０２および外側部分１２０の壁１０３により画成される入口１０１を備えることができる。両方の壁ともベル形として示される（但し、本発明はそれに限定されない）。両方の壁のアンサンブルは、液体金属がポンプに入るための入口エントランス領域１０４を画成できる。エントランスは、壁の湾曲した端によって画成できる。ポンプの内壁１０２および外壁１０３は、両方とも軸に関して外側へ湾曲した端を有することができる。エントランス１０４は、円筒の横方向領域の形状を有することができて、有利なことに流れがポンプに入ることを可能にして、軸方向に対称の流れを生じる。本発明はそれに限定されず、そして入口エントランス１０４の他の形状、例えば楕円形の円筒も使うことができる。ハブ１１０は、例えば、回転子ブレードの１つのリングにより形成されるフロースルーカスケード１１１を備えることができる回転子のベースを形成できる。ハブ１１０はまた、羽根の１つのリング１１２を備えることができる固定子を形成できる。本発明はそれに限定することができず、そして回転子はいくつかの回転子ブレードリングを備えることができて、固定子はいくつかの固定子羽根リングを備えるかまたは羽根さえもないことがありえる。軸流ポンプ１００は、ポンプ輸送される液体の放出を可能にするために、出口領域１０６を更に備える放出口１０５を備えることができる。本発明のいくつかの実施形態において、放出口は、他の構造および特徴、例えば拡散器１０７を備えることができる。
【００６２】
他の要素および構造特徴は、ポンプに存在することがありえる。例えば、図２で、前の通り、入口１０１、回転子２０１を形成するハブ１１０（フロースルーカスケード１１１を備える）、および固定子２０２（羽根リング１１２を備えることができる）を備えるポンプの模式図が示される。図２は更にまた、軸流ポンプの軸２０４を示し、そして更に端の表面の湾曲、すなわち外面の端の湾曲２０５および内面の端の湾曲２０６を示す。
【００６３】
囲い板とも呼ばれる外面１２０は、２つの部分、すなわち入口１０１の一部を形成する第１の部分２１１および放出口１０５の一部を形成する第２の部分２１２を備えることができる。本発明の実施形態はそれに限定されず、そして外面は１つのブロックでありえる。本発明の特定の実施形態においてハブを形成する内面は、回転子を駆動できる回転可能な梁２０７を備えることができて、それゆえに、回転子ブレードのフロースルーカスケード１１１は、これらの実施形態においてハブに取り付けることができる。他の代替実施形態は、外面に含む回転子に取り付けられる回転子ブレードを備えることができる。
【００６４】
羽根リング１１２は、ハブの固定子に取り付けて、固定できる。本発明のいくつかの実施形態は、囲い板１２０の第２の部分２１２に取り付ける羽根リングを有することができる。
【００６５】
他の特徴がありえるか、またはいくつかの特徴は複数の機能を有することがありえる。例えば、図２に示す特定の実施形態において、１つまたは複数のフィン２０３は、ハブ１１０と囲い板１２０の間の構造的支持体として役立つことができる。それらは、ポンプの出口で液体の渦巻成分を減らすための出口羽根として役立つこともできる。
【００６６】
図３は、本発明のいくつかの実施形態によるポンプの単離された入口１０１、ならびにその横断面３００を表す。横断面は、囲い板壁１０３の線３０１および内壁１０２の線３０２に対応する。本発明のいくつかの実施形態において、入口エントランス１０４は、囲い板壁１０３の端２０５およびハブ壁１０２の端２０６により画成される。エントランス領域に垂直のベクトル３０３は、ポンプの軸２０４と直角をなす。いくつかのパラメータは、横断面３００に示されて、それらは、ポンプ部分の浸食を同時に減らすかまたは回避すると共に、所望の流れ、ヘッドライズ、圧力などに従った設計によって最適化できる。
【００６７】
例えば、図を参照すると、エントランスのサイズは、ＨＩＮによって与えられる。その値は、回転子領域のハブと囲い板の間の距離に従って選択できる。ハブ半径に対するその比率は０．８８〜１．１４である。このように、ポンプ輸送は、エントランス領域において高速の液体を必要としないで十分に効率的でありえる。長さＬ１は、ハブ半径ＲＨＵＢの０．５０〜０．６３倍の値を有し、そして長さＬ２は、ハブ半径ＲＨＵＢの０．６３〜１．０倍の値を有することができる。内面の端の湾曲は、長さＬ３および角度αＨＵＢ（アルファハブ）によって画成することができて、それらは、ハブ半径ＲＨＵＢの０．３８〜０．４４倍および２５度〜３５度の値をそれぞれ有することができる。壁の長手方向断面は、回転子のフロースルーカスケード１１１に向って単調に減少する湾曲３０４を備えることもできる。湾曲はポンプ２０４の軸に関して画成される。流れ（および液速度）が回転子に向って段階的に増大することができて、更に角を回避し、それゆえに浸食を減らし、流れの妨害物または不安定を減らすことは、本発明の実施形態の利点である。浸食ゾーンの形成も減らされ、それによって入口のキャビテーションを減らす。ハブ壁１０２の湾曲３０４は、長さＬ４によって画成することができて、それはハブ半径ＲＨＵＢの０．３８〜０．６３倍の値を有することができる。長さＬ５およびＬ１０は、ＲＨＵＢの０．２５〜０．４５倍でありえる。これらの長さは、回転子領域に最も近い入口の部分を画成し、そしていくつかの実施形態において、高さＬ５＝Ｌ１０の断面が方形の環状体でありえる。長さＬ６は、ＲＨＵＢの０．２５〜０．３０倍の値を有することができて、それは回転子に向ってネッキングを画成することができて、それは回転子領域に向って液体圧力の増大の原因となる。長さＬ７およびＬ８は、角度αＳＨＲＯＵＤと共に、囲い板端２０５の湾曲を画成できる。値は、それぞれ、ＲＨＵＢの０．３８〜０．６３倍、ＲＨＵＢの０．１９〜０．２９倍、および２０度〜３０度でありえる。長さＬ９は、回転子領域に向かう囲い板壁１０３の単調な湾曲３０５との関連がありえて、それはＲＨＵＢの０．２５〜０．４３倍の値を有することができる。
【００６８】
入口と回転子領域の間の距離は、液流速の良好且つ円滑な増大のために、ＲＨＵＢの１．５〜３倍であるように選ぶこともできる。
【００６９】
本発明のいくつかの実施形態において、囲い板とハブ壁の間の距離は回転子領域において最も小さく、いくつかの実施形態において、領域は入口領域より少なくとも８〜１０倍小さい。ブレードはハブから囲い板まで伸びて、動作中にブレードの囲い板との接触を回避するのにちょうど十分な空間を残すことができる。ポンプの寸法を参照すると、ハブ半径は先端半径と比較して小さい。例えば、ブレードのハブ半径／先端半径比率は、０．８７〜１であり、例えば、少なくとも０．８７、例えば少なくとも０．９、例えば少なくとも０．９５であり、それゆえにＲＨＵＢは０．９ＲＴＩＰでありえる。同程度の値は固定子羽根に提供できるが、本発明はそれに限定されず、そしてハブ／先端比率は羽根において異なることがありえる。
【００７０】
さらに、全てのこれらの値は、ヘッドライズ、圧力、流れなどのあらゆる所望値に対して最適化できる。
【００７１】
ブレードの形状は、最大流速の決定された低下を確実にするために最適化することもできて、したがって、液体金属のポンプ輸送の場合には非常に高い浸食リスクを低下させる。例えば、本発明のいくつかの実施形態において、回転子横断面は、例えば、交差する二重円弧により画成される。羽根は、回転子ブレードと類似の特徴を提示することもできる。図４は、例示的な回転子ブレード４００およびその断面４１０を示す。軸とハブに最も近い（例えば、取り付けた）ブレードの部分の間の距離はＲＨＵＢであり、その一方で、軸とフォイル先端の間の距離はＲＴＩＰである。点線４０１によるフォイル４００の断面４１０は、ポンプ軸２０４に関する流れ方向Ｗの流れ角度β１、β２（ベータ１および２）と共に、フォイル断面４１０の最も右の略図に示すことができる。ブレードの特定の場合において、流れ（およびβ角度により決定される流れ方向）は、その湾曲形状のためブレードに沿って変化し、それゆえに流れはブレードのエントランスでＷ１であり、そして出口でＷ２である。
【００７２】
さらに、図４の線図４１０に示される流れ角度は、フォイルの高さ（ＲＴＩＰ−ＲＨＵＢ）によって変化できる。図５の線図は、例えばブレードのそり曲線の正規化長さ（Ｓ／Ｓ０）に沿って角度変化を示す。そり曲線のブレード先端５０１の特徴キャンバ角は、ハブ５０２の近くのブレードのキャンバ角と異なることがありえる。例えば、流れ入り口の角度は、先端で７０度、そしてハブで６８度でありえる。その一方で、流れ出口の角度は、先端で５５度、そしてハブで約４５度でありえる。これはねじれたブレードに結果としてなる。角度は、前の通り、所望のパラメータに従って最適化できる。
【００７３】
ブレード面の形状は、対称または非対称でありえる。いくつかの実施形態において、それは、流れ入力側の近く、例えば長さの１／３に膨らみを有する例示的なブレードの側面を示す図６の線図に示すように非対称でありえる。ブレードの厚みは、その高さ（ＲＢＴＩＰ−ＲＢＨＵＢ）に沿って変えることもできる。例えば、それは先端においてより薄いことがありえて、先端６０１（点線により表される）の側面は、１０ｍｍの値の最大厚み（半分の厚み値が示される）、例えば４．８ｍｍを有することができる。その一方で、ハブ６０２の厚み（実線により表される）は、１０．４ｍｍ．の値の最大厚みを有することができる。上記のように、本発明の実施形態で、厚みは上記の値より大きいことがありえる。
【００７４】
適当な形状および厚みは、ブレードの寿命を伸ばして、それらの有効性を増大するだけでなくて、ブレードの浸食および点食は、形状および厚みの適当な選択によって減らすことができる。
【００７５】
ブレードの形状（流れ角度、キャンバ角、厚みなど）の選択は、ブレードのエントランスおよび出口で流れに影響を及ぼす。さらに、先端の流れはハブの流れと異なることがありえる。図７は、先端の近くの入口流速（＝最大速度）の関数としてのブレードの出口の流れと入口の流れの間の比率７０１、ならびに回転子入口とハブの放出口の間の流旋回７０２（度で表示）（＝最大旋回）を示す。選択された設計は、約７度の流れ角度の差７０３に対応し、そして１０．５〜１１ｍ／ｓのブレード先端での入り口流れは、約０．７４の流れ比率７０４に結果としてなる。０．７４の流れ比率は、カスケードの拡散作用力に関連がある。すなわち、それはヘッドを生成するために流れの減速に結果としてなる。小さい拡散率が使われるときに、これは吸引側の高ピーク速度に結果としてなる。
【００７６】
前述の如く、この種の側面は、ブレードおよび／または羽根に存在することがありえる。羽根は、例えば、浸食がいずれにしろ発生する場合、それでも浸食に対処するために、相対的大きい厚みを有することができる。
【００７７】
本発明はそれに限定されず、そしてポンプは、他のタイプのフォイルを備えるか、またはあるタイプのブレードを異なるタイプの羽根に結合できる。
【００７８】
本発明によるポンプのいくつかの実施形態は、放出口を備えることができる。図８は、本発明のいくつかの実施形態による、ポンプの単離された放出口１０５、ならびにその横断面８００（フロースルーカスケード１１１および羽根リング１１２を示す）を表す。放出口は、ハブ１１０の壁１０２および囲い板の壁１０３、例えば、固定子２０２に属する壁１０２および囲い板の第２の部分２１２に属する壁１０３によって画成できる。ポンプの出口１０６は、放出口１０５に画成できる。いくつかのパラメータは横断面８００に示されて、それらは、ポンプ部分の浸食を同時に減らすかまたは回避すると共に、所望の流れ、ヘッドライズ、圧力などに従って設計によって最適化できる。図８を参照すると、放出口は、流れの運動エネルギーを減らし、それによって圧力を増大するために、拡散器１０７を備えることができる、長さＬＤｉｆｆｕｓｅｒは、羽根から出口までの拡散器の全長を定める。フロースルーカスケードと羽根リングの間の距離はΔＳである。羽根リング１１２から囲い板に定められる距離Ｌ１は、ＲＨＵＢの０．４〜０．５５倍の値を有することができる。羽根リングは、液体の渦巻成分を減少させるのを助けて、圧力を更に増大させる。出口１０６から固定子に向って定められる長さＬ２、および角度αＳＨＲＯＵＤ（アルファ囲い板）は、拡散器１０７の湾曲に全て関連することができて、Ｌ２に対してＲＨＵＢの０．４５〜０．６０倍、そして角度に対して０度〜７．５度の値を有することができる。羽根リング１１２からハブに定められる長さＬ３は、ＲＨＵＢの０．２５〜０．５０倍の値を有することができる。Ｌ３と共に、出口１０６から定められる長さＬ４および角度αＨＵＢ（アルファハブ）は、拡散器１０７のハブの湾曲を定めることができて、ＲＨＵＢの０．２５〜０．５０倍、ＲＨＵＢの０．４５〜０．６０倍、および０度〜１０度の値をそれぞれ有することができる。流れは、ＨＥＸＩＴおよびＲＳＨＲＯＵＤにより画成される領域でポンプから流出する。例えば、軸方向に対称のポンプの場合、出口１０６は、内径および外径ＲＳＨＲＯＵＤおよびＨＥＸＩＴによりリングを形成する。
【００７９】
本発明のいくつかの実施形態において、囲い板とハブの間の距離は、回転子において最も小さく、そしてそれは出口に向って増大し（それ故、ＲＶＴＩＰ−ＲＶＨＵＢ＜＜ＨＥＸＩＴ）、そして壁は、固定子から出口に向けて増大する湾曲を備えることができる。拡散器壁の湾曲は、ハブ壁においてより囲い板において小さいことがありえる。拡散器寸法の最適化も可能である。
【００８０】
特定の実施形態の例は以下に述べられて、ポンプ設計を最適化するためのポンプシミュレーション実験の結果を示す。本発明の例示的実施形態によるポンプの入口は、囲い板およびベル形の壁を有するハブを備えることができて、共通のポンプ軸に関して同心円でありえる。入口エントランス領域は、各壁の端の湾曲によって画成できる。入口、放出口、およびフォイルの特定の形状および寸法は、例えば、予想される最大の流れ、最大のヘッドライズ、所望の流れ、所望の角速度などに従って最適化できる。入口の横断面の略図が、軸長さの関数としての壁の半径（軸からの距離）として図９に示される。入口エントランス１０４のサイズＨＩＮは、本発明のこの例示的実施形態において、４０ｃｍでありえる。その一方で、フロースルーカスケード１１１の壁の間の距離は５ｃｍ以下でありえる。キャビテーションを減らすために、回転子領域への液体金属の流れは、滑らかにされて、角を回避できる。例えば、囲い板およびハブ壁は湾曲でありえる。囲い板端は、半径１０ｃｍの湾曲９０１（破線の円として示される）を有することができて、ハブ端は、４０ｃｍのセミ主軸および３０ｃｍのセミ短軸の破線の楕円９０２の１つの四半部によって画成できる。本発明は、前述の形状および寸法に限定されることはありえず、そして端は放物線状であるかまたは不規則な湾曲を有することができる。入口エントランスの中心とフロースルーカスケード１１１の間の距離Ｄは、８０ｃｍでありえる。これらの幾何学的な特徴は、流れを増加させるだけでなく、浸食および損傷を減らすのに役立つ。例えば、最大相対速度（本発明の実施形態のそれは１１ｍ／ｓでありえる）を決定するパラメータの１つは、距離Ｄである。
【００８１】
この種の幾何学的な特徴を有する本発明の実施形態の場合は、最適な回転子ハブ半径は、良好な流れを得て、キャビテーションをあまり蒙らずにヘッドライズを増加させるために、フォイル先端半径よりほんのわずかに小さくなければならないことも分かった。例えば、ＲＨＵＢ＝０．９ＲＴＩＰである。それは、特定のアプリケーションに応じて他の値を有することができる。
【００８２】
そり曲線角度（ブレード角度）も最適化することができる。ポンプが２７のブレードを備える１つの例示的実施形態において、ブレード角度は、ハブで６７から４５度まで、そして囲い板で７２から５４度まで変化する。最大の流れ（Ｗ／Ｗｏ）は、２．２５ｍのヘッドライズ、１秒当たり４５４．９２リットル、１１３．４５ｋＷの電力、および０．８８の効率（実際対理想のヘッドライズの比率）に対応して、図１０のグラフ１０００に示される。
【００８３】
２４のブレードを備えるフロースルーカスケードの場合は、他方では、最適なそり曲線角度は、ハブで６５〜４０度および囲い板で６７〜５０度を有する。最大の流れは、３．０７ｍのヘッドライズ、１秒当たり４５５．４７リットル、１４９．３１ｋＷの電力、および０．９２の効率に対応して、図１１のグラフ１１００に示すように減少する。
【００８４】
羽根リングを備える本発明の実施形態において、同じことを羽根の設計に適用できる。それが図１２に示すことができるように、２５の羽根を備える実施形態の場合は、最適なそり曲線角度は、図１２の左のグラフ１２００に示すように、ハブで４０〜１５度および囲い板で４９〜１９度でなければならない。それでも、異なる放出口角度、例えば０に等しい放出口角度を有する設計も、本発明の実施形態において想定される。図１２の右のグラフ１２１０は、最適化された値に対する最大の流れの減少に対応する。それは、２．９８ｍのヘッドライズ、１秒当たり４５４．６６リットル、１４２．５７ｋＷに対応する。放出の速度は、１．８９ｍ／ｓである。上記の値が最適化された形状に対して得られることに留意すべきである。より詳しくは、ハブ／先端半径比率は０．８８であり、ｒｔｉｐは０．４５ｍであり、そして回転速度は２２３．６７ｒｐｍであった。
【００８５】
最適化されたポンプの対応するポンプ特性は、図１３および図１４の線図に示すことができる。
【００８６】
図１３の線図１３００は、名目流速に対する効率を示し、その一方で、図１３の線図１３１０は、最大速度に関する角速度のいくつかの領域（ＲＰＭにおいて、最大速度の５０％から１１０％まで）に対して、全ヘッドライズを示す。最大速度（１００％）で、選ばれた設計効率は、１の名目流速に対して、０．９に近い効率１３０１および僅かに３ｍ以上の全ヘッドライズ１３１１を示す。
【００８７】
類似して、図１４の線図１４００は、名目流速に関して必要とされるネットポジティブ吸込ヘッド（ＮＰＳＨ、キャビテーションを回避するためにポンプの吸込ポートで必要とされる最小圧力）を示す。その一方で、図１４の線図１４１０は、図１３と同じ角速度の領域に対する、全トルクを示す。最大速度（１００％）で、選ばれた設計効率は、１の名目流速に対して、２ｍのＮＰＳＨ  １４０１および僅かに６５００Ｎｍ以上のトルク１４１１を示す。
【００８８】
設計最適化の実施例は、水力効率に対する全ヘッドライズの最適化値を示す２つのグラフを示す図１５に示される。最高水力効率および高いヘッドライズが望ましい一方で、実験的設計の最適化は、最大の流れが０．９２以上の効率に対して劇的に増大して、矢印１５１２に従うことを示す。サブ線図１５２０は、浸食のリスクを増す、この種の高効率に対する最大の流れの容認できない増大を示す。
【００８９】
全ヘッドロスは、名目流速の関数として、回転子が停止して（ゼロＲＰＭ）得ることができる。これは、本発明のいくつかの実施形態によるポンプに対して図１６に示される。図において、流れ方向は、横断面１６１０、１６２０に矢印により示される。順流方向１６０１では、液体は入口を通ってポンプに入って、放出口を通って出て、そして逆流方向１６０２では、液体は放出口を通ってポンプに入って、入口を通って出る。本発明は、対称の流れを提供するだけでなく、パイプシステムにおける角およびエルボーの数を減らすことによって動的ヘッドロスを減らす。
【００９０】
本発明の実施形態によるポンのポンプ停止時間は、Ｎｏｕｒｂａｋｈｓｈ，  Ａ．，  Ｊｏｕｍｏｔｔｅ，  Ａ．，  Ｈｉｒｓｃｈ，  Ｃｈ．，  Ｐａｒｉｚｉ，  Ｈ．Ｂ．  “Ｔｕｒｂｏｐｕｍｐｓ  ａｎｄ  Ｐｕｍｐｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ”，  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，  ２００８に従って算出できる。
【００９１】
【数１】
2019508629.tif 000003
【００９２】
放物線状のスロットル線の場合、そしてＬＢＥおよび壁の摩擦力および慣性がごくわずかである場合、いろいろな角速度領域（０〜１１０％）に対するトルクは、放物線状のスロットル線に対する名目流速に応じて全ヘッド（下の線図）と共に、図１７（上の線図）に示される。これらの値（１１０％ＲＰＭの値を除いて）は、表１にも示される。
【００９３】
【表１】
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【００９４】
速度領域およびトルクの表１の値に対して、停止時間は、表２に示すように、３つの異なる慣性モーメントに対して算出された。
【００９５】
【表２】
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【００９６】
ポンプの停止時間についての情報および制御は、原子力応用の重要なパラメータでありえる。本発明の実施形態によるポンプは、最適化によって、そのパラメータおよび特徴に対するハイレベルの制御を可能にし、それはポンプのキャビテーション、浸食などの最小化に向けられる。
【００９７】
しかしながら、機械的応力は、ポンプの連続性能において特に重要な役割を果たす。本発明の特定の実施形態において、ブレードは、その厚みの６０％で、２２３．６７ＲＰＭの遠心力および圧力荷重による、吸込側で５０〜６０ＭＰａのｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓ応力に耐えうる。ブレード厚みの１００％で、ｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓ応力は、２０〜４０ＭＰａでありえる。これらの高い機械的応力のため、本発明のいくつかの実施形態において、フロースルーカスケードは、ステンレス鋼、例えば、少なくとも１９０ＧＰａのヤング率および少なくとも２９０ＭＰａの降伏強度の３１６Ｌステンレス鋼を備えるブレードを有利に備えることができる。羽根は同一材料を備えることができる。鋼は、その用途の広さおよび安価な製造のため、特に有利であるが、他のタイプの材料、この種の種々の合金、またはセラミックも本発明の範囲内にありえる。ブレード／羽根は、例えば、ブレードまたは羽根の根元をスロットにはめ込んでハンダ付けすることによって回転子および固定子にそれぞれ取り付けることができる。ブレード／羽根を回転子／固定子に取り付けるための他の技術が適切である場合があり、代わりにブレード／羽根は一体に機械加工できる。
【００９８】
他の付加的な要素および特徴、例えば前羽根は、本発明の範囲内にありえる。
【００９９】
１つの態様では、本発明は、第１の態様にて説明したように、ポンプを備えた原子炉にも関する。さらにまた、本発明は、原子炉の鉛ビスマス共晶混合物をポンプ輸送するために、第１の態様にて説明したように、ポンプの使用にも関する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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