CN105531484A - 具有热缩回式致动器的泵密封件 - Google Patents

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Abstract

一种用于旋转轴关断密封构件的热致动器，所述热致动器具有活塞，所述活塞的轴向长度的一部分包封在室壳体的内，所述热致动器具有能够在温度升高时膨胀的材料。活塞的位于室内的轴向长度的一部分具有至少两个不同的直径，其中，更大的直径沿着活塞的行程方向位于前方。在温度升高时，通过在室内包围活塞的材料膨胀而产生沿着行程的所需方向作用在活塞上的力。在低于预选温度的条件下，积极锁定活塞，而在达到预选温度的条件下被动释放活塞。

Description

具有热缩回式致动器的泵密封件
相关申请的交叉引用
本申请是2013年3月13日提交的题目为“具有热缩回式致动器的泵密封件”的专利申请序列号No.13/798,632的部分连续案，并且根据法案35U.S.C§119(e)要求在2013年8月5日提交的题目为“具有热安全锁的反应堆冷却剂泵关断密封件热缩回致动器”的美国临时专利申请序列号No.61/862,304的优先权。
技术领域
本发明整体涉及一种旋转轴密封件，并且更加特别地涉及一种用于离心泵的热致动密封件，特别地涉及一种用于这种密封件的新型热致动器。
背景技术
在压水核电厂中，使用反应堆冷却剂系统将热量从反应堆芯运送到蒸汽发生器，以产生蒸汽。然后使用蒸汽驱动涡轮发电机，以产生有用功。反应堆冷却剂系统包括多条单独分离的冷却环路，每条所述冷却环路均连接到反应堆芯并且包含蒸汽发生器和反应堆冷却剂泵。
反应堆冷却剂泵通常是立式单极离心泵，其设计成使处于高温和高压(例如，550℉(280℃)和大约2,250psia(155par)的压力)条件下的大量反应堆冷却剂运动。泵从底部至顶部基本上包括三个总体段：液压段，轴密封件段和电动机段。下液压段包括安装在泵轴的下端上的叶轮，所述叶轮能够在泵壳内操作，以便围绕相应的环路泵送反应堆冷却剂。上电动机段包括电动机，所述电动机联接以驱动泵轴。中间轴密封件段包括三个串联的密封件组件：下方第一(1号密封件)密封件组件、中部第二密封件组件和上方第三密封件组件。密封件组件与泵轴同心并且靠近泵轴的顶端附近，而且它们组合的目的是在正常操作条件下最小化反应堆冷却剂沿着泵轴泄漏至安全壳环境。在美国专利序列号3,522,948；3,529,838；3,632,117；3,720,222和4,275,891中描述了现有技术已知的泵轴密封件组件的代表性示例。
用于机械地密封固定泵压力边界和旋转轴之间的接触部的泵轴密封件组件必须能够包含高系统压力(大约2,250psi(155bar))而不会发生重大泄漏。三个密封件组件的串联布置方案用于分阶段分解这个压力。这三个机械泵密封件组件是受控泄漏密封件，所述受控泄漏密封件在防止反应堆冷却剂从第一冷却剂系统大量泄漏到相应密封件漏泄端口的同时，在操作中允许在每级处发生最小量的受控泄漏。
泵密封件组件通常通过在密封件组件处注入冷流体或者通过使用换热器(其在一次流体抵达密封件组件之前冷却一次流体)，而被保持在远远低于第一冷却剂系统的温度的温度。这些系统的理论故障可以使得密封件组件暴露于高温，所述高温将易于致使密封件组件的受控泄漏大幅增加。当所有反应堆芯中的核燃料冷却丧失的原因归因于所有交流电力丧失时，在没有为补充泵提供电力的情况下密封件的漏泄物不能返回到冷却剂系统中。在没有补充措施的情况下发生受控泄漏将假象地导致反应堆冷却剂无法覆盖反应堆芯并且继而堆芯损坏。
结果，需要一种有效的方式以在同时发生所有燃料冷却丧失和补充泵送丧失的情况中支援标准密封件组件。优选地，这种备用密封件应当在损失电力或者因其它原因导致丧失补充泵送能力时可操作，以基本密封轴，防止其发生泄漏。
发明内容
由用于减速或者停止旋转设备(诸如泵、压缩机等)的轴的热致动关断密封件实现根据本发明的前述目的，所述热致动关断密封件设计成通过轴密封件限制冷却剂的正常泄漏。在下文中声明权益的关断密封件用于密封在其轴和壳体之间具有狭窄流动环形区域的任何设备。
关断密封件的特征在于“开口环”，所述开口环设计成(i)在正常操作期间包围轴，其中，在轴和开口环之间具有环形区域；和(ii)当轴减慢到低于一预定速度或者停止旋转时抵靠轴收缩。开口环具有相对的端部，所述相对的端部在正常联机操作期间在轴旋转时通过间隔件而保持间隔开的关系。当轴减速或者停止旋转并且壳体中的温度升高时，从开口环的相对的端部移除间隔件，并且当开口环的相对的端部相互靠近时开口环抵靠轴收缩，这阻塞了冷却剂通过环形区域的大部分泄漏。
优选地，关断密封件还具有柔韧的聚合物密封件环，当开口环堵塞通过环形区域的冷却剂泄漏时，通过壳体中压力的增加将所述柔韧的聚合物密封件环推抵在轴上。
特别地，本发明提供了这种密封件，所述密封件具有改进的致动器，用于当环形区域中的液体升高到高于预选温度时从开口环的相对的端部之间移除间隔件，以致使开口环能够收缩，以收窄或者基本密封由开口环覆盖的环形区域的部分。致动器包括缸体，所述缸体具有轴向尺寸，其中，活塞能够在缸体内轴向运动，其中，缸体具有围绕活塞密封的上端部和下端部。活塞杆的一个端部连接到活塞而另一个端部连接到间隔件。腔占据缸体内处于上端部和下端部之间的空间，活塞行进通过所述空间。当间隔件布置在开口环的相对的端部之间时，活塞的轴向尺寸延伸通过腔内的空间。活塞的轴向尺寸具有至少两个单独的直径，其中，所述直径中的最大直径沿着活塞的行进方向位于所述直径中的较小直径的前方，以便从开口环的相对的端部移除间隔件。材料占据腔内空间的至少一部分。材料在温度升高时膨胀，以便将力作用在活塞上，当材料升高到超过预选温度时，所述膨胀致使活塞沿着一定的方向运动，以从相对端部之间移除间隔件。优选地，力施加在围绕活塞周缘的区域上，其中，活塞的所述至少两个直径中的至少一部分在所述区域中延伸。
在一个实施例中，致动器包括第一密封件和第二密封件，所述第一密封件在腔和活塞之间被支撑在腔的下端部处，而第二密封件在腔和活塞之间被支撑在腔的上端部处，其中，第一密封件和第二密封件可操作成将材料局限在腔中。优选地，第一密封件和第二密封件是杯形密封件并且由PEEK(聚醚醚酮)构造而成。在这个实施例中，致动器还可以包括用于第一密封件和第二密封件中的任意一个或者用于第一密封件和第二密封件二者的备用密封件。优选地，备用密封件是O形环密封件，并且理想地O形环密封件由EPDM或者NNBR形成。在另一个实施例中，用于第一密封件的支撑件或者用于第二密封件的支撑件设计成当压力超过预定值时释放腔内的压力，并且理想地材料与液体热连通。
在另一个实施例中，致动器包括热致动安全锁，所述热致动安全锁构造成在材料低于预选温度时，所述热致动安全锁防止活塞沿着从开口环的相对端部之间移除间隔件的方向在缸体内运动，并且当材料升高到高于预选温度时，所述热致动安全锁释放所述活塞，以从开口环的相对端部移动和移除间隔件。优选地，热安全锁构造成在流体高于预选温度时被动地解锁活塞。在一个实施例中，热致动安全锁包括销，所述销从缸体的一个端部悬置，并且沿着如下的方向延伸：即活塞运动以便从开口环的相对端部移除间隔件的方向。销至少部分地在活塞的端部的凹陷部内部分延伸。用热致动的材料基本填充凹陷部的大体其余部分，其中，热致动的材料在低于预选温度的条件下具有粘性，这防止热致动的材料沿着销的一侧流出凹陷部。在温度基本为预选温度或者高于预选温度的条件下，热致动的材料具有降低的粘性，这使得热致动的材料在销的一侧流出凹陷部。热致动的材料所产生的移动使得活塞能够沿着一定的方向运动，以从开口环的相对端部之间移除间隔件。热致动的材料例如可以是诸如聚乙烯的聚合物。
附图说明
当结合附图阅读时能够从以下优选实施例的描述获得本发明的进一步理解，其中：
图1是传统核反应堆冷却系统的一条冷却环路的示意图，所述传统核反应堆冷却系统包括蒸汽发生器和反应堆冷却剂泵，所述蒸汽发生器和反应堆冷却剂泵与反应堆串联连接成闭环系统；
图2是反应堆冷却剂泵的轴密封件段的剖视透视图，其图解了密封件壳体、下方第一、中间第二和上方第三密封件组件的截面，所述下方第一、中间第二和上方第三密封件组件布置在密封件壳体中并且包围泵轴；
图3是图2的反应堆冷却剂泵的密封件壳体和密封件组件的一部分的放大剖视图；
图4是可以应用本发明的轴密封件布置方案的截面图，其示出了图2和图3中示出的下方第一密封件的放大视图；
图5是图4中示出的第一密封件的插入件的放大部分，其中，用阴影线画出了本发明的泵轴和关断密封件的一部分，其中，关断密封件示出为采用了热致动的机械活塞，以从开口环移除间隔件。；
图6是在图5中示意性示出的活塞布置方案的放大视图，其中，活塞处于完全延伸位置中，其中，间隔件插入在能受益于本发明的关断密封件的开口环的相对端部之间；
图7是现有技术采用的图8的活塞布置方案的截面图，其示出了处于致动事件之前的状态中的活塞，在所述状态中，从开口环的相对端部之间移除了间隔件；
图8是根据本发明的改进的致动机构的截面图，所述致动机构能够用于移除图7中示出的关断密封件的间隔件；
图9是示出了本发明的第二实施例的活塞布置方案的截面图；
图10是沿着图9的线A-A获得的图9中示出的实施例的截面图；
图11是第一密封件的插入件的放大视图，所述第一密封件包括图9和图10中示出的关断密封件实施例；
图12是示出了本发明的第三实施例的活塞布置方案的截面图；和
图13是用于在热致动关断机构之前锁定活塞的替代实施例的截面图。
具体实施方式
在下文描述中，相同的附图标记表示若干附图中相同的或者对应的部分。而且，在以下描述中，应当理解的是这种方向术语(诸如“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上”、“向下”等)为了便捷而不应理解为限制术语。
现有技术反应堆冷却剂泵
为了理解本发明，有用的是理解本发明将发挥作用的一个环境。然而，应当理解的是本发明具有多种其它用途。参照图1，示出了传统核反应堆冷却剂系统的多条反应堆冷却剂环路10中的一条的示意性视图。冷却剂环路10包括蒸汽发生器12和反应堆冷却剂泵14，所述蒸汽发生器12和所述冷却剂泵14在闭环冷却剂系统中与核反应堆16串连。蒸汽发生器12包括一次换热管18，所述一次换热管18与蒸汽发生器12的入口腔和出口腔20、22连通。蒸汽发生器12的入口腔20与反应堆芯16的出口以流动连通的方式连接，用于沿着流动路径24从反应堆芯接收热冷却剂，所述流动路径24通常称作闭环系统的热段。蒸汽发生器12的出口腔22沿着闭环系统的流动路径26与反应堆冷却剂泵14的入口段侧以流动连通的方式连接。反应堆冷却剂泵14的出口压力侧与反应堆芯16的入口以流动连通的方式连接，用于沿着闭环系统的冷段的流动路径28将相对冷的冷却剂供应到该入口。
冷却剂泵14绕着闭环系统在高压条件下泵送冷却剂。特别地，将来自反应堆16的热冷却剂引导到蒸汽发生器12的入口腔20并且通过与入口腔连通的换热管18。在换热管18中时，热冷却剂与经由常规设施(未示出)供应到蒸汽发生器12的冷给水成换热关系流动。加热给水并且将其一部分转变为蒸汽，用于驱动涡轮发电机(未示出)。通过换热降低温度的冷却剂随后经由冷却剂泵14再次循环返回到反应堆16。
反应堆冷却剂泵14必须使得处于高温和高压条件下的大量反应堆冷却剂能够围绕闭环系统运动。尽管从蒸汽发生器12流动通过泵14的冷却剂的温度因换热而冷却到远远低于换热之前从反应堆16流至蒸汽发生器12的冷却剂的温度，但是冷却剂的温度仍然相对较高，通常为大约550℉(288℃)。为了保持冷却剂在相对高温条件下成液态，通过喷射泵(未示出)加压系统并且在大约2,250psia(155bar)的条件下运转。
如图2和图3所示，现有技术冷却剂泵14通常包括泵壳体30，所述泵壳体30的一个端部终结于密封件壳体32中。泵还包括泵轴34，所述泵轴34在泵壳体30中央延伸、并且被密封和可旋转地安装在密封件壳体32中。尽管没有示出，但是泵轴34的底部部分连接到叶轮，而其顶部部分连接到大马力的感应型电动机。当电动机使得轴34旋转时，泵壳体30的内部36内的叶轮致使增压反应堆冷却剂流动通过反应堆冷却剂系统。这种增压冷却剂将向上的液压负荷施加在轴34上，原因在于密封件壳体32的外部分由环境大气包围。
为了使泵轴34能够在密封件壳体32内自由旋转，而与此同时保持泵壳体内部36和密封件壳体32外部之间2,250psia(155bar)的压力边界，围绕密封件壳体32内的泵轴34在图2和图3示出的位置中设置串联布置的下方第一、中间第二和上方第三密封件组件38、40、42。下方第一密封件38是非接触液压型，而中间第二和上方第三密封件组件40、42是接触或者摩擦机械型，所述下方第一密封件38实施压力密封(大约2,200psi(152bar))的大部分。
泵14的密封件组件38、40、42中的每一个通常均包括：相应的环形流道44、46、48，所述环形流道44、46、48安装到泵轴34，用于随着泵轴旋转；和相应的环形密封件环50、52、54，所述环形密封件环50、52、54固定安装在密封件壳体32内。相应流道44、46、48和密封件环50、52、54具有互相面对的顶部和底部表面56、58、60和62、64、66。下方第一密封件组件38的流道44和密封件环50的面对的面56、62通常没有相互接触，替代地是流体膜一般在它们之间流动。另一方面，中间第二和上方第三密封件组件40和42的流道和密封件环46、52和48、54的面对的面58、64通常接触或者相互摩擦。
因为第一密封件组件38通常以水膜模式操作，所以为了处理在密封件壳体32和可旋转安装到密封件壳体的轴34之间的环形空间中“漏泄”的冷却流体必须制定一些规定。因此，密封件壳体32包括第一漏泄端口69，而漏泄端口71容纳从第二和第三密封件组件40、42漏泄的冷却剂流体。
图4是图2和图3中所示出类型的1号或第一下方密封件的区域中的密封件壳体的横截面，并且更好地理解了1号密封件的操作和其将如何与本发明配合。示出的结构包括壳体32，所述壳体32具有：环形壁33，所述环形壁33适于形成壳体32内的压力室35；轴34，所述轴34可旋转安装在壳体32内；布置在壳体32内的密封件流道组件44和密封件环组件50。如先前所述，轴34可以由适当的电动机(未示出)驱动并且用于驱动离心泵(未示出)的叶轮，所述叶轮使得冷却剂在加压系统中循环。可以在高于由泵发展的压力的压力条件下将注入水供应到室35。流道组件44包括环形保持件70和环形密封件板72。类似地，密封件环组件50包括保持件74和环形面板76。
保持件70随着轴34一起旋转，原因在于保持件安装在环形支撑件78上，所述环形支撑件78接合轴34上的肩部80并且由套管82固定到轴，所述套管82组装到轴34上在轴和支撑件78的向上延伸段84之间，所述段84的横截面为大体L状。应当理解的是，尽管本发明的这个实施例应用于在泵轴上采用套管的泵，但是本发明能够同样应用于没有采用套管的泵轴上。保持件70上的肩部86搁置在段84的上端部上，并且套管82上的肩部88将保持件70保持在支撑件84上。销90被压入到套管82的凹陷部92中并且接合保持件70中的轴向狭槽94。将轴向夹持力从螺母(未示出)施加在套管82和支撑件78上，这致使套管82和支撑件78随着轴34旋转。继而，销90致使保持件70随着套管82旋转，所述套管82随着轴34旋转。O形环密封件96和98分别设置在支撑件78和保持件70之间以及轴34和保持件70之间。O形环密封件100还设置在保持件70和面板72之间的接触部102中。
面板72由耐磨和耐腐蚀材料构成，所述耐磨和耐腐蚀材料的热膨胀系数与构成保持件70的材料的热膨胀系数基本相同，但是保持件70具有高弹性模量。类似地，面板76由耐磨和耐腐蚀材料制成，所述耐磨和耐腐蚀材料的热膨胀系数与保持件74的材料的热膨胀系数基本相同，所述保持件74的材料具有高弹性模量。适当材料的示例是碳化物和陶瓷。O形环密封件104设置在保持件74和面板76之间的接触部106中。
保持件74可动地安装在环形密封件环插入件110的向下延伸的段108上，所述向下延伸的段108的横截面为大体L状。插入件110由帽螺钉112保持在壳体32中。O形环密封件114设置在插入件110和壳体32之间的接触部中。类似地，O形环密封件118设置在保持件74和插入件110的段108之间的接触部120中。由销122防止保持件74的相对运动，所述销122被压入到插入件110中。销122延伸到保持件74中的凹陷部124中，其中，在凹陷部126的壁和销122之间存在充分的空隙，以允许保持件74轴向运动而限制保持件74旋转运动。
面板76通过夹持设施128附接到保持件74，所述夹持设施128包括保持环130、夹持环132、锁环134、多个帽螺钉136和碟形弹簧138，所述碟形弹簧138安装在锁环134和夹持环132之间的帽螺钉136上。帽螺钉136延伸通过保持环130、夹持环132、碟形弹簧138并且被旋拧到锁环134中。保持件74的接触部106在140处凹陷，以便在接触部上的外径处设置环形支点142，所述外径小于面板76的接触面的外径。保持环130具有向内延伸的凸缘，所述凸缘具有接合面板76的延伸超过支点142的部分146的脊状件144。夹持环132具有向内延伸的凸缘，所述凸缘具有接合保持件74上的面板150的脊状件148。因此，当紧固帽螺钉136以将夹持环132和保持环130拉向彼此时，产生围绕支点142将悬臂效应作用在面板76上的力。在夹持作用期间，碟形弹簧138被部分压缩并且面板76因夹持力而变形。
以与参照面板76描述的方式类似的方式通过夹持设施151将面板72附接到保持件70。然而，较之保持件74上的支点142，保持件70的接触面102上的支点152更靠近面板72的外径。因此，作用在面板72上的夹持力没有致使面板围绕支点152产生和面板76上一样的变形。根据需要，支点142和152可以位于与它们对应面板相同的位置处。
如先前所述，密封件环50安装成用于相对于轴34和密封件流道组件44的有限轴向运动。而且，由防旋转销122限制密封件环组件50的旋转运动，所述防旋转销122松弛地装配在密封件环保持件74中的凹陷部124中。面板176上的密封面154因重力被偏压向面板72上的相对密封面156。
在由轴34驱动的泵的操作中，密封件环保持件174的表面158和160承受高压室35中的全压力。理想的是提供高压室35和环形低压区域162之间毗邻套管82的压力屏障。密封件环组件用作压力屏障设施，而且允许受控量的流体泄漏通过密封间隙164从压力室35流至区域162，所述密封间隙164分别设置在密封件板76和72的面对的密封表面154和156上。
在操作期间，根据密封件环组件的相对面上的压力保持轴向可动密封件环组件50的平衡或者均衡位置。间隙164中的流体的厚度以及结果流经间隙164的泄漏量由间隙164的构造确定。
为了在密封间隙164变化时实现密封件环组件50和流道组件44的相对位置的自恢复，从高压边缘或者末端166至密封面对的末端之间的位置设置厚度逐渐减小的流体流动路径。更加具体地，在图解的结构中，厚度递减的流体流动路径在外边缘166和密封面154上的标记为168的中间同心圆之间延伸。
如在本结构中所示，通过使表面154在圆168和面板76的外边缘166之间稍微远离面板72的相对表面156成锥形而形成递减的流动路径厚度。放大了在附图中示出的表面154和156之间的角度。这种构造或者结构已知为锥形面密封件。ErlingFrisch名下的1967年10月17日授权的美国专利No.3,347,552中充分描述了这种类型密封件的操作。
2013年1月22日授权并且指定给本发明受让人的美国专利8,356,972中充分描述了电流关断密封件。在图5至图7中图解了在上述专利中描述的关断密封件，并且关断密封件在泵14中设置了其它密封件170作为备用安全或者关断装置，可以致动所述备用安全或者关断装置，以在密封件冷却丧失的情况下防止在轴34和泵的密封件组件38、40、42之间沿着轴34发生过度泄漏。如图5所示，关断密封件170位于第一密封件38的插入件110的环形开口的机械加工槽中。关断密封件的特征在于“开口环”172，所述“开口环”172设计成(i)在正常操作期间包围轴34，其中，在轴34和开口环172之间具有环形区域174；和(ii)在密封件冷却丧失之后当轴显著减慢或者停止旋转时抵靠轴收缩。开口环172是单个不连续的环形构件，所述单个不连续的环形构件轴向开口并且相对端部在正常泵操作期间因间隔件176而保持间隔开的关系。在图5中，开口环172的相对端部机械加工成舌榫构造，使得舌在开口环的端部重叠时能够驻留在榫中。在另一个实施例中，相对的端部可以是平头端，或者具有斜接的半搭接接头，由此端部重叠。在间隙中示出了间隔件176，以便防止开口环172的相对端部在轴34上闭合，以保持环形区域174打开，用于在操作期间受控地泄漏。根据图5中示出的实施例，当冷却丧失(以及优选地泵轴减速或者停止时旋转丧失)而使密封件温度升高时，致动关断密封件。间隔件响应于温度升高(或因为轴显著减速或者停止旋转或者因任何其它因素)而从开口环72的相对端部移除。这致使开口环的相对端部相互靠近时开口环的相对端部抵靠轴34收缩，这堵塞了冷却剂通过流动环形区域174的泄漏。优选地，开口环和轴(或者轴套管，其中，套管施加在轴上)由耐磨伤材料构造而成，从而如果致动的话不会在旋转轴上产生磨伤球形件(gallballs)，否则所述磨伤球形件作为楔形件会打开密封表面之间的泄漏路径。已证明诸如用于开口环和轴的17-4不锈钢的材料是有效的。柔韧的聚合物密封件环178优选地在开口环和实心保持阀座环180之间围绕轴34抵靠开口环172。当开口环限制通过环形区域174的冷却剂泄漏时，通过增加壳体中的压力而将柔韧的聚合物密封件环178推抵在轴上，由此形成紧密密封。
图5示意性示出了上述类型的关断密封件170，所述关断密封件170安装在图4的反应堆冷却剂泵中。图5的关断密封件设计成当泵轴34减速或不再旋转时在密封件冷却丧失之后致动。关断密封件位于泵壳体中，从而环绕轴34。在图2至图4中图解的反应堆冷却剂泵的类型的情况中，1号密封插入件可以修改成通过机械加工顶部凸缘处内径的一部分来容纳关断密封件。在致动前，关断密封件170基本完全包含在修改之前由1号插入件占据的空间，从而基本不会改变关断密封件和轴34之间的环形区域174。以这种方式，在旋转设备正常操作期间，基本不会阻碍冷却剂沿着轴34流动通过环形区域174。
图5示出了由可收缩间隔件176构成的关断密封件170，所述可收缩间隔件176保持开口环172的相对端部打开。可收缩间隔件172由热敏感机械装置184致动，诸如参照图6在下文描述的活塞186。当间隔件176从开口环172的端部收缩时，开口环172合拢，从而收缩在轴34周围，但与此同时还保持在修改后的1号密封插入件110中。开口环172位于波形弹簧182上，所述波形弹簧182强制开口环172向上抵靠在密封件178上，所述密封件178被推抵在保持环180上。因中断流经环形区域174的流动而导致的压力下降还强制开口环172和密封件环178向上，从而确保所有密封表面之间的紧密密封。开口环172位于波形弹簧182上，所述波形弹簧182强制开口环172向上抵靠在第一密封件环178上，以便确保初始密封接触，因此开口环172上的压降也作用在第一密封件环178上。
图6和图7示出了致动事件之前的间隔件176和致动器组件184。如图6和图7所示的致动器184由罐装活塞186构成，以约束弹簧加载的间隔件176。蜡188位于罐中，所述蜡188在针对反应堆冷却剂泵的所需致动温度(例如280℉(138℃))条件下发生相变，如在此进一步解释的那样。这种相变导致蜡188的体积大幅增加。例如，诸如二十八烷的蜡的体积将增加大约17％。当蜡188发生相变并且膨胀时，蜡推动活塞头190离开泵轴34。当活塞头190运动时，曾由活塞190保持就位的球形件192将退到旁边并且允许压缩的弹簧194膨胀，这将向后推动连接到间隔件176的柱塞196。当弹簧194膨胀时，弹簧推动柱塞，所述柱塞拉动间隔件176，从而从开口环端部之间收回间隔件176。
因此，如下实现热致动：随着温度升高，蜡188改变状态并且膨胀。两个HNBR(氢化丁腈橡胶)O形环密封件198用于包含蜡，其中，上O形环提供了针对凸轮190的滑动接触部。蜡的膨胀平移凸轮190，从而允许座圈192中的球形轴承使得柱塞196与壳体200脱离。在球形轴承脱离的情况中，压缩弹簧194使得柱塞196连同间隔件176一起向上平移，从而释放活塞环并且致动关断密封件。
改进的泵关断密封件致动器
图8示出了改进的热缩回式致动器。如先前所述，间隔件176的平移允许闭合活塞环，从而能够致动关断密封件。当温度升高并且达到蜡188的相变点时，蜡体积可以增加高达大约17％。如果保持体积不变，则蜡压力将增加并且能够超过每平方英寸10,000(68,947,6kpa)。活塞196具有较大的直径D1和较小的直径D2，其中，所述较大的直径D1和所述较小的直径D2具有对应的横截面面积A1和A2。当压力(P)增大时，平移力(F)被施加到活塞196，所述平移力等于蜡压力和横截面面积的差的乘积，即，F＝P×(A1-A2)。在图8示出的布置方案的情况中，典型活塞力可以在50磅至100磅之间范围内(22.7-45.4kg)，且同时实现足够的活塞行程，以从开口环移除间隔件176。这相比于图7中示出的压缩弹簧194获得的超过大约15磅的力是一个显著的增加。杯形密封件204和206提供了用于包含蜡188的压力边界。杯形密封件204和206可以由PEEK(聚醚醚酮)构造而成，并且具有足够的强度来包含处于高压条件下的蜡188，且能够与蜡和周围的反应堆冷却剂化学相容。O形环密封件208、210和212由与反应堆冷却剂相容的EPDM(三元乙丙橡胶)或者HNBR(氢化丁腈橡胶)制成。如果在致动期间PEEK密封失效，则EPDM或者HNBR密封件能够作为冗余压力边界。EPDM密封件能够承受短期暴露于蜡。端盖214在壳体216内自由滑动，并且由多个剪切销218固定就位。在活塞196行进一个完整的行程并且蜡压力继续升高的情况中，销218剪切以释放端盖214，从而允许密封件206与壳体216分离，由此释放过多的蜡体积并且将压力降低至安全状态。
因为整个缩回组件202能够承受高于环境压力的压力，所以若干径向开口220围绕活塞196的上凸缘定向。在没有径向开口220的情况中，活塞196的头部能够密封匹配的端盖214。外部压力(不存在径向开口)能够引起作用到活塞196上的不理想的轴向力。
尽管不是必需，但是套管222放置在活塞196的露出的直径上，以便保持活塞不受可能存在于周围环境中的污染物污染。套管可以由聚丙烯构成，所述聚丙烯可以在达到致动温度时熔化。替代地，小擦拭件可以放置在壳体216的端部中，以便在活塞平移期间移除不期望的碎屑。
图9示出了具有不同构造的本发明的替代实施例。替代地，端盖214用螺旋保持环224固定在替代的壳体中。弹簧226提供了小的作用力，以在致动之前将活塞196保持在延伸位置中。
壳体216包含至少两个凹处228，在所述两个凹处中包含蜡的隔室的壁厚度T1减小。在活塞196行进全行程并且蜡188的压力继续升高的情况中，壳体壁能够在凹处228处隆起，由此释放过多的蜡体积并且将压力减小至安全状态。在图10中示出了图9的截面A-A并且图解了壳体216在凹处228的位置处的横截面。更薄的壁(T1)能够在蜡压力变得过大时隆起。更重的壁(T2)有助于保持壳体216的结构完整性。
另一种构造是具有如下的壳体，其中，薄壁段(T1)延续达360°。因为致动器将在蜡压力过高时实施其功能，所以更厚段(T2)的结构完整性不是必需的。
图11示出了应用于第一密封关断密封件的插入件的替代缩回式致动器的横截面。
尽管前述实施例具有弹簧来防止活塞的无意运动，但是更理想的是提供一种更稳健的机构，原因在于由于关闭发电厂而造成的无意致动的成本极其高昂。图12图解了这种稳健机构。
图12示出了应用在关断密封件中的缩回式致动器的第三实施例。在若干附图中用相同的附图标记表示对应部件。当温度升高，致使蜡188改变状态并且膨胀从而压力升高(如前文解释的那样)时，实现热致动。当蜡压力升高时，平移力施加到活塞196，所述平移力等于蜡压力和活塞的横截面面积之差的乘积。在销232没有就位的情况中，活塞196使得间隔件172平移向壳体200。移除间隔件176允许闭合开口活塞环172，从而能够操作反应堆冷却剂泵轴关断密封件。
标称活塞力可以介于50lbs至100lbs的范围内，与此同时实现足够的活塞行程来从开口环172移除间隔件176。O形环204和杯形密封件206提供了用于包含蜡188的压力边界。O形环密封件210和212作为针对蜡的冗余压力边界，并且提供了防止周围流体进入蜡室的隔离。结合杯形密封件206的擦拭件208半刚性，并且作为双套管，从而保持活塞196居中位于壳体200中。擦拭件208的主要功能是防止异物进入到壳体200中。擦拭件还是密封件，以便最小化周围流体进入到新的O形环204中。
在一个实施例中，为了防止活塞196在热致动之前平移，包封在活塞196中的填料230具有足够刚性，以便将金属销232保持就位。如能够在图12中所见。填料230在提供了挠性边界的位置234处具有薄壁，所述挠性边界允许在销232的外径和活塞196中的凹陷部236的内径之间轻压配合。按压配合最小化了活塞196和销232之间的任何运动。用于填料230的优选材料是诸如聚乙烯的聚合物。该聚合物在实施良好压配和具有非常接近蜡的相变温度的熔融温度两方面具有灵活性。聚乙烯还可以与周围的反应堆冷却剂泵环境兼容。为了避免潜在的蠕动，重要的是包封填料230。如果将负荷沿着填料230的方向施加到销232，则在填料不由活塞196包含的情况中，填料230上增加的力将致使填料径向向外蠕动和/或隆起。如此构造的话，在填料230上的负荷增加的情况中，填料将必须沿着薄边界234挤出以逃逸。由于聚合物粘合剂的性质，所以极其难以通过销232和活塞196之间的小间隙挤出，直到获得更高的温度为止。在致动之前来自销/填料组合的保持力能够轻易地超过100lbs。
在热致动期间，在高于正常操作温度时，填料230在蜡开始改变状态之前变软。当温度进一步升高时，填料能够在活塞开始运动之前或之时达到熔化温度。当填料230熔化时，填料材料变得粘稠并且在销232周围自由流动，继而允许销232在活塞凹陷部236内平移，使得活塞自由致动关断密封件。
如13示出了防止活塞196在热致动之前平移的替代实施例。为了防止活塞196在致动之前运动，销232可滑动地固定在钻孔或者凹陷部236内。销232中的狭槽238之间的金属薄片244沿着径向方向向外弹性偏压(如片簧)，以便保持销232的外径在接触部240处与活塞孔196的内径紧密接触。剪力销伸出件242防止销致动，直到活塞196施加足够的力来剪断或者折断伸出件242，由此允许活塞196行进全行程，所述剪力销伸出件242从销232向外径向延伸。
因此，这种改进的致动器具有简化的热缩回式设计，所述简化的热缩回式设计较之上述先前设计具有更好的输出力和更少的部件。致动器的先前设计使用HNBRO形环，其中，预期使用寿命可能小于所需的20年操作时间。优选设计中的密封件布置方案使用长寿命EPDMO形环和PEEK密封件，以向热缩回式致动器部件提供独立以及冗余边界。
尽管已经详细描述了本发明的具体实施例，但是本领域中的技术人员将理解的是能够根据本公开的教导发展这些细节的多种修改方案和替代方案。因此，公开的特定实施例仅仅为阐释而非限制本发明的范围，所述本发明的范围将涵盖附属权利要求和其任意和所有等效物。

Claims (29)

1.一种泵(14)，其具有叶轮段，所述叶轮段通过轴(34)连接到电动机，所述轴能够被旋转地支撑在所述电动机和所述叶轮之间，其中，密封件壳体(32)围绕所述轴插置在所述电动机和所述叶轮段之间，所述密封件壳体具有关断密封件(170)，用于包围旋转的所述轴并且防止包围所述轴的环形区域(174)中的流体在所述轴减慢旋转或者停止旋转之后越过所述关断密封件泄漏，所述关断密封件包括：
包围所述轴(34)的可收缩的开口环(172)，所述开口环具有相对的端部且具有内径，当所述轴旋转时，所述内径与所述轴间隔开，所述内径限定了所述环形区域(174)的一部分；
间隔件(176)，所述间隔件布置在所述开口环(172)的相对的端部之间，用于在所述轴(34)正常操作期间保持所述相对的端部之间的所述环形空间，所述间隔件能够操作成当所述流体升高到高于预选温度时从所述相对的端部之间移除，因此所述开口环能够收缩，以收窄或者基本密封所述环形区域(174)的一部分；和
致动器(184)，所述致动器用于当所述流体升高到高于所述预选温度时从所述开口环(172)的相对的端部之间移除所述间隔件(176)，因此所述开口环能够收缩，以收窄或者基本密封所述环形区域(174)的所述部分，所述致动器包括：
具有轴向尺寸的缸体(200)；
能够在所述缸体内轴向运动的活塞(196)，其中，所述缸体具有围绕所述活塞密封的上端部和下端部；
活塞杆(196)，所述活塞杆在所述活塞的下端部处延伸并且具有连接到所述间隔件(176)的一个端部；
腔，所述腔占据所述缸体(216)内上端部和下端部之间的空间，所述活塞(186)行进通过所述空间，当所述间隔件(176)布置在所述开口环(172)的相对的端部之间时，所述活塞的轴向尺寸延伸通过所述腔内的空间，所述活塞的轴向尺寸具有至少两个单独的直径，其中，所述直径中的最大直径沿着所述活塞的行进方向位于所述直径中的较小直径的前方，以便从所述开口环的相对的端部移除间隔件；和
材料(188)，所述材料占据所述腔内的空间的至少一部分，所述材料在温度升高时膨胀，以便将力施加在所述活塞(196)上，这致使所述活塞沿着一定的方向运动，以便当所述材料升高到高于所述预选温度时从所述相对的端部之间移除所述间隔件(176)。
2.根据权利要求1所述的泵(14)，其中，所述力施加在围绕所述活塞(196)的周缘的区域上，其中，所述活塞的所述至少两个单独的直径的至少一部分在围绕所述活塞的周缘的区域中延伸。
3.根据权利要求1所述的泵(14)，包括第一密封件(204)和第二密封件(206)，所述第一密封件在所述腔和所述活塞(196)之间支撑在所述腔的下端处，所述第二密封件在所述腔和所述活塞之间支撑在所述腔的上端处，所述第一密封件和第二密封件能够操作成将所述材料基本约束到所述腔。
4.根据权利要求3所述的泵(14)，其中，所述第一密封件(204)和所述第二密封件(206)中的至少一个是杯形密封件。
5.根据权利要求4所述的泵(14)，其中，所述杯形密封件(204，206)由PEEK构造而成。
6.根据权利要求3所述的泵(14)，包括用于所述第一密封件和第二密封件(204，206)中的一个或者两个的备用密封件(208，210)。
7.根据权利要求6所述的泵(14)，其中，所述备用密封件(208，210)是O形环密封件。
8.根据权利要求7所述的泵(14)，其中，所述O形环密封件由EPDM或者HNBR形成。
9.根据权利要求3所述的泵(14)，其中，用于所述第一密封件(204)的支撑件(218)或者用于所述第二密封件(206)的支撑件设计成当所述压力超过预定值时释放所述腔内的压力。
10.根据权利要求1所述的泵(14)，其中，所述材料(188)与所述流体热连通。
11.根据权利要求1所述的泵(14)，包括弹簧(226)，所述弹簧支撑在所述缸体(216)内，并且构造成沿着一定的方向偏压所述活塞(196)，以便保持布置在所述开口环(172)的相对的端部之间的间隔件(176)，与此同时所述材料(188)保持低于所述预定温度。
12.根据权利要求11所述的泵(14)，其中，施加在所述活塞(196)上的力远远大于由所述弹簧(226)施加的力。
13.根据权利要求1所述的泵(14)，其中，所述腔的壁的至少一部分具有减小的厚度(T1)，当所述腔内的压力超过设计值时所述壁的所述至少一部分将向外隆起，以将所述腔内的所述压力减小至安全水平。
14.根据权利要求1所述的泵(14)，包括安全锁，所述安全锁构造成在所述流体温度低于所述预选温度时，所述安全锁防止所述活塞(196)沿着从所述开口环(172)的相对的端部之间移除所述间隔件的方向在所述缸体(200)内运动，并且在所述流体温度大约等于或者高于所述预选温度时，所述安全锁被动解锁所述活塞，以便使得所述活塞能够从所述开口环的相对的端部之间移除所述间隔件。
15.根据权利要求14所述的泵(14)，其中，热致动所述安全锁，并且所述安全锁包括销(232)，所述销沿着如下的方向从所述缸体(200)的一个端部悬置下来：即所述活塞运动以便从所述开口环(172)的相对的端部移除所述间隔件的方向，所述销在所述活塞(196)的端部的凹陷部(236)内部分地延伸，所述凹陷部的大部分其余部分基本填充有热致动的材料(230)，其中，所述热致动的材料在低于所述预选温度的温度条件下具有粘性，这防止所述热致动的材料沿着所述销的一侧(234)流出所述凹陷部，并且在温度基本为所述预选温度或者高于所述预选温度的条件下，所述热致动的材料具有降低的粘性，这使得所述热致动的材料沿着所述销的所述一侧流出所述凹陷部，从而使得所述活塞能够从所述开口环的相对的端部之间移除间隔件。
16.根据权利要求15所述的泵(14)，其中，所述热致动的材料(230)是聚合物。
17.根据权利要求16所述的泵(14)，其中，所述聚合物是聚乙烯。
18.根据权利要求14所述的泵(14)，其中，所述安全锁包括剪力销(242)，所述剪力销构造成形成堵塞物，所述堵塞物在所述热致动的材料(230)远远低于所述预选温度时防止所述活塞从所述相对的端部之间移除所述间隔件(176)，其中，当作用在所述活塞(196)上的力大到足以使得所述活塞沿着一定的方向运动以从所述相对的端部之间移除所述间隔件时，所述剪力销构造成破裂或者变形，以便移除所述堵塞物。
19.根据权利要求18所述的泵(14)，其中，所述安全锁包括销(232)，所述销沿着如下的方向从所述缸体(200)的一个端部悬置下来：即所述活塞(196)运动以便从所述开口环(172)的相对的端部移除所述间隔件(176)的方向，其中，在远远低于所述预选温度的条件下，所述销在所述活塞的端部的凹陷部(236)内部分延伸，所述凹陷部的大部分其余部分基本能够进入以便适应所述活塞的行程，所述销构造成具有呈一个或者多个剪力销或者环形件形式的伸出件(242)，在所述材料(188)远远低于所述预选温度时，所述伸出件防止所述销基本运动到所述凹陷部的大部分其余部分中，并且其中，所述销构造成当作用在所述活塞上的力大到足以使得所述活塞沿着一定的方向运动以从所述相对的端部之间移除所述间隔件时破裂或者变形，以便使得所述活塞能够行进到所述凹陷部的大部分其余部分中。
20.根据权利要求1所述的泵(14)，其包括
大体刚性的保持环(180)，所述大体刚性的保持环在所述流体流动的方向上在所述开口环(172)的上游沿着所述轴环绕并且间隔开，所述保持环具有内径，所述保持环的内径在所述轴旋转时与所述轴间隔开，所述内径限定了所述环形区域(174)的一部分；和
柔韧的聚合物环(178)，所述柔韧的聚合物环包围所述轴(34)并且定位在所述开口环(172)和所述保持环(180)之间，所述聚合物环具有内径，所述聚合物环的内径在所述轴旋转时与所述轴间隔开，所述聚合物环的内径限定了所述环形区域(174)的一部分，在所述开口环收缩并且朝向所述轴运动到所述环形区域中时，所述柔韧的聚合物环被所述聚合物环上的压差推向所述轴。
21.一种用于泵(14)的关断密封件(170)，所述泵具有叶轮段，所述叶轮段通过轴(34)连接到电动机，所述轴能够被旋转地支撑在所述电动机和所述叶轮之间，其中，密封件壳体(32)围绕所述轴插置在所述电动机和所述叶轮段之间，所述密封件壳体包围所述旋转轴的轴向部分，所述关断密封件构造成被支撑在所述密封构件壳体内，用于防止包围所述轴的环形区域(174)中的流体在所述轴减慢旋转或者停止旋转之后越过所述关断密封件泄漏出来，所述关断密封件包括：
构造成包围所述轴(34)的可收缩的开口环(172)，所述开口环具有相对的端部和且具有内径，当所述开口环安装在所述泵中并且所述轴旋转时，所述内径与所述轴间隔开，所述内径限定了所述环形区域(174)的一部分；
间隔件(176)，所述间隔件布置在所述开口环(172)的相对的端部之间，用于在所述轴(34)正常操作期间保持所述相对的端部之间的所述环形空间，所述间隔件能够操作成当所述流体升高到高于预选温度时从所述相对的端部之间移除，因此所述开口环能够收缩，以收窄或者基本密封所述环形区域(174)的一部分；和
致动器(184)，所述致动器用于当所述流体升高到高于所述预选温度时从所述开口环(172)的相对的端部之间移除所述间隔件(176)，因此所述开口环能够收缩，以收窄或者基本密封所述环形区域(174)的所述部分，所述致动器包括：
具有轴向尺寸的缸体(200)；
能够在所述缸体内轴向运动的活塞(196)，其中，所述缸体具有围绕所述活塞密封的上端部和下端部；
活塞杆(196)，所述活塞杆在所述活塞的下端部处延伸并且具有连接到所述间隔件(176)的一个端部；
腔，所述腔占据所述缸体(216)内上端部和下端部之间的空间，所述活塞(186)行进通过所述空间，当所述间隔件(176)布置在所述开口环(172)的相对的端部之间时，所述活塞的轴向尺寸延伸通过所述腔内的空间，所述活塞的轴向尺寸具有至少两个单独的直径，其中，所述直径中的最大直径沿着所述活塞的行进方向位于所述直径中的较小直径的前方，以便从所述开口环的相对的端部移除间隔件；和
材料(188)，所述材料占据所述腔内的空间的至少一部分，所述材料在温度升高时膨胀，以便将力施加在所述活塞(196)上，这致使所述活塞沿着一定的方向运动，以便当所述材料升高到高于所述预选温度时从所述相对的端部之间移除所述间隔件(176)。
22.一种致动器(184)，其包括：
具有轴向尺寸的缸体(200)；
能够在所述缸体内轴向运动的活塞(196)，其中，所述缸体具有围绕所述活塞密封的上端部和下端部；
活塞杆(196)，所述活塞杆在所述活塞的下端部处延伸并且具有能够连接到所述间隔件(176)的一个端部；
腔，所述腔占据所述缸体(216)内上端部和下端部之间的空间，所述活塞(186)行进通过所述空间，当所述间隔件(176)位于其行进的第一位置时，所述活塞的轴向尺寸延伸通过所述腔内的空间，所述活塞的轴向尺寸具有至少两个单独的直径，其中，所述直径中的最大直径沿着所述活塞的行进方向位于所述直径中的较小直径的前方，以便将所述活塞移动到第二位置，当所述活塞位于所述第一位置时，所述最大直径和较小直径占据所述空间的至少一部分；和
材料(188)，所述材料占据所述腔内的空间的至少一部分，所述材料在温度升高时膨胀，以便将力施加在所述活塞(196)上，这在所述材料升高到高于所述预选温度时使所述活塞运动到所述第二位置。
23.根据权利要求22所述的致动器(184)，包括安全锁，所述安全锁构造成当所述材料(188)远远低于所述预选温度时，所述安全锁防止所述活塞(196)从所述第一位置运动到所述第二位置，而当所述材料升高到大约高于所述预选温度时，所述安全锁释放所述活塞以沿着朝向所述第二位置的方向运动。
24.根据权利要求23所述的致动器(184)，其中，热致动所述安全锁，并且所述安全锁构造成在所述流体高于所述预选温度时被动解锁所述活塞(196)。
25.根据权利要求23所述的致动器(184)，其中，热致动的所述安全锁包括销(232)，所述销从所述缸体(200)的一个端部悬置下来，并且沿着所述活塞(196)朝向所述第二位置运动的方向延伸，所述销在所述活塞的端部的凹陷部(236)内部分延伸，所述凹陷部的大部分其余部分基本填充有热致动的材料(230)，其中，所述热致动的材料在低于所述预选温度的温度条件下具有粘性，这防止所述热致动的材料沿着所述销的一侧(234)流出所述凹陷部，并且在温度基本为所述预选温度或者高于所述预选温度的条件下，所述热致动的材料具有降低的粘性，这使得所述热致动的材料在所述销的一侧流出所述凹陷部，从而使得所述活塞能够沿着朝向所述第二位置的方向运动。
26.根据权利要求25所述的致动器(184)，其中，所述热致动的材料(230)是聚合物。
27.根据权利要求26所述的致动器(184)，其中，所述聚合物是聚乙烯。
28.根据权利要求24所述的致动器(184)，其中，所述安全锁包括剪力销(242)，所述剪力销构造成形成堵塞物，所述堵塞物在所述热致动的材料(230)远远低于所述预选温度时防止所述活塞(196)大体朝向所述第二位置运动，并且当作用在所述活塞上的力大到足以使得所述活塞沿着朝向所述第二方向运动时，所述剪力销破裂或者变形，以便移除所述堵塞物。
29.根据权利要求28所述的致动器，其中，所述安全锁包括销(232)，所述销沿着所述活塞(196)朝向所述第二位置运动的方向从所述缸体(200)的一个端部悬置下来，其中，在远远低于所述预选温度的条件下，所述销在所述活塞的端部的凹陷部(236)内部分延伸，所述凹陷部的大部分其余部分基本能够进入以便适应所述活塞的行程，所述销具有呈一个或者多个剪力销或者环形件形式的伸出件(242)，在所述材料(188)远远低于所述预选温度时，所述伸出件防止所述销基本运动到所述凹陷部的所述大部分其余部分中，其中，所述销构造成当作用在所述活塞上的力大到足以使得所述活塞沿着朝向所述第二位置的方向运动时破裂或者变形，以便使得所述活塞行进到所述凹陷部的大部分其余部分中。
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