DE2600505C3 - Hydrostatische Wellenabdichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung für Reaktorkühlmittelpumpen mit einem mit der vertikalen Pumpenwelle in einem Dichtr&um rotierenden, axial unverschieblich auf der Welle angeordneten Gleitring, mit einem am "umpengehäuse drehfest, jedoch axial verschiebbar angeordneten Gegenlaufring, zwischen deren Dichtflächen sich efai Leckf.jssigkeitsspalt ergibt, mit einem von dem abzudichtenden Medium abgezweigten Zusatzkreislauf, für den ine Hilfsfördereinrichtung vorgesehen ist, die das Medium von der Seite η des v/ellenfesten Gleitringes her in einen die Dichtung umgebenden Dichtraum drückt, von wo es über eine Drossel, die vom axial verschieblichen Gegenlaufring und einem diesen umgebenden Teil gebildet ist, in einen Raum hinter dem axial verschiebbaren Gegenring und von diesem Raum zur Hilfsförderemnchtung zurückgeführt wird.

Bei einer solchen Gleitringdichtung wird die Entlastung dadurch bewirkt, daß infolge der Hilfsfördereinrichtung und der Drossel im Dichtraum und damit im Dichtspalt ein höherer Druck ansteht als der auf die Rückseite des axial verschieblichen Gleitringes wirkende Systemdruck. Die zur Erzielung dieser Wirkung nötigen Merkmale entsprechen denen bei Gleitringdichtungen nach der DE-OS 24 09 954, wonach in der Gleitfläche des mit der Welle umlaufenden Gleitringes Nuten angeordnet sind, wie sie bei hydrostatischen Gleitringdichtungen üblich sind und die eine zusätzliche Kühleinrichtung bzw. einen Kühlkreislauf besitzen.

Nachteiligerweise besitzen diese Ausführungen des ίί Problem einer zu starken Belastung der Gleitringdichtung bei niederem Systemdruck. unabhängig davon, ob die Gleitringe unter Mischreibung oder Bildung eines hydrostatisch gebildeten Gleitflächenspaltes arbeiten, wobei eine recht aufwendige Einrichtung zur Druckest- mi lastung vorgesehen ist in Form eines auf eine Leitapparatur wirkenden Differenzdruckes und damit einer durch diese Leitapparatur gebildeten Drossel.

Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung dieses Nachteils und daher die Schaffung einer Druckentla- hi stung der Gleitringdichtung bei konstruktiver Vereinfachung, wobei die Lösung bei einer Gleitringdichtung der eingangs genannten Art darin besteht, daß die Drossel von einem den Gleitring mit geringem Abstand umgebenden gehäusefesten Teil gebildet ist

In bezug auf die Druckentlastung der Gleitringdichtung nach der DE-OS 24 09 954 besteht ein konstruktiver Unterschied beim Erfindungsgegenstand somit darin, daß der Drosselspalt nicht mehr durch eine axial verschiebliche Leitapparatur, sondern durch einen gehäusefesten Teil gebildet wird. Bei bei der bekannten Ausführung die Druckentlastung lediglich auf die Wirkung des Differenzdruckes auf die Leitapparatur zurückgeführt wird, ist durch das Fortlassen derselben beim Erfindungsgegenstand, d. h. im Ersatz der durch die Leitapparatur gebildeten Drossel durch eine solche, bei der die Drossel zwischen dem axial verschiebbaren Gleitring und dem gehäusefesten Teil gebildet wird, eine konstruktive Vereinfachung unter Beibehaltung der Druckentlastung erzielt worden.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen Aufbau und Wirkung der hydrostatischen Wellenabdichtung nach der Erfindung, deren Dichtungsringpaar, bestehend aus dem mit der Pumpenwelle rotierenden Ring 1 und dem über seinen, ihn mit geringerem Abstand umgebenden gehäusefesten Teil 2' am Gehäuse feststehenden Ring 2, mit ihren außerhalb der Sekundärdichtelemente 3 und dem Dichtspalt 4 befindlichen Oberfläche fre* im Dichtungsraum 5 angeordnet h.i. Über dieser Oberfläche herrscht praktisch das gleiche Druckniveau Das abzudichtende Medium wird der Dichtungskammer 5 zugeführt und durch den Dichtspalt 4 in den Niederdruckraum 6 des Dichtungssystems entspannt

Die Hilfsfördereinrichtung 7 kann dabei an beliebiger Stelle des Zusatzkreislaufes angeordnet sein, z. B. auch als Teil des rotierenden Dichtnnges 1 oder als Teil einer evtl. an der Pumpe vorhandenen anderen Fördermöglichkeit. Die Strömungskanäie 9 können entweder auf kürzestem Weg die Räume 10 und 11 verbinden, sie können aber auch, falls erwünscht, über eine zusätzliche Kammer 12 führen, die dann als Sperherraum dient, um vom System herrührende Temperaturtransienten für den Dichtungsbereich abzudämpfen. Das aniageseitige abzudichtende Medium kann der Wellenabdichtung sowohl im Raum It als auch im Raum 10 zugeführt werden.

Die Gesamtwirt ungsweise ist folgende: Bei einer hydrostatischen Wellenabdichtung stellt sich ein Arbeitsspalt 4 zwischen rotierendem und feststehendem Dichtring ein, dessen Weite über einen großen Betriebsbereich annähernd konstant ist. Bei Reaktorkühlmittelpumpen ist die Pumpenwelle vertikal und der stehende Dichtring 2 obenliegend oder untenliegend angeordnet. Beim Fahrbetrieb mit niederen Svstemdrücken und auftretenden Drucktransienten kann daher das Ringgewicht einschließlich der Federkräfte oder nur die Federkräfte allein die öffnenden Dichtspaltkräfte übersteigen, so daß ein Berühren der Dichtringe erfolgt.

Durch die Fördereinrichtung 7 wird das abzudichtende Medium in dem Zusatzkreislauf, gebildet aus Dichtungskammer 5. Drossel 8. Raum 10. Strömungskanälen 9. Raum 12 und 11 und Fördereinrichtung 7. umgewälzt. Durch die Drössei 8 entsteht zwischen den Räumen 5 und 10 eine Druckdifferenz, wobei der Druck im Raum 10 kleiner als im Raum 5 ist. Der geringere Druck im Raum 5 reicht bis an das Sekundärdichtelement 3 des stehenden Ringes 2. Im Dichtspalt 4 herrscht am Außendurchmesser der Druck des Raumes 5. Dieser Druck wird im Dichtspalt 4 auf den Druck des Raumes 6 reduziert. Es verbleibt aber zwischen dem Dichtungsspalt 4 und dem Raum 10 eine Druckdifferenz, welche

eine zusätzliche öffnende Kraftkomponente für den Dichtspalt 4 darstellt Da diese zusätzliche Kraftkomponente nur in geringem Umfang vom Systemdruck beeinflußt wird, bleibt sie über dem gesamten Betriebsdruckbereich nahezu konstant. Diese zusätzliche Öffnungskraft kann durch die Wahl der Förderleistung der Hilfsfördereinrichtung 7 einerseits und der Ausführung dyi Drossel 8 andererseits einmalig optimiert werden. Ein weiterer Eingriff in das System ist nicht erforderlich.

Da die natürliche resultierende Öffnungskraft des Dichtspaltes 4 bei niederem Systemdruck gering und bei hohem Systemdruck entsprechend größer ist, wirkt sich die zusätzliche Öffnungskraft durch den Einsatz des Zusatzkreislaufes für die Anfahrentlastung nur, wie erwünscht, im Bereich niederen Systemdruckes stark aus, während der zusätzliche öffnungseinfluß bei hohem Systemdruck relativ gering ist. Die Auswirkung ist in F i g. 3 prinzipgemäß dargestellt.

Zur Abdämpfung von Temperaturtransienten ist gemäß F i g. 2 in die Strömungskanäie 9 ein u:;ter dem gleichen Druck stehendes Pulvervolumen 12 zwischengeschaltet, das beliebig innerhalb oder außerhalb des Dichtungsbereiches angeordnet sein kann. Dadurch könnten rasche, anlagenseitige Temperaturänderungen von der Wellenabdichtung ferngehalten werden, da der Umwälzstrom der Anfahrentlastung wesentlich größer ist als der Leckstrom der Wellenabdichtung.

Der Dichtring 1 in F i g. 1 und 2 ist nicht, wie angenommen werden könnte, axial auf der Welle verschiebbar, sondern in axialer Richtung durch eine am Dichtring aufgeschraubte Scheibe zur Montagesicherung und Drehmomentübertragung (nicht dargestellt) fixiert. Die den rotierenden Gleitring 1 tragende Wellenschutzhülse ist in axialer Richtung ebenfalls auf der Welle festgelegt. Für die Betrachtung der hydrostatischen Dichtung ist die genannte Scheibe ohne Bedeutung, da durch die Wahl des Dichtdurchmessers am O-Ring Γ in Fig. 1 und des Innendurchmessers am Dichtring 1 und durch die Druckdifferenz in den Räumen 5 und 6 und der entsprechenden Druckverteilung im Dichtspalt 4 der Dichtring 1 in axialer Richtung immer an den Bund der Wellenschutzhülse gedrückt wird.

Der Dich.ring 1 ist also in axialer Richtung mit der Welle festgelegt, und die axiale Einstellbewegung am Dichtspalt 4 wird nur vom Dichtring 2 übernommen. Durch den beschriebenen Zusatzkreislauf über die Fördereinrichtung 7 unJ die Drossel 8 wird eine Druckdifferenz zwischen den Räumen 5 und 10 erzeugt. Durch die P-impwirkung de.· Fördereinrichtung 7 ergibt sich ein dem Dichtungsleckstrom überlagerter Teilstrom ρ» Die Druckdifferenz zwischen Raum 5 und 10 ist demnach

Wobei Q₀ = Überlagerter Teilström, A = Querschnitts- y\ fläche der Drossel 8, L = Spaltlänge der Drossel tf Ad = Durchmesserspiel an der Drossel 8,A = Widerstandsziffer der Strömung in der Drossel 8.

Diese Druckdifferenz ist dem im Raum 5 wirkenden Systemdruck überlagert und von diesem unabhängig.

Am Eintritt in den Dichtspalt 4 herrscht der Druck des Raumes 5, welcher höher als im Raum 10 ist. Der Druckabbau im Dichtspalt 4 erfolgt kontinuierlich über die gesamte radiale Erstreckung. Die Strömungs-, Spalt- und Druckverhältnisse im hydrostatischen Dichtspalt 4 können berechnet und in Diagrammform dargestellt werden.

Da die Druckdifferenz zwischen Raum 5 und 10 unabhängig vom Systemdruck konstant bleibt (es geht in obiger Gleichung nur der überlagerte Teilstrom Q₁₁ ein, der durch die Fördereinrichtung 7 vorgegeben ist) und die radiale Druckverteilung im Dichtspalt 4 jedoch von der Höhe des Systemdruckes and damit von der Druckdifferenz zwischen Raum 5 und ^f abhängt, ist klar, daß zwischen DichtspaJt 4 und Raum 10 eine Druckdifferenz und damit eine Öffnungskraft wirkt.

An einer hydrostatischen Gleitringdichtung herrscht im Betriebszustand bei einem definierten Spalt zwischen den Dichtringeti Gleichgewicht zwischen öffnenden und schließenden Kräften. Dabei stellt sich abhängig von der Dichtringgeometrie und vom Systemdruck ein bestimmter Dichtspalt und ein Dichtungsleckstrom ein. Diese Parameter können in einem Dieh'ungsdiagramm dargestellt werden. Wird das Kräftegleichgewicht durch äußere Kräfte geändert, so hat dies Auswirkungen auf die Dichtspaltweite (Spalt 4).

Durch die Wirkung von zusätzlichen Öffnungskräften stellt sich ein neuer Gleichgewichtsspalt ein. der um den Wert As größer ist.

Die Dichtspaltkennlinien einer hydrostatischen Dichtung haben in Abhängigkeit der abzudichtenden Druckdifferenz und der Dichtspaltweite (Dichtspalt 4) unterschiedliche Spaltkräfte. Bei geringem Systemdruck sind die Spaltkräfte kleiner als bei hohem Druck.

Dad'rch, daß die zusätzlichen Öffnungskräfte unabhängig vom Systemdruck eine konstante Größe besitzen, wirken sie sich beim kleineren Kräften-veau des niederen Systemdruckes relativ stärker aus aij bei den hohen Spaltkräften des großen Systemdruckes.

Vor dem Start einer Maschine mit hydrostatischer Wellenabdichtung muß sichergestellt sein, daß ein Mindestleckstrom (und damit in Abhängigkeit vom Systemdruck ein Mindestdichtspalt) vorhanden ist. Beim Betrieb mit niederem Systemdruck ist das Kräfteniveau gering. Beim Maschinenstart wirken sich mit zunehmender Drehzahl Störkräfte durch Unwucht-, Strömungsund Beschleunigungsvorgänge aus. Im gleichen Maße wie die Drehzahl steigt jedoch die spalterweiternde Kraft durch die beschriebene Anfahrentlpstung. Die Anfahrentlastung ist dann am wirksamsten (Startvorgänge bei niederem Systemdruck), wenn die Kräfte im Dichtspalt noch gering sind und dadurch durch äußere Störkräfte die Gerphr eines Dichtringanlaufes während des Startvorganges vermieden wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gleitiingdichtung für Reaktorkühlmittelpumpen mit einem mit der vertikalen Pumpenwelle in einem Dichtraum rotierenden, axial unverschieblich auf der Welle angeordneten Gleitring, mit einem am Pumpengehäuse drehfest, jedoch axial verschiebbar angeordneten Gegenlaufring, zwischen deren Dichtflächen sich ein Leckflüssigkeitsspalt ergibt, mit einem von dem abzudichtenden Medium abgezweigten Zusatzkreislauf, für den eine Hilfsfördereinrichtung vorgesehen ist, die das Medium von der Seite ''es wellenfesten Gleitringes her in einen die Dichtung umgebenden Dichtraum drückt, von wo es über eine Drossel, die vom axial verschieblichen Gegenlaufring und einem diesen umgebenden Teil gebildet ist, in einen Raum hinter dem axial verschiebbaren Gegenring und von diesem Raum zur Hilfsföi (Jereinrichtung zurückgeführt wird, d a -durch gekennzeichnet, daß die Drossel (S) von einem den Gleitring (2) mit geringerem Abstand umgebenden gehäusefesten Teil (2') gebildet ist