DE2825599A1

DE2825599A1 - Dichtung

Info

Publication number: DE2825599A1
Application number: DE19782825599
Authority: DE
Inventors: John D Dempsey
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1977-07-05
Filing date: 1978-06-10
Publication date: 1979-01-18
Also published as: CA1063141A; IL54242A0; FR2396905B1; IT7809436A0; LU79410A1; JPS5417454A; FR2396905A1; SE439820B; BE866230A; CH640322A5; US4095806A; IT1103696B; IL54242A; ES468837A1; NL7802970A; SE7804592L; GB1597917A

Description

Aaw.-Akte: 27.146 V.6.1978

PATENTANMELDUNG

Anmelder; THE BABCOCK & WILCOX COMPANY I6l East 42nd Street, New York, N.Y. 10017 -USA-

Titel: Dichtung

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Die Erfindung betrifft eine zentrifugale Flüssigkeitssperre mit druckabhängigen Belastungsmitteln, insbesondere druckausgeglxchene Flächendichtungen, die für vertikale Pumpen geeignet sind, welche unter Hochtemperatur- und Hochdrucktiedingungen eingesetzt werden.

Eine dynamische Pumpendichtung besteht im wesentlichen aus einem ortsfesten Teil, das mit einem drehbaren Teil zusammenwirkt, um die Leckage von Medien entlang einer sich drehenden Welle zu vermindern oder zu verhindern. Es gibt eine Reihe derartiger Dichtungen, die die folgenden Arten einschließen, wobei diese Aufzählung nur zur Erläuterung dient: Flächenkontakt-, Leckverminderungs-, Labyrinth-, Visko- und Zentrifugaldichtungen, Die Merkmale, die die verschiedenen Dichtungen kennzeichnen, können einzeln oder in Kombination benutzt werden,, Bei einer statischen Dichtung besteht dagegen keine Relativbewegung zwischen der Dichtung und der abzudichtenden Paßfläche.

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Anw.-Akte: 27.146

Dynamische Dichtungen werden im allgemeinen als Flächendichtungen bezeichnet, weil hei ihnen die Teile so angeordnet sind, daß die Dichtungsfläche quer zur Längsachse der Welle liegt. Die ortsfesten und drehenden Teile werden durch einen dünnen hydrodynamischen Flüssigkeitsfilm zwischen den Teilen getrennt, wodurch eine geringere Reihung sowie eine längere Standzeit der Dichtung gewährleistet werden. Der dünne Flüssigkeitsfilm zwischen den Dichtflächen schmiert nicht nur diese Flächen, sondern er sorgt auch dadür, daß sich die Flächen nicht berühren. Es ist üblich, eines der Dichtungsteile starr anzuordnen und das andere schwimmend, d. h. mit der Möglichkeit einer Axial- und Winkerbewegung. Mechanisch und hadraulisch ausgeübte Axialkräfte halten die Flächen in enger Nachbarschaft, so daß die Größe der Filmstärke zwischen den Dichtflächen gewöhnlich kleiner ist als 0,125 mm. Da ein Spalt und eine Druckdifferenz vorhanden sind, wird eine gewisse Leckage eintreten. Wegen des äusserst kleinen Spiels ist diese Leckage jedoch träge. Da die Filmstärke so gering ist, ist die Flachheit der Dichtflächen für die Minimierung des Verschleisses äusserst wichtig. Aus diesem Grunde werden die Dichtflächen gewöhnlich präzisionsgeläppt, bis sie innerhalb eines Heliumlichtbands, d. h. etwa 30 Mikromillimeter, flach sind, um Unrauhigkeiten auszuschließen. Die Leckage von Flächendichtungen hängt von den axialen Kräften ab, die auf die Dichtungsteile wirken. Bei einer Flächendichtung können diese Kräfte einen axial schwimmenden, nichtdrehenden Ring gegen eine feste Lauf-Gegenfläche pressen oder einen axial schwimmenden Drehring gegen eine feste, stationäre Gegenfläche.

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Der axiale Leckageweg zwischen dem schwimmenden Teil und der Welle wird im allgemeinen durch eine sekundäre statische Dichtung, wie z. B. durch einen O-Ring, geschlossen, wodurch eine Primärbewegung der Primärdichtung ohne axiale Leckage ermöglicht wird. Flächendichtungen sind befriedigende Dichtungen, solange Reibung und Verschleiß nicht übermässig sind. Wenn jedoch die Drehzahl und der Druck zunehmen, dann sind Reibkontakte weniger akzeptabel und dann ist es notwendig, einen Flüssigkeitsfilm zwischen den Dichtflächen aufrechtzuerhalten, um die Einheitsbelastung der zusammenwirkenden Flächen zu begrenzen, werden die meisten Hochdruckdichtungen hydraulisch ausgeglichen. Ausgleich bedeutet hier eine solche geometrische Anordnung der Dichtung, daß die Last zwischen der drehenden und der ortsfesten Fläche vermindert wird. Durch Änderung der Durchmesser eines jeden Dichtungsteils können spezifizierte Einheitsdrücke an den Dichtungs-Trennflächen erreicht werden. Die Schließkraft auf dem schwimmenden Teil überwindet kaum die ÖFfnungskraft, die durch den Druck zwischen den Dichtflächen geschaffen wird, um eine minimale Einheitsbelastung zwischen den zusammenwirkenden Dichtflächen zu ergeben, wodurch die Standzeit der Dichtung erhöht wird. Um bei Hochdruckeinsätzen die Wirkung auf die Dichtung weiter zu vermindern und um eine Leckage zu vermeiden, sind Mehrfach-Flächenkontaktdichtungen axial mit Abstand entlang der Welle angeordnet worden und die zueinander benachbarten Dichtungen sind durch Druckminderungsmittel überbrückt worden, um eine verminderte Druckdifferenz an den Dichtflächen zu ergeben.

In vielen Fällen gab es die Tendenz, das abgedichtete thenaodynamische Arbeitsmedium des Systems als den Schmierfilm zu benutzen, um mögliche Verschmutzungsprobleme zu überwinden und um insbesondere in Reaktor-Kernanlagen den

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Zusammenbruch der normalen Schmiermittel als Ergeibnis der Strahlung zu verhindern.

Flächendichtungen sind in Reaktoranlagen eingesetzt worden, um große, vertikale Reaktor-Kühlmittelpumpen abzudichten. Vertikale Pumpen haben eine vertikal angeordnete Wellenachse. Reaktor-Kühlmittelpumpen fördern im allgemeinen Wasser durch den Reaktor, den Dampferzeuger und die zugehörigen Leitungen, wodurch die notwendige Förderhöhe entwickelt wird, um Medium-Reibungsverluste zu überwinden und um Wärme aus dem Kernreaktor zu den Dampferzeugern zu transportieren. Bei Druckwasser-Reaktoren kann ein Druckhalter eingesetzt werden, um einen über 140 kg/cm liegenden Systemdruck zu schaffen und aufrechtzuerhalten. Der hohe Druck ist erforderlich, um ein Sieden bei hohen Temperaturen zu vermeiden, die etwa oberhalb 260° C liegen. Die Reaktor-Kühlmittelpumpen-Dichtungen müssen deshalb so ausgeführt werden, daß eie unter diesen Bedingungen betriebssicher eingesetzt werden können.

Die Verfügbarkeit von Kernreaktoren ist dadurch begrenzt worden, daß es häufig notwendig war, Reparaturen an den Dichtungen von Reaktor-Kühlmittelpumpen durchzuführen. Betriebsprobleme, die bei Dichtur^en in Reaktor-Kühlmittelpumpen aufgetreten sind, haben eingeschlossen: übemassige Leckage, Wärmekontrolle des rotierenden Teils, übermässiger Sekundärdichtungsverschlexß, Wellenbüchsen-Reibkorrosion oder -Verschleiß, ungleichmäßiger Verschleiß des ortsfesten Dichtungsteils, Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen, Brückenbildung der Sekundärdichtung, häufiges Abrüsten sowie Empfindlichkeit gegenüber Pumpenwellenbewegungen.

Viele der z.Zt. arbeitenden Reaktor-Kühlmittelpumpen sind

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so konstruiert, daß die Dichtungen nicht in der Nähe eines Lagers angeordnet sind. Biese Ausführung scheint allein nur bei den vertikalen Großpumpen vorherrschend zu sein, die in Kernreaktorsystemen eingesetzt werden. Aufgrund der Dreilagenanordnung, die man z.Zt. bei den meisten Reaktorkühlmittelpumpen-Motor-Kombinationen vorfindet sind die seitlichen Pumpenwellenverlagerungen viel größer als diejenigen, die man traditioneller Weise bei Maschinen vorfindet. Ausserdem sind die Dichtungen in der Nähe der Stelle angeordnet, an der die größte Wellenverlagerung vorkomiit. Es ist auch bekannt, daß sich die Pumpenwelle durch Änderungen beim Pumpen-Axialschub aufwärts oder abwärts bewegt. Wenn eine laufende Reaktorkühlmittelpumpe abgeschaltet wird, um ein Beispiel zu nennen, dann hört der normale Laufrad-Abwärtsschub auf und dann wird eine erhöhte Netto-Aufwärtskraft aufgrund des hohen Reaktor-Kühlmittelsystemdrucks ausgeübt. Bei niedrigem Systemdruck verursacht das Gewicht der Welle einen Abwärtsschub. Die gesamte axiale Wellenbewegung ist gemessen worden, und dabei wurde festgestellt, daß sie je nach Art des verwendeten Motors und je nach den Bedingungen in dem Reaktorkühlmittelesystem zwischen 2,032 mm und 3,048 mm schwankt. Nur etwa 0,254 mm sind auf die Motor-Drucklagerspiele zurückzuführen, der Rest ist auf Motorgehäuse- sowie Lagerunterstützungs-Ausbiegungen und Wärmezunahme zurückzuführen.

Es ist festgestellt worden, daß dynamische seitliche Wellenverlagerungen in Betriebsanlagen in einem Bereich von 0,127 mm bis 0,559 mm im Beharrungszustand schwanken. Je nach Fertigungs- und Ausrichtungstoleranzen wird die Wellenverlagerung von Pumpe zu Pumpe unterschiedlich sein. Ausserdem wird immer die Neigung bestehen, daß eine gewisse Wellenverlagerung auf die Radiallast am Laufrad zurückzuführen ist. Wellenschwingungen und Unrundlauf tragen ebenfalls zur Wellenverlagerung bei, obwohl diese Erscheinungen der allgemein stationären Kraft entgegenwirken können, die auf Radialschub zurückzuführen ist.

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Somit scheint es, daß, obwohl die Dichtungstechnik einen guten Portschritt erzielt hat, die Auswirkungen der Betriebsbedingungen und der Lageranordnung in Kernreaktor-Kühlmittelpumpen gemeinsam dazu führen, daß die Verhaltensweise der Dichtungen weniger befriedigend ist. Eine optimale Dichtungsentwicklung ist bisher dadurch behindert worden, daß jüngst erkannte Erscheinungen, die die Verhaltensweise der Dichtungen beeinträchtigen, nicht mit denjenigen verschmolzen wurden, die leichter erkannt werden.

Die jüngst erkannten Erscheinungen, die hierin als Ungleichgewicht der hydraulischen Momente sowie Sekundärdichtungsbelastung und periodische Bewegung gekennzeichnet werden und die nachstehend vollständig beschrieben werden, führen zu einem schnellen Verschleiß der Dichtflächen, zu einer Instabilität des axial beweglichen Teils sowie zu einer schnellen Beschödigung der Sekundärdichtung. Die Erscheinungen sind mit der zuvor beschriebenen Lageranordnung verknüpft.

Andere leicht erkennbare Erscheinungen haben dazu beigetragen, in Verbindung mit einem Ungleichgewicht der hydraulischen Monomente und mit periodischer Bewegung der Sekundärdichtung die Bemühungen zu vereiteln, die darauf gerichtet waren, eine befriedigende Verhaltensweise der Dichtungen zu erzielen. Diese bekannten Erscheinungen schließen ein: Dichtring-Momentbiegungen, die auf thermische, hydraulische oder mechanische Lasten zurückzuführen sind, Dichtungstaumelbewegungen, die auf Wellenneigung oder Dichtungsgehäusebiegungen zurückzuführen ist, sowie die Unfähigkeit des schwimmenden Teils, dynamisch sein Gegenstück während der axialen Wellenverlagerung abzufahren.

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Dementsprechend besteht die erfindungsgeinäße Aufgabe darin, eine Dichtung zu schaffen, die zur Verwendung in Reaktor-Kühlmittelpumpen geeignet ist, die nicht durch das Ungleichgewicht von hydraulischen Momenten beeinträchtigt wird und die einwandfrei ihre Dichtungsaufgabe erfüllt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch bei einer hydraulisch ausgeglichenen Flächendichtung gelöst, daß die Profile der Schließ- und Öffnungsflächen die Konzentrizität zueinander bei seitlicher Wellenverlagerung beibehalten. Dabei wird die Dichtung so ausgeführt, daß ein Diehtring als ein nichtdrehendes, axial schwimmendes Ausgleichsteil wirkt. Ein ringförmiger, drehender üichtungsläufer, der mit dem üichtring zusammenwirkt, um die Primärdichtungs-Trennflache zu bilden, ist mit einer ausreichenden Querbreite versehen, um zu vermeiden, daß die Kante des Dichtrings bei maximaler seitlicher Wellenverlagerung abläuft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Dichtungs-Trennflächen-Druckverteilung für Dichtflächen, die parallel sind (Fig. IA), die in radialer Richtung zur Wellenmittellinie auseinanderlaufen (Fig. IB) und die in radialer Richtung zur Wellenmittellinie zusammenlaufen (Fig. IC);

Fig. 2 eine Schnittansicht (Fig. 2A) einer bekannten Dichtung nach dem Stand der Technik, wobei ein Teil der Welle und Dichtung im Aufriß dargestellt ist, sowie eine schematische, überlagerte, planare Ansicht (Fig. 2B) der gegenwirkenden, konzentrischen, hydraulischen Öffnungs- und Schließflächenprofile;

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Fig. 3 eine Schnittansicht (Fig. 3A) der Dichtung gemäß Fig. 2, wobei jedoch die Welle nach links verlagert worden ist, sowie eine schematische, überlagerte, planare Ansicht (Fig. 3B) der gegenwirkenden,exzentrischen, hydraulischen Öffnungs- und Schließflachenprofile;

Fig. 4t eine schematische Darstellung der hydraulischen und Flächenlast-Nettokraftprofile in einer Wellendichtung, bei der ein Ungleichgewicht der hydraulischen Momente vorhanden ist;

Fig. 5 einen Aufriß, im Schnitt, einer erfindungsgemäßen Wellendichtung,

Fig. 6 eine Schnittansicht (Fig. 6A) einer erfindungsgemäßen Wellendichtung, und eine schematische, überlagerte, planare Ansicht (Fig. 6B) der entgegenwirkenden, konzentrischen, hydraulischen Öffnungs- und Schließflachenprofile ; und

Fig. 7 eine Schnittansicht (Fig. 7Δ) der Dichtung gemäß Fig. 6, wobei die Welle nach links verlagert worden ist, und eine schematische, überlagerte, planare Ansicht (Fig. 7B),die die Aufrechterhaltung der gegenläufigen, konzentrischen, hydraulischen Öffnungsund Schließflachenprofile zeigt.

Das im folgenden beschriebene und erläuterte Ungleichgewicht der hydraulischen Momente scheint bisher nicht erkannt worden zu sein.

Das Ungleichgewicht der hydraulischen Momente ist in erster Linie auf eine seitliche Wellenverlagerung zurückzuführen.

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Bei der Konstruktion von Hochdruck-Schwimmflächendiehtungen ist es üblich gewesen, die Dichtungsteilfläehen so einzurichten, daß die hydraulischen Kräfte ausgeglichen werden, die die Dichtflächen zusammenpressen. Das hydraulische Gleichgewichtsverhältnis (b) wird als das Verhältnis von zwei Flächen definiert, d. h. der Netto-Schließflache (Ac), die, wie schematisch in den Figuren 2, 3, 6 und 7 erläutert, diejenige» Fläche ist, die von dem ausgleichenden Durchmesser (c) und dem Aussendurchmesser (A) der Dichtfläche begrenzt wird, und der Netto-Öffnungsflache (A ), die diejenige Fläche ist, die von dem Aussendurchmesser (A) und dem Innendurchmesser (b) der Dichtfläche "begrenzt wird.

Unter ausgeglichenen Verhältnissen sind die Öffnungs- und Schließflächen konzentrisch (Fig. 2), es werden gleichmassige hydraulische Kraftverteilungen auf die Öffnungsund Schließflächen ausgeübt und die Summe der auf die Dichtung wirkenden hydraulischen Schließkräfte ist größer als die Summe der hydraulischen Öffnungskräfte, so daß die Dichtflächen nicht auseinander getrieben werden. Somit ist die Netto-Schließkraft (unter Vernachlässigung der Reibkräfte des statischen Dichtungsteils und der eventuellen Federkräfte) oder die Netto-Hydraulikkraft gleich der Hydraulikkraft (P_F)» die von dem Druck in der Medium-Trennfläche ausgeübt wird, und die durch den Trennflächendruck über der Öffnungsfläche aufgebracht wird. Sie kann aus der folgenden Formel errechnet werden:

^PF - ^UL ^Ao

wobei Ut die Einheitslast ist. Die Einheitslast hängt ab von (l) der Druckdifferenz und Verteilung an der Dichtungs-Trennflache und (2) dem Gleichgewichtsverhältnis; sie wird durch die folgende Formel ausgedrückt:

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^ÜL =

worin P. und P„ die Drücke auf der Hochdruck- bzw. Niederdruckseite der Dichtung sind und K ein Faktor ist, welcher die Änderung des Trennflächendrucks über der Dichtungs-Trennfläehenbreite darstellt und von der Parallelität der Flächen abhängt. Wenn die Dichtflächen parallel sind und eine lineare Druckverteilung oder ein linearer Druckabfall an der Dichtungs-Trennflache besteht, dann ist der Faktor K gleich 0,5. Das Gleichgewichtsverhältnis b muß größer als 0,5 sein, um zu gewährleisten, daß die Dichtflächen nicht auseinander gehen.

Wenn die Dichtflächen nicht parallel sind und sich ein zusammenlaufendes oder auseinanderlaufendes (in Richtung der Wellenmittellinie) Filmprofil ergibt, dann ist der Wert des Faktors K größer bzw. kleiner als 0,5. Die Figuren IA, IB und IC veranschaulichen die Änderung des Trennflächendrucks von der Hochdruckseite (P₁) zur Niederdruckseite (P₂) der Dichtung, wobei der Faktor K gleich 0,5 ist (Dichtungsflächen parallel), kleiner als 0,5 ist (Film auseinanderlaufend) bzw. größer als 0,5 ist (Film zusammenlaufend).

Wenn jedoch die Konzentrizität der Flächen verloren gegangen ist, z.B. bei einer seitlichen Wellenverlagerung, dann wird das Netto-Hydraulikkraftprofil nicht gleichmäßig auf die Schließfläche aufgebracht und dann unterliegt das axial schwimmende Dichtungsteil einem hydraulischen Moment. Die Schrägstellung des schwimmenden Teils verursacht ihrerseits, daß das Trennflächenfilmprofil rechts auseinanderläuft und links zusammenläuft. Die Dichtungsteil-Konzentrizität ist in Kernreaktor-Kühlmittelpumpen durch die atypischen seitlichen Wellenbiegungen verloren gegangen, die an den Dichtungen infolge des Motor-Pumpen-Lagerabstands festge-

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stellt wurden. Die Figuren 2 und 3 zeigen schematise]! eine bekannte Dichtung nach dem Stand der Technik sowie die Auswirkung des Ungleichgewichts der hydraulischen Momente. In Figur 2 fällt die Mittellinie des nichtdrehenden Dichtungsteils 11 mit der Mittellinie des drehenden Dichtungsteils 12 zusammen, so daß die Öffnungs- (A ) und Schließ-(A ) Flächen relativ konzentrisch sind, wie man es in der überlagerten Ansicht (Fig. 2B) erkennen kann. Die Netto-Hydraulik-Schließkraft (F ) ist gleichmäßig über der ring-

förmigen Schließfläche A verteilt und ist hydraulisch durch den Filmdruck in der Trennfläche 13 der Dichtungsteile ausgeglichen, was dazu führt, daß eine Hydraulikkraft P-(nicht dargestellt) über der Fläche A aufgebracht wird. Wenn jedoch die Welle 14 nach links verlagert wird, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, dann verlieren die Öffnungs-(A )

und Schließ-(A ) Flächen die Konzentrizität zueinander, wie c

man es am besten in der überlagerten schematischen Ansicht dieser Flächen in Figur 3B erkennen kann. Somit übersteigt die Netto-Hydraulikschließkraft-Verteilung auf der rechten Seite (Fp„) diejenige auf der linken Seite (F„,), was zu einem Ungleichgewicht der hydraulischen Momente führt. Die Schiefstellung des schwimmenden Teils verursacht ihrerseits, daß das Trennflächenfilm-Hydraulikkraftprofil auf der rechten Seite (Pcm) auseinanderläuft und auf der linken Äeite (P_pL) ⁱⁿ Bezug auf das Dichtungsteil 12 zusammenläuft, wie man der Figur h entnehmen kann (in der der besseren Übersicht wegen das Dichtungsteil 11 fortgelassen ist). Wenn die Welle weit genug verlagert wird, dann wird die Öffnungskraft, die durch den Druck in der Medium-Trennfläche auf der linken Seite (P„_T) ausgeübt wird, die Netto-Hydraulik-Schließkraft auf der linken Seite (F_CL) überschreitet und dann wird die Dichtung gezwungen, sich zu öffnen. Die Wellenverlagerungsgröße, die geduldet werden

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kann, hängt davon ab, wie groß der durch eine ungleichmäßige Flächenbelastung entstehende ungleichmäßige Verschleiß auf den präzisionsgeläppten Dichtflächen ist.

Ein Ungleichgewicht der hydraulischen Momente kann sich also dadurch entwickeln, daß die Dichtflächen aus ihren wechselseitigen Enden herauslaufen, und auch in jeder Dichtung, in der die Schließfläche aus der Konzentrizität mit der Offnungsfläche heraustreten kann. Dies kann zu übermässig hohen Einheitslasten auf einer Seite der Dichtung sowie zu einer Null- oder Öffnungslast auf der anderen Seite führen.

Bei Kernreaktor-Kühlmittelpumpen ist die seitliche Wellenverlagerung die Hauptursache für das Ungleichgewicht der hydraulischen Momente. Wie bereits zuvor zum Ausdruck gebracht wurde, sind aufgrund der Lageranordnung die tteaktorkühlmittelpumpen-Dichtungen im allgemeinen in der Nähe des Punktes der größten Verlagerung vorgesehen, die viel größer als diejenige ist, die man üblicherweise bei Maschinen vorfindet. Die auf Fertigungstoleranzen, Zusammenbau-Fluchtungsfehler, Verlagerung durch ßadialschub und Wellenschwingungen zurückzuführende Exzentrizität der verschiedenen Teile beeinflußt auch die Wellenverlagerung und mildert unter gewissen Umständen die Auswirkungen des Ungleichgewichts der hydraulischen Momente.

Eine Sekundärdichtungs-Radiallast und periodische Bewegungen werden durch das Ungleichgewicht der hydraulischen Momente erzeugt. Wenn die Primärdichtung ein konzentrisches Druckprofil hat, dann werden auf Dichtungsreibung zurückzuführende Torsionskräfte gleichmäßig über die gesamte Sekundärdichtungs-Berührungsflache verteilt. Wenn die Welle jedoch verlagert ist, dann verursacht ein auf das hydraulische Ungleichgewicht zurückzuführendes Drehmoment eine Radialbe-

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lastung an der Sekundärdichtung, wodurch größere Torsionskräfte an den Stellen verursacht werden, an denen die Last konzentriert ist. Da die Iiadiallast stationär ist, wird die Sekundärdichtung bei den Di chtungs ano rdnungen, bei denen sie sich mit der Welle dreht, periodisch einem Prozeß der Entspannung und der Verdichtung unterzogen. Dies erklärt den übermässigen Sekundärdichtungsverschleiß, der bei den !bekannten Dichtungen nach dem Stand der Technik vorgekommen ist; auch dieses Problem wird befriedigend dadurch gelöst, daß das Ungleichgewicht der hydraulischen Momente beseitigt wird.

Gemäß der Darstellung in Fig. 5 verläuft erfindungsgemäß eine Welle 20 in Längsrichtung durch ein Gehäuse 21. Eine Wellenbüchse 22 ist konzentrisch angeordnet und mediumdicht um einen Teil der Welle 20 verkeilt. Eine dynamische Schwimmflächendichtung 23 weist einen nichtdrehenden, axial schwimmenden Dichtring 24 und einen drehbaren Dichtungsläufer 25 auf, ist zwischen der Wellenbüchse 22 und dem Gehäuse 21 angeordnet, um eine Hochdruckkammer 26 zu bilden.

Der Dichtungsläufer 25, der an der Wellenbüchse 22 befestigt ist und sich mit derselben dreht, hat eine ringförmige obere Dichtfläche 30, die quer zur Längsachse der Welle 20 angeordnet ist.

Der Dichtring 24 schließt ein Dichtungsteil 31 und eine Dichtungsdruckscheibe 32 ein, die als Träger für das Dichtungsteil 31 wirkt. Das Dichtungsteil 31 hat eine ringförmige untere Dichtfläche oder Dichtungsnase 33» die quer zur Wellenachse angeordnet ist und in Längsrichtung gegenüber der Fläche 30 des Dichtungslaufers liegt.

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Eine im allgemeinen ringförmige Dichtungsstopfbüchse 34 ist an dem Gehäuse 21 befestigt. Der Dichtring 24 ist an der Dichtungsstopfbüchse 34 durch eine oder mehrere Federn 35 befestigt. Eine Drehverhütungsvorrichtung 36, die an der Dichtungsdruckscheibe 32 befestigt ist, paßt in eine längliche Nut 37» die in der Stopfbüchse 34 ausgebildet ist. Obwohl diese Zapfenverbindung die Umdrehung des Dichtrings 24 verhindert, ist zwischen der Nut 37 und der Drehverhütungsvorrichtung 36 ausreichend Spielraum vorgesehen, um eine Längs- und Winkelbewegung des Rings 24 in Bezug auf die Stopfbüchse 34 und den Dichtungsläufer 25 zu erlauben. Eine Sekundärdichtung 40 dichtet den potentiellen axialen Leckweg zwischen dem Dichtring und der Stopfbuchse ab.

Eine zweite ähnliche Dichtung 41 ist im Längsrichtung mit Abstand von der oben beschriebenen Dichtung 23 sowie oberhalb derselben angeordnet. Eine Niederdruckkammer 42 trennt die Dichtungen 23 und 41. Anschlüsse 50 und 51» die zu der Hochdruckkammer 26 bzw. zur Niederdructkammer 42 führen, können strömungstechnisch mit äußeren Druckquellen (nicht dargestellt) verbunden werden, um den Druck in diesen Kammern zu regeln.,

Wie man am besten der Figur 5 und schematisch der Figur 6 entnehmen kann, ist der Dichtring 24 so ausgebildet, daß er alle Flächen einschließt, die von der hydraulischen Kraftwaage beeinflußt werden, d. h. die benutzt werden, um das hydraulische Gleichgewichtsverhältnis (b) zu definieren. Der Dichtungsläufer 25 ist so gebaut, daß die radiale Breite der ringförmigen Dichtfläche 30 beträchtlich die Querentfernungen überschreitet, von denen man annimmt, daß sie von der Dichtfläche 30 in Bezug auf die Dichtungsnase 33 auf Grund der maximalen seitlichen Verlagerung der Welle an

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der Dichtung zurückgelegt werden. Da der Dichtring 24 axial frei schwimmen kann und nicht starr an der Stopfbüchse 34 "befestigt ist, wird seine Wechselwirkung mit dem Dichtungsläufer 25 im wesentlichen nicht durch thermische oder Druckverformungen der Stopfbüchse beeinflußt.

Somit ist, wie man am besten den Figuren 6 und 7 entnehmen kann, ein auf Wellenverlagerung zurückzuführendes Ungleichgewicht der hydraulischen Momente ausgeschlossen. Figur 6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäß hergestellt Dichtung, bei der die Mittellinien der drehenden und nichtdrehenden Teile zusammenfallen, so daß die Öffnungs-(A ) und Schließ-(A ) Flächen konzentrisch sind, wie man am besten der überlagerten Ansicht in Figur 6B erkennen kann. In Figur 7 ist die Welle nach links verlagert worden. Die Öffnungs-(A ) und Schließ-(A ) Flächen bleiben konzentrisch, da sowohl die Öffnungs- als auch die Schließfläche (somit das Gleichgewichtsverhältnis) nur durch Flächen auf dem schwimmenden Teil 24 definiert werden. Das drehende Teil 25 ist mit einem ausreichenden diametralen Querschnitt oder einer ausreichenden Breite versehen, so daß die Dichtfläche des schwimmenden Teils 24 bei maximaler Wellenverlagerung nicht die Kanten des drehenden Teils 25 überschreiten kann. Somit können die Öffnungs- und Schließflächen nicht ihre wechselseitige Konzentrizität verlieren.

Obwohl z.B. das axial schwimmende ausgeglichene Teil in der beschriebenen Ausführungsform sich nicht dreht, kann man es dem Ausgleichsteil erlauben, frei zu schwimmen, während es nicht an der Drehung gehindert wird, was der Fall ist, wenn es an der Wellenbüchse befestigt ist. Außerdem braucht die Dichtungsanordnung oder die Dichtung nicht,

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wie In *'igur 5 dargestellt, in Verbindung mit ähnlichen Dichtungen in Tandemanordnung oder mit äußeren Druekquellenanschlüssen, die den Druck in der Hochdruck- und Niederdruckkammer regeln, eingesetzt zu werden.

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Leerseife

Claims

PATENTANWALT

7. Juni 1978

PATENTANSPRÜCHE: '^g^^JiJJO

.J Mediumdichtung s ano rdnung für eine vertikale Hochdruckpumpe zum Einsatz in einem Kernreaktor-Kühlsystem gekennzeichnet durch folgende Kombination:

ein Gehäuse (21), eine in dem Gehäuse gebildete Druckkammer (26), eine Welle (20), die so angeordnet ist, daß sie durch die Druckkammer (26) hindurch verläuft, in der sie seitlich abbiegbar ist, eine Dichtung (23), die in der Druckkammer um die Welle herum in abgedichteter Berührung mit dem Gehäuse angeordnet ist, die die Kammer in einen Hochdruckteil (26) und einen Niederdruckteil (42) unterteilt und die ein drehbares Dichtungsteil (25) auf der Welle einschließt sowie ein nichtdrehbares Dichtungsteil (24), das nicht-starr an dem Gehäuse für eine axiale und Kippbewegung in Bezug auf das drehbare Teil befestigt ist, eine ringförmige Dichtfläche (30), c?ie auf dem drehbaren Teil (25) senkrecht zur Wellenachse sowie gegenüber der ringförmigen Dichtfläche auf dem nichtdrehbaren Dichtungsteil (24) angeordnet ist, um dazwischen einen Trennflächenfilm zu bilden, der radial von dem Hochdruckteil (26) zum Niederdruckteil (42) verläuft, wobei das drehbare und das nichtdrehbare Dichtungsteil geometrisch so ausgeführt sind, daß die hydraulischen Drücke in dem Hochdruckteil (26) und in dem Niederdruckteil (42) zu einem Netto-Hydraulik-Schließdruck führen, eine Schließfläche, wobei der Netto-Hydraulik-Schließdruck über der Sehließfläche ausgeübt wird, um eine Netto-Hydraulik-Schließkraft zu erzeugen, die im allgemeinen axial das nichtdrehende

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Dichtungsteil in eine MediumabdichtungsbeZiehung zu dem drehbaren Dichtungsteil bringt, wobei die Netto-Hydraulik-Schließkraft durch Druck ausgeglichen wird, der in dem Trennflächenfilm erzeugt wird, wobei eine Verbreiterung der ringförmigen Dichtfläche auf dem drehbaren Dichtungsteil vorgesehen ist, um bei maximaler seitlicher Wellenverlagerung die Beziehung der gegenüberliegenden Dichtfläche zur ringförmigen Dichtfläche des nichtdrehbaren Dichtungsteils aufrechtzuerhalten, und daß die geometrische Ausführung dex drehbaren und nichtdrehbaren Dichtungsteils derart ist, daß die Schließfläche sich auf dem nichtdrehbaren Dichtungsteil befindet,
2. Mediumdichtungsanordnung für eine vertikale Hochdruckpumpe zum Einsatz in einem Kernreaktor-Kühlsystem gekennzeichnet durch folgende Kombination:

ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse gebildete Kammer, eine Welle, die so angeordnet ist, daß sie durch die Kammer hindurch verläuft, in der sie seitlich abbiegbar ist, eine Dichtung, die in der Kammer um die Welle herum in abgedichteter Berührung mit dem Gehäuse angeordnet ist, die die Kammer in einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil unterteilt und die ein nichtdrehbares Dichtungsteil, das an dem Gehäuse befestigt ist, einschließt sowie ein drehbares Dichtungsteil, das nicht-starr an der Welle für axiale und Kippbewegung in Bezug auf das nichtdrehbare Teil befestigt ist, eine ringförmige Dichtfläche, die auf dem drehbaren Teil senkrecht zur Wellenachse angeordnet ist, eine ringförmige Dichtfläche, die auf dem nichtdrehbaren Dichtungsteil senkrecht zur Wellenachse und gegenüber der ringförmigen Dicht fläche auf dem drehbaren Dichtungsteil angeordnet ist, um dazwischen

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einen Trennflächenfilm zu bilden¹, der radial von dem Hochdruckteil zu dem Niederdruckteil verläuft, wobei das drehbare und das nichtdrehbare Dichtungsteil geometrisch so ausgeführt sind, daß die hydraulischen Drücke in dem Hochdruckteil und in dem Niederdruckteil zu einem Netto-Hydraulik-Schließdruck führen, eine Schließfläche, wobei der Netto-Hydraulik-Schließdruck über der Schließfläche ausgeübt wird, um eine Netto-Hydraulik-Schließkraft zu erzeugen, die im allgemeinen axial das drehbare Dichtungsteil in eine Mediumabdichtungsbeziehung zu dem nichtdrehbaren Dichtungsteil bringt, wobei die Netto-Hydraulik-Schließkraft durch Druck ausgeglichen wird, der in dem Trennflächenfilm erzeugt wird, sowie eine Verbreiterung der ringförmigen Fläche auf dem nichtdrehbaren Dichtungsteil, um bei maximaler seitlicher Wellenausbiegung die Beziehung der gegenüberliegenden Dichtfläche zur ringförmigen Dichtfläche auf dem drehbaren Dichtungsteil auf·» rechtzuerhalten, und daß die geometrische Ausführung des drehbaren und des nichtdrehbaren Dichtungsteils derart ist, daß die Schließfläche sich auf dem drehbaren Dichtungsteil befindet.

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