KR100218021B1 - 개량된 동적 2차 시일 어셈블리를 가진 원자로 냉각제 펌프 - Google Patents

개량된 동적 2차 시일 어셈블리를 가진 원자로 냉각제 펌프 Download PDF

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Abstract

펌프는 축방형 병진운동을 하게 배열된 한 쌍의 시일부품(80, 84)과 그 시일부품(80, 84)에 관련된 시일 어셈블리(109)를 갖는다. 시일 어셈블리(109)는 한 시일부품(80)의 홈(94)내에 배치되며 그 홈으로부터 다른 시일부품(84)의 원통표면(93)쪽으로 돌출하는 환형 라이너(112)와 상기 다른 시일부품(84)의 원통표면(93)과 상기 다른 시일부품의 원통표면에 대체로 평형하게 연장하는 라이너(112)의 표면(108)간에서 상기 홈(94)내에 배치된 가요성의 탄성 환형 0링(110)을 포함한다. 0링(110)은 환형 라이너(112)의 반경방향 연장부(112B)에 안착할 수 있으며 홈(94)으로 라이너(112)보다 더 멀리 시일부품(80, 84)들 간의 간극(112)을 가로질러 다른 시일부품(84)의 원통표면(93)에 접촉하는 식으로 돌출함으로써 부품(80, 84)들이 서로에 대해 병진운동을 할 시에 0 링이 다른 시일부품(84)의 원통표면(93)상에서 구를 수 있고 상기 환형 라이너(112)의 반경방향 연장부(112B)에서 미끄러질수 있게 된다.

Description

개량된 동적 2차 시일 어셈블리를 가진 원자로 냉각제펌프
제1도는 원자로 노심과 폐쇄형 냉각제 흐름회로내에서 직결된 원자로 냉각제 펌프와 증기 발생기를 포함하는 통상적인 원자로 냉각제 시스템의 냉각루우프에 대한 개략도.
제2도는 시일하우징과 이 하우징 내에 설치되며 펌프샤프트를 에워싸는 하측, 중간 및 상측 시일링 어셈블리를 단면으로 예시하는 통상적인 원자로 냉각제 펌프의 샤프트시일부에 대한 절결 사시도.
제3도는 제2도에 도시한 원자로 냉각제 펌프의 시일하우징과 시일링 어셈블리에 대한 확대 축상 단면도.
제4도는 제3도에 도시한 펌프의 기계적 시일단에 지금까지 사용되어 왔던 환형 0 링 형태의 하나의 종래기술에 따른 동적 2차 시일에 대한 확대된 부분 축상 단면도.
제5도는 제3도에 도시한 펌프의 기계적 시일단에 지금까지 사용되어 왔던 L 형상 단면을 가진 환형라이너에 의해 안착된 환형 0 링 형태의 또다른 종래기술에 따른 동적 2차 시일에 대한 확대된 부분 축상 단면도.
제6도는 제3도에 도시한 펌프의 기계적 시일단에 지금까지 사용되어 왔던 환형 이중 델타 라이너에 의해 안착된 환형 0 링 형태의 또다른 종래 기술에 따른 동적 2차 시일에 대한 확대된 부분 축상 단면도.
제7도는 본 발명의 개량된 동적 2차시일에 대한 확대된 부분 축상 단면도.
제8 내지 제10도는 제 2 및 3 시일에서의 저압작동 상태 및 제 1시일에서의 고압작동상태 동안 조립된 시일을 제각기 예시하는 본 발명의 개량돤 동적 2 차시일에 대한 확대된 부분 축상 단면도.
제11도는 종래기술에 따른 시일 구성을 갖는 0 링의 전단 변형을 예시하는, 제6도에 도시한 종래 기술에 따른 동적 2 차 시일에 대한 선도.
제12도는 본 발명에 따라 개량된 시일 구성을 갖는 0 링의 전단 변형을 예시하는, 제7도의 개량된 동적 2 차 시일에 대한 선도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
32 : 시일 하우징 34 : 샤프트
80 : 지지부재 84 : 삽입부재
93 : 원통표면 94 : 홈
108 : 원통표면 109 : 시일 어셈블리
122 : 라이너 112A : 축방향 연장부
112B : 반경방향 연장부 114 : 호상표면
112 : 간극
본 발명은 일반적으로 샤프트 시일에 관한 것으로, 특히, 원자력 발전소에 사용되는 원자로 냉각제 펌프에 대한 개량된 동적 2 차 시일 어셈블리에 관한 것이다.
가압수형 원자력 발전소에 있어, 노심으로 부터의 열을 증기발생기에 이송시켜 증기를 생성하고 이 증기로 터어빈 발전기를 구동시키는데 관련하여 원자로 냉각시스템을 사용한다. 이 원자로 냉각시스템은, 제각기 노심에 결합되며 증기 발생기 및 원자로 냉각제 펌프를 갖는 복수개의 냉각 루우프를 포함한다.
원자로 냉각제 펌프는, 전형적으로, 고온 및 고압, 예로서, 288.77℃(550℉) 및 170.115 ATM(2500psi)의 대량의 냉각제를 이동시킬 수 있게 설계된 수직한 일 단계 원심펌프이다. 이러한 펌프는, 기본적으로, 하측으로부터 상측에 이르기까지 세 개의 일반적인 부분, 즉, 유압부, 샤프트 시일부 및 모니터를 포함한다. 하측의 유압부는 펌프 케이싱 내에서 원자로 냉각제를 각 루우프로 펌핑하도록 작동할 수 있게 펌프 샤프트의 하측 단부에 장착된 임펠러를 포함한다. 상측 모터부는 펌프 샤프트를 구동하게 결합된 모터를 포함한다.
중간의 샤프트 시일부는 세 개의 탠덤(tandem)배열시일링 어셈블리, 즉, 하측의 1 차, 중간의 2 차 및 상측의 3 차 시일링 어셈블리를 포함한다. 이들 시일링 어셈블리는 시일 하우징 내에서 펌프 샤프트에 동심적으로, 또한 그의 상단부 근처에 위치된다. 이들의 공동목적은 시일 하우징 내부와 외부 간의 경계를 정상 펌프 작동조건시에 높은 정압 170.115 ATM 으로 기계적으로 유지시키면서 펌프 샤프트가 시일 하우징 내에서 자유롭게 회전할 수 있도록 하는 것이다. 대부분의 압력(약 153.105 ATM)시일을 행하는 하측 시일링 어셈블리는 비접촉식의 유체 역학적인 형태를 취하며, 중간 및 상측 시일링 어셈블리는 접촉 또는 마찰식의 기계적 형태를 취한다. 종래 기술로 알려진 펌프 샤프트 시일링 어셈블리의 대표적인 예로서는, 맥크럼의 미국 특허 제 3,522,948 호, 싱글톤의 미국 특허 제 3,529,838 호, 빌라서의 미국 특허 제 3,632,117 호, 앤드류 등의 미국 특허 제 3,720,222 호 및 보에스의 미국 특허 제 4,275,891 호를 들 수 있다. 이들 특허 중 전자의 세 개는 교차 인용되는 것으로 본 발명의 양수인에게 모두 양도된 것들이다.
따라서, 원자로 냉각제 펌프는 누출 억제 시일 시스템을 이루는 3 개의 기계적 시일 단을 포함한다. 원자로 냉각제 펌프는, 또한, 복수개의 2 차 시일도 포함한다. 이들 3개의 2차 시일은 기계적 시일 단 마다 위치하는 동적시일이다. 이들 2차 시일의 동적 성질은, 그들이 서로에 대한 축방향 운동을 하는 기계적 시일 단의 부품들 간에 중간 배치된다는 사실에 있다. 동적 2차 시일들은, 그들의 시일링 작용시, 회전 펌프 샤프트의 기계적 운동 및 열팽창으로 인해 그들에 유기되는 여러 진동 요인들을 수용해야 한다.
3개의 기계적 시일 단은 아주 다른 여러 압력 조건하에서 작동하지만, 관례적으로, 그들 3개의 기계적 시일 단에 위치되는 3개 동적 2차 시일이 대체로 동일한 시일 구성으로 하는 것을 선호한다. 최초에, 각각의 2차 시일 구성은 각 기계적 시일 단의 축 방향으로 상대운동하는 부품들 간에 환형 0링 만을 이용한 것인데, 이 같은 제1의 시일 구성은 각기 다른 시일 단에서의 각기 다른 압력으로 유기되는 각종 동적 상태를 수용할 능력이 없기 때문에 이들 3개의 모든 기계적 시일 단에서 적당한 기능을 행하지 못한다. 그 후의 제 2 의 시일 구성은 테프론 물질로 만들고 L 형상의 단면의 갖게 한 내측 환형 라이너와 와측의 환형 0 링을 이용하되, 라이너가 0 링의 안착부를 제공하고 각 기계적 시일단의 상대운동 가능 부품과 미끄럼 가능하게 계합하게 한 구성을 갖는다. 이 제 2 의 시일 구성은, 성능의 개선은 있으나, 조립상의 어려움이 뒤따른다. 따라서, 본 발명에 이르기 까지도 사용되는 제 3의 시일 구성이 제안되고 있는데, 이 제 3 의 시일 구성에는, 외측의 환형 0 링이 또한 이용된다. 그러나, 제 2 의 시일 구성에 있어서의 L 형상 단면을 갖는 환형 라이너 대신에, 제 3 의 시일 구성에서는, 이중 델타 단면 형상을 갖는 환형 테프론 라이너를 사용한다. 이 같은 제 3 의 시일 구성에 의하면, 제 2 시일 구성의 조립상의 문제가 해소되기는 하나, 제 2 시일 구성에서와 같은 경계면 미끄럼의 문제는 여전히 존재하여 열화 및 누출현상이 초래되어 2 차 시일의 경계부 내로 오물 및 이물질이 도입될 수도 있게 된다.
따라서, 새로운 문제점의 도입 없이도 전술한 문제점을 피할수 있는 하측, 중간 및 상측 기계적 시일 단의 동적 2 차 시일에 대한 구성을 달리할 필요가 있다.
본 발명에 의하면, 상기한 필요성을 충족하게 구성한 개량된 동적 2 차 시일 어셈블리가 제공된다. 본 발명의 동적 2 차 시일 어셈블리는, 각 기계적 시일 단의 축 방향으로 운동가능한 부품들에 대해 변형된 배열의 환형 0 링 및 변형된 L 형상 단면을 가진 환형 라이너의 조합을 이용한다. 본 발명의 구성에 있어서, 개량된 동적 2차 시일은 우회적 누출을 없게 하고, 관련 기계적 시일단의 유효 수명동안 일관된 마찰을 유지하여 2 차 시일에 대해 상대 운동을 하는 기계적 시일 단의 부품에 대한 단단한 피복의 필요성을 배제한다. 본 발명의 변형된 구성을 갖는 개량된 동적 2 차 시일은 모든 세 개의 기계적 시일 단에서 만족스러운 기능을 행한다.
따라서, 본 발명은 펌프에서 개시되며 그 펌프의 제 1 및 제 2 환형 시일 부품과의 조합에 있어서의 시일 어셈블리에 관한 것이다. 제 1 및 제 2 환형 시일부품은 간극에 의해 서로로부터 반경방향으로 이격되며 서로에 대해 병진 운동을 할 수 있다. 상기 시일 부품들 중의 한 시일 부품은 원통 표면을 가지고 상기 시일 부품들중의 다른 시일 부품은 환형 홈을 가지며, 상기 환형홈은 상기 간극으로 개방되고 상기 한 시일 부품의 상기 원통표면과 마주하는 내측 원통형 표면을 포함한다. 시일 어셈블리는 : (a)상기 다른 시일 부품의 상기 홈내에 배치되고 그로 부터 상기 한 시일 부품의 상기 표면쪽으로 돌출하며, 상기 한 시일 부품의 상기 원통표면에 대체로 평형하게 배향된 제 2 표면을 규정하는 라아너와 : (b)상기 한 시일 부품의 상기 원통표면과 상기 라이너의 상기 제 2 표면간에서 상기 홈내에 배치된 가요성의 탄성 환형 시일 부재로서, 상기 시일 부재는 상기 환형 라이너의 상기 제 1 표면에 안착될 수 있고 상기 홈으로부터 상기 라이너보다 더 멀리 상기 간극을 횡단하여 상기 한 시일 부품의 상기 원통표면과 접촉하는 식으로 돌출함으로써 상기 환형 시일 부재는 상기 시일 부품들이 서로 상대적인 운동을 할 시에 상기 한 시일 부품의 상기 원통 표면상에서 구를 수 있으며 상기 환형 라이너의 상기 제 1 표면에 대해 미끄러질 수 있게되는 상기 시일 부재를 포함한다.
특히, 상기 라이너는 상기 한 시일 부품을 구성하는 물질보다 마찰계수가 작은 물질로 구성된다. 상기 라이너는 상기 한 시일 부품의 상기 원통표면에 대해 대체로 반경 방향으로 연장하고 상기 라이너의 제 1 표면을 규정하는 제 1 반경 방향 연장부와 상기 한 시일 부품의 상기 원통 표면에 대체로 평형한 방향으로 연장하고 상기 라이너의 제 2 표면을 규정하는 제 2 축방향 연장부를 포함한다.
상기 라이너의 상기 제 1 및 제 2 연장부는 서로 견고하게 결합된다. 환형 시일 부재는 탄성 중합체 물질로 된 0 링으로 한다.
다음의 상세한 설명은 도면을 참조한다.
제1도는 통상적인 원자로 냉각 시스템의 복수개의 냉각 루우프(10)중의 하나를 개략적으로 도시했다. 이 냉각 루우프(10)는 폐쇄형 냉각제 흐름회로내에서 노심(16)과 직렬로 결합되는 증기 발생기(12)와 원자로 냉각펌프(14)를 포함한다. 증기 발생기(12)는 유압실(20) 및 유출실(22)과 연통하는 일차 튜브(18)를 포함한다. 증기 발생기(12)의 유압실(20)은 노심(16)의 출구에 유체 흐름적으로 연통하게 연결되어 폐쇄형 냉각제 흐름회로의 흐름통로(24)를 따라 노심(16)으로부터 뜨거운 냉각제를 유입한다. 증기 발생기(12)의 유출실(22)은 폐쇄형 냉각제 흐름회로의 흐름통로(26)를 따라 원자로 냉각제 펌프(14)의 흡입부에 유체 흐름적으로 연통하게 연결된다. 원자로 냉각제 펌프(14)의 압력출구는 노심(16)의 입구에 유체 흐름적으로 연통하게 연결되어 폐쇄형 냉각제 흐름회로의 흐름통로(28)를 따라 차가운 냉각제를 공급한다.
간단히 말해서, 냉각제 펌프(14)는 폐쇄형 흐름 회로를 따라 고압의 냉각제를 펌핑한다. 특히, 원자로 노심(16)으로부터 나오는 뜨거운 냉각제는 증기 발생기(12)의 유압실(20)에 공급된 후, 유압실(20)과 연통하는 일차 튜브(18)에 공급된다. 일차 튜브(18)에서, 뜨거운 냉각제는 통상의 수단(도시안함)을 통해 증기 발생기(12)에 공급되는 차가운 급수와 열교환을 이루는 식으로 흐른다. 따라서, 급수는 가열되어, 그 중의 일부는 증기로 변해 증기 터어빈(도시안함)을 구동하는데 사용된다. 열교환에 의해 온도가 낮아진 냉각제는 냉각제 펌프(14)를 통해 노심(16)에 재순환된다.
원자로 냉각제 펌프(14)는 폐쇄형 흐름 회로를 통해 고온 및 고압의 대량의 원자로 냉각제를 이동시킬수 있어야 한다. 열교환 후에 증기 발생기(12)로부터 펌프(14)로 흐르는 냉각제의 온도가 열교환 전에 노심(16)으로부터 증기발생기(12)로 흐르는 냉각제의 온도 보다 낮아졌다고는 하나, 여전히 비교적 높은 상태, 전형적으로, 약 287.77℃(550℉)로 높은 상태이다. 펌프에 의해 생기는 냉각제 압력은 전형적으로 약 170.115 ATM(2500psi)이다.
제2도 및 제3도를 참조하면, 종래기술에 따른 냉각제 펌프(14)는, 일반적으로, 시일 하우징(32)내에서 일단부가 종지되는 펌프하우징(30)를 포함한다. 펌프(14)는, 또한, 펌프 하우징(30)의 중심에서 연장하며 시일 하우징(32)내에 기밀식으로 회전 가능하게 장착된 펌프샤프트(34)를 포함한다. 도시하지는 않았으나, 펌프샤프트(34)는, 그의 하부가 임펠러에 연결되며 그의 상부는 고마력의 유도형 전기 모터에 연결된다. 모터에 의해서 샤프트(34)가 회전하는때, 하우징(30)의 내부(36)의 임펠러는 펌프하우징(30)을 통해 흐르는 냉각제를 대기압으로부터 약 170.115 ATM(2500psi)의 기체 압력으로 순환시킨다. 따라서, 이 가압된 냉각제에 위해 샤프트(34)는 상방으로 향하는 유체 역학적인 힘을 받게 되는데, 그 이유는 시일 하우징(32)의 외측부분이 대기압으로 둘러싸이기 때문이다.
하우징 내부(36)와 시일 하우징 외측부분 간의 경계압력이 170. 115 atm(2500psi)로 유지되게 하면서, 시일 하우징(32)내에서 펌프샤프트(34)가 자유롭게 회전될 수도 있도록, 탠덤 배열의 하측의 1 차 시일링 어셈블리(38), 중간의 2 차 시일링 어셈블리(40) 및 상측의 3 차 시일링 어셈블리(42)를 제 2 및 3도에 도시한 바와같이 펌프하우징(30)내에서 펌프샤프트(34) 둘레에 위치시킨다. 대부분의 압력(약 153.104 ATM)시일링을 행하는 하측의 1 차 시일링 어셈블리(38)는 비접촉식의 유체 역학적 형태를 취하는 반면, 중간의 2 차 및 상측의 3차 시일링 어셈블리(40 및 42)는 접촉식 또는 마찰식의 기계적 형태를 취한다.
펌프(14)의 시일링 어셈블리(38, 40, 42)의 각각은, 일반적으로, 펌프샤프트(34)와 함께 회전하게 펌프샤프트에 장착된 환형 연장부(44, 46, 48)와, 회전하지는 못하나 펌프샤프트(34)를 따라 환형 연장부(44, 46, 48)쪽으로 접근하거나 그로부터 멀어질 수는 있도록 시일링 하우징(32)에 결합되는 환형 시일 링(50, 52, 54)을 포함한다. 제각기의 연장부(44, 46, 48) 및 시일 링(50, 52, 54)은 서로 마주하는 환형의 상부면(56, 58, 60) 및 하부면(62, 64, 66)을 갖는다. 하측 시일링 어셈블리(38)의 연장부(44) 및 시일 링(50)의 서로 마주하는 환형면(56, 62)은 평상시에 서로 접촉하지 않으며 그들 간에는 유막이 개재한다. 특히, 서로 마주하는 환형면(56, 62)이 서로 접촉하지 못하도록 하는 그러한 유동하는 유막은 하우징(30)내의 가압 유체에 의해서 생긴다. 한편, 중간 시일링 어셈블리(40)의 연장부(46)와 시일 링(52)의 서로 마주하는 환형면(58, 64), 그리고 상측 시일링 어셈블리(42)의 연장부(48)와 시일 링(54)의 서로 마주하는 환형면(60, 66)은 평상시에도 서로 접촉하거나 마찰한다.
하측 시일링 어셈블리(38)는 평상시에 유막개재모드로 작동하므로, 시일 하우징(32)과 이 하우징에 회전 가능하게 장착된 샤프트(34)간의 환형공간에서 누출되는 냉각제 유체를 다루는 어떤 시설을 해야만 한다. 따라서, 시일하우징(32)은 하측, 중간 및 상측 시일링 어셈블리(38, 40 및 42)로부터 누출되는 냉각제 유체를 수용하는 하측, 중간 및 상측 시일 누출부(68, 70 및 72)를 갖는다.
하측 시일링 어셈블리(38 : 또는 제 1 시일)는, 펌프의 주 시일로서, 서로 마주하는 면(56, 62)을 통한 냉각제 유체의 압력 강하가 약 153.104 ATM(2250psi)로부터 2.04 ATM(30 psi)로 되게 하며 유속은 약 0.126 내지 0.189 리터/초(2 내지 3 gpm)로 될 수 있게 한다. 하측 시일링 어셈블리(38)를 통해 누출되는 저압의 냉각제 유체는 샤프트 외연을 따라 중간 시일링 어셈블리(40)의 구역으로 흐른다. 중간 시일링 어셈블리(40 : 또는 제 2 시일)에서, 하측 시일링 어셈블리(38)로 부터의 냉각제 유체의 대부분은 하측 시일 노출부(68)로 흘러간다. 그러나, 그 냉각제 유체의 일부는 중간 시일링 어셈블리(40)를 통해 약 7.57 리터/시간의 유속으로 누출되며 2.04 ATM(30psi)로부터 0.204 내지 0.476 ATM(3 내지 7psi)의 압력강하를 나타낸다. 중간 시일링 어셈블리(40)를 통해 누출된 냉각제 유체는 샤프트 외연을 따라 상측 시일링 어셈블리(42)로 흐른다. 상측 시일링 어셈블리(42 : 또는 제 3 시일)에서, 중간 시일링 어셈블리(40)로 부터 누출된 냉각제 유체의 대부분은 상측 시일링 어셈블리(42)에 의해 중간 시일 누출부(70)로 흘러들어간다.
3개 기계적 시일 단의 탠덤 배열형 하측, 중간 및 상측 시일링 어셈블리(30, 40 및 42)와 관련하여, 원자로 냉각제 펌프는 하측, 중간 및 상측의 동적 2 차 시일(74, 76 및 78)을 또한 포함한다. 이들 동적 2 차 시일(74, 76 및 78)은 서로에 대한 축방향 운동을 하는 기계적 시일 단들의 하측, 중간 및 상측 어셈블리(38, 40 및 42)와 관련된 부품들 간에 배치된다. 하측 및 중간 시일링 어셈블리(38 및 40)와 관련된 상대 운동가능 부품들은 하측 및 중간 시일링(50 및 52)의 환형의 하측 및 중간 지지부재(80 및 82)와 시일 하우징(32)에 부착된 환형의 하측 및 중간 원통형 삽입부재(84, 86)를 말하며, 상측 시일링 어셈블리(42)와 관련된 상대 운동가능 부품은 시일 부착된 환형의 상측 원통형 삽입부재(90)를 말한다.
2 차 시일(74, 76, 78)의 동적 성질은 샤프트 운동에 의해 유기되는 2차 시일 운동의 두가지 성분에 관련한다. 그 중 한 가지 성분은 저 진폭 고진동수의 진동이며, 다른 한가지 성분은 중간 진폭의 극히 낮은 진동수 운동이다. 2차 시일 운동의 저 진폭 고진동수의 진동은 샤프트(34)의 매 회전 마다 발생하는 축 방향 샤프트 운동 및 축방향 흔들림에 의해 유기된다. 2차 시일 운동의 중간 진폭의 극히 낮은 진동수 성분은 주입온도, 팬의 회전주기 등의 변화에 관련하는 샤프트(34)의 축방향 열팽창에 의해 유기된다.
3개 기계적 시일 단의 상측, 중간 및 하측 시일링 어셈블리(38, 40 및 42)는 여러 다른 상태에서 작동하지만, 3개 기계적 시일 단에 제공된 3개 동적 2차 시일의 각종 종래 구성은 대체로 동일하게 했다. 제4도에 도시한 바와같이, 동적 2차 시일(74, 76 및 78)의 각각에 대한 최초의 종래 구성에서는, (80 듀로메터의)환형 0 링(92)이 삽입부재 (84, 86, 90)의 외측 원통표면(93)과 마찰식으로 계합되게 하고 하측, 중간 및 상측 시일 어셈블리(38, 40 및 42)의 지지부재(80, 82) 및 캡(88)의 내면(96)에 형성된 환형 그랜드 또는 홈(94)내에 안착하되 그로부터 내측으로 돌출되게 하였다.
그러나, 이 같은 종래의 구성은 다음과 같은 두가지 이유로 3개의 모든 기계적 시일 단에서 적절한 기능을 행하지 못한다. 그 첫 번째 이유는 제 1 기계적 시일 단의 하측 시일링 어셈블리(38 : 또는 제 1 시일)에서의 2 차 시일(76)이 136.1ATM(2000 psi)에서 작동한다는 것이다. 이 압력에서, 0 링(92)은 그랜드 또는 홈(94)내에 완전히 정합되므로, 고 진동수의 진동을 수용할 수 있는 어떠한 탄성 변형도 없게 되어 0 링과 삽입부재(84)간의 경계는 높은 마찰력으로 마찰하게 됨으로써, 2차 시일의 내구성이 불충분하게 된다. 약 3.40 ATM(50psi)의 중간 압력에서 작동하는 제2 기계적 시일 단의 중간 시일링 어셈블리(40 : 또는 제 2 시일)에서의 0 링(92)만이 만족스런 기능을 한다. 한편, 두 번째 이유는, 제 3 기계적 시일단의 상측 시일링 어셈블리(42 : 또는 제 3 시일)에서 0 링(92)이 불만스런 기능을 한다는 것이다. 여기서, 약 0.204ATM(3psi)의 작은 압력강하는 저진동수 중간진폭 운동시 0 링(92)의 마찰제동을 극복하기에는 너무 작은 안착력을 나타낸다.
제5도는 도시한 바와같은 또다른 종래기술에 따른 동적 2 차 시일(74, 76, 78)의 구성은 환형홈(94)내에 안착하되 그로부터 돌출하는 내측 환형 라이너(100)와 (80듀로메터의)외측 환형 0 링(98)의 어셈블리로 된다. 내측 환형 라이너(100)는 테프론이란 상표명으로 시판되고 있는 저 마찰 프라스틱 물질로 구성되며 L 형상의 단면을 갖는다. 이 환형 라이너(100)는 대체로 직각으로 견고히 접속되며 환형 0 링(98)을 안착하는 축방향 연장부(100A) 및 반경방향 연장부(100B)를 갖는다. 환형 0 링(98)은 홈(94)내에 안착되며, 반경방향 라이너부분(100B)은 홈(94)내로 연장한다. 축방향 라이너부분(100A)은 삽입부재(84, 86, 90)의 외측 원통 표면(93)과 마찰 계합하되 미끄럼 가능하게 계합한다. 0 링(98)은 라이너(100)를 삽입부재에 대해 가압하는 스프링 력을 발휘한다. 그러나, 이 같은 구성은, 고압 작동 중 하측 시일링 어셈블리(38)의 위치 및 중간 시일링 어셈블리(40)의 위치에서 라이너가 링의 돌출을 방지하는 역할을 만족스럽게 행한다고 하나 조립상의 문제점을 갖고 있다. 이 같은 구성은, 종국적으로 3개의 모든 기계적 시일 단에서 충분히 양호한 기능을 하지 못함을 알게 되었다. 특히, 고계수의 라이너(100)는 삽입부재(84, 86, 90)의 마모된 면과 정합을 이루지 못하게 된다는 점에서 우회적 누출현상이 생기게 된다. 라이너와 삽입부재의 상대적 떨림운동 및 우회적 누출현상으로 인해, 라이너와 삽입부재 간의 경계부에 오물이 도입되고, 포획됨으로써 마멸이 가속화된다.
제6도에 도시한 바와같은 본 발명에 까지도 이용되는 동적 2차 시일(74, 76, 78)의 종래 구성은 이중 델타형상의 단면을 가지며 바람직하게 저마찰 테프론 물질로 만들어낸 내측 환형 채널 라이너(104)와 외측 환형 0 링(12)의 어셈블리로 된다. 상기의 이중 델타 구성은 전술한 L 형상 구성의 조립 문제점을 해소시킬 수는 있느나, 2 차 시일과 삽입부재 간의 경게부의 마멸 및 누출현상을 초래함으로써 오물 및 이물질이 도입되게 하는 미끄럼 경계가 여전히 존재한다. 또한, 이중 델타 채널 라이너(104)의 사용으로 인해 부하가 증가되는 악영향이 초래된다. 라이너(104)의 호상 외측표면(106)과 홈(94)의 평평한 내측표면(108)간에 0 링(96)이 압축됨으로써, L 형상 라이너(100)의 축방향부분(100A)과 홈(94)의 평평한 내측표면 간에 0 링이 압축되었을시에 존재하는 것 보다 훨씬 더 큰 부하가 작용한다. 그 결과, 중간 및 상측 시일링 어셈블리(40 및 42)의 위치들에서 2 차 시일(76, 78)내의 0 링은 더욱 약화된다.
제7내지 10도에는, 제4내지 6도에 도시하고 전술한 종래기술에 따른 동적 2 차 시일(74, 76, 78)의 종래구성으로 인해 생기는 문제점을 피할 수 있는 본 발명에 따라 개량된 동적 2 차 시일(74, 76, 78)의 본 발명구성을 도시한다. 본 발명에 따라 개량된 본 발명의 동적 2차 시일(74, 76, 78)은 3개 기계적 시일 단의 하측, 중간 및 상측 시일링 어셈블리(38, 40 및 42)의 위치에서 사용될 수 있다.
제7도에서 볼 수 있는 바와같이, 본 발명의 개량된 동적 2 차 시일(74, 76, 78)은 환형 홈(94)내에 배치되고 그로부터 돌출하는 외측 환형 라이너(112)와 0 링(110)형태의 내측 환형 가요성 탄성부재와의 어셈블리(109)로 된다. 외측 환형 라이너(112)는 저 마찰테프론 프라스틱 물질로 만들고 대략 L 형상의 단면을 갖게 하는 것이 바람직하다. 환형 라이너(112)는 대략 직각으로 견고하게 결합된 축방향 연장부(112A) 및 반경 방향 연장부(112B)를 갖는 다. 축방향 연장부(112A)는 외측 원통형 삽입부재표면(93)에 대체로 평행하게 배향된 내측 원통 표면(113)을 규정한다. 반경 방향 연장부(112B)는 외측 원통형 삽입 부재 표면(93)에 대체로 수직하게 배향하며 환형 0 링(110)이 안착될 수 있는 요람형의 구성을 가진 내측 호상 표면(114)을 규정한다. 환형 라이너(112)는 홈(94)내에 배치되며, 그의 축방향 연장부(112A)는 홈(94)의 내측 원주표면(108)과 계합한다. 환형 라이너(112)의 변경 방향 연장부(112B)는 홈(94)의 하측 반경 방향 평면(116)을 따라 연장한다. 환형 0 링(110)은 그의 내측 부분(118)이 삽입부재(84, 86, 90)의 외측 원통표면(93)과 계합한다.
제8도는 세 개 기계적 시일단의 하측, 중간 및 상측 시일링 어셈블리(38, 40 및 42 : 제 1, 2 및 3 시일)의 각각의 위치에서 2 차 시일 어셈블리(109)의 조립 위치를 도시한 것이다. 조립 위치에서, 0 링(110)은 홈(94)의 상측의 변경 방향 평면(120)에는 인접하나 라이너(112)의 반경 방향 연장부(112B)의 내측 호상 표면(114)으로 부터는 이격되게 위치한다. 라이너(112)는 홈(94)의 하측 반경 방향 표면(116)에 놓여진다.
제9도는 입력이 68.05 ATM(1000psi)보다 작을 때 하측 시일링 어셈블리(38)의 위치와 중간 및 상측 시일링 어셈블리(40 및 42 : 제 2 및 3 시일)의 각각의 위치에 있어 2 차 시일 어셈블리(109)의 저압작동 위치를 도시한 것이다. 0 링(110)에 대한 하향압력은 0 링이 삽입부재(84, 86, 90)상에서 제8도의 조립위치로부터 제9도의 저압작동 위치로 구르게 한다. 제9도의 저압작동 위치에서, 0 링(110)은 라이너(112)의 내측 호상 또는 요람형 표면(114)에 안착된다. 이러한 위치에서, 삽입부재(84, 86, 90)가 0 링(110)에 대해 떨림형태의 축향 운동을 하는때, 0 링(110)은 그의 축선 A를 중심으로 회전하고 삽입부재(84, 86, 90)의 외측표면(93)상에서 구르며 라이너(112)의 표면(114)에 대해 미끄러지게 되는데, 이것은 0 링(110)과 삽입부재(84, 86, 90)간의 경계에서의 마찰력이 0 링(110)과 라이너(112)의 표면 간의 경계에서의 마찰력 보다 더 크기 때문이다.
제10도는 압력의 68.5 ATM(1000psi)보다 큰 경우 하측 및 중간 시일링 어셈블리(38 및 40 : 제 1 및 2 시일)의 각각의 위치에 있어 2 차 시일 어셈블리(109)의 고압작동 위치를 도시한 것이다. 0 링(110)에 대한 보다 큰 하향 압축적인 압력은 0 링을 삽입부재(84, 86, 90)와 부품(80, 82, 88)간의 간극(122)내로 밀어내려 한다. 그러나, 이 압축력은 반경 방향 연장부(112B)를 길게 늘려 간극(122)내로 더 연장케 함으로, 0 링(110)은 간극을 통해 내밀려지지 않게 된다. 그 대신, 0 링(110)은, 삽입부재가 0 링(110)에 대해 떨림형태의 축방향 운동을 하는때 그의 축선 A를 중심으로 회전하고 삽입부재(84, 86, 90)의 외측표면(93)상에서 구르로 라이너(112)의 표면(114)에 대해 미끄러질 수 있게 된다.
제11도는, 종래 구성에 있어서, 0 링이 작은 진폭의 주기적인 (떨림)변위를 수용할 수 있게 되기도 전에 접촉력 F 가 삽입부재(도시안함)와 라이너(104)간의 마찰력 Fr 로 전환됨을 도시한 것이다. 따라서, 삽입부재가 상당한 마찰력을 발휘한 후에야 채널 라이너(104)가 홈벽으로부터 끌어 당겨지고 0 링(120)은 전단 변형을 개시한다. 이와는 대조적으로, 제 12 도는 0 링(110)과 삽입부재 간의 경계에서의 쿨롱 마찰 전단력 Fr 보다는 탄성중합체 0 링(110)의 주기적인 전단 변형이 작은 진폭의 고진동수 운동(또는 떨림)을 수용할 수 있도록 본 발명 어셈블리(109)의 0 링(110)이 위치설정된 것을 도시한 것이다.
요약해 보면, 본 발명의 동적 2 차 시일 구성에 따르면 다음과 같은 부가적인 특징 및 장점이 제공된다. (1) 어셈블리의 개조수리가 가능하고 : (2) 중간 진폭의 저 진동수 운동이 라이너에 대한 0 링의 미끄럼 운동 및 삽입부재 표면에 따른 구름 운동에 의해 수용될 수 있으며, 그러한 구름 운동에 의해 삽입물의 표면열화가 배제되므로 적어도 제 2 및 제 3 시일의 삽입물 표면이 딱딱한 표면으로 되게 피복할 필요가 없으며 : (3) 미끄럼 운동은 비교적 마멸에 둔감한 두 정합부재(테프론 라이너와 탄성중합체 0 링)간에서 발생하며 : (4) 요람형의 라이너 표면 형상은 0 링의 고압작동 변형을 제한하여 높은 값(149.701 ATM)으로부터 낮은 값(27.22 ATM)으로의 압력 변화시 0 링의 변형복원 시간이 단축되게 하며 : (5) 0 링이 평탄하고 대체로 평행한 홈과 삽입부재의 표면들 간에 압축되어 있어, 누출 방지에 충분한 접촉응력이 상기 두표면에서 최소의 총접촉력으로 달성되기 때문에 시일링 면에서 보다 효율적이며 : (6) 탄성중합체 0 링이 삽입부재 표면과의 능동 시일링 부재로 되므로 기계적 시일의 유효수명중에 노출은 확실히 없게 될 것이고, 삽입부재 표면이 열화된다고 할지라도 0 링은 비교적 낮은 계수의 탄성중합체이므로 그 열화된 표면과 정합하여 누출이 배제될 수 있게 하며 : (7) 누출이 없기 때문에, 2 차 시일 경계부 내로의 오물도입이 저지되는 부가적인 잇점이 있으며 : (8) 통상적인 성능을 열화시키지 않으면서도 제 1 및 2 시일의 동적 2 차 시일에 고온 0 링이 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 간극(122)에 의해 서로로부터 반경방향으로 이격되고 서로에 대해 상대적으로 운동할 수 있는 한 쌍의 환형 시일 부품(80, 84)과의 조합으로서, 상기 시일 부품들중의 한 시일 부품(84)은 원통 표면(93)을 가지고 상기 시일 부품들 중의 다른 시일 부품(80)은 환형 홈(94)를 가지며, 상기 환형홈(94)은 상기 간극(122)으로 개방되고 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)과 마주하는 내측 원통형 표면(108)을 포함하는 상기 조합에 있어서, (a)상기 다른 시일 부품(80)의 상기 홈(94)내에 배치되고 그로부터 상기 한 시일 부품(84)의 상기 펴먀ㄴ(93)쪽으로 돌출하며, 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)에 대체로 수직하게 배향된 제 1 표면(114)과 상기 한 시일부품(84)의 상기 원통표면(93)에 대체로 평행하게 배향된 제 2 표면(108)을 규정하는 라이너(112)와 : (b) 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)과 상기 라이너(112)의 상기 제 2 표면(108)간에서 상기 홈(94)내에 배치된 가요성의 탄성 환형 시일 부재(110)로서, 상기 시일 부재(110)는 상기 환형 라이너(112)의 상기 제 1 표면(114)에 안착될 수 있고 상기 홈(94)으로부터 상기 라이너(112)보다 더 멀리 상기 간극(122)을 횡단하여 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)과 접촉하는 식으로 돌출함으로써 상기 환형 시일 부재(110)는 상기 시일 부품(80, 84)들이 서로에 대해 상대적인 운동을 할 시에 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통 표면(93)상에서 구를 수 있으며 상기 환형 라이너(112)의 상기 제 1 표면(114)에 대해 미끄러 질 수 있게되는 상기 시일 부재(110)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시일 어셈블리(109).
  2. 제1항에 있어서, 상기 라이너(112)는 상기 한 시일 부품(84)을 구성하는 물질보다 마찰계수가 작은 물질로 구성되는 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 라이너(112)는 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)에 대해 대체로 반경방향으로 연장하는 제 1 반경 방향 연장부(112B)와 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)에 대체로 평행한 방향으로 연장하는 제 2 축방향 연장부(112A)를 포함하는 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서, 상기 라이너(112)의 상기 제 1 반경방향 연장부(112B)는 상기 제 1 표면 (114)을 규정하며 상기 라이너(112)의 상기 제 2 축방향 연장부(112A)는 상기 제 2표면(108)을 규정하는 어셈블리.
  5. 제3항에 있어서, 상기 라이너(112)의 상기 제 1 및 제 2 연장부(112B 및 112A)는 서로 견고하게 결합되는 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 환형 시일 부재(110)는 탄성중합체 물질로 구성된 0 링(110)인 어셈블리.
  7. 회전축선을 가진 샤프트(34)와 가압유체를 내부에 갖는 고정하우징(30)을 포함하며, 시일링 구조가 상기 하우징(30)내에 배치되어 상기 하우징(30)에 대해 상기 샤프트(34)를 기밀하게 장착하게 되어있는 펌프에 있어서,(a) 간극(122)에 의해 서로로부터 반경방향으로 이격되고 서로에 대해 상대적으로 운동 할 수 있는 한쌍의 환형 시일 부품(80, 84)으로서, 상기 시일 부품들 중의 한 시일 부품(84)은 원통표면(93)을 가지고 상기 시일 부품들 중의 다른 시일 부품(80)은 환형 홈(94)을 가지며, 상기 환형홈(94)은 상기 간극(22)으로 개방되고 상기 한 시일부품(84)의 상기 원통표면(93)과 마주하는 내측 원통형 표면(108)을 포함하는 상기 제 1 및 제 2환형 시일부품(80, 84)과 : (b) 시일링 어셈블리(109)로서, (i)상기 다른 시일 부품(80)의 상기 홈(94)내에 배치되고 그로부터 상기 한 시일 부품(84)의 상기 표면(93)쪽으로 돌출하며, 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)에 대체로 수직하게 배향된 제 1 표면(114)과 상기 한 시일부품(84)의 상기 원통표면(93)에 대체로 평행하게 배향된 제 2 표면(108)을 규정하는 라이너(112)와 : (ii) 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)과 상기 라이너(112)의 상기 제 2 표면(108)간에서 상기 홈(94)내에 배치된 가요성의 탄성환형 시일 부재(110)로서, 상기 시일 부재(110)는 상기 환형 라이너(112)의 상기 제 1 표면(114)에 안착될 수 있고 상기 홈(94)으로부터 상기 라이너(112)보다 더 멀리 상기 간극(122)을 횡단하여 상기한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)과 접촉하는 식으로 돌출함으로써 상기 환형 시일 부재(110)는 상기 시일 부품(80, 84)들이 서로에 대해 상대적인 운동을 할 시에 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)상에서 구를 수 있으며 상기 환형 라이너(112)의 상기 제 1 표면(114)에 대해 미끄러질 수 있게 되는 상기 시일 부재(110)를 포함하는 상기 시일링 어셈블리(109)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시일링 구조.
  8. 제7항에 있어서, 상기 라이너(112)는 상기 한 시일 부품(84)을 구성하는 물질보다 마찰계수가 작은 물질로 구성되는 시일링 구조.
  9. 제7항에 있어서, 상기 라이너(112)는 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)에 대해 대체로 반경방향으로 연장하는 제1반경 방향 연장부(112B)와 상기 한 시일 부품(84)의 상기 원통표면(93)에 대체로 평행한 방향으로 연장하는 제 2축방향 연장부(112A)를 포함하는 시일링 구조.
  10. 제9항에 있어서, 상기 라이너(112)의 상기 제 1 반경방향 연장부(112B)는 상기 제 1 표면(114)을 규정하며 상기 라이너(112)의 상기 제 2 축방향 연장부(112A)는 상기 제 2 표면(108)을 규정하는 시일링 구조.
  11. 제9항에 있어서, 상기 라이너(112)의 상기 제 1 및 제 2 연장부(112B 및 112A)는 서로 견고하게 결합되는 시일링 구조.
  12. 제7항에 있어서, 상기 환형 시일 부재(110)는 탄성중합체 물질로 구성된 0 링 (110)인 시일링 구조.
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