KR20140146581A - 고온, 고압 적용을 위한 정지 실 - Google Patents

고온, 고압 적용을 위한 정지 실 Download PDF

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제임스 디. 사우스만
리오넬 에이. 영
로날드 엘. 그래이드
존 데이비드
데이비드 제그레스
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플로우서브 매니지먼트 컴퍼니
재그레스 데이비드
로날드 엘. 그래이드
존 데이비드
제임스 디. 사우스만
리오넬 에이. 영
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Abstract

1차 기계적인 실을 통과하는 환경에 대한 누출을 방지하는 정지 실(10)이 제공된다. 정지 실은, 실링 가동의 제1라인이고, 샤프트로부터 정상적으로 이격된 가요성 실링 립(14)을 규정하는 폴리머 가동 링(12)을 포함한다. 누출에 종속될 때, 이 엘리먼트는 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)에 대항해서 붕괴되어, 초기 실링을 형성한다. 이 엘리먼트의 가동은, 고속 스팀, 2개의 상 흐름, 또는 가스에 기인해서 더 낮은 누출 흐름에서 발생하게 된다. 부차적으로, 금속 실링/안티-압출 링(18)이 제공된다 증가된 실링된 압력이 금속 실링/안티-압출 링에 대항해서 폴리머 링을 부가하는 것으로 귀결되어, 이를 변형해서 금속 링의 내측 직경이 샤프트 또는 샤프트 슬리브와 접촉하여, 제2실을 형성하게 한다. 실 가동은 온도가 아닌 실제 누출 흐름에 의존한다.

Description

고온, 고압 적용을 위한 정지 실{ABEYANCE SEAL FOR HIGH TEMPERATURE, HIGH PRESSURE APPLICATIONS}
본 출원은, 참조로 본 명세서에 통합된 2012년 1월 19일 출원된 예비 출원 제61/588,346호를 우선권으로 청구한다.
본 발명은 원자력 냉각 펌프와 같은 고온, 고압 적용을 위한 정지 실에 관한 것이다.
원자력의 1차 냉각 펌프에 대해서 이용가능한 다양한 기계적인 실 설계들이 있다. 이들 기계적인 실의 기능은, 반응기 1차 시스템으로부터의 핫(hot), 고압 반응기 냉각재 시스템(RCS: reactor coolant system) 물의 반응기 격납 용기 내로의 누출을 제한하는 한편, 회전하는 샤프트가 1차 압력 경계를 관통하도록 허용하는 것이다. 샤프트는 펌프 임펠러를 구동하고, 기계적인 실은 실 챔버 내에서 샤프트를 따라 위치된다. 이들 펌핑 시스템은, 최적의 성능으로 동작가능하게 실에 대한 일종의 작동 환경을 제공하기 위해서 기계적인 실의 냉각을 요구한다. 이들 펌핑 시스템에서의 상태는 2500psi 및 650F만큼 높게 될 수 있고, 기계적인 실을 냉각하는 냉각 시스템의 준비에 의해 이들 상태하에서 실에 대한 충분한 수명을 보장할 필요가 있다.
냉각 시스템에 대한 전기적 파워 또는 제어가 손실될 수 있는 비상 상태 하에서, 실 냉각은 손실될 수 있고, 실 페이스에서 과잉의 고온이 발생하게 된다. 이 고온은, 반응기 격납 용기에 대한 많이 증가된 RCS 누출의 가능성을 이끄는 다양한 이유에 기인해서, 실이 절충되게 할 수 있다.
본 발명의 목적은, 그러므로, 냉각 시스템의 손실 동안과 같은, 특정 상태의 누출하에서 작동하고, 이에 따라 비상의 지속 동안 실에서 완전한 RCS 상태에 대항해서 누설 밀봉 실을 유지하는, 안전 백업 실(정지 실: abeyance seal)을 제공하는 것이다.
하나의 다른 설계 개념이 Westinghouse 특허(적용 US 2010/0150715 A1)에 개시된다. 이 특허는, 스페이서 또는 왁스 충전된 피스톤을 용해하기 위해서, 250 내지 290F의 상승한 온도를 요구하는, 원자력 발전소용의 열적으로 작동된 백업 실을 개시는데, 여기서 이러한 구조의 용해는 유지 핀이 퇴피되어, 분할 피스톤 링이 샤프트에 대항해서 붕괴한다. 더욱이, 압력 및 온도 증가는 2차 폴리머 링이 또한 샤프트에 체결되어, 분할의 갭에 기인해서 누출될 수도 있는 제1금속 분할 링에 의해 제공되는 것보다 낮은 누출을 제공하게 한다.
그런데, 이 설계는 다양한 단점을 포함한다. 예를 들어, 작동 온도에 도달한 후(250-290 F) 작동하기 위해서, 45초가 걸릴 수 있는데, 여기서 상당한 양의 스팀이 작동 전에 탈출할 수 있다.
더욱이, 이 설계는 비-재해(핫 스탠바이) 상태에서 냉각의 순간적인 손실 에 의해 부주의로 가동될 수 있고, 이것이 가동되는지 및 부주의한 가동이 발견되었는지 결정하는 것이 어렵거나 불가능할 수 있어, 실은 차후의 진짜 비상에 대해서 이용할 수 없게 될 수 있다.
또한, 실은 컴패니언(companion) 1차 실의 소정의 결함에 의한 회전하에서 작동될 수 있고, 실이 샤프트 회전 동안 가동되면, 금속 피스톤 링의 마찰 및 가능한 압박에 기인해서 실은 자체가 손실 및/또는 회전하는 컴포넌트가 손실되며, 이는 테스트에서 식별된 것보다 크게 윗도는 누출률로 귀결될 수 있다.
더욱이, 실은 총 액체 누출에 대한 보호를 제공하지 않고, 제로(zero)-누출을 제공하지 않는다. 2250psi 및 575F에서, 누출은, 이 특허 출원에서는 대략 0.1gal/min 정도이다. 168시간까지의 연장된 사고 시나리오가 발생하면, 실링 링의 부식은 이들 값들을 넘어 상당히 증가할 수 있다.
부가적으로, 하류의 폴리머 엘리먼트는, 하우징 플랜지와 샤프트 간의 .050" 반경의 갭을 실링할 수 있어야 한다. 600F 이상의 온도에서, 엘리먼트 재료는 흐르기 위한 포텐셜을 갖는데, 이는 압출에 기인해서 실링 능력의 손실로 귀결된다.
특히, 본 발명에 대해서, 본 발명은 종래 실 설계와 연관된 단점을 극복하는 것으로 믿어진다. 본 발명은 다음을 포함하여 구성되는 정지 실이다:
금속 열팽창 예방기(TEP: Thermal Expansion Preventer): TEP은 샤프트에 대해서 반경으로 인접한 실 하우징과 함께 탑재되고, 유닛화된 어셈블리를 가능하게 하기 위해서 금속 실링/안티-압출 링에 대한 간섭 피트(interference fit)를 갖는다. TEP은 폴리머 가동 링의 수평(축의 실링 부분) 립에 대한 한정하는 제한을 제공한다. 폴리머 가동 링에 대한 열팽창 계수가 금속 컴포넌트에 대해서보다 매우 크므로, TEP는 폴리머 재료가 샤프트 또는 샤프트 슬리브로부터 성장하는 것을 방지하고, 이에 의해 상승한 온도 상태하에서 회전하는 및 정지하는 컴포넌트 사이에 일정한 및 제어된 갭을 유지한다. 또한, 이 링의 부분은 폴리머 가동 링 및 또한 폴리머 가동 링과 짝을 이루는 테이퍼된 전방 에지의 중심(centroid) 또는 아래에 위치된 전방 페이스(고압 측면) 내의 다수의 개구이다. 이들 2개의 형태는 높은 증기 및 또는 질량 운동량에 기인한 2-상 흐름 속도하에서 가동 프로세스를 용이하게 한다.
폴리머 가동 링: 이 장치는 실링 가동의 제1라인이다. 이것은 가요성 폴리머 컴파운드로 만들어지기 때문에, 누출에 종속될 때 이 엘리먼트는 자체의 중심에 관해서 회전하게 되어, 샤프트 또는 샤프트 슬리브에 대항해서 붕괴되어, 회전하는 및 정지의 컴포넌트 사이에서 초기 실링 기능을 형성한다(도 2 참조). 이 액션은 Bernoulli 효과의 결과인데, 여기서 작은 차동 압력이 폴리머 링의 수평 부분과 샤프트 또는 샤프트 슬리브 사이의 갭을 통한 증가된 누출에 의해 발생한다. 이는, 폴리머 링의 중심 아래에서 TEP 링 내의 개구를 통해 향하는 누출 흐름의 운동량에 기인해서 상기된 유체 충돌에 의해 더 도움을 받는다. 실링 립이 샤프트 또는 샤프트 슬리브를 향해 수축되기 시작할 때, 차동 압력은 더 과장되어, 자체의 폐쇄 액션으로 가속하는 립으로 귀결된다. 갭이 립과 샤프트 또는 샤프트 슬리브 사이에서 근접하기 시작할 때, 테스트를 통해서 완전한 가동은 1초 미만으로 발생하게 된다. 폴리머 링이 샤프트 또는 샤프트 슬리브에 대해서 실링할 때, 정지 실을 교차하는 차동 압력이 신속하게 상승하도록 시작한다. 도 3은 100psi에서 폴리머 링의 상태를 나타낸다.
더욱이, 폴리머 링은 샤프트 또는 샤프트 슬리브에서 및 금속 실링/안티-압출 링 및 열팽창 예방기(TEP) 링에 대항해서 자체의 외측 직경에서 더 실링한다. 더욱이, 폴리머 링의 이 변형은 링의 외측 직경이 구속되지 않은 사실에 의해 더 용이하게 된다. OD가 구속되면, 링은 더 딱딱해져서, 구속된 영역에서 내부 응력을 상승시키고, 가동 능력을 감소시킨다. 이 엘리먼트의 가동은, 고속 스팀, 2개의 상 흐름, 또는 가스에 기인해서 상당히 낮은 누출 흐름에서 발생하게 된다. 액체 물의 매우 많은 흐름이, 가동이 발생하기 전에 통과하게 된다.
금속 실링/안티-압출 링: 금속 실링/안티-압출 링은 금속 보강 링에 대한 간섭 피트를 갖는다. 이 간섭 피트는, 폴리머 가동 링 및 TEP 링이 설치되기 전에 수행된다. 이는, 다시 유닛화된 어셈블리를 제공할 뿐 아니라 금속 보강 링에 대한 금속 실링/안티-압출 링을 실링하도록 수행된다. 기능 관점으로부터, 폴리머 링은 낮은 차동 압력(예를 들어, 10psid 미만)에서의 누출에 기인해서 초기 실링 기능을 제공하기 위한 것이다. 폴리머 링이 샤프트 또는 샤프트 슬리브를 실링할 때, 증가된 실링된 압력은 금속 실링/안티-압출 링에 대항해서 폴리머 링을 부가하는 것으로 귀결되어, 이를 변형하고, 회전해서 금속 링의 내측 직경이 샤프트 또는 샤프트 슬리브와 접촉하게 한다. 금속 링은 1000psi 미만의 압력에서 샤프트 또는 샤프트 슬리브와 완전히 접촉하게 된다(도 4 참조). 이제 안티-압출 링은 부가적인 실링 기능을 형성하고, 또한 폴리머 링이 더 높은 압력 및 온도에서 압출하는 것을 방지한다. 폴리머 링은 압출될 수 없기 때문에, 더 높은 압력 및 온도하에서, 추가의 누설 밀봉 실링에 도움을 줄 수 있다. 도 5는 2500psi 및 500F에서 장치의 완벽한 실링을 나타낸다. 금속 실링/안티-압출 링은 얇은 섹션의 제조를 용이하게 하기 위해서 분리 컴포넌트로서 구성된다. 대안적으로, 금속 실링/안티-압출 링 및 금속 보강 링은 하나의 피스로 형성되어도, 기능은 동일하게 된다.
금속 보강 링: 금속 실링/안티-압출 링에 대한 지원 컴포넌트를 제공한다.
장점
본 실링 장치에 대한 수반하는 장점을 이하에 약술한다:
실 가동은 온도에 의존하지 않고 실제 누출 흐름에 의존한다. 스팀 누출이 존재하지 않으면 또는 매우 낮은 스팀 누출이 있으면, 액체 누출 흐름이 상당히 더 높게 되지 않는 한, 가동은 발생하지 않게 된다. 상승한 온도에 기인한 가동에 대한 의존과 달리, 냉각 물의 순간적인 손실과 같은 일시적인 상황에 기인한 의도하지 않은 가동의 위험 또는, 부주의로 가동된 정지 실이 계속된 펌프 동작에 의해 손상되고 진짜 비상의 경우에 이용가능하지 않게 되는 동시 발생의 위험은 없게 된다.
수행된 실험은, 대략 1-lbm/sec 스팀 흐름의 흐름률에 도달했었을 때, 유지 실을 가동하는 것이 가능했었다. 실 가동은 정상 액체 누출 흐름 하에서 발생하지 않게 된다. 실험은 선택된 구성과 함께 수행되어, 9gal/min(특정한 테스트 셋업에 대해서 이용가능한 최대)까지의 물 흐름이 실을 가동하지 않게 하는 것을 확인했었다. 이는 하나의 중요한 설계의 장점이다. 1차 기계적인 실이 악화하고 누출이 증가하였지만 실 주입, 실 냉각 및 RCS 메이크업 용량이 아직 이용가능한 상태하에서, 순서적인 셧다운(shutdown)이 배열될 때까지, 추가의 누출을 핸들링하는데 충분한 능력이 있으므로, 펌프를 셧다운하기 위한 긴급한 니드(need)는 없게 된다.
샤프트에 대해서 실링하는 장치가, 2500psi까지의 압력 및 575°F에서 누설 밀봉 실을 제공하기 위해서 함께 작업하는 금속 및 폴리머 엘리먼트 모두에 의해 제공된다.
폴리머 링은 금속 실링 링의 상류에 있으며, 압출하는 것이 불가능하다. 상승한 온도 및 압력은 샤프트 상태에서의 다양한 결함에 대한 폴리머의 순응을 용이하게 한다. 재료의 가능한 흐름이 발생할 수 있는 600F 이상의 온도에서도, 사용되는 방식으로 재료의 성능을 방해하지 않게 된다. 그에 반해, 폴리머 재료는 더 순응하게 되어 실링 능력을 더 제공하게 된다.
장치는 설계에 의한 누출에 대해서 가동하므로, 밀봉되도록 가압하는 한, 실을 개시 또는 유지하기 위해서, 작동자 개입 또는 다른 지원 시스템은 요구되지 않는다.
실 가동은 반복가능하고 제조 또는 가능하게는 상부 실과 정지 실 사이에서 챔버에 낮은 압력 공기를 인가함으로써, 완전한 카트리지 설치 후에, 테스트될 수 있다. 정지 실은 가동된 후, 압력이 제거될 때, 정지 실 컴포넌트에 대한 손상 없이 개방 백업된다.
이 어셈블리 중 2개의 컴포넌트만이 전체 압력 및 온도하에서 설계에 의해 그들의 항복 강도(yield strength)를 초과한다: 금속 실링/안티-압출 링 및 폴리머 가동 링. 압력이 감소된 후, 금속 링은 충분히 스프링 백(spring back)되어 샤프트에 대해서 몇몇 공차를 제공한다. 폴리머 링은 스프링 백되지 않지만, 샤프트에 대항하는 부하가 최소로 되게 한다. 이들 2개의 인자는 어셈블리의 용이한 제거로 귀결된다.
이 장치는 고속 누출의 상태하에서 가동하므로, 이 개념은 원자력 이외의 산업에서 사용될 수 있으며, 대기 상태에서 증기인 고압 광 탄화수소 및 대기 상태에서 가스인 소정의 다른 고압 액체의 이송을 수반하는 특정한 장점을 갖는다.
본 발명의 다른 목적들 및 그 변형이 수반되는 상세한 설명을 읽고 첨부 도면을 참조함에 따라 명백해 진다.
도 1은 기본 정지 실 어셈블리이다.
도 2는 기초 폴리머 립 실링이다.
도 3은 100psi의 폴리머 실링이다.
도 4는 샤프트에 대한 안티-압출 링 실링이다.
도 5는 2500psi 및 500F에서 완벽 누출-밀봉 실링이다.
도 6은 도 1의 정지 실의 확대된 부분도이다.
제한의 목적이 아닌, 편의 및 참조만을 위해서, 이하의 상세한 설명에 소정의 기술 용어가 사용된다. 예를 들어, 단어 "위쪽으로", "아래쪽으로", "우측으로" 및 "좌측으로"는 참조되는 도면에서의 방향을 언급하게 된다. 단어 "내부로" 및 "외부로"는, 장치 및 그 설계 부분의 기하학적인 중심들 각각을 향해서 또는 각각으로부터 이격하는 방향을 언급하게 된다. 상기 기술 용어는 특정하게 언급된 단어 및 그 파생어 및 유사한 단어를 포함한다.
도 1을 참조하면, 정지 실(10)은 1차 기계적인 실과 조합해서 제공되어, 기계적인 실을 통과하는 환경에 대해 누출되는 것을 방지한다. 이 정지 실(10)은특히 원자력 냉각 펌프와 같은 고온, 고압 적용에 대해서 적합하다.
일반적으로, 실 컴포넌트에 관해서, 정지 실(10)은 폴리머 가동 링(12)을 포함하는데, 이는 실링 가동의 제1라인이고, 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)로부터 정상적으로 이격된 가요성 실링 립(14)을 규정한다. 누출에 종속될 때, 가동 링(12)은 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)에 대항해서 인접하는 립(14)과 함께 붕괴하고, 초기 실링을 형성한다(도 2에 나타낸 바와 같이). 가동 링(12)의 작동은 고속 스팀, 2개의 상(phase) 흐름, 가스 또는 소정의 다른 유사한 경우에 기인한 낮은 누출을 발생시킨다.
부차적으로, 금속 실링/안티-압출 링(18)은 누출 동안 제2실을 형성하도록 제공된다. 가동 링(12)은 낮은 차동 압력(예를 들어, 10psid 미만)에서의 누출 동안 초기 실링 기능을 제공하고, 가동 링(12)이 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)(도 3에 나타낸 바와 같이)를 실링할 때, 증가된 실링된 압력이 금속 실링/안티-압출 링(18)에 대항해서 폴리머 가동 링(12)에 부가하도록 사용되어(도 4에 나타낸 바와 같이), 이것이 변형되어 금속 링(18)의 내측 직경이 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)와 접촉하게 하여, 립(14)에 의해 규정된 제1실에 축으로 인접한 제2실을 형성하게 한다.
이 정지 실(10)의 하나의 장점은, 실 작동이 온도에 의존하지 않고 실제 누출 흐름에 의존하는 것이다. 스팀 누출이 없으면, 또는 매우 낮은 스팀 누출이 있으면, 작동은 액체 누출 흐름이 상당히 높지 않으면 발생하지 않게 된다.
정지 실(10)은, 정지 실(10)이 그 환경의 특정 타입의 펌프에 제한될 필요가 없지만, 원자력의 1차 냉각 펌프에 대해서 현재 이용가능한 다양한 기계적인 실 설계와 함께 사용될 수 있다. 그럼에도, 이 환경에서, 1차 기계적인 실의 기능은 반응기 1차 시스템으로부터의 핫, 고압 반응기 냉각재 시스템(RCS) 물의 반응기 격납 용기 내로의 누출을 제한하는 한편, 회전하는 샤프트(15)가 1차 압력 경계를 관통하도록 허용하는 것이다. 샤프트(15)는, 이 개시의 목적을 위해서 샤프트 슬리브를 가질 수도 가질 수 없을 수도 있고, 샤프트에 대한 참조는 샤프트 슬리브와 함께 또는 없이 샤프트에 적용한다.
기계적인 실은, 실 챔버 내의 샤프트(15)를 따라 위치되어, 전형적으로 대기에 개방하는 아웃보드 측면으로부터, 임펠러가 위치된 기계적인 실의 인보드 프로세스 측면을 실링한다. 아웃보드 측면은 도 1에 나타내고, 참조 번호 20으로 가리켜지는데, 여기에 정지 실(10)이 기계적인 실의 아웃보드 측면 상에서 샤프트(15)를 따라 위치되며, 기계적인 실은 또한 동일한 샤프트(15)에 탑재된다. 이해되는 바와 같이, 정지 실(10)은 정상적으로는 정상 작동 상태 동안 실을 규정하지 않지만, 가동 링(12)의 립(14)과 샤프트(15)의 대향하는 표면(22) 사이에서 반경으로 형성된 환형상 갭(21)을 규정한다. 따라서, 몇몇 전형적인 구성에서의 기계적인 실은, 정상적으로는 외부 대기와 아웃보드 측면 상의 개방 교통으로 된다. 그런데, 정지 실(10)의 부재에서, 개방 갭은, 실 실패 동안 기계적인 실을 통과해서 누출되는 고압 유체가 대기로 누출되도록 한다. 이 결과를 회피하기 위해서, 정지 실(10)은 이들 상태하에서 근접하게 되고, 대기에 대한 이 누출을 신속하게 정지시킨다.
원자력 냉각 펌프에 관해서, 이들 펌핑 시스템은, 최적의 성능 및 계속적인 실링으로 동작가능하게 기계적인 실에 대한 일종의 작동 환경을 제공하기 위해서 기계적인 실의 냉각을 요구한다. 이들 펌핑 시스템에서의 상태는 2500psi 및 650F만큼 높게 될 수 있고, 기계적인 실을 냉각하는 냉각 시스템의 준비에 의해 이들 상태하에서 기계적인 실에 대한 충분한 수명을 보장할 필요가 있다.
냉각 시스템에 대한 전기적 파워 또는 제어가 손실될 수 있는 비상 상태 하에서, 실 냉각은 손실될 수 있고, 기계적인 실에서의 실 링의 실 페이스에서 과잉의 고온이 발생하게 된다. 이 고온은, 반응기 격납 용기에 대한 많이 증가된 RCS 누출의 가능성을 이끄는 다양한 이유에 기인해서, 기계적인 실이 절충될 수 있게 한다.
특히, 정지 실(10)에 관해서, 정지 실(10)은 소정의 기계적인 실 설계와 조합해서 제공될 수 있는데, 이러한 기계적인 실에 관한 당업자는 상세한 설명을 요구하지 않는다. 일반적으로, 기계적인 실 및 정지 실(10) 모두에 대해서, 유체 실이 형성되어, 샤프트 표면(22)과 본 명세서에서 실 하우징(24)으로 일반적으로 식별된 정지 실 구조의 대향하는 내측 표면 사이의 반경의 스페이스를 실링한다. 기계적인 실은 실 글랜드(gland)와 같은 하우징을 포함하게 되며, 정지 실(10)에 대한 하우징(24)은 현존하는 실 글랜드 또는 실 그랜드에 탑재된 추가 컴포넌트와 통합해서 형성될 수 있다.
샤프트 표면(22)과 실 하우징(24) 사이의 반경의 스페이스를 효과적으로 실링하기 위해서, 바람직하게는 정지 실(10)이 실 하우징(24)에 탑재되고, 샤프트(15)와 하우징(24) 사이의 반경의 스페이스(20) 내에 배치된 컴포넌트의 유닛화된 어셈블리로 형성된다. 정지 실(10)은 이하의 컴포넌트 및 구조를 포함하여 구성된다:
금속 열팽창 예방기(TEP)(26): TEP(26)는 하우징(24)의 환형상 노치(27) 내에 끼워지고, 인보드 플랜지 섹션(28) 및 아웃보드 환형상 벽(29)을 포함하여 구성된다. 환형상 벽(29)은 반경으로 내부로 대면하는 표면을 갖는데, 이는 유닛화된 어셈블리를 가능하게 하기 위해서 환형상 벽(29) 내에 방사상으로 마찰로 고정되는 금속 실링/안티-압출 링(18)과 함께 간섭 피트를 규정한다.
금속 링(18)을 수반 및 지원하도록 제공되는 벽(29)에 부가해서, TEP(26)의 플랜지 섹션(28)은 폴리머 가동 링(12)의 수평(축의 실링 부분) 립(14)에 대한 한정하는 제한을 제공한다. 플랜지 섹션(28)은 환형상 에지 부분(31)을 포함하여 구성되는데, 이는 바람직하게는 도 1 및 도 6에 나타낸 바와 같이 V-형상 단면을 가지며, 이는 립(14)의 샤프트(15)로부터 외측으로 외부로의 반경 운동을 제한 또는 한정하고, 그러므로 립(14)을 샤프트 표면(22)으로부터 고정된 최대 거리에 립(14)을 위치시킨다. 더욱이, 에지 부분(31)은 기계적인 실을 향한 인보드 방향으로 립(14)의 축의 운동을 제한할 수도 있다.
폴리머 가동 링(12)에 대한 열팽창 계수는 금속 컴포넌트에 대해서보다 매우 크므로, TEP(26)는 가동 링(12)의 폴리머 재료가 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)로부터 이격해서 성장하는 것을 방지하고, 이에 의해 상승한 온도 상태하에서, 회전하는 및 정지의 컴포넌트 사이에서 일정한 및 제어된 갭(21)을 유지하게 한다. 또한, TEP(26)의 부분으로서, 플랜지 섹션(28)은 폴리머 가동 링(12) 및 또한 테이퍼된 전방 에지(34)의 중심 또는 아래에 위치된 전방 페이스(33)(고압 측면) 내에 다수의 개구(32)를 포함하는데, 여기서 이는 폴리머 가동 링(12) 및 그 립(14)과 짝을 이루거나 접촉한다. 개구(32) 및 테이퍼된 전방 에지(34)의 2개의 형태는 높은 증기 및 또는 질량 운동량에 기인한 2-상 흐름 속도하에서 가동 프로세스를 용이하게 한다.
폴리머 가동 링(12): 이 장치는 실링 가동의 제1라인이다. 가동 링(12)은 바람직하게는 폴리머인데, 적합한 구조 및 기능을 제공하도록 입증된 다른 재료로 만들어 질 수 있는 것으로 이해된다.
이것은 가요성 폴리머 컴파운드로 만들어지기 때문에, 누출에 종속될 때 이 엘리먼트는 자체의 중심에 관해서 회전하게 되어, 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)에 대항해서 붕괴되어, 회전하는 및 정지의 컴포넌트 사이에서 초기 실링 기능을 형성한다(도 2 참조). 이 액션은 Bernoulli 효과의 결과인데, 여기서 작은 차동 압력이 폴리머 링(12)의 수평 부분 또는 립(14)과 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15) 사이의 갭(21)을 통한 증가된 누출에 의해 발생한다. 이 붕괴하는 효과는, 폴리머 링(12)의 중심 아래에서 TEP 링(26)의 플랜지 섹션(28) 내의 개구(33)를 통해 향하는 누출 흐름의 운동량에 기인해서 상기된 유체 충돌에 의해 더 도움을 받는다. 도 2에 나타낸 바와 같이 실링 립(14)이 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)를 향해 내부로 수축되기 시작할 때, 차동 압력은 더 과장되어, 도 3에 나타낸 완전히 폐쇄된 위치로 자체의 폐쇄 액션으로 가속하는 립으로 귀결된다. 갭(21)이 립(14)과 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15) 사이에서 근접하기 시작할 때, 테스트를 통해서 완전한 가동은 1초 미만으로 발생하게 된다. 폴리머 링(12)이 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)에 대해서 실링할 때, 정지 실(10)을 교차하는 차동 압력이 신속하게 상승하도록 시작한다. 도 3은 100psi에서 폴리머 링의 상태를 나타낸다.
도 3에 나타낸 바와 같이 누출 압력이 증가함에 따라, 폴리머 링(12)은 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)에서 및 위치(37)에서 증가된 접촉 력을 통해 더 실링하고, 또한 금속 실링/안티-압출 링(18) 및 열팽창 예방기(TEP) 링(26)에 대항해서 자체의 외측 직경(38)에서 더 실링한다. 더욱이, 폴리머 링(12)의 이 변형 또는 휨(flexing)은 링(12)의 외측 직경(OD; 38)이 구속되지 않은 사실에 의해 더 용이하게 된다. OD가 구속되면, 링(12)은 더 딱딱해져서, 구속된 영역에서 내부 응력을 상승시키고, 가동 능력을 감소시킨다. 그런데, 구속되지 않은 OD(38) 및 립(14)에서 규정된 ID 접촉 위치(37)에서 축의 구속의 부족의 결과로써, 이 엘리먼트(12)의 가동은, 고속 스팀, 2개의 상 흐름, 또는 가스에 기인해서 상당히 낮은 누출 흐름에서 발생하게 된다. 액체 물의 매우 많은 흐름이, 가동이 발생하기 전에 통과하게 된다.
금속 실링/안티-압출 링: 다음 컴포넌트는 금속 실링/안티-압출 링(18)인데, 이는 금속 보강 링(40)에 체결되는 간섭 피트를 갖는다. 금속 보강 링(40)은 환형상 바디(41)를 갖는데, 이는 O-링(43)을 수취하는 그루브(42)를 규정하며(도 1), O-링은 하우징(24)에 대항해서 정지 실(10)을 실링한다. 바디(41)의 전방은 또한 탑재 숄더(44)를 포함하는데, 이는 숄더(44)의 방사상의 외부로 대면하는 표면과 금속 링(18)의 내부로 대면하는 표면 사이에서 금속 링(19) 및 특히 그 링 플랜지(45)에 마찰로 체결된다. 링 바디(41)는, 인보드 방향으로 축으로 대면하는 경사의 실링 페이스(47)를 규정하는, 노즈(46: nose)를 규정하도록 전방으로 더 돌출한다.
숄더(44)에서 이 간섭 피트는, 폴리머 가동 링(12) 및 TEP 링(26)이 설치되기 전에 수행된다. 도시의 목적을 위해서 백색 라인이 링 플랜지(45)와 숄더(44)(내측 및 추방 단부 상에서) 및 벽(29)(외측 상에서)에 대면하는 그 3개의 측면 사이에 보인다. 이 백색 라인은 명확성을 위해 나타낸 것이며, 실제의 폐쇄 끼움 접촉은 이들 대향하는 표면 사이에 존재하게 되어, 그들 사이에 간섭 피트를 규정하는 것으로, 이해하게 된다.
숄더(44)의 간섭 피트는, 다시 유닛화된 어셈블리를 제공할 뿐 아니라 금속 실링/안티-압출 링(18)의 플랜지(45)와 금속 보강 링(40) 사이의 숄더 간섭을 실링하도록 수행된다. 더욱이, 실링은 상기된 O-링(43)에 의해서 보강 링(40)과 하우징(24) 사이에 규정되는데, 이 O-링은 유닛화된 실 어셈블리가 샤프트(15)와 하우징(24) 사이에서 반경의 챔버 내로 축으로 미끄러지게 한다. 설치 후, 정지 실 어셈블리는 스냅 링(50) 대신 축으로 고정되므로(도 1), 정지 실(10)은 스냅 링(50)과 노치(27)로 규정된 하우징 숄더(51) 사이에서 축으로 한정된다.
기능 관점으로부터, 폴리머 링(12)은 낮은 차동 압력(예를 들어, 10psid 미만)에서의 누출에 기인해서 초기 실링 기능을 제공하기 위한 것이다. 폴리머 링(12)이 도 3에 나타낸 바와 같이 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)를 실링할 때, 증가된 실링된 압력은 비상 또는 다른 유사 상태 동안, 금속 실링/안티-압출 링(18)에 대항해서 변형하는 폴리머 링(12)에 부가하기 위해서 사용되는 것으로 귀결되어(도 3 참조), 이에 의해 금속 링(18)이 또한 증가하는 유출 압력하에서 변형하게 한다. 이 링 변형은 금속 링(18)을 회전시키므로(도 4 참조), 금속 링의 내측 직경(18)이 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)와 접촉하게 한다. 금속 링(18)은 1000psi 미만의 압력에서 샤프트 또는 샤프트 슬리브(15)와 완전히 접촉하게 된다(도 4 참조).
이 내측 직경(55)은 실링 플랜지(56)의 단말 단부에서 규정된다. 정상적으로, 실링 플랜지(56)는, 도 1-3 및 도 6에 나타낸 제1경사 각도에서 연장한 후, 도 4 및 5에 나타낸 제2의 완전 편향 각도로의 스윙 운동으로 변형된다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제2각도는 실링 플랜지(56)가 보강 링(40)의 경사진 페이스(47)에 대항해서 축으로 그리고 샤프트(58)에 대항해서 반경으로 인접한 포인트에 의해 제한된다.
이제 안티-압출 링(18)은 샤프트 표면(21)과 내측 직경(55)의 접속을 통해 부가적인 실링 기능을 형성하고, 또한 폴리머 링(12)이 도 5에 나타낸 바와 같이 더 높은 압력 및 온도에서 압출하는 것을 방지한다. 폴리머 링(12)은 실링 플랜지(56)의 대향하는 페이스(58)와의 자체의 인접에 기인해서 축으로 압출될 수 없기 때문에, 더 높은 압력 및 온도하에서, 추가의 누설 밀봉 실링에 도움을 줄 수 있다. 도 5는 2500psi 및 500F에서 장치의 완벽한 실링을 나타낸다. 금속 실링/안티-압출 링(18)은 실링 플랜지(56)를 규정하는 얇은 섹션의 제조를 용이하게 하기 위해서 분리 컴포넌트로서 구성된다. 대안적으로, 금속 실링/안티-압출 링(18) 및 금속 보강 링(40)은 하나의 피스로 형성되어도, 기능은 동일하게 된다.
금속 보강 링: 상기된 바와 같이, 보강 링(40)은 금속 실링/안티-압출 링(18)에 대한 지원 컴포넌트를 제공하고, 실 하우징(24) 내에 유닛화된 어셈블리를 탑재하기 위해 사용된다.
상기된 정지 실은 다수의 장점을 제공한다. 본 실링 장치에 대한 수반하는 장점을 이하에 약술한다.
예를 들어, 실 가능은 온도에 의존하지 않고 실제 누출 흐름에 의존한다. 스팀 누출이 존재하지 않으면 또는 매우 낮은 스팀 누출이 있으면, 액체 누출 흐름이 상당히 더 높게 되지 않는 한, 가동은 발생하지 않게 된다. 종래 기술에서 발견되는 상승한 온도에 기인한 가동에 대한 의존과 달리, 냉각 물의 순간적인 손실과 같은 일시적인 상황에 기인한 의도하지 않은 가동의 위험 또는, 부주의로 가동된 정지 실이 계속된 펌프 동작에 의해 손상되고 진짜의 비상의 경우에 이용가능하지 않게 되는 동시 발생의 위험은 없게 된다.
수행된 실험은, 대략 1-lbm/sec 스팀 흐름의 흐름률에 도달했었을 때, 유지 실(10)을 가동하는 것이 가능했었다. 그런데, 실 가동은 정상 펌프 및 실 동작 동안 발생할 수도 있는 정상 액체 누출 흐름 하에서 발생하지 않게 된다. 실험은 선택된 구성과 함께 수행되어, 9gal/min(특정한 테스트 셋업에 대해서 이용가능한 최대)까지의 물 흐름이 실(10)을 가동하지 않게 하는 것을 확인했었다. 이는 하나의 중요한 설계의 장점이다. 1차 기계적인 실이 악화하고 누출이 증가하였지만 실 주입, 실 냉각 및 RCS 메이크업 용량이 아직 이용가능한 상태하에서, 순서적인 셧다운(shutdown)이 배열될 때까지, 추가의 누출을 핸들링하는데 충분한 능력이 있으므로, 펌프를 셧다운하기 위한 긴급한 니드(need)는 없게 된다.
또 다른 예에 있어서, 샤프트(15)에 대해서 실링하는 장치는, 즉 금속 링(18) 및 폴리머 링(12)인 금속 및 폴리머 엘리먼트 모두에 의해 제공되는데, 그 엘리먼트는 2500psi까지의 압력 및 575F에서 누설 밀봉 실을 제공하기 위해서 함께 작업한다. 이에 관해서, 폴리머 링(12)은, 예를 들어 인보드 누출 측면 상에서, 금속 실링 링(18)의 상류에 있으며, 고압하에서 폴리머 링(12)을 압출하는 것이 불가능하다. 상승한 온도 및 압력은 샤프트 상태에서의 다양한 결함에 대한 폴리머의 순응을 용이하게 한다. 폴리머 재료의 가능한 흐름이 발생할 수 있는 600F 이상의 온도에서도, 사용되고 실링 플랜지(56)에 의해 구속되는 방식으로 폴리머 재료의 성능을 방해하지 않게 된다. 그에 반해, 폴리머 재료는 더 순응하게 되어 실링 능력을 더 제공하게 된다.
또 다른 예에 있어서는, 장치는 설계에 의한 누출에 대해서 가동하므로, 밀봉되도록 가압하는 한, 실을 개시 또는 유지하기 위해서, 작동자 개입 또는 다른 지원 시스템은 요구되지 않는다.
또한, 예들에 대해서, 실 가동은 반복가능하고 제조 또는 가능하게는 상부 실과 정지 실 사이에서 챔버에 낮은 압력 공기를 인가함으로써, 완전한 카트리지 설치 후에, 테스트될 수 있다. 정지 실(10)은 가동된 후, 압력이 제거될 때, 정지 실 컴포넌트에 대한 손상 없이 개방 백업되므로, 정지 실(10)은 반복되는 사용을 통해서 기능을 계속하게 된다.
더욱이, 이 어셈블리 중 2개의 컴포넌트만이, 전체 압력 및 온도하에서 설계에 의해 그들의 항복 강도(yield strength)를 초과한다: 금속 실링/안티-압출 링(18) 및 폴리머 가동 링(12)은 탄력적으로 변형가능한 재료로 형성된다. 압력이 감소된 후, 금속 링(18)은 충분히 스프링 백(spring back)되어 샤프트(15)에 대해서 몇몇 공차를 제공한다. 전형적으로, 폴리머 링(12)은 스프링 백되지 않지만, 샤프트에 대항하는 부하가 최소로 되게 한다. 이들 2개의 인자는 어셈블리의 용이한 제거로 귀결된다.
이 장치는 고속 누출의 상태하에서 가동하므로, 이 개념은 원자력 이외의 산업에서 사용될 수 있으며, 대기 상태에서 증기인 고압 광 탄화수소 및 대기 상태에서 가스인 소정의 다른 고압 액체의 이송을 수반하는 특정한 장점을 갖는다.
본 발명의 특정한 바람직한 실시형태가 예시적인 목적을 위해서 상세히 설명?지만, 파트들의 재배열을 포함하는, 본 개시의 장치의 변형 또는 변경이 본 발명의 범위 내에서 가능한 것으로 이해된다.
10 - 정지 실,
12 - 폴리머 가동 링,
18 - 금속 실링/안티-압출 링,
26 - TEP 링,
27 - 노치,
44 - 숄더,
45 - 플랜지.

Claims (1)

  1. 회전가능한 샤프트 및 반경으로 대향하는 하우징을 따라 환경에 대한 누출을 방지하는 정지 실로서:
    샤프트에 대항하는 제1실을 제공하는 폴리머 가동 링으로서, 샤프트로부터 정상적으로 이격된 가요성 실링 립을 포함하여 구성되고, 변형가능해서, 샤프트에 대항해서 붕괴되어, 초기 실링을 형성하는, 폴리머 가동 링과;
    누출 동안 제2실을 제공하는 금속 실링/안티-압출 링으로서, 증가된 실링된 압력 부하 하에서 샤프트에 대항해서 변형하는 실링 플랜지를 포함하여 구성되고, 변형 후 금속 링에 대항해서 가압되어, 상기 금속 링이 또한 변형되어, 금속 링의 내측 직경이 샤프트와 접촉해서 제2실을 형성하도록 하는, 금속 실링/안티-압출 링을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 정지 실.
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