KR20190082321A - 정역학적 기계식 면 시일 - Google Patents

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Abstract

접촉 마찰의 소스를 제거하고; 유리하게 시일 면 중심과 정렬되도록 접촉 마찰력을 위치시키면서; 최대 정역학적 필름 강성 및 반경방향 테이퍼에 대한 최소 민감도를 달성하도록 시일 면 구성을 최적화하고; 불필요한 O-링 및, 상당한 힘의 변화의 다른 원인을 제거하면서; 제조 고려 설계 접근법을 활용하여 정확한 공차로 일관되게 제조될 수 있는 하드웨어를 구성하고; 적합한 압축, 최소 마찰 항력, 및 최대 내마모성을 달성하도록 더블 델타 채널 시일(double delta channel seal)을 최적화하고; 볼트 전부하 및 다른 비-축선 대칭 특징과 같은 원주 굴곡의 소스를 제거하고; 차별적인 열 팽창으로 인한 변형을 경감시키도록 상이한 재료의 구성요소를 열적으로 격리시키는, 제어형 누출, 정역학적, 기계식 시일.

Description

정역학적 기계식 면 시일
본 발명은 일반적으로 로터리 샤프트 시일, 좀 더 구체적으로, 제어형 누출 기계식 면 시일에 관한 것이다.
가압 수형 원자력 발전소에서, 원자로 냉각재 시스템은 증기의 생성을 위해 열을 노심으로부터 증기 발생기로 전달하기 위해서 사용된다. 증기는 다음으로 유용한 일의 생성을 위한 터빈 발전기를 구동시키기 위해서 사용된다. 원자로 냉각재 시스템은 복수의 별개의 냉각 루프를 포함하며, 각각이 노심에 연결되고 증기 발생기 및 원자로 냉각재 펌프를 포함한다.
원자로 냉각재 펌프는 전형적으로, 고온 및 고압, 예를 들어 550°F (288°C) 및 대략 2,250 psia(155 bar)의 압력에서, 큰 체적의 원자로 냉각재를 이동시키도록 구성되는 수직, 단일 단계, 원심 펌프이다. 펌프는 기본적으로 하부로부터 상부로 통상 세 개의 섹션, 즉 유압 섹션, 샤프트 시일 섹션 및 모터 섹션을 포함한다. 하측 유압 섹션은 각각의 루프에 대해서 원자로 냉각재를 펌핑하도록 펌프 케이싱 내에서 동작가능한 펌프 샤프트의 하측 단부 상에 장착되는 임펠러를 포함한다. 상측 모터 섹션은 펌프 샤프트를 구동시키도록 결합된 모터를 포함한다. 미들 샤프트 시일 섹션은 세 개의 탠덤 시일 조립체, 즉 하측 일차의 시일 조립체(번호 1 시일), 미들 이차의 시일 조립체 및 상측 삼차의 시일 조립체를 포함한다. 시일 조립체는 펌프 샤프트에 동심으로, 이의 상부 단부에 인접하게 위치되고, 이들의 조합된 목적은 정상 동작 조건 동안에 봉쇄 대기(containment atmosphere)로의 펌프 샤프트를 따른 최소의 원자로 냉각재 누출을 대비하는 것이다. 종래 기술에 공지된 펌프 샤프트 시일 조립체의 대표적인 예시는 미국 특허 번호 3,522,948; 3,529,838; 3,632, 117; 3,720,222 및 4,275,891에서 설명된다.
정지형 펌프 압력 경계와 회전 샤프트 사이의 인터페이스를 기계식으로 시일하는 펌프 샤프트 시일 조립체는 과도한 누출 없이 높은 시스템 압력(대략 2,250 psi (155 bar))을 수용할 수 있어야 한다. 하나의 상업적 설계에서, 세 개의 시일 조립체의 탠덤(tandem) 배열체가 단계적으로 압력을 브레이크 다운하기 위해서 사용된다. 이러한 세 개의 기계식 펌프 시일 조립체는, 동작 중에, 일차 냉각재 시스템으로부터 각각의 시일 누출 포트로의 원자로 냉각재의 과도한 누출을 방지하면서 각각의 단계에서 최소 양의 제어되는 누출을 허용하는 제어형 누출 시일이다.
상업적인 가압 수 원자로는 종종 모터와 원자로 냉각재 펌프의 유압 섹션 사이의 제어형 누출 시일을 위해 정역학적 기계식 면 시일을 채용한다. 이러한 시일은, 시일 면들 사이의 얇은 유체 필름에 의한 일정한 분리를 유지함으로써 최소의 마모를 경험하면서 일차 시스템으로부터의 제어되고 안정된 양의 누출을 허용하도록 구성된다. 시일을 통한 누출은 시일되는 유체의 열역학적 상태뿐만 아니라 면의 기하학적 형상 및 기계적 설계에 의존한다. 원자로 발전소 운용자는 원자로 냉각재 펌프 시일을 통한 분당 3 갤런의 명목상 체적(nominal volumetric) 누출율을 유지하고자 한다. 이러한 누출 양은 펌프의 상측 내부를 통한 충분한 버퍼/냉각 수 유동을 가능하게 하기에 충분히 크다; 그러나, 원자로 냉각재 시스템 인벤토리(inventory)가 평형 상태에 유지되도록 화학 및 체적 제어 시스템에 의해 보상될 만큼 충분히 작다.
시일을 통한 체적 누출율은 원칙적으로 시일 구성요소의 제조되는 바와 같은 치수, 접합되는 구성요소의 인터페이스에서 접촉 마찰력, 및 시일되는 유체의 동작 온도 및 압력으로부터 기인되는 기계적 그리고 열탄성 변형에 의해서 결정된다. 발전소 운영자는 원자로 냉각재 펌프 시일을 통한 안정된 누출율을 유지하고자 하기 때문에, 제조 공차, 접촉 마찰력, 및 기계적 그리고 열탄성적 변형이 시일 누출율에 최소의 가능한 영향을 작용하도록 시일의 구성을 최적화하는 것이 필요하다.
일반적으로, 본 발명은, 펌프의 회전되는 샤프트에 고정되어 회전되는 샤프트와 함께 회전되도록 구성되는 제1 시일 지지 링 ― 샤프트는 축방향 길이를 가짐―, 및 제1 시일 지지 링의 일 측 상에 지지되는 제1 대향 플레이트 ― 제1 대향 플레이트는 제1 대향 플레이트의 반대 측 상에 시일링 표면을 가짐―를 갖는 제어형 누출 기계식 면 시일을 고려한다. 정역학적 기계식 면 시일은 또한, 회전되는 샤프트를 둘러싸는 하우징의 내부에 고정되도록 구성되며, 어느 정도의 축방향 운동을 갖는 제2 시일 지지 링, 및 제2 시일 지지 링의 일 측 상에 지지되는 제2 대향 플레이트 ― 제2 대향 플레이트는 제2 대향 플레이트의 반대 측 상에 제2 시일링 표면을 가짐―; 을 포함하며, 제2 시일링 표면은 제1 시일링 표면과 나란히 배치된다. 제1 시일 지지 링과 제1 대향 플레이트 사이의 제1 인터페이스 및 제2 시일 지지 링과 제2 대향 플레이트 사이의 제2 인터페이스는, 기계적인 힘 없이, 펌프의 동작 동안 제1 시일링 표면 및 제2 시일링 표면 상의 정역학적 힘이 제1 대향 플레이트를 제1 시일 지지 링에 대하여 그리고 제2 대향 플레이트를 제2 시일 지지 링에 대하여 유지하기에 충분하도록 구성되며, 제어형 누출 경로가 제1 인터페이스와 제2 인터페이스 사이에 있다.
일 실시형태에서, 본 발명은, 축방향 길이를 갖는 회전가능한 샤프트 및 회전가능한 샤프트의 축방향 길이의 적어도 일 부분을 둘러싸고 이로부터 이격되는 환상의 내측 벽을 갖는 하우징을 갖는 펌프를 가능하게 한다. 어느 일 측 상에 면을 갖는 제1 시일 지지 링은 회전가능한 샤프트에 고정적으로 부착되고, 이 둘레로 연장되고, 이와 함께 회전가능하다. 제1 시일 지지 링과 제1 대향 플레이트 사이의 제1 인터페이스 및 제2 시일 지지 링과 제2 대향 플레이트 사이의 제2 인터페이스는, 기계적인 힘 없이, 펌프의 동작 동안 제1 시일링 표면 및 제2 시일링 표면 상의 정역학적 힘이 제1 대향 플레이트를 제1 시일 지지 링에 대하여 그리고 제2 대향 플레이트를 제2 시일 지지 링에 대하여 유지하기에 충분하도록 구성되며, 제어형 누출 경로가 제1 인터페이스와 제2 인터페이스 사이에 있다. 제1 시일 지지 링 쉬라우드의 주연의 축방향 단부에 있는 또는 인접한 립은 회전가능한 샤프트를 향해서 연장된다. 제1 시일 지지 링의 일 면에 있는 환상의 제1 홈은 제1 보스와 제1 시일 지지 링 쉬라우드 사이에서 연장된다. 제1 대향 플레이트는, 제1 시일 지지 링 상의 일 면에 대항하는 일 단부에서, 회전가능한 샤프트로부터 이격되는, 제1 보스의 적어도 일 부분 상에 지지된다. 제1 대향 플레이트는 제1 시일 지지 링 쉬라우드 상의 립 아래에 끼워지는 외측 상에 반경방향으로 연장되는 레지(ledge)를 갖고, 립 아래에 그리고 이로부터 이격된, 제1 시일 지지 링의 쉬라우드 상의 내측 벽 또는 제1 대향 플레이트의 외측 중 어느 하나에 있는 제1 랜드(land)가 제1 시일 지지 링 상의 쉬라우드와 제1 대향 플레이트 사이에 스탠드오프(standoff)를 형성한다. 제1 대향 플레이트는 제1 시일링 표면을 형성하는 일 단부에 축방향으로 반대인 다른 단부를 가지며, 제1 시일링 표면이 제1 시일 지지 링 쉬라우드 상의 립을 축방향으로 지나서 연장되고, 제1 대향 플레이트는 회전가능한 샤프트 둘레로 연장되고 이와 함께 회전가능하다. 어느 일 측 상에 일 면을 갖는 제2 시일 지지 링은 축방향 이동의 자유도를 가지고 하우징의 내측에 고정되고, 회전가능한 샤프트로부터 이격되고 이 둘레에 적어도 부분적으로 연장된다. 제2 시일 지지 링은 회전가능한 샤프트에 인접한 반경방향 내측 단부에 있는 또는 근접한 일 면 상에 있는 축방향으로 연장되는 제2 보스, 및 제2 시일 지지 링의 일 면의 외측 단부에 있는 또는 근접한 축방향으로 연장되는 환상의 쉬라우드를 갖고, 제2 시일 지지 링 쉬라우드의 주연 축방향 단부에 있는 또는 인접한 립이 회전가능한 샤프트를 향해서 연장된다. 제2 시일 지지 링의 일 면에 있는 환상의 제2 홈은 제2 보스와 제2 시일 지지 링 쉬라우드 사이에서 연장된다. 제2 대향 플레이트는, 제2 보스의 적어도 일 부분 상에, 제2 시일 지지 링 상에 있는 일 면에 대항하여, 일 단부에서 지지되고, 회전가능한 샤프트로부터 이격되며, 제2 대향 플레이트의 일 단부가 실질적으로 제2 홈 위에 연장되고, 제2 시일 지지 링 쉬라우드 상의 립 아래에 끼워지는 제2 대향 플레이트의 외측 상에 반경방향으로 연장되는 레지를 갖는다. 제2 시일 지지 링 쉬라우드 상의 립 아래에 그리고 이로부터 이격된, 제2 시일 지지 링의 쉬라우드 상의 내측 벽 또는 제2 대향 플레이트의 외측 중 어느 하나에 있는 제2 랜드가 제2 시일 지지 링 상의 쉬라우드와 제2 대향 플레이트 사이에 스탠드오프를 형성한다. 제2 대향 플레이트는 제2 시일링 표면을 형성하는, 제2 시일 지지 링에 축방향으로 반대인 다른 단부를 가지며, 제2 시일링 표면이 제2 시일 지지 링의 쉬라우드 상의 립을 축방향으로 지나서 연장되고, 제1 시일링 표면에 나란히 배치되고, 제2 대향 플레이트는 실질적으로 회전가능한 샤프트 둘레로 연장되고 이로부터 이격된다.
하나의 이러한 실시형태에 있어서, 제1 시일링 표면 및 제2 시일링 표면 중 적어도 하나는, 축선-대칭이나 반경 방향으로 비-균일한 윤곽이 형성된 표면을 갖도록 구성되어, 제1 시일링 표면과 제2 시일링 표면 사이에 비선형의 압력 분포를 생성한다. 바람직하게는, 제2 대향 플레이트는 축선-대칭이나 반경 방향으로 비-균일하여 제1 시일링 표면과 제2 시일링 표면 사이에 비선형의 압력 분포를 생성하는 윤곽이 형성된 표면을 갖는 제2 시일링 표면을 갖는다.
다른 실시형태에 있어서, 제1 시일링 표면 및 제2 시일링 표면 중 적어도 하나는, 제1 시일링 표면과 제2 시일링 표면 사이에 있고, 가장 큰 축방향 간극이 외측 직경에 있고, 가장 작은 축방향 간극이 내측 직경에 있는 수렴하는 각도를 생성하는 테이퍼진 표면이다. 하나의 이러한 실시형태에 있어서, 제1 시일링 표면 및 제2 시일링 표면 중 적어도 하나는 단차형 또는 비-균일한 텍스쳐 표면을 갖는다.
다른 이러한 실시형태에 있어서, 제1 대향 플레이트 상의 반경방향으로 연장되는 레지가 제1 시일 지지 링 쉬라우드 상의 립 아래에 끼워지는 한편, 펌프의 동작 동안, 제1 시일 지지 링 및 제1 대향 플레이트는, 제1 시일 지지 링에 대해서 제1 대향 플레이트를 유지하기 위한 기계적 힘이 제1 대향 플레이트에 실질적으로 가해지지 않도록 구성되고, 펌프 동작 동안, 반경방향으로 연장되는 레지가 제1 시일 지지 링 쉬라우드 상의 립에 접촉하지 않는다. 바람직하게는, 이러한 실시형태에 있어서, 펌프는 제1 대향 플레이트의 일 단부와 제1 보스의 인터페이스에서 제1 보스의 외측 표면 둘레에 있는 제1 O-링, 및 제2 대향 플레이트의 일 단부와 제2 보스의 인터페이스에서 제2 보스의 외측 표면 둘레에 있는 제2 O-링 중 하나 도는 양자를 포함한다. 바람직하게는, 제1 시일 지지 링은 회전가능한 샤프트를 둘러싸는 제1 그루브를 포함하고, 제3 O-링은 제1 그루브 내에서 회전가능한 샤프트를 둘러싸고 제1 시일 지지 링과 회전가능한 샤프트 사이에 시일을 형성하고; 제2 시일 지지 링은 회전가능한 샤프트에 인접한 하우징의 일 부분을 둘러싸는 제2 그루브를 포함하고, 제4 O-링은 제2 시일 지지 링과 하우징의 부분 사이의 제2 그루브 내에서 하우징의 부분을 둘러싸고, 제2 시일 지지 링과 하우징의 부분 사이에 시일을 형성한다.
본 발명은 전술된 특성을 갖는 정역학적 기계식 면 시일을 또한 고려한다.
본 발명의 더 깊은 이해는, 바람직한 실시형태의 다음 설명이 수반되는 도면과 함께 읽힐 때 이로부터 얻어질 수 있으며, 수반되는 도면에서:
도 1은 원자로를 갖는 폐쇄된 루프 시스템에서 직렬로 연결되는 증기 발생기 및 원자로 냉각재 펌프를 포함하는 종래의 원자로 냉각 시스템의 하나의 냉각 루프의 개략적인 도해이고;
도 2는 시일 하우징 내에 배치되고 펌프 샤프트를 둘러싸는 하측 제1 차, 미들 제2 차 및 상측 제3 차 시일 조립체, 및 시일 하우징의 단면을 도해하는, 원자로 냉각재 펌프의 샤프트 시일 섹션의 절결 사시도이고;
도 3은 도 2의 원자로 냉각재 펌프의 시일 하우징 및 시일 조립체의 일 부분의 확대된 단면도이고;
도 4는, 본 발며이 적용될 수 있는, 도 2 및 도 3에 도시된 하측 일차 시일의 확대된 도를 도시하는 샤프트 시일 배열체의 단면도이고;
도 5는 본 발명의 샤프트 시일의 개략도이고;
도 6은 본 발명의 일 실시형태의 테이퍼진 시일 면의 개략도이고;
도 7은 본 발명의 제2 실시형태의 테이퍼진 시일 면의 개략도이고;
도 8은 본 발명의 제3 실시형태의 비-균일한 윤곽을 갖는 시일 면의 개략도이다.
다음 설명에서, 같은 참조 문자는 몇 개의 도면에 걸쳐서 같은 또는 대응하는 부재를 지칭한다. 또한, 다음 설명에서, "전방", "후방", "좌", "우", "상측", "하측" 등과 같은 방향의 용어가 편의의 용어이고, 한정하는 용어로서 해서되지 않아야 한다는 점이 이해되어야 한다.
종래기술의 원자로 냉각 펌프
본 발명을 이해하기 위해서, 본 발명이 동작될 하나의 환경을 이해하는 것이 도움이 된다. 그러나, 본 발명이 많은 다른 응용을 가질 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 도 1을 참조하면, 종래의 원자로 냉각재 시스템의 복수의 반응기 냉각재 루프(10) 중 하나의 개략적인 표시가 도시된다. 냉각재 루프(10)는 증기 발생기(12), 및 원자로 노심(16)을 갖는 폐쇄된 루프 냉각재 시스템에 직렬로 연결되는 원자로 냉각재 펌프(14)를 포함한다. 증기 발생기(12)는 증기 발생기(12)의 유입구 및 유출구 플레넘(20, 22)과 연통되는 주된 열 교환 튜브(18)를 포함한다. 증기 발생기(12)의 유입구 플레넘(20)은, 일반적으로 폐쇄된 루프 시스템의 핫 레그(hot leg)로 지칭되는, 핫 레그 유동 경로(24)를 따라서 노심(16)으로부터 고온의 냉각재를 수용하기 위한 노심의 유출구와 유동 연통으로 연결된다. 증기 발생기(12)의 유출구 플레넘(22)은 폐쇄된 루프 시스템의 유동 경로(26)를 따라서 원자로 냉각재 펌프(14)의 유입구 섹션 측과 유동 연통으로 연결된다. 원자로 냉각재 펌프(14)의 유출구 압력 측은 폐쇄된 루프 시스템의 콜드 레그(cold leg)의 유동 경로(28)를 따라서 노심(16)으로 상대적으로 저온의 냉각재를 공급하기 위해 노심의 유입구와 유동 연통으로 연결된다.
냉각재 펌프(14)는 폐쇄된 루프 시스템 둘레로 높은 압력 하에 냉각재를 펌핑한다. 특히, 노심(16)으로부터 오는 고온의 냉각재는 증기 발생기(12)의 유입구 플레넘(20)에 그리고 유입구 플레넘과 연통인 열 교환 튜브(18)를 통해서 전도된다. 열 교환 튜브(18) 내에 있는 동안, 고온의 냉각재는 종래의 수단(미도시)를 거쳐서 증기 발생기(12)에 공급되는 냉각 급수와 열 교환 관계로 유동된다. 급수는 가열되고 급수의 부분은 터빈 발전기(미도시)를 구동시키는 데 사용을 위해서 증기로 변화된다. 열 교환에 의해서 온도가 감소된 냉각재는 다음으로 냉각재 펌프(14)를 거쳐서 반응기 코어(16)로 재순환된다.
원자로 냉각재 펌프(14)는 폐쇄된 루프 시스템 둘레로 큰 체적의 높은 온도 및 압력의 원자로 냉각재를 이동시킬 수 있어야 한다. 열 교환의 결과로서 펌프(14)를 통해 증기 발생기(12)로부터 유동되어 오는 냉각재의 온도는 열 교환 전 노심(16)으로부터 증기 발생기(12)로 유동되는 냉각재의 온도보다 실질적으로 낮게 냉각되었지만, 냉각재의 온도는 전형적으로 약 550°F (288°C)으로 여전히 상대적으로 높다. 이 상대적으로 높은 온도에서 액체 상태에 냉각재를 유지하기 위해서, 시스템은 인젝션 펌프(미도시)에 의해서 가압되고, 대략 2,250 psia (155 bar)인 압력에서 동작된다.
도 2 및 도 3에서 도시되는 바와 같이, 종래 기술의 원자로 냉각재 펌프(14)는 일반적으로, 일 단부에서 시일 하우징(32)으로 종단되는 펌프 하우징(30)을 포함한다. 펌프는 또한 펌프 하우징(30)의 중심으로 연장되고 시일 하우징(32) 내에 회전가능하게 장착되고 시일링되는 펌프 샤프트(34)를 포함한다. 비록 도시되지 않으나, 펌프 샤프트(34)의 하부는 임펠러에 연결되는 한편, 펌프 샤프트의 상부는 높은 마력의, 인덕션 타입 전기 모터에 연결된다. 모터가 샤프트(34)를 회전시킬 때, 펌프 하우징(30)의 내부(36)에 있는 임펠러는 가압된 원자로 냉각재가 원자로 냉각재 시스템을 통해서 유동되도록 한다. 이 가압된 냉각재는, 시일 하우징(32)의 외측 부분이 주위 대기에 의해서 둘러 싸여 있기 때문에, 샤프트(34) 상에 상측으로 지향된 정역학적 로드를 가한다.
펌프 하우징 내부(36)와 시일 하우징(32)의 외부 사이에 2,250 psia (155 bar)의 압력 경계를 유지하는 하면서, 펌프 샤프트(34)가 시일 하우징(32) 내에서 자유롭게 회전될 수 있기 위해서, 탠덤(tandem)으로 배열된 하측 일차, 미들 이차 및 상측 삼차 시일 조립체(38, 40, 42)가 시일 하우징(32) 내의 펌프 샤프트(34) 둘레로 도 2 및 도 3에 도시되는 위치에 제공된다. 압력 시일링의 대부분(대략 2,200 psi (152 bar))을 행하는 하측 일차 시일(38)은 비-접촉 정역학적 타입인 반면, 미들 이차 및 상측 삼차 시일 조립체(40, 42)는 접촉 또는 러빙(rubbing) 기계 타입이다.
일반적으로 펌프(14)의 시일 조립체(38, 40, 42) 각각은 펌프 샤프트(34)에 장착되어 함께 회전되기 위한 각각의 환상 런너(44, 46, 48) 및 시일 하우징(32) 내에 정지되게 장착되는 각각의 환상 시일 링(50, 52, 54)을 포함한다. 각각의 런너(44, 46, 48) 및 시일 링(50, 52, 54)은 서로 대향하는 상부 표면(56, 58, 60) 및 하부 표면(62, 64, 66)을 갖는다. 하측 일차 시일링 조립체(38)의 런너(44) 및 시일 링(50)의 대향하는 표면(56, 62)은 통상적으로 서로 접촉하지 않고 대신에 유체 필름이 통상적으로 이들 사이에서 유동된다. 다른 한편으로, 미들 이차 시일 조립체(40) 및 상측 삼차 시일 조립체(42)의 런너 및 시일 링(46, 52 및 48, 54)의 대향 표면(58, 64 및 60, 66)은 통상적으로 서로에 대하여 접촉되거나 또는 러빙된다.
일차 시일링 조립체(38)는 통상적으로 필름-라이딩(film-riding) 모드에서 동작되기 때문에, 시일 하우징(32)의 환상 벽(33)과 여기에 회전가능하게 장착된 샤프트(34) 사이의 공간에서 "누출"되는 냉각 유체를 핸들링하기 위한 어떤 대비가 있어야 한다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 시일 하우징(32)은 일차 누출 포트(69)를 포함하는 한편, 누출 포트(71)는 이차 시일 조립체(40) 및 삼차 시일 조립체(42)로부터의 냉각재 유체 누출을 수용한다.
도 4는 도 2 및 도 3에서 도해된 타입의 번호 1 시일 또는 일차 하측 시일의 영역에 있는 시일 하우징의 단면도이고, 번호 1 시일의 동작 및 이것이 본 발명과 어떻게 인터페이스하는지에 대한 더 양호한 이해를 젝공한다. 도시된 구조체는, 하우징(32) ― 하우징(32) 내에 압력 챔버(35)를 형성하도록 구성된 환상 벽(33)을 가짐―; 하우징(32) 내에 회전가능하게 장착된 샤프트(34); 하우징 내(32)에 배치되는 시일 런너 조립체(44) 및 시일 링 조립체(50)를 포함한다. 앞에서 언급된 바와 같이, 샤프트(34)는 적합한 모터(미도시)에 의해서 구동될 수 있으며, 가압된 시스템 내의 냉각재를 순환시키는 원심 펌프(미도시)의 임펠러를 구동시키기 위해서 사용될 수 있다. 주입수는 펌프에 의해서 증가된 것보다 더 높은 압력으로 챔버(35)에 공급될 수 있다. 런너 조립체(44)는 환상 홀더(70) 및 환상 시일 플레이트(72)를 포함한다. 유사하게, 시일 링 조립체(50)는 홀더(74) 및 환상 대향 플레이트(76)를 포함한다.
홀더(70)는, 샤프트(34) 상의 쇼울더(80)와 결합되고, 단면에서 전체적으로 L-형상인 지지부(78)의 상측으로 연장된 레그(84)와 샤프트 사이에서 샤프트(34) 상에 조립되는 슬리브(82)에 의해서 샤프트 상에 고정되는 환상 지지부(78) 상에 장착되기 때문에 샤프트(34)와 함께 회전된다. 본 발명의 이 실시형태가 펌프 샤프트 위에 슬리브를 채용하는 펌프에 적용되는 것으로 설명되고 있으나, 본 발명이 슬리브를 채용하지 않는 펌프 샤프트에도 또한 균등하게 채용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 홀더(70) 상의 쇼울더(86)는 레그(84)의 상측 단부에 지지되고, 슬리브(82) 상의 쇼울더(88)는 지지부(84) 상에 홀더(70)를 유지한다. 핀(90)은 슬리브(82)의 오목부(92) 안으로 가압되고 홀더(70) 내 축방향 슬롯(94)에 결합된다. 축방향 클램핑 힘은 슬리브(82) 및 지지부(78)가 샤프트(34)와 함께 회전되도록 하는 너트(미도시)로부터 슬리브(82) 및 지지부(78) 상에 작용된다. 핀(90)은, 다음으로, 샤프트(34)와 함께 회전되는 슬리브(82)와 함께 홀더(70)가 회전되도록 한다. O-링 시일(96, 98)은 지지부(78)와 샤프트(34)와 홀더(70) 사이에 각각 제공된다. O-링 시일(100)은 홀더(70)와 시일 플레이트(72) 사이의 인터페이스(102)에 제공된다.
시일 플레이트(72)는 홀더(70)를 구성하는 재료와 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 내부식성 및 내침식성 재료로 구성되고, 홀더(70)는 높은 탄성 계수를 갖는다. 유사하게, 대향 플레이트(76)는 탄성 계수를 갖는 홀더(74)의 재료와 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 내부식성 및 내침식성 재료로 구성된다. 적합한 재료의 예는 카바이드 및 세라믹이다. O-링 시일(104)은 홀더(74)와 대향 플레이트(76) 사이의 인터페이스(106)에 제공된다.
홀더(74)는, 단면이 전체적으로 L-형상인 환상 시일 링 인서트(110)의 하측방향으로 연장되는 레그(108) 상에 이동가능하게 장착된다. 인서트(110)는 캡 스크류(112)에 의해서 하우징(32)에 유지된다. O-링 시일(114)은 인서트(110)와 하우징(32) 사이의 인터페이스에 제공된다. 유사하게, O-링 시일(118)은 홀더(74)와 인서트(110)의 레그(108) 사이의 인터페이스(120)에 제공된다. 홀더(74)의 회전 운동은 인서트(110) 안으로 가압되는 핀(122)에 의해서 방지된다. 핀(122)은 핀(122)과 웰(well)(126)의 벽 사이에 충분한 간극을 둔 채로 홀더(74)의 웰(124) 안으로 연장되어 홀더(74)의 축방향 운동을 허용하나, 홀더(74)의 회전 운동은 한정한다.
대향 플레이트(76)는 리테이너 링(130), 클램프 링(132), 락 링(134), 복수의 캡 스크류(136) 및, 락 링(134)과 클램프 링(132) 사이의 캡 스크류(136) 상에 장착된 접시 스프링(138)을 포함하는 클램핑 수단(128)에 의해서 홀더(74)에 부착된다. 캡 스크류(136)는 리테이너 링(130), 클램프 링(132) 및 접시 스프링(138)을 통해서 연장되고 락 링(134) 안으로 나사조임된다. 홀더(74)의 인터페이스(106)는 140에서 오목하여, 대향 플레이트(76)의 인터페이스의 외측 직경보다 더 작은 외측 직경에서 인터페이스 상에 환상 지렛대 받침(142)을 제공한다. 리테이너 링(130)은 지렛대 받침(142)을 넘어서 연장되는 대향 플레이트(76)의 부분(146)과 결합되는 리지(ridge; 144)를 갖는 내측으로 연장되는 플랜지를 갖는다. 클램프 링(132)은 홀더(74) 상에 대향 플레이트(146)를 결합시키는 리지(148)를 갖는 내측으로 연장되는 플랜지를 갖는다. 따라서, 캡 스크류(136)가 조여져 클램프 링(132)과 리테이너 링(130)을 서로를 향해서 당길 때, 지렛대 받침대(142)를 중심으로 대향 플레이트(76) 상에 외팔보 효과를 작용시키는 힘이 생성된다. 클램핑 동작 동안에, 접시 스프링(138)은 부분적으로 압축되고, 대향 플레이트(76)는 클램핑 힘에 의해서 변형된다.
시일 플레이트(72)는 페이스 플레이트(76)를 참고하여 설명된 것과 유사한 방식으로 클램핑 수단(151)에 의해서 홀더(70)에 부착된다. 그러나, 홀더(70)의 인터페이스(102) 상의 지렛대 받침(152)은 홀더(74) 상의 지렛대 받침(142)보다 시일 플레이트(72)의 외측 직경에 더 가깝게 위치된다. 따라서, 시일 플레이트(72) 상의 클램핑 힘은 대향 플레이트(76) 상에서 생성되는 것만큼 많은 지렛대 받침(152)을 둘레로한 대향 플레이트의 변형을 생성하지 못한다. 만약 희망되면, 지렛대 받침(142 및 152)은 이들의 대응하는 대향 플레이트에 대해서 동일한 위치에 위치될 수 있다.
앞에서 설명된 바와 같이, 시일 링(50)은 샤프트(34) 및 시일 런너 조립체(44)에 대한 한정된 축방향 운동을 위해서 장착된다. 또한, 시일 링 조립체(50)의 회전 운동은 시일 링 홀더(74)의 웰(124)에 느슨하게 맞춰진 반-회전 핀(122)에 의해서 한정된다. 대향 플레이트(76) 상의 시일 면(154)은 중력에 의해서 시일 플레이트(72) 상의 마주하는 시일 면(156)을 향해서 편향된다.
샤프트(34)에 의해서 구동되는 펌프의 동작 중에, 시일 링 홀더(74)의 표면(158 및 160)은 고압 챔버(35) 내의 온전한 압력을 받는다. 고압 챔버(35)와 슬리브(82)에 인접한 환상의 저압 영역(162) 사이에 압력 장벽을 제공하는 것이 바람직하다. 시일 링 조립체는 압력 장벽 수단으로서 활용되나, 각각의 시일 플레이트(76, 72) 상의 마주하는 시일 표면(154 및 156) 사이에 제공되는 시일 갭(164)을 통한 압력 챔버(35)로부터 영역(162)으로의 제어된 유체 누출 유동량을 허용한다.
동작 동안, 축방향으로 이동가능한 시일 링 조립체(50)의 균형잡힌 또는 평형 위치는 시일 링 조립체의 반대 면들 상의 압력에 따라서 유지된다. 갭(164)에서 유체의 두께 및 결과적으로 갭(164)을 통한 누출 유동량은 갭(164)의 구성에 의해서 결정된다.
시일 갭(164)이 변할 때 시일 링 조립체(50) 및 런너 조립체(44)의 상대적인 위치의 자동 복원을 얻기 위해서, 감소되는 두께의 유체 유동 경로가 고압 에지 또는 첨단(166)으로부터 시일 대향 첨단들 사이의 위치로 제공된다. 좀 더 구체적으로, 도해된 구조체에서, 감소되는 두께의 유체 유동 경로는 외측 에지(166)와 시일링 면(154) 상의 168에 위치되는 중간의 동심 원 사이에서 연장된다.
본 구조체에서 도시된 바와 같이, 감소하는 유동 경로 두께는 페이스 플레이트(76)의 외측 에지(166)와 원(168) 사이에서 시일 플레이트(72) 상의 면의 대향하는 표면(156)으로부터 약간 멀어지도록 표면(154)을 테이퍼지게 함로써 형성된다. 도면에 도시되는 표면들(154 및 156) 사이의 각도는 과장되었다. 이 구성 또는 구조체는 테이퍼-면 시일로 알려져 있다. 이 타입의 시일의 동작은 Erling Frisch에게 1967년 10월 17일에 발행된 미국 특허 No. 3,347,552에서 완전히 설명된다.
따라서, 원자로 냉각재 펌프 및, 모터와 같은 구동기와 프로세스 유체 사이에서 기계적 에너지를 전달하는 회전 샤프트를 활용하는 유사한 기계는, 샤프트가 프로세스 경계를 관통하기 때문에, 샤프트로를 따라서 프로세스 유체를 격리시키기 위해서, 위에서 설명된 것과 같은 샤프트 시일의 사용을 요구한다. 정역학적 균형이 잡힌 기계식 면 시일은 이러한 응용을 위해서, 특히 높은 신뢰성, 제어된 누출 및 한정된 마모를 요구하는 경우에 주로 사용된다. 이러한 시일은 두 개의 인터페이스 부재를 활용하며, 이중 하나는 회전 샤프트에 고정되는 반면 나머지는 정지된 하우징에 고정된다. 각각의 부재는 정확하게 설계된 "시일 면"을 가지며, 이 면은, 면이 서로 접촉하지 않으나 누출이 관리가능한 레벨로 제어되도록 작은 축방향 간극으로 서로 인터페이스한다.
본 발명의 향상된 시일
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시일은 또한 두 개의 대항하는 조립체- 회전 조립체(226)는 펌프 샤프트(230)에 고정되고 정지형 조립체(228)는 하우징(232)에 고정됨-를 채용한다. 각각의 조립체는, 베이스 지지 링(204, 222) 및 지지 쉬라우드(234, 236)에 의해서 지지되는 세라믹 시일 면 플레이트(210, 212)를 포함한다. 펌프의 프로세스 유체는 시일의 외측 표면 상에 있고 내측 표면은 저압 배출 시스템에 연결된다. 누출은 외측 직경으로부터 내측 직경으로 시일 면들 사이의 축방향 갭을 통과하고, 압력은 경로를 따라서 프로세스 유체의 압력으로부터 방출 시스템의 압력으로 감소된다.
기계적 여기 또는 차등 열 팽창 때문에 발생될 수 있는 것과 같은, 하우징(232)에 상대적인 펌프 샤프트(230)의 축방향 운동을 수용하기 위해서, 정지형 조립체(228)는 축방향으로 제한되지 않고 자유롭게 이동될 수 있다. 회전 조립체(226)에 대한 정지형 조립체(228)의 축방향 위치는 정지형 조립체에 작용되는 힘의 균형에 의해서 설정된다. 프로세스 유체의 압력은 동적 O-링(202)의 외부의 정지형 조립체(228)의 상부 표면 상에 작용되고, 방출 시스템의 압력은 동적 O-링(202)의 내부의 정지형 조립체(228)의 상부 표면 상에 작용된다. 이러한 압력들 및 정지형 조립체(228)의 중량으로부터 귀결되는 전체 정역학적 힘은 정지형 조립체를 회전 조립체(226)를 향해서 밀도록 작용된다. 이 힘에 대항하여, 정지형 조립체와 회전 조립체의 면들 사이에서 압력의 분포는 정지형 조립체(228)를 회전 조립체(226)로부터 멀어지게 밀도록 작용된다. 시일 면들(208, 216) 사이에서 유체 압력 분포의 형상은 비선형이고, 정지형 조립체와 회전 조립체 사이의 유동 경로의 기하학적 형상에 의존한다. 따라서, 정지형 조립체(228)가 회전 조립체(226)로부터 더 멀어지거나 이를 향햐서 더 가깝게 이동됨에 따라서 압력 분포의 형상이 변한다. 정지형 조립체(228)가 회전 조립체(226)로부터 더욱 멀어지게 이동될 때, 압력 분포는 더욱 선형으로 되고 결과적인 정역학적 힘은 감소된다. 반면에, 정지형 조립체(228)가 회전 조립체(226)를 향해서 더 가깝게 이동될 때, 압력 분포는 더욱 평탄해지고 결과적인 정역학적 힘은 증가된다. 이 거동은 "로드 지지"로 지칭되고, 시일이 외측에서 가해지는 로드에 관계없이 시일 면들(208, 216) 사이에 안정되고 유한한 간극을 유지하도록 한다. 따라서 시일은, 면들이 터치되지 않고, 마모가 최소이고, 누출율이 상대적으로 일정하도록 일정한 축방향 간극을 유지한다.
시일 면들(208, 216)의 축방향 위치는 지지 링(204, 222)에 의해서 설정된다. 회전 조립체를 위한 지지 링(222)은 펌프 샤프트(230)에 부착되고, 회전 조립체의 축방향 위치는 샤프트 상의 쇼울더(206)에 의해서 설정된다. 토크는, 지지 링(222) 상의 호환 슬롯에 결합되는 하나 또는 그 초과의 키 또는 스크류(218)에 의해서 지지 링(222)과 샤프트(230) 사이에서 전송된다. 지지 링(222)은, 펌프 샤프트(230)와 인터페이스하고, 시일의 고압 측과 저압 측 사이에서 정적인 시일 조인트를 형성하는 O-링(224)을 수용한다. 지지 링(222)은 또한 시일의 고압 측과 저압 측 사이에서 지지 링(222)의 상부와 대향 플레이트(210)의 하부 사이에 정적인 시일 조인트 형성하는 하측 지지 링(222)의 상부 면 상에 O-링(220)을 수용한다. O-링(220)의 반경방향 위치는, 대향 플레이트(210)의 필름 표면(216) 상의 정역학적 압력으로부터 기인되는 힘의 차이가 대향 플레이트(210)의 하부 표면 상의 정역학적 압력으로부터 기인되는 힘보다 더 크도록 선택된다. 최종적인 힘은 대향 플레이트(210)가 지지 링(222)에 대해서 견고하게 유지되도록 한다. 또한 O-링의 반경방향 위치는, 필름 표면의 기하학적 형상과 관련하여, 대향 플레이트(210) 상에 작용되는 결과적인 모멘트가 시일 면들(208 및 216) 사이에서 통과되는 유체 필름의 소망되는 인터페이스 기하학적 형상을 유지하기 위해서 대향 플레이트의 중심을 둘레로 대향 플레이트의 수용가능한 각 변형을 생성하도록 선택된다. 지지 링(222)은 또한, 샤프트(230)와 지지 링(222)과 대향 플레이트(210) 사이의 상대적인 회전이 허용되지 않도록 지지 링(222)과 대향 플레이트(210) 사이의 토크 전달을 위해서 사용되는 하나 또는 그 초과의 구동 핀(218)을 수용한다.
정지형 조립체(228)를 위한 지지 링(204)은 회전 조립체(226)와 정렬되게 정지형 조립체 대향 플레이트(212)를 유지하고, 정지형 조립체(228)와 하우징 인서트(200) 사이의 슬라이딩 인터페이스를 따라서 시일의 고압 측과 저압 측 사이에서 압력을 브레이크 다운(break down)하는 동적 O-링 시일(202)을 수용한다. 정지형 조립체 지지 링(204)은 또한 대향 플레이트(212)에 인접한 면 상에 O-링(224)을 수용하고, 회전 조립체 지지 링(222)과 같은 방식으로, O-링(224)의 반경방향 위치는, 대향 플레이트(212)의 필름 표면(208) 상의 정역학적 압력으로부터 기인되는 힘의 차이가 대향 플레이트(212)의 후방 표면 상의 정역학적 압력으로부터 기인되는 힘보다 더 크도록 선택된다. 이와 같이, 정지형 조립체 대향 플레이트(212)는 정지형 조립체 지지 링(204)과 견고한 접촉으로 유지된다. 또한 O-링(224)의 반경방향 위치는, 시일링 표면(208)의 필름 표면의 기하학적 형상과 관련하여, 대향 플레이트(212) 상에 작용되는 결과적인 모멘트가 시일 면들(208 및 216) 사이에서 통과되는 유체 필름의 소망되는 인터페이스 기하학적 형상을 유지하기 위해서 대향 플레이트의 중심을 둘레로 대향 플레이트(212)의 수용가능한 각 변형을 생성하도록 선택된다. 정지형 조립체 지지 링(204)은 또한, 정지형 조립체 대향 플레이트(212)와 정지형 조립체 지지 링(204) 사이의 상대적인 회전을 방지하는 하나 또는 그 초과의 핀(예를 들어, 회전 조립체(226)의 핀(218))을 수용한다.
회전 조립체(226) 및 정지형 조립체(228) 모두는, 기계적 고정구(214)에 의해서 지지 링(204, 222)에 고정되는 지지 쉬라우드(234, 236)를 갖는다. 지지 쉬라우드(234, 236)는, 조립 및 기동(startup)을 위해 지지 링(204, 222) 상에 대향 플레이트(212, 210)를 유지하도록 각각의 대향 플레이트(212, 210)의 반경방향 센터링(centering)을 제공하는 역할을, 대향 플레이트 O-링(224, 220)의 초기 압축을 제공하는 역할을, 그리고 프로세스 유체의 급격한 온도 변화 및, 시일의 기하학적 형상 및 누출율을 변경할 수 있는 결과적인 열-탄성 찌그러짐으로부터 대향 플레이트(212, 210)의 외측 표면을 보호하기 위한 열적 장벽을 제공하는 역할을 한다. 지지 쉬라우드(234, 236)는, 정상 동작 동안에, 작은 축방향 간극이 대향 플레이트(212, 210) 상의 대응하는 쇼울더와 지지 쉬라우드(234, 236)의 내측 면 사이에 존재하도록 치수지어 진다.
대향 플레이트(212, 210)의 형상은, 압력, 긱계적 로드 및 열적 로드로부터 기인되는 최종적인 모멘트가 정지형 및 회전 조립체의 대향 플레이트(212, 210)의 필름 표면(208, 216)의 외측 에지가 더 근접된 축방향 거리가 되게 하는 약간의 축-대칭 변형을 생성도록 선택된다. 정지형 대향 플레이트(212)는, 선대칭이나 반경 방향으로 비-균일한 윤곽이 형성된 표면(208)을 갖는다. 표면 윤곽은 위에서 논의된 바와 같이 로드 지지를 생성하는 대향 플레이트(212, 210) 사이에 비선형 압력 분포를 생성한다. 본 명세서에서 설명되는 바람직한 실시형태는, 도 6에 도시되는 바와 같이 가장 큰 축방향 간극을 외측 직경에서 갖고 가장 작은 축방향 간극을 내측 직경에서 갖는 상태로 정지형 조립체 대향 플레이트(212)와 회전 조립체 대향 플레이트(210) 사이에 수렴하는 각도를 생성하는 정지형 조립체 대향 플레이트(212) 상의 테이퍼진 표면(208)을 활용한다. 본 발명의 대안적인 실시형태는 테이퍼진 필름 표면과 함께 또는 대신에 도 7에 도시된 바와 같은 단차형 표면 또는 도 8에 도시된 바와 같은 비균일 표면 텍스쳐링(texturing)을 활용함으로써 구현될 수 있다. 대향 플레이트(212, 210)가 작은 비틀림 변형을 허용하도록 구성되기 때문에, 수렴하는 각도의 크기는 시일의 프로세스 측과 방출 측 사이의 압력 및 온도 차이에 대응하여 변한다. 설계자는, 특정한 응용을 위해서 적합한 시일 누출율, 온도 상승 및 압력-유동 관계를 달성하도록 대향 플레이트(212, 210) 및 표면 윤곽의 형상을 튜닝할 수 있다.
본 발명의 향상된 정역학적, 기계식 면 시일은, 세라믹 시일 대향 플레이트(212, 210)가 회전 조립체 및 정지형 조립체에 지지되고, 배향되고 부착되는 방법에 주로 있는 기존 기술로부터 벗어남을 나타낸다. 기존의 설계는 세라믹 대향 플레이트 상에 기계적 클램핑 힘을 작용하는 "클램핑 링"을 채용한다. 기계적 클램핑 힘은, 시일의 저압 측으로 포트(port)되는 두 개의 O-링 사이에 시일링된 차등 영역에 의해서 생성되는 정역학적 힘 및 기계적 고정구로부터의 전부하 때문이다. 클램프 링은 베이스 상에 대향 플레이트를 유지하고, 대향 플레이트의 주연 둘레의 압력의 비균등한 분포로 인한 반경방향 테이퍼 찌그러짐을 제어하는 기능을 한다. 기존의 배열체는, 대향 플레이트 상에 작용하는 클램핑 힘이 굴곡 및 높은 마찰 로딩을 유발하고, 또한 정역학적 클램프 링에서 O-링의 시간 의존적 거동, 마찰 및 압축과 관련된 상당한 민감성을 유발하기 때문에, 문제가 있다. 이러한 효과는 시일이 잠재적으로 예상될 수 없는 방식으로 반응하게 한다.
향상된 설계는 정역학적 클램프 링을 제거하고, 이 클램핑 링을, 조립 및 기동 동안에 대향 플레이트를 베이스 상에 고정하는 역할을 하는 지지 쉬라우드로 교체한다. 기존의 설계가, 동작의 모든 모드 동안에 반경방향 테이퍼를 제어하고 대향 플레이트를 베이스에 고정하기 위해서 정역학적 클램프 링과의 접촉에 의존하는 반면, 향상된 설계는, 정상 동작 동안에, 대향 플레이트가 지지 쉬라우드와 접촉되지 않도록 한다. 이러한 접근법은, 정역학적 클램프 링과 관련된 잠재적인 굴곡, 마찰 로딩 및 O-링 민감성을 제거한다. 기계적 클램핑 힘을 제거하기 위해서, 향상된 시일은, 단지 정역학적 힘이 지지 링에 대향 플레이트를 고정시키고 반경방향 테이퍼를 제어하도록 구성되었다. 이것은, 대향 플레이트의 필름 표면 상에 작용하는 정역학적 힘이 대향 플레이트의 후방에 작용하는 정역학적 힘보다 약간 더 크도록 하는 구성 내에서 대향 플레이트와 지지 링 사이에 O-링을 위치시킴으로써 달성된다. 결과적인 축방향 힘은, 어떠한 기계적인 클램핑 메커니즘 또는 고정구 없이 지지 링에 대향 플레이트를 고정하는 최종적인 로드를 생성한다. 반경방향 테이퍼 제어는, 가해지는 정역학적 힘이 대향 플레이트 단면 중심을 둘레로하는 희망되는 비틀림 모멘트를 생성하여, 차압이 증가함에 따라 시일 면들 사이의 최종적인 수렴하는 반경방향 테이퍼가 감소되는 방식으로 대향 플레이트의 단면 및 면 형태를 설계함으로써 달성된다. 시일 누출율과 압력 유동 관계는 특정 응용을 위해서 적합한 시일 누출율을 달성하기 위해서 백업 O-링 위치, 대향 형태 설계, 및 시일 면의 형상을 개조함으로써 설계자에 의해서 튜닝될 수 있다.
본 발명의 특정 실시형태가 상세히 설명되었으나, 이 상세에 대한 다양한 변경 및 대안이 개시의 전체적 교시에 비추어 개발될 수 있다는 점이 당업자에 의해서 이해될 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시형태는 본 발명의 범위에 대해서 한정적이지 않고 단지 도해적인 것으로 의도되며, 본 발명의 범위에 첨부된 청구항의 전체 범위 및 이의 어느 하나 또는 모든 균등물이 주어진다.

Claims (21)

  1. 펌프(14)에 있어서,
    축방향 길이를 갖는 회전가능한 샤프트(230);
    상기 회전가능한 샤프트(230)의 상기 축방향 길이의 적어도 일 부분을 둘러싸고 이로부터 이격되는 환상의 내측 벽을 갖는 하우징(232);
    상기 회전가능한 샤프트(230)에 고정적으로 부착되고, 이의 둘레로 연장되고, 그리고 이와 함께 회전가능하고, 일 측 상에 일 면을 갖는 제1 시일 지지 링(222) ― 상기 제1 시일 지지 링(222)은 상기 회전가능한 샤프트(230)에 인접한 반경방향 내측 단부에 있는 또는 근접한 상기 제1 시일 지지 링의 일 면 상에 있는 축방향으로 연장되는 제1 보스, 및 상기 제1 시일 지지 링(222)의 상기 일 면의 외측 단부에 있는 또는 근접한 축방향으로 연장되는 환상의 쉬라우드(236)를 갖고, 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236)의 주연 축방향 단부에 있는 또는 인접한 립이 상기 회전가능한 샤프트(230)를 향해서 연장되고, 상기 제1 시일 지지 링(222)의 상기 일 면에 있는 환상의 제1 홈이 상기 제1 보스와 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236) 사이에서 연장됨 ―;
    상기 회전가능한 샤프트(230)로부터 이격되는, 상기 제1 보스의 적어도 일 부분 상에, 상기 제1 시일 지지 링(222) 상에 있는 상기 일 면에 대항하여, 일 단부에서 지지되는 제1 대향 플레이트(210) ― 상기 제1 대향 플레이트(210)의 상기 일 단부가 실질적으로 상기 제1 홈 위에 연장되고, 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236) 상의 상기 립 아래에 끼워지는 외측 상에 반경방향으로 연장되는 레지(ledge)를 갖고, 상기 립 아래에 그리고 이로부터 이격된, 상기 제1 시일 지지 링(222)의 쉬라우드 상의 내측 벽 또는 제1 대향 플레이트(210)의 외측 중 어느 하나에 있는 제1 랜드(land)가 상기 제1 시일 지지 링(222) 상의 쉬라우드(236)와 상기 제1 대향 플레이트(210) 사이에 스탠드오프(standoff)를 형성하며, 상기 제1 대향 플레이트가, 제1 시일링 표면(216)을 형성하는 상기 일 단부에 축방향으로 반대인 다른 단부를 갖고, 상기 제1 시일링 표면이 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236) 상의 상기 립을 축방향으로 지나서 연장되고, 상기 제1 대향 플레이트(210)가 상기 회전가능한 샤프트(230) 둘레로 연장되고 이와 함께 회전가능함―;
    축방향 이동의 자유도를 가지고 상기 하우징(232)의 내측에 고정되고, 상기 회전가능한 샤프트(230)로부터 이격되고 이 둘레에 적어도 부분적으로 연장되고, 어느 일 측 상에 일 면을 갖는 제2 시일 지지 링(204) ― 상기 제2 시일 지지 링(204)은 상기 회전가능한 샤프트(230)에 인접한 반경방향 내측 단부에 있는 또는 근접한 상기 제2 시일 지지 링의 일 면 상에 있는 축방향으로 연장되는 제2 보스, 및 상기 제2 시일 지지 링(204)의 상기 일 면의 외측 단부에 있는 또는 근접한 축방향으로 연장되는 환상의 쉬라우드(234)를 갖고, 상기 제2 시일 지지 링 쉬라우드(234)의 주연 축방향 단부에 있는 또는 인접한 립이 상기 회전가능한 샤프트(230)를 향해서 연장되고, 상기 제2 시일 지지 링(204)의 상기 일 면에 있는 환상의 제2 홈이 상기 제2 보스와 상기 제2 시일 지지 링 쉬라우드(234) 사이에서 연장됨 ―; 및
    상기 회전가능한 샤프트(230)로부터 이격되는, 상기 제2 보스의 적어도 일 부분 상에, 상기 제2 시일 지지 링(204) 상에 있는 상기 일 면에 대항하여, 일 단부에서 지지되는 제2 대향 플레이트(212) ― 상기 제2 대향 플레이트(212)의 상기 일 단부가 실질적으로 상기 제2 홈 위에 연장되고, 상기 제2 시일 지지 링 쉬라우드(234) 상의 상기 립 아래에 끼워지는 상기 제2 대향 플레이트(212)의 외측 상에 반경방향으로 연장되는 레지를 갖고, 상기 제2 시일 지지 링 쉬라우드(234) 상의 상기 립 아래에 그리고 이로부터 이격된, 상기 제2 시일 지지 링(204)의 쉬라우드 상의 내측 벽 또는 제2 대향 플레이트(212)의 외측 중 어느 하나에 있는 제2 랜드가 상기 제2 시일 지지 링(204) 상의 쉬라우드(234)와 상기 제2 대향 플레이트(212) 사이에 스탠드오프를 형성하며, 상기 제2 대향 플레이트가, 제2 시일링 표면(208)을 형성하는, 상기 제2 대향 플레이트(212) 상의 상기 일 단부에 축방향으로 반대인 다른 단부를 갖고, 상기 제2 시일링 표면이 상기 제2 시일 지지 링(204)의 쉬라우드 상의 상기 립을 축방향으로 지나서 연장되고, 상기 제1 시일링 표면(216)에 나란히 배치되고, 상기 제2 대향 플레이트(212)가 실질적으로 상기 회전가능한 샤프트(230) 둘레로 연장되고 이로부터 이격됨―;을 포함하는,
    펌프.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 시일링 표면(216) 및 상기 제2 시일링 표면(208) 중 적어도 하나는, 축선-대칭이나 반경 방향으로 비-균일한 윤곽이 형성된 표면을 갖도록 구성되어, 상기 제1 시일링 표면(216)과 상기 제2 시일링 표면(208) 사이에 비선형의 압력 분포를 생성하는,
    펌프.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 대향 플레이트(212)는, 상기 제1 시일링 표면(216)과 상기 제2 시일링 표면(208) 사이에 비선형의 압력 분포를 생성하도록 축선-대칭이나 반경 방향으로 비-균일한 윤곽이 형성된 표면을 갖는 제2 시일링 표면(208)을 갖는,
    펌프.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 시일링 표면(216) 및 상기 제2 시일링 표면(208) 중 적어도 하나는, 상기 제1 시일링 표면(216)과 상기 제2 시일링 표면(208) 사이에 있고, 가장 큰 축방향 간극이 외측 직경에 있고, 가장 작은 축방향 간극이 내측 직경에 있는 수렴하는 각도를 생성하는 테이퍼진 표면인,
    펌프.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 시일링 표면(216) 및 상기 제2 시일링 표면(208) 중 적어도 하나는 단차형 또는 비-균일한 텍스쳐 표면을 갖는,
    펌프.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 시일링 표면(216) 및 상기 제2 시일링 표면(208) 중 적어도 하나는 단차형 또는 비-균일한 텍스쳐 표면을 갖는,
    펌프.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 대향 플레이트(210)의 상기 일 단부와 상기 제1 보스의 인터페이스에서, 상기 제1 보스의 외측 표면 둘레에 있는 제1 O-링(220)을 포함하는,
    펌프.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 대향 플레이트(210) 상의 상기 반경방향으로 연장되는 레지가 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236) 상의 상기 립 아래에 끼워지는 한편, 상기 펌프(14)의 동작 동안, 상기 제1 시일 지지 링(222) 및 상기 제1 대향 플레이트(210)는, 상기 제1 시일 지지 링(222)에 대해서 상기 제1 대향 플레이트를 유지하기 위한 기계적 힘이 상기 제1 대향 플레이트(210)에 실질적으로 가해지지 않도록 구성되고, 펌프 동작 동안, 상기 반경방향으로 연장되는 레지가 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236) 상의 립에 접촉하지 않는,
    펌프.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 대향 플레이트(212)의 상기 일 단부와 상기 제2 보스의 인터페이스에서, 상기 제2 보스의 외측 표면 둘레에 있는 제2 O-링(224)을 포함하는,
    펌프.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 시일 지지 링(222)은 상기 회전가능한 샤프트(230)를 둘러싸는 제1 그루브를 포함하고, 제3 O-링(202)은 상기 제1 그루브 내에서 상기 회전가능한 샤프트(230)를 둘러싸고, 상기 제1 시일 지지 링(222)과 상기 회전가능한 샤프트(230) 사이에 시일을 형성하고; 상기 제2 시일 지지 링(204)은 상기 회전가능한 샤프트(230)에 인접한 상기 하우징(232)의 일 부분을 둘러싸는 제2 그루브를 포함하고, 제4 O-링(202)은 상기 제2 시일 지지 링(204)과 상기 하우징(232)의 상기 부분 사이의 상기 제2 그루브 내에서 상기 하우징(232)의 상기 부분을 둘러싸고, 상기 제2 시일 지지 링(204)과 상기 하우징(232)의 상기 부분 사이에 시일을 형성하는,
    펌프.
  11. 정역학적 기계식 면 시일에 있어서,
    회전가능한 샤프트(230)에 고정적으로 부착되고, 이의 둘레로 연장되고, 그리고 이와 함께 회전가능하도록 구성되고, 일 측 상에 일 면을 갖는 제1 시일 지지 링(222) ― 상기 정역학적 기계식 시일은, 일부 제어된 누출을 제외하고, 제1 시일 지지 링의 외측 표면 상의 프로세스 유체로부터 실질적으로 격리되는 것이 의도되고, 상기 제1 시일 지지 링(222)은 상기 회전가능한 샤프트(230)에 인접한 반경방향 내측 단부에 있는 또는 근접한 상기 제1 시일 지지 링의 일 면 상에 있는 축방향으로 연장되는 제1 보스, 및 상기 제1 시일 지지 링(222)의 상기 일 면의 외측 단부에 있는 또는 근접한 축방향으로 연장되는 환상의 쉬라우드(236)를 갖고, 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236)의 주연 축방향 단부에 있는 또는 인접한 립이 상기 회전가능한 샤프트(230)를 향해서 연장되고, 상기 제1 시일 지지 링(222)의 상기 일 면에 있는 환상의 제1 홈이 상기 제1 보스와 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236) 사이에서 연장됨 ―;
    상기 회전가능한 샤프트(230)로부터 이격되는, 상기 제1 보스의 적어도 일 부분 상에, 상기 제1 시일 지지 링(222) 상에 있는 상기 일 면에 대항하여, 일 단부에서 지지되는 제1 대향 플레이트(210) ― 상기 제1 대향 플레이트(210)의 상기 일 단부가 실질적으로 상기 제1 홈 위에 연장되고, 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236) 상의 상기 립 아래에 끼워지는 외측 상에 반경방향으로 연장되는 레지를 갖고, 상기 립 아래에 그리고 이로부터 이격된, 상기 제1 시일 지지 링(222)의 쉬라우드 상의 내측 벽 또는 제1 대향 플레이트(210)의 외측 중 어느 하나에 있는 제1 랜드가 상기 제1 시일 지지 링(222) 상의 쉬라우드(236)와 상기 제1 대향 플레이트(210) 사이에 스탠드오프를 형성하며, 상기 제1 대향 플레이트가, 제1 시일링 표면(216)을 형성하는, 상기 일 단부에 축방향으로 반대인 다른 단부를 갖고, 상기 제1 시일링 표면이 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236) 상의 상기 립을 축방향으로 지나서 연장되고, 상기 제1 대향 플레이트(210)가 상기 회전가능한 샤프트(230) 둘레로 연장되고 이와 함께 회전가능하게 구성됨―;
    축방향 이동의 자유도를 가지고, 상기 회전가능한 샤프트의 길이를 둘러싸는 하우징(232)의 내측에 고정되고, 상기 회전가능한 샤프트(230)로부터 이격되고 이 둘레에 적어도 부분적으로 연장되도록 구성되고, 어느 일 측 상에 일 면을 갖는 제2 시일 지지 링(204) ― 상기 제2 시일 지지 링(204)은 상기 회전가능한 샤프트(230)에 인접한 반경방향 내측 단부에 있는 또는 근접한 상기 제2 시일 지지 링의 일 면 상에 있는 축방향으로 연장되는 제2 보스, 및 상기 제2 시일 지지 링(204)의 상기 일 면의 외측 단부에 있는 또는 근접한 축방향으로 연장되는 환상의 쉬라우드(234)를 갖고, 상기 제2 시일 지지 링 쉬라우드(234)의 주연 축방향 단부에 있는 또는 인접한 립이 상기 회전가능한 샤프트(230)를 향해서 연장되고, 상기 제2 시일 지지 링(204)의 상기 일 면에 있는 환상의 제2 홈이 상기 제2 보스와 상기 제2 시일 지지 링 쉬라우드(234) 사이에서 연장됨 ―; 및
    상기 회전가능한 샤프트(230)로부터 이격되는, 상기 제2 보스의 적어도 일 부분 상에, 상기 제2 시일 지지 링(204) 상에 있는 상기 일 면에 대항하여, 일 단부에서 지지되는 제2 대향 플레이트(212) ― 상기 제2 대향 플레이트(212)의 상기 일 단부가 실질적으로 상기 제2 홈 위에 연장되고, 상기 제2 시일 지지 링 쉬라우드(234) 상의 상기 립 아래에 끼워지는 상기 제2 대향 플레이트(212)의 외측 상에 반경방향으로 연장되는 레지를 갖고, 상기 제2 시일 지지 링 쉬라우드(234) 상의 상기 립 아래에 그리고 이로부터 이격된, 상기 제2 시일 지지 링의 쉬라우드 상의 내측 벽 또는 제2 대향 플레이트의 외측 중 어느 하나에 있는 제2 랜드가 상기 제2 시일 지지 링(204) 상의 쉬라우드(234)와 상기 제2 대향 플레이트(212) 사이에 스탠드오프를 형성하며, 상기 제2 대향 플레이트가, 제2 시일링 표면(208)을 형성하는, 상기 제2 대향 플레이트(212) 상의 상기 일 단부에 축방향으로 반대인 다른 단부를 갖고, 상기 제2 시일링 표면이 상기 제2 시일 지지 링(204)의 쉬라우드 상의 상기 립을 축방향으로 지나서 연장되고, 상기 제1 시일링 표면(216)에 나란히 배치되고, 상기 제2 대향 플레이트(212)가 실질적으로 상기 회전가능한 샤프트(230) 둘레로 연장되고 이로부터 이격됨―;을 포함하는,
    정역학적 기계식 면 시일.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 시일링 표면(216) 및 상기 제2 시일링 표면(208) 중 적어도 하나는, 축선-대칭이나 반경 방향으로 비-균일한 윤곽이 형성된 표면을 갖도록 구성되어, 상기 제1 시일링 표면(216)과 상기 제2 시일링 표면(208) 사이에 비선형의 압력 분포를 생성하는,
    정역학적 기계식 면 시일.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 대향 플레이트(212)는, 상기 제1 시일링 표면(216)과 상기 제2 시일링 표면(208) 사이에 비선형의 압력 분포를 생성하도록 축선-대칭이나 반경 방향으로 비-균일한 윤곽이 형성된 표면을 갖는 제2 시일링 표면(208)을 갖는,
    정역학적 기계식 면 시일.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 시일링 표면(216) 및 상기 제2 시일링 표면(208) 중 적어도 하나는, 상기 제1 시일링 표면(216)과 상기 제2 시일링 표면(208) 사이에 있고, 가장 큰 축방향 간극이 외측 직경에 있고, 가장 작은 축방향 간극이 내측 직경에 있는 수렴하는 각도를 생성하는 테이퍼진 표면인,
    정역학적 기계식 면 시일.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 시일링 표면(216) 및 상기 제2 시일링 표면(208) 중 적어도 하나는 단차형 또는 비균일한 텍스쳐 표면을 갖는,
    정역학적 기계식 면 시일.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 시일링 표면(216) 및 상기 제2 시일링 표면(208) 중 적어도 하나는 단차형 또는 비균일한 텍스쳐 표면을 갖는,
    정역학적 기계식 면 시일.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 대향 플레이트(210)의 상기 일 단부와 상기 제1 보스의 인터페이스에서, 상기 제1 보스의 외측 표면 둘레에 있는 제1 O-링(220)을 포함하는,
    정역학적 기계식 면 시일.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 대향 플레이트(210) 상의 상기 반경방향으로 연장되는 레지가 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236) 상의 상기 립 아래에 끼워지는 한편, 상기 펌프의 동작 동안, 상기 제1 시일 지지 링(222) 및 상기 제1 대향 플레이트(210)는, 상기 제1 시일 지지 링(222)에 대해서 상기 제1 대향 플레이트를 유지하기 위한 기계적 힘이 상기 제1 대향 플레이트(210)에 실질적으로 가해지지 않도록 구성되고, 펌프 동작 동안, 상기 반경방향으로 연장되는 레지가 상기 제1 시일 지지 링 쉬라우드(236) 상의 립에 접촉하지 않는,
    정역학적 기계식 면 시일.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 제2 대향 플레이트(212)의 상기 일 단부와 상기 제2 보스의 인터페이스에서, 상기 제2 보스의 외측 표면 둘레에 있는 제2 O-링(224)을 포함하는,
    정역학적 기계식 면 시일.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 제1 시일 지지 링(222)은 상기 회전가능한 샤프트(230)를 둘러싸도록 구성된 제1 그루브를 포함하고, 제3 O-링(202)은 상기 제1 그루브 내에서 상기 회전가능한 샤프트(230)를 둘러싸고, 상기 제1 시일 지지 링(222)과 상기 회전가능한 샤프트(230) 사이에 시일을 형성하도록 구성되고; 상기 제2 시일 지지 링(204)은 상기 회전가능한 샤프트(230)에 인접한 상기 하우징(232)의 일 부분을 둘러싸도록 구성되는 제2 그루브를 포함하고, 제4 O-링(202)은 상기 제2 시일 지지 링(204)과 상기 하우징(232)의 상기 부분 사이의 상기 제2 그루브 내에서 상기 하우징(232)의 상기 부분을 둘러싸도록 구성되고, 상기 제2 시일 지지 링(204)과 상기 하우징(232)의 상기 부분 사이에 시일을 형성하는,
    정역학적 기계식 면 시일.
  21. 제어형 누출 정역학적 기계식 면 시일에 있어서,
    펌프의 회전되는 샤프트(230)에 고정되어 상기 회전되는 샤프트(230)와 함께 회전되도록 구성되는 제1 시일 지지 링(222) ― 상기 샤프트는 축방향 길이를 가짐―;
    상기 제1 시일 지지 링(222)의 일 측 상에 지지되는 제1 대향 플레이트(210) ― 상기 제1 대향 플레이트는 상기 제1 대향 플레이트(210)의 반대 측 상에 제1 시일링 표면(216)을 가짐―;
    상기 회전되는 샤프트(230)를 둘러싸는 하우징(232)의 내부에 고정되도록 구성되며, 어느 정도의 축방향 운동을 갖는 제2 시일 지지 링(204);
    상기 제2 시일 지지 링(204)의 일 측 상에 지지되는 제2 대향 플레이트(212) ― 상기 제2 대향 플레이트는 상기 제2 대향 플레이트(212)의 반대 측 상에 제2 시일링 표면(208)을 가짐―; 을 포함하며,
    상기 제2 시일링 표면(208)은 상기 제1 시일링 표면(216)과 나란히 배치되고,
    상기 제1 시일 지지 링(222)과 상기 제1 대향 플레이트(210) 사이의 제1 인터페이스 및 상기 제2 시일 지지 링(204)과 상기 제2 대향 플레이트(212) 사이의 제2 인터페이스는, 상기 펌프의 동작 동안 상기 제1 시일링 표면(216) 및 상기 제2 시일링 표면(208) 상의 정역학적 힘이 상기 제1 대향 플레이트(210)를 상기 제1 시일 지지 링(222)에 대하여 그리고 상기 제2 대향 플레이트(212)를 상기 제2 시일 지지 링(204)에 대하여 유지하기에 충분하도록 구성되며, 제어형 누출 경로가 상기 제1 대향 플레이트와 상기 제2 대향 플레이트 사이에 있고, 상기 제1 대향 플레이트(210) 또는 상기 제2 대향 플레이트(212)에 기계적인 힘이 가해지지 않는,
    제어형 누출 정역학적 기계식 면 시일.
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