KR20220101111A - 저압 및 고압 응용을 위한 접촉 밀봉부 배열 - Google Patents

저압 및 고압 응용을 위한 접촉 밀봉부 배열 Download PDF

Info

Publication number
KR20220101111A
KR20220101111A KR1020227017807A KR20227017807A KR20220101111A KR 20220101111 A KR20220101111 A KR 20220101111A KR 1020227017807 A KR1020227017807 A KR 1020227017807A KR 20227017807 A KR20227017807 A KR 20227017807A KR 20220101111 A KR20220101111 A KR 20220101111A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
seal
support member
seal face
pump
face ring
Prior art date
Application number
KR1020227017807A
Other languages
English (en)
Inventor
아르노드 밀란
마이클 에이 라프레스티
브루스 에이 하워드
브랜든 에이치 브루너
랜달 제이 마첼레타
Original Assignee
웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨 filed Critical 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
Publication of KR20220101111A publication Critical patent/KR20220101111A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/10—Shaft sealings
    • F04D29/12—Shaft sealings using sealing-rings
    • F04D29/126—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for liquid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
    • F04D29/043—Shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D7/00—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04D7/02—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts of centrifugal type
    • F04D7/06—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts of centrifugal type the fluids being hot or corrosive, e.g. liquid metals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3464—Mounting of the seal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D7/00—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04D7/02—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts of centrifugal type
    • F04D7/08—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts of centrifugal type the fluids being radioactive
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Abstract

펌프의 펌프 샤프트에 장착되고 함께 회전하기 위한 러너 어셈블리는, 펌프 샤프트에 고정될 지지 부재; 지지 부재에 결합된 지지 덮개에 의해 지지 부재 상에 위치하고 장착되는 밀봉부 면 링; 및 지지 부재의 상단부에 정의된 노치에 상향 및 반경 방향 바깥으로 대면해 위치하는 외부 O-링을 포함한다. 외부 O-링은, 지지 부재의 상단과 밀봉부 면 링의 하단 사이에 정적 밀봉 접합부를 형성한다.

Description

저압 및 고압 응용을 위한 접촉 밀봉부 배열
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2019년 11월 27일에 출원되고 발명의 명칭이 "CONTACTING SEAL ARRANGEMENT FOR LOW AND HIGH PRESSURE APPLICATIONS"인 미국 가출원 제16/697,351호의 이익을 주장한다. 그 내용은 본원에 참조로서 통합된다.
기술분야
개시된 개념은 펌프용 밀봉부 배열, 보다 구체적으로는 핵 반응기와 관련하여 사용되는 펌프용 밀봉부 배열에 관한 것이다.
상업용 가압 물 반응기는 종종 저압 및 중간 압력 범위에 대해, 반응기 냉각제 펌프의 유압 섹션과 모터 사이에 면 마찰식 기계적 면 밀봉부를 사용한다. 이러한 밀봉부는, 최소한의 마모를 경험하면서 일차 시스템으로부터 제어되고 안정적인 부피의 누출을 허용하도록 설계된다. 밀봉부를 통한 누출은, 밀봉된 유체의 열역학적 상태뿐만 아니라 면 기하 구조 및 기계적 설계에 따라 달라진다. 원자로 발전소 운영자는 반응기 냉각제 펌프 저압 밀봉부(또한 #2 밀봉부라고 공지됨)를 통해 분당 0.05 갤런의 최대 부피 누출 속도를 유지하고자 한다. 이러한 누출량은 밀봉부 면의 적절한 윤활을 제공하기에 충분히 크지만, 공장 흐름 균형에서 무시할 수 있을 정도로 작다.
밀봉부를 통한 부피 누출 속도, 및 밀봉부 인터페이스 구성 요소의 마모는, 주로 밀봉부 구성 요소의 제조시 치수, 인접 구성 요소의 계면에서의 접촉 마찰력, 및 밀봉 유체의 작동 온도와 압력으로 인한 기계적 및 열탄성적 변형에 의해 결정된다. 공장 운영자는 반응기 냉각제 펌프 밀봉부를 통해 안정적인 누출 속도를 유지하고자 하기 때문에, 낮은 마모율을 유지하면서도 제조 공차, 접촉 마찰력, 그리고 기계적 및 열탄성 변형이 밀봉부 누출 속도에 최소 가능한 영향을 미치도록, 밀봉부의 설계를 최적화할 필요가 있다.
개시된 개념의 구현예는 종래의 밀봉부 배열을 개선한다. 개시된 개념의 일 양태로서, 펌프의 펌프 샤프트에 장착되고 함께 회전하기 위한 러너 어셈블리가 제공된다. 상기 러너 어셈블리는, 상기 펌프 샤프트에 고정되도록 구성된 지지 부재; 상기 지지 부재에 결합된 지지 덮개에 의해 상기 지지 부재 상에 위치하고 상기 지지 부재에 장착되는 밀봉부 면 링; 및 상기 지지 부재의 상단부와 상기 밀봉부 면 링의 하단부 사이에 정적 밀봉 접합부를 형성하고 지지 부재의 상단부에 정의된 노치를 상향 및 반경 방향 바깥으로 대면하여 위치한 외부 O-링을 포함한다.
밀봉부 면 링은 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 밀봉부 면 링은, 그의 반경 방향 바깥 부분에 형성된 숄더를 포함할 수 있고, 지지 덮개는, 그의 반경 방향 안쪽 부분에 형성된 오버행을 포함할 수 있고, 숄더와 오버행은 반경 방향으로 중첩될 수 있다. 밀봉부 면 링은 다수의 구동 핀을 통해 지지 부재에 대해 고정될 수 있어서, 펌프 샤프트, 지지 부재, 및 밀봉부 면 링 사이에 상대적인 회전이 없도록 한다.
러너 어셈블리는, 지지 부재를 펌프 샤프트에 고정하기 위한 다수의 회전 방지 핀을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태로서, 밀봉부 하우징 내의 일 말단에서 종결되는 펌프 하우징 및 펌프 샤프트를 갖는 펌프를 사용하기 위한 밀봉부 배열이 제공된다. 밀봉부 배열은 펌프 샤프트와 회전하도록 상기 펌프 샤프트에 장착되도록 구성된 하부 환형 러너 어셈블리를 포함하고, 상기 러너 어셈블리는, 상기 펌프 샤프트에 고정되도록 구성된 지지 부재; 상기 지지 부재에 결합된 지지 덮개에 의해 상기 지지 부재 상에 위치하고 상기 지지 부재에 장착되는 밀봉부 면 링; 및 상기 지지 부재의 상단부와 상기 밀봉부 면 링의 하단부 사이에 정적 밀봉 접합부를 형성하고 상기 지지 부재의 상단부에 정의된 노치를 상향 및 반경 방향 바깥으로 대면해 위치한 외부 O-링을 포함한다. 밀봉부 배열은, 밀봉부 하우징 내에 고정식으로 장착되도록 구성된 상부 환형 밀봉부 어셈블리를 추가로 포함하고, 상기 밀봉부 어셈블리는, 상기 밀봉부 면 링과 밀봉하도록 위치한 상부 환형 링 밀봉부 면 부재를 포함하고, 상기 밀봉부 면 부재는, 상기 밀봉부 하우징에 대한 상기 어셈블리의 회전 이동을 방지하나 상기 펌프 샤프트를 따라 상기 러너 어셈블리를 향해 그리고 상기 러너 어셈블리로부터 멀어지는 상기 밀봉부 어셈블리의 병진 이동시키도록, 다수의 회전 방지 핀을 통해 상기 밀봉부 하우징에 결합되도록 구성된 상부 환형 지지 부재에 장착된다.
밀봉부 면 링은 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 밀봉부 면 링은, 그의 반경 방향 바깥 부분에 형성된 숄더를 포함할 수 있고, 지지 덮개는, 그의 반경 방향 안쪽 부분에 형성된 오버행을 포함할 수 있고, 숄더와 오버행은 반경 방향으로 중첩될 수 있다. 밀봉부 면 링은 다수의 구동 핀을 통해 지지 부재에 대해 고정될 수 있어서, 펌프 샤프트, 지지 부재, 및 밀봉부 면 링 사이에 상대적인 회전이 없도록 한다.
본 발명의 또 다른 양태로서, 펌프가 제공된다. 펌프는, 밀봉부 하우징 내의 일 말단에서 종결되는 펌프 하우징; 상기 펌프 하우징 내에서 중심으로 연장되고 상기 밀봉부 하우징 내에 밀봉식으로 그리고 회전식으로 장착되는 펌프 샤프트; 및 상기 펌프 샤프트 주위 및 상기 펌프 하우징 내에 제공되는 밀봉부 배열을 포함한다. 밀봉부 배열은, 함께 회전하기 위해 펌프 샤프트에 장착된 하부 환형 러너 어셈블리를 포함한다. 상기 러너 어셈블리는, 상기 펌프 샤프트에 고정된 지지 부재, 상기 지지 부재에 결합된 지지 덮개에 의해 상기 지지 부재 상에 위치하고 상기 지지 부재에 장착되는 밀봉부 면 링, 및 상기 지지 부재의 상단부에 정의된 노치를 상향 및 반경 방향 바깥으로 대면해 위치한 외부 O-링을 포함한다. 외부 O-링은, 지지 부재의 상단과 밀봉부 면 링의 하단 사이에 정적 밀봉 접합부를 형성한다. 밀봉부 배열은, 밀봉부 하우징 내에 고정식으로 장착된 상부 환형 밀봉부 어셈블리를 추가로 포함한다. 밀봉부 어셈블리는, 상기 밀봉부 면 링과 밀봉하도록 위치한 상부 환형 링 밀봉부 면 부재를 포함하고, 상기 밀봉부 면 부재는, 상기 밀봉부 하우징에 대한 상기 어셈블리의 회전 이동을 방지하나 상기 펌프 샤프트를 따라 상기 러너 어셈블리를 향해 그리고 상기 러너 어셈블리로부터 멀어지는 상기 밀봉부 어셈블리의 병진 이동시키도록, 다수의 회전 방지 핀을 통해 상기 밀봉부 하우징에 결합된 상부 환형 지지 부재에 장착된다.
밀봉부 면 링은 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 밀봉부 면 링은, 그의 반경 방향 바깥 부분에 형성된 숄더를 포함할 수 있고, 지지 덮개는, 그의 반경 방향 안쪽 부분에 형성된 오버행을 포함할 수 있고, 숄더와 오버행은 반경 방향으로 중첩될 수 있다. 밀봉부 면 링은 다수의 구동 핀을 통해 지지 부재에 대해 고정될 수 있어서, 펌프 샤프트, 지지 부재, 및 밀봉부 면 링 사이에 상대적인 회전이 없도록 한다.
펌프 샤프트의 제1 말단은 임펠러에 연결될 수 있고, 대향하는 제2 말단은 전기 모터에 연결될 수 있고, 임펠러는 펌프 하우징의 내부에 위치할 수 있다.
지지 부재는 다수의 회전 방지 핀을 통해 펌프 샤프트에 고정될 수 있다.
펌프는, 밀봉부 어셈블리를 러너 어셈블로 편향시키도록 위치한 편향 부재, 및 이에 따라 밀봉부 면 부재가 밀봉부 면 링과 접촉하도록 위치한 편향 부재를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징 및 특성뿐만 아니라 관련 구조 요소의 작동 방법과 기능, 및 부품 조합 및 제조 경제성은, 이들 모두가 본 명세서의 일부를 형성하며, 여기에서 유사한 참조 번호는 다양한 도면에서 상응하는 부분을 나타내는 첨부된 도면을 참조하는 다음의 설명 및 첨부된 청구범위를 고려하면 더욱 명백해질 것이다. 그러나, 도면은 단지 예시 및 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 제한의 정의로서 의도되지 않음을 명백하게 이해해야 한다.
본 발명의 완전한 이해는 첨부 도면과 함께 읽을 때 바람직한 구현예의 하기의 설명으로부터 얻어질 수 있다:
도 1은 종래의 원자로 냉각제 시스템의 냉각 루프 하나의 개략도로, 증기 발생기, 및 반응기 코어와 폐쇄 냉각제 흐름 회로에서 직렬 연결된 반응기 냉각제 펌프를 포함하고 있다.
도 2는 본 발명의 하나의 예시적인 구현예에 따른 냉각제 펌프의 샤프트 밀봉부 배열의 축방향 도면이다.
도 3은 도 2의 라인 3-3을 따라 취한 도 2의 배열의 단면도이다.
도 4는 도 3에 표시된 도 3의 부분의 상세도이다.
본 발명은 이제 본 발명의 예시가 나타나 있는 첨부 도면을 참조하여 이하에서 더욱 완전하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본원에 기재된 예시에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이들 예시는 본 개시가 철저하고 완전하며, 본 발명의 범주를 당업자에게 완전히 전달할 수 있도록 제공된다. 유사한 번호는 전체적으로 유사한 요소를 지칭한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 문맥이 달리 명확하게 언급하지 않는 한, "하나", "일", 및 "특정한 하나"의 단수 형태는 복수의 참조를 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 둘 이상의 부품 또는 구성 요소가 "결합"된다는 진술은, 연결이 발생하는 한, 부품이 직접 또는 간접적으로, 즉 하나 이상의 중간 부품 또는 구성 요소를 통해 함께 결합되거나 작동한다는 것을 의미한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "직접 결합된"은 두 개의 요소가 서로 직접 접촉함을 의미한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "고정 결합된" 또는 "고정된"은 서로에 대한 일정한 배향을 유지하면서 하나인 것처럼 이동하도록 두 개의 구성 요소가 결합되는 것을 의미한다.
본원에서 사용되는 방향 문구는, 예컨대 제한 없이, 상단, 하단, 좌측, 우측, 상부, 하부, 전방, 후방, 및 이들의 파생은 도면에 나타낸 요소의 배향과 관련될 것이며, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 청구범위를 제한하지 않는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "수"는 하나 또는 하나 초과의 정수(즉, 복수)를 의미한다.
이제 도면, 특히 도 1을 참조하면, 종래의 원자로 냉각제 시스템의 복수의 냉각 루프(10) 중 하나의 개략도가 나타나 있다. 냉각 루프(10)는, 증기 발생기(12), 및 폐쇄 냉각제 흐름 회로 내에 원자로 코어(16)와 직렬로 연결된 반응기 냉각제 펌프(14)를 포함한다. 증기 발생기(12)는, 발생기의 유입구 및 유출구 플레넘(20,22)과 연통하는 일차 튜브(18)를 포함한다. 증기 발생기(12)의 유입구 플레넘(20)은, 폐쇄 흐름 회로의 흐름 경로(24)를 따라 뜨거운 냉각제를 수용하기 위해 반응기 코어(16)의 유출구와 흐름 연통하여 연결된다. 증기 발생기(12)의 유출구 플레넘(22)은, 폐쇄 흐름 회로의 흐름 경로(26)를 따라 반응기 냉각제 펌프(14)의 유입구 흡입 측과 흐름 연통하여 연결된다. 반응기 냉각제 펌프(14)의 유출구 압력 측은, 폐쇄 흐름 회로의 흐름 경로(28)를 따라 차가운 냉각제를 공급하기 위해 반응기 코어(16)의 유입구와 흐름 연통하여 연결된다.
요약하면, 냉각제 펌프(14)는 폐쇄 흐름 회로에 대해 고압으로 냉각제를 펌핑한다. 특히, 반응기 코어(16)로부터 나오는 뜨거운 냉각제는, 증기 발생기(12)의 유입구 플레넘(20)으로 그리고 이와 연통하여 일차 튜브(18)로 유도된다. 일차 튜브(18) 내에서, 뜨거운 냉각제는, 종래의 수단(미도시)을 통해 증기 발생기(12)에 공급된 차가운 공급수와 열 교환 관계로 흐른다. 공급수가 가열되고, 터빈 발전기(미도시)를 구동하는 데 사용하기 위해 그 일부가 증기로 변경된다. 열 교환에 의해 온도가 감소된 냉각제는, 그 다음 냉각제 펌프(14)를 통해 반응기 코어(16)로 재순환된다.
반응기 냉각제 펌프(14)는 폐쇄 흐름 회로 주위에서 고온 및 고압으로 많은 부피의 반응기 냉각제를 이동시킬 수 있어야 한다. 그러나, 열 교환이 열 교환 전에 반응기 코어(16)로부터 증기 발생기(12)로 흐르는 냉각제의 온도보다 실질적으로 낮게 냉각된 이후, 증기 발생기(12)로부터 펌프(14)로 흐르는 냉각제의 온도는 여전히 비교적 높고, 통상적으로 약 550F이다. 펌프에 의해 생성된 냉각제 압력은 통상적으로 약 2500 psi이다.
이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 반응기 냉각제 펌프(14)는, 일반적으로 밀봉부 하우징(32) 내의 일 말단에서 종결되는 펌프 하우징(30)을 포함한다. 펌프(14)는, 또한 펌프 하우징(30) 내에서 중심으로 연장되고 밀봉부 하우징(32) 내에 밀봉식으로 그리고 회전식으로 장착된 펌프 샤프트(34)를 포함한다. 나타내지 않았지만, 펌프 샤프트(34)의 하단부는 임펠러에 연결되는 반면, 이의 상단부는 고 마력 유도형 전기 모터에 연결된다. 모터가 샤프트(34)를 회전시킬 경우에, 펌프 하우징(30)의 내부(36) 의 임펠러는, 주변으로부터 약 2500 psi 커버 가스까지의 압력에서 펌프 하우징(30)을 통해 흐르는 냉각제를 순환시킨다. 이 가압 냉각제는, 밀봉부 하우징(32)의 외부가 주변 대기에 의해 둘러싸이기 때문에, 샤프트(34) 상에 상향 유도된 유압식 하중을 인가한다.
펌프 샤프트(34)는, 펌프 하우징 내부(36)와 밀봉부 하우징(32)의 외부 사이의 압력 경계를 유지하면서 밀봉부 하우징(32) 내에서 자유롭게 회전할 수 있도록, 밀봉부 배열(38)이 펌프 샤프트(34)에 대해 그리고 펌프 하우징(30) 내에 제공된다. 도 4의 상세도에서 더 명확하게 알 수 있듯이, 밀봉부 배열(38)은, 일반적으로 그와 함께 회전하기 위해 펌프 샤프트(34)에 장착되는 하부 환형 러너 어셈블리(40), 및 밀봉부 하우징(32) 내에 고정식으로 장착된 상부 환형 밀봉부 어셈블리(42)를 포함한다. 러너 어셈블리(40)는, 그의 반경 방향 바깥 부분에 형성된 숄더(45)를 갖는 밀봉부 면 링(44)을 포함한다. 밀봉부 면 링(44)은, 그의 반경 방향 안쪽 부분에 형성된 오버행(47)(숄더(45)와 반경 방향으로 중첩됨)을 갖는 지지 덮개(46)에 의해, 회전 방지 핀(50)에 의해 펌프 샤프트(34)에 차례로 키로 연결되는 하부 환형 러너 베이스 또는 지지 부재(48)에 장착된다(도 3). 밀봉부 면 링(44)은, 마찬가지로, 펌프 샤프트(34), 지지 부재(48) 및 밀봉부 면 링(44) 사이에 상대 회전이 없도록, 하나 이상의 구동 핀(미도시)을 통해 지지 부재(48)에 대해 고정된다. 본 발명의 일 구현예에서, 밀봉부 면 링(44)은, (아래에서 논의된) 이와 체결된 연동 밀봉부 면 부재에 낮은 기계적 마찰을 제공하도록 설계되면서 어셈블리를 밀봉하기에 충분한 구조적 안정성을 제공하는 세라믹 재료(예, 세라믹의 물리적 특성을 변형시키기 위해 첨가제를 포함할 수 있고 핫프레싱 또는 소결될 수 있는 실리콘 나이트라이드, 실리콘 카바이드 또는 알루미늄 산화물)로부터 형성되나, 밀봉부 면 링(44)은 본 발명의 범주로부터 변하지 않는다면, 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있음을 이해해야 한다.
러너 어셈블리(40)는, 내부 O-링(52)이 지지 부재(48) 및 펌프 샤프트(34) 둘 모두와 인터페이스하여 밀봉부 배열(38)의 고압 측과 저압 측 사이에 정적인 밀봉부 접합을 형성하도록, 지지 부재(48)의 내부 표면에 정의된 홈(53)에 반경 방향 안쪽으로 대면해서 위치한 내부 O-링(52)을 추가로 포함한다. 러너 어셈블리(40)는, 지지 부재(48)의 상단부에 정의된 노치(55)에 상향 및 반경 방향 바깥으로 대면해 위치한 외부 O-링(54)을 또한 포함한다. 외부 O-링(54)은, 지지 부재(48)의 상단과 밀봉부 면 링(44)의 하단 사이에, 밀봉부 배열(38)의 고압 측과 저압 측 사이로 정적인 밀봉부 결합을 형성한다. 외부 O-링(54)의 반경 방향 위치는, 밀봉부 면 링(44)의 필름 표면 상의 유압으로부터 초래되는 힘에서의 차이가, 밀봉부 면 링(44)의 하단 표면 상의 유압으로부터 초래되는 힘보다 크도록, 선택된다. 순 힘은 밀봉부 면 링(44)을 지지 부재(48)에 대해 단단히 고정시킨다. 또한, 밀봉부 면 링(44)과 지지 부재(48) 사이의 외부 O-링(54)의 축 방향 압축은, 샤프트 숄더 상에의 설치에 의해 유도된 임의의 파형을 분리하기 위해, 유압 예비 하중의 대부분을 보상하도록 설계된다.
지지 덮개(46)는, 기계적 패스너(49)를 갖는 지지 부재(48)에 고정된다. 지지 덮개(46)는 다음 역할을 한다: 밀봉부 면 링(44)에 반경 방향 중심 설정을 제공하고, 조립 및 시동을 위해 밀봉부 면 링(44)을 지지 부재(48) 상에 고정시키고, 외부 O-링(54)의 초기 압축을 제공하고, 공정 유체 온도의 급격한 변화 및 밀봉부 기하 구조 및 누출 속도를 변경할 수 있는 결과적인 열적-탄성 왜곡으로부터 밀봉부 면 링(44)의 외부 표면을 보호하도록 열 장벽을 제공한다. 또한, 지지 덮개(46)는, 이물질이 밀봉부 면 링(44)의 후방면으로 이동하여 밀봉부 면 링(44)과 지지 부재(48) 사이의 접촉 표면을 방해하는 것을 방지하도록 설계된다. 지지 덮개(46)는 정상 작동 중에, 밀봉부 면 링(44)의 숄더(45)와 지지 덮개(46)의 오버행(47) 사이에 작은(예, 대략 0.004"~0.005") 축 방향 갭이 존재하도록 크기를 갖는다.
도 3 및 4을 계속 참조하면, 밀봉부 어셈블리(42)는 상부 환형 링 베이스 또는 지지 부재(60)에 장착된 상부 환형 링 밀봉부 면 부재(56)를 포함하며, 이는, 차례로 상부 하우징(61)에 키로 연결되어 (상부 하우징(61)에 볼트로 고정된) 하우징(32)을 밀봉하고, 다수의 회전 방지 핀(62)에 의해, 밀봉부 하우징(32)에 대한 밀봉부 어셈블리(42)의 회전 이동을 방지하나 러너 어셈블리(40)를 향하여 그리고 이로부터 멀어지는 펌프 샤프트(34)를 따라 밀봉부 어셈블리(42)의 병진 이동을 허용한다. 스프링(63)은 핀(62) 주위에 제공되어 러너 어셈블리(40)를 향해 밀봉부 어셈블리(42)를 편향시키고, 그에 따라 밀봉부 면 부재(56)는 밀봉부 면 링(44)과 접촉한다. 스프링(63)은, 가압 전에 밀봉부 면 부재(56)의 접촉 면과 밀봉부 면 링(44)을 접촉하게 하는, 초기 하중을 제공한다. 본 발명의 범주로부터 변하지 않는다면, 러너 어셈블리(40)를 향해서 밀봉부 어셈블리(42)를 편향시키기 위해 사용될 수 있는 임의의 적절한 편향 부재가 추가로 또는 대신 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
밀봉부 어셈블리(42)의 밸런스 직경에서의 유압 하중은, 상부 지지 부재(60)의 상부의 내경을 둘러싸고 반경 방향 안쪽으로 대면하는 환형 홈(72) 내부에 안착한 O-링(70)과 동적 채널 밀봉부(69)에 의해 보장된다. 채널 밀봉부(69)는, 밀봉부 어셈블리(42)가 펌프 샤프트 움직임 및 압력 변화에 조절하기 위해, 냉각제 펌프(14)의 밀봉부 하우징(32)의 일부를 형성하는 원통형 마모 슬리브(74)에 대해 밀봉하고 이를 따라 슬라이딩하도록 설계된 열가소성 캡이다. O-링(70)은 채널 밀봉부(69)에 (반경 방향으로) 예비 하중을 제공하는 역할을 하며, 또한 채널 밀봉부(69)가 고장날 경우에 백업 밀봉부로서 역할을 할 수 있다. 채널 밀봉부(69)에 의해 제공된 밀봉부는, 누출을 방지할 뿐만 아니라 안착력의 크기를 결정하는 역할을 한다.
밀봉부 면 링(44)의 형상은, 밀봉부 배열(38)이 고압 밀봉부로서 사용되는 것으로 이어지는 설정 조건의 경우에 압력 증가에 기인하는 원하는 순 모멘트를 제공하도록 선택된다. 이러한 형상은, 제어된 부피 누출 및 마모를 갖는 큰 압력 범위에 걸친 작동을 허용한다. 밀봉부 면 링(44)은, 낮은 압력에서 작동하는 동안에 적절한 마모 및 윤활을 제공하기 위해, 제한된 범위의 표면 마감을 갖는 평평한 상단 표면을 갖는다. 그러나, 본 발명의 대안적인 구현예는, 평평한 필름 표면 대신에 또는 이와 조합하여, 단차형 표면, 반경 방향 테이퍼형 표면 또는 불균일한 표면 텍스처링을 사용함으로써 실현될 수 있다. 밀봉부 누출 속도, 압력-흐름 관계, 또는 특정 응용에 적합한 마모 속도를 달성하기 위해, 설계자는 밀봉부 면 링(44)의 형상 및 표면 마감을 조정할 수 있다.
밀봉부 배열(38)은, 밀봉부 면이 지지되고 온도 및 압력의 주변 변화에 대해 낮은 마찰 및 조정 가능한 거동을 제공하도록 설계되는 방식으로, 출발한다. 이는. 신규 배열이 저압/혼합 윤활 조건 및 고압/필름 라이딩 조건 모두에서 작동할 수 있게 한다. 또한, 개선된 러너 어셈블리(40)는, 밀봉부 재료 및 구성 요소를 교체함으로써 종래의 배열로부터 벗어나는 것을 나타낸다. 종래의 배열은, 압력 변화의 경우에 어셈블리의 회전을 제공하기 위해 지지 베이스와 샤프트 사이에 여러 개의 O-링 및 통기 구멍을 사용한다. 또한, 종래의 배열은 스테인리스 강 지지 베이스 포켓 상에 직접 도포된 경질 면 코팅을 사용한다. 코팅은 지지 베이스 포켓의 경계 내에 제한되고, 이는 두 재료의 차등 열 팽창으로 인한 응력을 생성한다. 이렇게 결합된 배열은, 비-축대칭 파장 패턴으로 이어지는 밀봉부 면에 응력을 생성하기 때문에 문제가 된다. 그 다음, 밀봉부 면 기하 구조의 이러한 변화는, 밀봉부를 작동 못하게 할 수 있는 코팅의 잠재적인 실패 외에도, 정합 탄소 그래파이트 링에 불안정한 밀봉부 누출 및 과도한 마모를 초래한다.
대조적으로, 본원에 설명된 개선된 설계는, 저압/혼합 윤활 조건 및 고압/필름 라이딩 조건에서 제어된 누출 밀봉부를 제공하기 위해, 압력으로 제어된 편향 및 회전을 허용하는 엔지니어링 밀봉부 면 설계를 제공한다. 이는, 저압에서 고압으로의 전이 동안 및 고압에서 저압으로의 전이 동안에 면 사이의 반응점을 제어하기 위해 밀봉부 면 상의 접촉 및 힘, 특히 밀봉부 면 링(44)과 지지 부재(48) 사이의 접촉 및 힘을 정밀하게 제어함으로써, 밀봉부 면의 회전을 제어하고, 따라서 안정적인 성능을 유도하는 압력 프로파일을 원하는 대로 제공함으로써 달성된다. 개선된 설계는, 밀봉부 인터페이스로서 코팅을 제거하고 이를 세라믹 밀봉부 면 링(44)으로 대체한다. 세라믹 밀봉부 면 링(44)은 지지 부재(48) 상에서 반경 방향으로 자유롭게 이동하므로, 주변 유체로부터의 온도 변화 또는 밀봉부의 표면에서 발생된 열로부터의 온도 변화 동안에, 임의의 추가 응력 또는 편향을 제거한다. 이렇게 제어된 변형은, 보다 양호하고 보다 안정적인 작동 밀봉부를 보장한다. 밀봉부 면 링(44)은, 외부 O-링(54)으로부터 밀봉부 면 링(44)의 분리를 방지해서 모든 조건에서 양의 유압 안착을 제공하도록 설계된, 지지 덮개(46)에 의해 축 방향 위치에서 유지된다. 밀봉부 면은 밀봉부 지지 베이스에 결합되지 않고, 전체 펌프 밀봉부 어셈블리에 포함된 샤프트 숄더 또는 슬리브의 파형으로부터의 편향은, 밀봉부 면으로 전달되지 않는다.
본 발명의 특정 구현예가 상세하게 설명되었지만, 당업자라면, 이러한 세부사항에 대한 다양한 변형예 및 대안예가 본 개시의 전체 교시에 비추어 개발될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 개시된 특정 배열은, 단지 예시적인 것일 뿐이며, 첨부된 청구범위의 전체 범위 및 그것의 임의의 균등물 및 모든 균등물에 주어져야 하는 본 발명의 범위에 대하여 제한하지 않는 것으로 여겨진다.
청구범위에서, 괄호 사이에 위치한 임의의 참조 부호는 청구범위를 제한하는 것으로 해석되지 않는다. "포함하는" 또는 "포함한"이라는 단어는 청구범위에 열거된 것 이외의 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 여러 수단을 열거하는 장치 청구범위에서, 이들 수단 중 몇몇은 하드웨어의 하나 및 동일한 아이템에 의해 구현될 수 있다. 요소 앞에 있는 단어 "일" 또는 "하나"는 복수의 이러한 요소의 존재를 배제하지 않는다. 여러 수단을 열거하는 임의의 장치 청구범위에서, 이들 수단 중 몇몇은 하드웨어의 하나 및 동일한 아이템에 의해 구현될 수 있다. 특정 요소가 상호 상이한 종속 청구범위에 인용된다는 단순한 사실은, 이들 요소가 조합하여 사용될 수 없음을 나타내지 않는다.

Claims (16)

  1. 펌프의 펌프 샤프트에 장착되고 이와 함께 회전하기 위한 러너 어셈블리로서, 상기 러너 어셈블리는,
    상기 펌프 샤프트에 고정되도록 구성된 지지 부재;
    상기 지지 부재에 결합된 지지 덮개에 의해, 상기 지지 부재 상에 위치하고 이에 장착되는 밀봉부 면 링; 및
    상기 지지 부재의 상단부에 정의된 노치에 상향 및 반경 방향 바깥으로 대면하여 위치하고, 상기 지지 부재의 상단과 상기 밀봉부 면 링의 하단 사이에 정적 밀봉 접합부를 형성하는 외부 O-링을 포함하는, 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밀봉부 면 링은 세라믹 재료로 형성되는, 러너 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 밀봉부 면 링은, 그의 반경 방향 바깥 부분에 형성된 숄더를 포함하고, 상기 지지 덮개는 그의 반경 방향 안쪽 부분에 형성된 오버행을 포함하되, 상기 숄더와 상기 오버행은 반경 방향으로 중첩되는, 러너 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 밀봉부 면 링은 다수의 구동 핀을 통해 상기 지지 부재에 대해 고정되어, 상기 펌프 샤프트, 상기 지지 부재, 및 상기 밀봉부 면 링 사이에 상대 회전이 없도록 하는, 러너 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지지 부재를 상기 펌프 샤프트에 고정하기 위한 다수의 회전 방지 핀을 추가로 포함하는 러너 어셈블리.
  6. 펌프 샤프트와 밀봉부 하우징 내의 일 말단에서 종결되는 펌프 하우징을 갖는 펌프와 함께 사용하기 위한 밀봉부 배열로서, 상기 밀봉부 배열은,
    함께 회전하기 위한 상기 펌프 샤프트에 장착되도록 구성된 하부 환형 러너 어셈블리(상기 러너 어셈블리는,
    상기 펌프 샤프트에 고정되도록 구성된 지지 부재,
    상기 지지 부재에 결합된 지지 덮개에 의해, 상기 지지 부재 상에 위치하고 이에 장착되는 밀봉부 면 링, 및
    상기 지지 부재의 상단부에 정의된 노치에 상향 및 반경 방향 바깥으로 대면하여 위치하고, 상기 지지 부재의 상단과 상기 밀봉부 면 링의 하단 사이에 정적 밀봉 접합부를 형성하는 외부 O-링을 포함함), 및
    상기 밀봉부 하우징 내에 고정식으로 장착되도록 구성된 상부 환형 밀봉부 어셈블리(상기 밀봉부 어셈블리는,
    상기 밀봉부 면 링과 밀봉하도록 위치한 상부 환형 링 밀봉부 면 부재를 포함하고, 상기 밀봉부 면 부재는, 상기 밀봉부 하우징에 대한 상기 어셈블리의 회전 이동을 방지하나 상기 러너 어셈블리를 향하여 그리고 상기 러너 어셈블리로부터 멀어지는 상기 펌프 샤프트를 따라 상기 밀봉부 어셈블리의 병진 이동을 허용하도록, 다수의 회전 방지 핀을 통해 상기 밀봉부 하우징에 결합되도록 구성된 상부 환형 지지 부재에 장착됨)를 포함하는, 밀봉부 배열.
  7. 제6항에 있어서, 상기 밀봉부 면 링은 세라믹 재료로 형성되는, 밀봉부 배열.
  8. 제6항에 있어서, 상기 밀봉부 면 링은, 그의 반경 방향 바깥 부분에 형성된 숄더를 포함하고, 상기 지지 덮개는 그의 반경 방향 안쪽 부분에 형성된 오버행을 포함하되, 상기 숄더와 상기 오버행은 반경 방향으로 중첩되는, 밀봉부 배열.
  9. 제6항에 있어서, 상기 밀봉부 면 링은 다수의 구동 핀을 통해 상기 지지 부재에 대해 고정되어, 상기 펌프 샤프트, 상기 지지 부재, 및 상기 밀봉부 면 링 사이에 상대 회전이 없도록 하는, 밀봉부 배열.
  10. 펌프로서,
    밀봉부 하우징 내의 일 말단에서 종결되는 펌프 하우징;
    상기 펌프 하우징 내에서 중심으로 연장되고 상기 밀봉부 하우징 내에 밀봉식으로 그리고 회전식으로 장착된 펌프 샤프트; 및
    상기 펌프 샤프트 주위에 그리고 상기 펌프 하우징 내에 제공된 밀봉부 배열을 포함하되, 상기 밀봉부 배열은,
    함께 회전하기 위한 상기 펌프 샤프트에 장착된 하부 환형 러너 어셈블리(상기 러너 어셈블리는,
    상기 펌프 샤프트에 고정된 지지 부재,
    상기 지지 부재에 결합된 지지 덮개에 의해, 상기 지지 부재 상에 위치하고 이에 장착되는 밀봉부 면 링, 및
    상기 지지 부재의 상단부에 정의된 노치에 상향 및 반경 방향 바깥으로 대면하여 위치하고, 상기 지지 부재의 상단과 상기 밀봉부 면 링의 하단 사이에 정적 밀봉 접합부를 형성하는 외부 O-링을 포함함), 및
    상기 밀봉부 하우징 내에 고정식으로 장착된 상부 환형 밀봉부 어셈블리(상기 밀봉부 어셈블리는 상기 밀봉부 면 링과 밀봉하도록 위치한 상부 환형 링 밀봉부 면 부재를 포함하고, 상기 밀봉부 면 부재는, 상기 밀봉부 하우징에 대한 상기 어셈블리의 회전 이동을 방지하나 상기 러너 어셈블리를 향하여 그리고 상기 러너 어셈블리로부터 멀어지는 상기 펌프 샤프트를 따라 상기 밀봉부 어셈블리의 병진 이동을 허용하도록, 다수의 회전 방지 핀을 통해 상기 밀봉부 하우징에 결합된 상부 환형 지지 부재에 장착됨)를 포함하는, 펌프.
  11. 제10항에 있어서, 상기 밀봉부 면 링은 세라믹 재료로 형성되는, 펌프.
  12. 제10항에 있어서, 상기 밀봉부 면 링은, 그의 반경 방향 바깥 부분에 형성된 숄더를 포함하고, 상기 지지 덮개는 그의 반경 방향 안쪽 부분에 형성된 오버행을 포함하되, 상기 숄더와 상기 오버행은 반경 방향으로 중첩되는, 펌프.
  13. 제10항에 있어서, 상기 밀봉부 면 링은 다수의 구동 핀을 통해 상기 지지 부재에 대해 고정되어, 상기 펌프 샤프트, 상기 지지 부재, 및 상기 밀봉부 면 링 사이에 상대 회전이 없도록 하는, 펌프.
  14. 제10항에 있어서, 상기 펌프 샤프트의 제1 말단은 임펠러에 연결되고, 대향하는 제2 말단은 전기 모터에 연결되고, 상기 임펠러는 상기 펌프 하우징의 내부에 위치하는, 펌프.
  15. 제10항에 있어서, 상기 지지 부재는 다수의 회전 방지 핀을 통해 상기 펌프 샤프트에 고정되는, 펌프.
  16. 제10항에 있어서, 상기 밀봉부 어셈블리를 상기 러너 어셈블리를 향해 편향시키도록 위치한 편향 부재를 추가로 포함하고, 이에 따라 상기 밀봉부 면 부재가 상기 밀봉부 면 링과 접촉하는, 펌프.
KR1020227017807A 2019-11-27 2020-11-23 저압 및 고압 응용을 위한 접촉 밀봉부 배열 KR20220101111A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/697,351 US20210156390A1 (en) 2019-11-27 2019-11-27 Contacting seal arrangement for low and high pressure applications
US16/697,351 2019-11-27
PCT/US2020/061838 WO2021118799A1 (en) 2019-11-27 2020-11-23 Contacting seal arrangement for low and high pressure applications

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220101111A true KR20220101111A (ko) 2022-07-19

Family

ID=75439425

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227017807A KR20220101111A (ko) 2019-11-27 2020-11-23 저압 및 고압 응용을 위한 접촉 밀봉부 배열

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20210156390A1 (ko)
EP (1) EP4065849A1 (ko)
JP (1) JP2023505065A (ko)
KR (1) KR20220101111A (ko)
CN (1) CN114746655A (ko)
BR (1) BR112022009992A2 (ko)
CA (1) CA3159703A1 (ko)
TW (1) TWI774138B (ko)
WO (1) WO2021118799A1 (ko)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE7118511U (de) * 1972-04-27 Klein Schanzlin & Becker Ag Mechanische Gleitringdichtung
US4272084A (en) * 1979-04-30 1981-06-09 Guy F. Atkinson Company High pressure shaft seal
US4576384A (en) * 1985-01-03 1986-03-18 A. W. Chesterton Company Split mechanical face seal
JP3710702B2 (ja) * 2000-11-14 2005-10-26 イーグル工業株式会社 タンデムシール
JP5867824B2 (ja) * 2012-03-26 2016-02-24 日本ピラー工業株式会社 分割型メカニカルシール
US9920839B1 (en) * 2016-11-28 2018-03-20 Westinghouse Electric Company Llc Hydrostatic mechanical face seal

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021118799A1 (en) 2021-06-17
CN114746655A (zh) 2022-07-12
BR112022009992A2 (pt) 2022-08-16
JP2023505065A (ja) 2023-02-08
TW202130913A (zh) 2021-08-16
US20210156390A1 (en) 2021-05-27
TWI774138B (zh) 2022-08-11
CA3159703A1 (en) 2021-06-17
EP4065849A1 (en) 2022-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3545219B1 (en) Hydrostatic mechanical face seal
EP3036440B1 (en) Pump seal with thermal retracting actuator
JP5586525B2 (ja) メカニカルシール用シャットダウンシール
JP2915584B2 (ja) シール組立体
US9206812B2 (en) Pump seal with thermal retracting actuator
US9206791B2 (en) Pump seal with thermal retracting actuator
CA2719958C (en) Internally pressurised seals
US10125748B2 (en) Thermal retracting actuator
KR20220101111A (ko) 저압 및 고압 응용을 위한 접촉 밀봉부 배열