SE439820B - Axeltetning - Google Patents

Description

78045 92-*9 av 0,0005-0,0025 mm är vanliga. Eftersom ett mellanrum och tryck- skillnad förefinnes, kommer viss läckning att ske. Denna läckning är emellertid begynnande på grund av det ytterst ringa spelet.

Eftersom filmtjocklekarna är så små, är tätningsytornas släthct av yttersta betydelse vid minskandet av nötningen. Av detta skäl är tätningsytorna vanligen precisionspolerade, tills de är släta inom ett heliumljusband, dvs cirka 0,00030 mm, för undanröjande av skrov- lighet. Yttätningsläckníng är en funktion av axialkrafterna, som verkar på tätningsorganen. I en yttätníng kan dessa krafter pressa en axiellt fri (axiellt flytande) icke-roterande ring mot en på stället roterande motyta eller en axiellt fri (axíellt flytande), roterande ring mot en fast, stationär motyta. _ Läckníngsvägen i axiell riktning mellan det fria (flytande) organet och axeln tillslutes i allmänhet av en sekundär, statisk tätning, såsom en 0-ring, som tillåter primär rörelse hos den pri- mära tärningen utan axiell läckning. Yttätningar är tillfredsstäl- lande så länge som friktion och nötning icke är överdrivna. Allt eftersom hastighet och tryck ökar, blir emellertid~gnidningskon- takterna mindre tolererbara och upprätthållandet av en fluidfilm mellan tätningsytorna mer nödvändigt. För att begränsa enhets- belastningen på de samverkande ytorna är de flesta högtryckstät- ningar hydrauliskt balanserade. Balansering är det geometriska anordnandet av tätningsaggregatet för sänkning av belastningen mellan de roterande och stillastående ytorna. Genom variation av diametrarna hos varje tätningsorgan kan specificerade enhetstryck uppnås vid tätningsytan. Flytningskraften på det fria organet övervinner knappt öppningskraften, som åstadkommes av trycket mel- lan tätningsytorna, för åstadkommande av en minimal enhetsbelast- ning mellan samverkande tätningsytor, varigenom tätningens livs- längd befrämjas. I högtrycksanordningar har för ytterligare minsk- ning av verkan på tätningen och för förhindrande av läckníng tät- ningar med multipelkontaktytor anbringats på avstånd från varandra i axiell riktning längs axeln och tätningarna, som ligger intill varandra, har överbryggats med tryckminskande organ för åstadkom- mande av en minskad tryckskillnad över tätningsytorna.

I många anordningar har trenden varit att använda systemet med termodynamiskt arbetande fluid, som tätas såsom smörjmedels- film för undanröjande av eventuella föroreningsproblem, och spe- ciellt i nukleär användning nedbrytningen av standardsmörjmedel till följd av strålning. gon oïlälfiï 7804592-9 Yttätningar har använts i kärnkraftssystem för tätning av stora, vertikala reaktorkylpumpar. Vertikala pumpar har en axel, som är vertikalt anordnad. Reaktorkylpumpar bringar i allmänhet vatten att církulera genom reaktorn, änggeneratorn och tillhörande rörsystem under utvecklande av erforderlig tryckhöjd för övervin- nande av fluidfríktionsförluster och för transport av värme från kärnreaktorn till ånggeneratorerna. I tryckvattenreaktorsystem kan en tryckgivare användas för fastställande och vidmakthållande av ett systemtryck över 140 MPa. Det höga trycket erfordras för förhindrande av kokning vid höga systemtemperaturer, på ett typiskt sätt över 260°C. Tätningar för reaktorkylpumpar måste därför konstrueras för att arbeta under dessa betingelser.

Tillgängligheten hos kärnreaktorer har begränsats på grund av den ofta förekommande nödvändigheten att utföra reparationer på tätningar i reaktorkylpumpar. Driftproblem, som förefínnes med tätningar i reaktorkylpumpar, har innefattat överdriven läckníng, värmestopp av roterande organ, överdriven nötning på sekundär tät- ning, frätning eller nötning på axelhylsa, ojämn nötning av sta- tionära tätningsorgan, känslighet för temperaturförändringar, häng- ning av sekundär tätning, ofta förekommande destabilisering och känslighet för pumpaxelrörelse. de Många av de för närvarande arbetande reaktorkylpumparna är konstruerade så, att tätningen icke är anbríngad nära ett lager.

Denna konstruktion synes vara enastående övervägande endast i stora pumpar av vertikal typ, vilka användes i kärnreaktorsystem. På grund av de tre lageranordningar, som för närvarande finnes i de flesta reaktorkylpump-motorkombinationer är pumpaxelförflyttningar i sidled mycket större än som vanligen finnes i maskínerier. Tät- ningarna är dessutom anbringade nära pumpen med största axelför- skjutning. Det är även känt, att pumpaxeln rör sig upp och ned på grund av förändringar i pumpens axialkastning. När en löpande reaktorkylpump garanteras, t ex den normala kastningen nedåt för rotorn avbrytes, utövas en nettokraft uppåt på grund av det höga reaktorkylsystemtrycket. Vid lågt systemtryck åstadkommer axelns vikt en kastning nedåt. Den totala axelrörelsen i axiell led har mätts och visat sig variera från 2 till 3 mm beroende på den an- vända typen av motor och förhållandena i reaktorkylsystemet. En- dast ungefär 0,ZS mm beror på spel i motorns stötlager, varvid återstoden tillskrives motorhus- och lagerfästenavvikelscr och tempcraturutvidgning. aH-______a.~__«---~ *-~ 1FQjt)Iz c?ÉÉÉš:šÉší*““ 10 15 20 25 30 4D u 7804592- 9 Dynamiska axelförskjutningar i sidled har visat sig variera i fabriker under drift inom intervallet 0,125-0,55 mm vid drift' under konstanta betingelser. Beroende på framställnings- och inríktningstoleranser kommer axelförskjutningen att variera från pump till pump. Det kommer dessutom alltid att finnas en tendens till viss axelförskjutning på grund av radiell belastning vid rotorn. Axelvibrationer och -utlöpning bidrar även till axel- förskjutning, ehuru dessa fenomen kan motverka den väsentligen stationära kraft, som tillskrives radiell kastníng.

Det synes följaktligen som om verkningarna av driftmíljö och lageranordningar i en kärnreaktorkylpump har kombinerats för åstad- kommande av mindre tillfredsställande tätningsprestanda, ehuru tätningsteknologin är väl utvecklad. Optimal tätningsutveckling har hittills hindrats av misslyckandet att syntetisera nyligen insedda fenomen, som påverkar tätningsprestanda, med dem som är lättare uppenbara. g l De nyligen insedda fenomenen som här utmärkes som hydraulisk momentobalans och sekundär tätningsbelastning och cyklísk rörelse och som kommer att beskrivas närmare i det följande, leder till snabb nötning av tätningsytorna och ínstabilitet hos det axíellt rörliga organet samt snabb nedbrytning av den sekundära tätningen.

Fenomenen är förbundna med beskriven lageranordning.

Andra lätt insebara fenomen har verkat för att omintetgöra ansträngningarna att uppnå tillfredsställande tätningsprestanda tillsammans med hydraulisk momentobalans och cyklísk rörelse hos sekundär tätning. Dessa kända fenomen innefattar tätníngsrings- momentavvikelser på grund av termiska, hydrauliska eller mekaniska belastningar, tätningsslingring på grund av axellutning eller tät- níngshusavvikelse och oförmågan hos det fria organet att dynamiskt spåra sitt motsvarande tätningsorgan under axelförskjutning i axiell led.

Det finnes följaktligen ett behov av en tätning, som är lämp- lig att använda i reaktorkylpumpar och som icke påverkas av hydrau- lísk momentobalans och eljest uppträder tillfredsställande i tät- ningsfunktion. i Föreliggande uppfinning kännetecknas av kombinationen att tätningsytan har en sådan uppmätt bredddimension att den vid maximalfsfdförflyttníng av axeln fullständigt vetter mot tätnings- ytan hos det andra tätningsorganet och att den yttre diametern A hos tätningsytan som tillhör den axiellt glidande tätningsringen ÉQDR 10 15 20 v.) ln d U 7804592-9 5 är större än kompensationsdiametern C, så att det tryck, som under drift utövas av flytmedíet i ringyteområdet på det axiellt glidande tätningsorganet, alstrar axíellt tillslutande krafter som pressar den ringformade tätningsytan hos det axiellt glídande tätningsorganet mot det andra tätningsorganets ringformade tät- ningsyta.

Uppfinningen beskrives närmare på bifogade ritning, på vilken hänvisningsbeteckningarna i de olika figurerna betecknar samma el- ler motsvarande delar. Fig 1 visar schematiskt tryckfördelníngen på tätningsytan vid tätningsytor, som är parallella (fíg IA), som avviker i radiell riktning mot axelns centrumlinje (fig IB) och som konvergerar i radiell riktning mot axelns centrumlinje (fig 1C).

Fig 2 innefattar i sektion en vy (fig ZA) av en känd tätning, som visar en del av en axel och tätning i vertikalvy och en schematiskt överlagrad planvy (fig ZB) av motverkande, koncentriska, hydrauliska öppnings- och slutningsområdesprofiler. Fiq 3 innefattar i sektion en vy (fig SA) av tätningsanordningen enligt fig 2, varvid axeln har förskjutits till vänster och en schematiskt överlagrad planvy (fig SB) av motverkande, excentriska, hydrauliska öppnings- och slutningsområdesprofiler. Pig 4 visar schematiskt nettokraftprofi- lerna för hydraulisk belastning och ytbelastning i axeltätníngs- anordningen, i vilken hydraulisk momentobalans uppträder. Fig 5 visar en vertikalvy i sektion av en axeltätningsanordning, som innefattar huvudkännetecknen enligt uppfinningen. Fig 6 innefattar i sektion en vy (fig 6A) av en axeltätningsanordning som innefattar principerna enligt uppfinningen och en schematiskt överlagrad plan- vy (fig 6B) av motverkande, koncentriska, hydrauliska öppnings- och slutningsområdesprofíler och fíg 7 innefattar i sektion en vy (fíg 7A) av anordningen enligt fig 6, varvid axeln har förskjutits till vänster, och en schematisk överlagrad planvy (fig 7B) som åskådliggör upprätthållandet av motverkande, koncentriska, hydrau- liska öppnings- och slutningsområdesprofiler.

Hydraulisk momentobalans, såsom den beskrives och definieras här, synes icke förut ha insetts.

Hydraulisk momentobalans beror primärt på axelförskjutning i sidled. Traditionell praxis vid konstruktionen av högtryckstät- ningar med fríbärande yta är att inställa tätningsorganomrádena på så sätt, att de hydrauliska krafter, som verkar för pressning av tätningsytorna tillsammans, balanseras. Det hydrauliska halansförhållandet (bl definieras såsom förhållandet mellan två 10 20 7804592-9 dvs nettoslutningsområdet (Ac), som, såsom schematiskt 3, 6 och 7, är det område, som begränsas av tät- områden, visas i fig Z, iníngsytans avlastningsdiameter (C) och yttre diameter (A) och nettoöppningsområdet (Ao) som är det område som begränsas av tät- ningsytans yttre diameter (A) och inre diameter (B).

Under avlastade betingelser är öppnings- och slutningsområ- dena koncentriska (fig 2), likformiga hydrauliska kraftfördelning- ar är anbringade på öppnings- och slutningsområdena och summan av de hydrauliska slutningskrafterna på tätningen är större än summan av de hydrauliska öppningskrafterna, så att tätningsytorna icke pressas isär. Nettoslutningskraften (under försummande av frik- tionskrafterna hos det statiska tätningsorganet och fjäderkrafter- na, om sådana finnes) eller den hydrauliska nettokraften är fö1j~ aktligen lika med den hydrauliska kraft (PF) som utövas av trycket i fluidgränsytan och som påföres genom gränsytetrycket över öpp- ningsomrâdet, som kan beräknas av formeln: PF = UL A0 vari UL är enhetsbelastningen. Enhetsbelastningen är en funktion av (1) tryckskillnaden och -fördelningen över tätningsgränsytan och (2) balansförhållandet och uttryckes av formeln: UL = (P1 - P2) (b - K) vari P1 och P2 är trycket på tätningens högtrycks- resp lågtrycks- sida och K är en faktor, som betecknar variationen av gränsytetryck över tätningsgränsytans bredd och beror på ytornas parallellitet.

När tätningsytorna är parallella och en linjär tryckfördelning eller ett linjärt tryckfall förefinnes över tätningsgränsytan, är faktorn K lika med 0,5. Avlastníngsförhållandet b måste vara större än 0,5 för att säkerställa att tätníngsytorna icke säras.

Om tätníngsytorna icke är parallella och en konvergerande eller divergerande (i riktning från axelns centrumlinje) filmprofíl erhålles, är värdet på faktorn K större resp mindre än 0,5. Pig 1A, 1B och IC visar variationen i gränsytetryck från högtryckssidan (P1) (il l0 30 40 7804592-9 7 till lâgtryckssidan (P2) för tätningen, da faktorn K är lika med 0,5 (tätningsytorna parallella), mindre än 0,5 (film divergerande) och större än 0,5 (film konvergerande).

Om omrâdenas koncentricitet förloras, t ex under axelförskjut~ ning i sidled, är emellertid den hydrauliska nettokraftprofilcn icke likformigt anbringad på slutningsomràdet och det axiellt fria tätningsorganet är utsatt för ett hydraulískt moment. Lutningen hos det fria organet bringar i sin tur gränsytefilmprofilen att divergera till höger och att konvergera till vänster. Förlust av tätningsorganets koncentricitet har uppträtt i kärnreaktorkylpumpar på grund av de otypiska axelavböjningar i sidled, som sker vid tät- ningarna till följd av lageravståndet mellan motor och pump. Pig 2 och 3 åskådliggör schematískt en känd tätning och verkan av N hydraulisk momentobalans. I fig 2 sammanfaller det icke-roterande tätníngsorganets ll centrumlinje med det roterande tätningsorganets ll centrumlínje, så att öppnings- (Ao) och slutníngs- (AC)omràdena är relativt koncentriska, såsom visas i den överlagrade vyn (lig ZB).

Den hydrauliska nettoslutningskraften (FC) är likformigt fördelad över det ringformiga slutningsområdet AC och är hydraulískt avlas- tad av filmtrycket i gränsytan 13 mellan tätningsorganen, vilket leder till anbringandet av en hydraulisk kraft PF (icke visad) över Om axeln 14 förskjutes till vänster, såsom i fig 3, (AO) och slutníngs- (AC)omrâdena koncentricitet området AO. förlorar öppnings- i förhållande till varandra, såsom bäst framgår i den överlagrade schematiska vyn av dessa områden i fíg SB. Den hydrauliska netto- slutningskraftfördelningen till höger (PCR) överskrider följaktli- gen den till vänster (FCL), vilket leder till en hydraulisk moment- obalans. Lutningen av det fria organet bringar i sin tur den hydrauliska kraftprofilen i gränsytefilmen till höger (PFRl att divergera och till vänster (PFL) att konvergera i förhållande till tätníngsorganet 12, såsom visas i fig 4 (i vilken tätningsorganet ll för tydlighets skull har utelämnats). Om axeln förskjutes till- räckligt långt, kommer öppníngskraftcn, som utövas av trycket i fluidgränsytan på vänstra sidan (PFL), att överskrida den hydraulis- ka nettoslutningskraften på vänstra sidan (FCL) och tätningen kom- mer att pressas upp. Storleken på axelförskjutningen, som kan tolercras, beror på graden av ojämn nötníng på de precisionspolera- de tätningsytorna, vilken nötning härrör fran den ojämna ytbelast- ningen.

Hydraulisk momentobalans kan därför utvecklas till följd av I¶r|nu~v~_._.______________- - ^ *”°”“f?re3f Jm k 35 40 ,7so4s92-9 8 tätningsytornas förskjutning över varandras ändar och i vilken som helst tätningsanordning med tätningsyta, som tillåter slutníngs- omrâdet att vara utanför koncentricitet med avseende på öppnings- omrâdet. Detta kan leda till överdrivet höga enhetsbelastningar på en sida av tätningen och en belastning av(O eller en öppnings- belastning på den andra sidan.

I kärnreaktorkylpumpar är huvudorsaken till hydraulisk moment- obalans axelförskjutning i sidled. Såsom angivits, är reaktorkyl- pumptätningarna i allmänhet på grund av lagringsanordningen anbring- ade nära punkten med största förskjutning, vilken förskjutning är mycket större än den som traditionellt finnes i apparater. Excentri- citeten hos olika delar på grund av tillverkningstoleranser, fel- inriktningar vid sammansättningen, förskjutning på grund av radial- kast och axelvibration påverkar även axelförskjutningen och minskar under vissa omständigheter verkningarna av hydraulisk momcntobalans.

En sekundär, radiell tätningshelastning och cyklisk rörelse alstras genom hydraulisk momentobalans. När den primära tätningcn har en koncentrisk tryckprofil, är vridningskrafter på grund av tät- ningsfríktionen jämnt fördelade över hela det sekundära, kontaktande tätningsytområdet. När axeln är förskjuten, åstadkommer vridmomen- tet på grund av hydraulisk obalans en radiell belastning på den sekundära tätningen, vilket åstadkommer större vridningskrafter vid de punkter, där belastningen är koncentrerad. Eftersom den radiella belastningen är stationär, är den sekundära tätningen utsatt för cyklisk avlastning och sammanpressning i tätningsanordningar, där den roterar med axeln. Detta förklarar den överdrivna nötning hos sekundär tätning, som har inträtt i kända tätningar, och är även tillfredsställande löst genom undanröjandet av hydraulisk momentobalans.

Enligt uppfinningen sträcker sig nu (se fig 5) en axel 20 longítudinellt genom ett hus Zl. En axelhylsa 22 är koncentriskt anordnad och kilad i fluidtätt förhållande omkring en del av axeln 20. Ett dynamiskt fritt yttätningsaggregat, visat i sin helhet sásom 23 och med en icke-roterande, axiellt fri tätningsring 24 och en roterbar tätningslöpare 25, är anbringat mellan axelhylsan ZZ och huset Zl för bildning av en högtryckskammare 26. _ Tätningslöparen 25, som är fäst vid och roterar med axelhyl- san 22, har en ringformig, övre tätningsyta 30, som är anordnad i tvärríktningen med avseende på axelns 20 längdaxel.

Tätningsringen 24 innefattar ett tätningsorgan 31 och en tät- 10 15 40 7804592-9 9 níngstryckskiva 32, som verkar såsom bärare för tätníngsorganet 31.

Tätningsorganet 31 har en ringformig undre tätningsyta eller tät- ningsnos 33, som är anordnad i tvärriktníngen med avseende på axeln och i längdriktningen vetter mot tätningslöpnrens yta SU.

En väsentligen ringformig tätningsdel 34 är fäst vid huset 21.

Tätningsringen 24 är fäst vid tätníngsdelen 34 genom ett eller flera fjäderorgnn 35. En rotationsförhindrande anordning 36, som är fäst vid tätningstryckskívan 32, är inpassad i en longitudinellt anordnad slits 37, som är bildad i tätningsdelen 34. Ehuru denna klackför- bindning icke tillåter tätningsríngen 24 att rotera, är tillräckligt spel anordnat mellan slitsen 37 och den rotationsförhindrande anord- ningen 36 för att tillåta longitudinell rörelse och vinkelrörelse av ringen 24 med avseende såväl på tätníngsdelen 34 som tätningslöoaren 25. En sekundär tätning 40 tätar den potentiella läckníngsvägen i axiell led-mellan tätningsringen och tätningsdelen.

Ett andra, liknande tätningsaggregat, som i sin helhet visas såsom 41, är anbríngat longítudinellt förskjutet över tätningsaggre- gatet ZÉ, som beskrivits. En lågtryckskammare 42 skiljer tätnings- aggregatet 23 och 41. Anslutningar 50 resp 51, som leder till hög~ tryckskammaren 26 och lågtryckskammaren 42, kan användas vid fluid- förbindelse med yttre tryckkällor (icke visade) för reglering av trycken i dessa kammare.

Såsom bäst framgår av fig 5 och schematiskt av fig 6, är tät- ningsringen 24 konstruerad med sådan konfiguration, att den inne- fattar alla de ytomrâden, som påverkas av den hydrauliska kraft- balansen, dvs användes för bestämning av det hydrauliska avlast- ningsförhâllandet b. Tätningslöparen 25 är så konstruerad, att rudiulbredden hos den ríngformiga tätníngsytun 30 betydligt sträc- ker sig utöver de transversella avstånd, som tütningsytnn 30 för- väntas passera med avseende på tätningsnosen 33 på grund av maximal förskjutning i sidled hos axeln vid tätningen. Eftersom tätnings- ringen 24 är fri för axiell rörelse och icke styvt fäst vid tät- ningsdelen 34, är dess samverkan med tätningslöparen 25 väsentligen opäverkud av värme- eller tryckdistorsíoner hos tätningsdelen 34.

Såsom bäst framgår av fig 6 och 7 undnnröjes följaktligen hydraulisk momentobalans på grund av axelförskjutning. Pig 6 åskådliggör schemutískt en tätning, som är framställd enligt npp~ fínníngen och i vilken centrumlinjerna för roterande och icke- roterande organ sammanfaller så, att öppnings- (A0) och slutnings- (AC)områdena är koncentriska, såsom bäst framgår av den överlagrade 10 15 7804592-9 10 UPP- níngs- (Ao) och slutnings- (Ac)omrädena förblir koncentríska, vyn i fig 6B. I fig 7 har axeln förskjutíts till vänster. eftersom både öppningsområdet och slutningsomrâdet (följaktligen avlastningsförhâllandet) endast bestämmes av ytorna på det fria (flytande) organet 24. Det roterande organet 25 är konstruerat med tillräcklig diametral tvärsektion eller bredd, så att tätníngs- ytan hos det fria organet 24 icke kan komma förbi kanterna hos det roterande organet 25 vid maximal axelförskjutníng. Uppnings~ och slutningsområdéna kan sålunda icke förlora koncentrícitet med av- seende på varandra. I Ehuru det axiellt fria, balanserade organet exempelvis icke är roterande i den beskrivna utföringsformen, skulle det balanserade organet (avlastningsorganet) kunna tillåtas vara (flyta) fritt medan det icke hålles från rotation, såsom när det är fäst vid axelhylsan.

Tätningsanordningen eller -aggregatet behöver dessutom icke användas på visat sätt (fig 5) i samband med liknande tätningar i tandem eller med yttre tryckkälleförbindníngar, som reglerar trycket i hög- och lågtryckskamrarna.

Claims (1)

1. H 78Û4592~9 PATENTKRAV Tätningsanordníng för en vertikal rotoraxel hos en pump, speciellt för kylmedlet i en kärnreaktor, varvid pumpen inne~ fattar ett hus (21), en tryckkammare (26), som åtminstone par- tiellt omgives av huset, en i sidled svängbar axel (20) som åt- minstone partiellt genomtränger huset (21), och två ríngformade tätníngsorgan (24,25) anordnade inuti huset (21), varvid en åt- minstone delvis icke kan rotera i huset (21) och den andra är fri att vrida sig på axeln (20), och varvid tätningsorganen innehåller radiella, ringformade tätningsytor (30,33) som vetter mot varandra, varigenom en av de två tätninsorganen (24,Z5) hålles glidande axiellt och dess tätningsyta (33) begränsas av en yttre diameter A och även av en inre diameter B, varvid denna tätningsyta (33) har en uppmättbreddi radiell led som är mindre än tätningsytans (30) hos det andra tätningsorganet (25), medan det axiella glidande tätningsorganet (24) är format och tätat så, att det under drift utsättes för ett tryck från det flytande medium, som finnes i tryckkammaren (26) och verkar på en tvär- sektion av ringytområdet, där detta ringyteområde på en sida är begränsat av den yttre diametern A på tätningsytan (33) som hör till det axiellt glidande tätningsorganet (24) och på andra sidan av en kompensationsdiameter C, k ä n n e t e c k n a d av kombinationen att tätningsytan (33) har en sådan uppmätt bredd- dimension att den vid maximal sidförflyttning av axeln (20) full- ständigt vetter mot tätningsytan (30) hos det andra tätningsor- ganet (25) och att den yttre diametern A hos tätningsytan (33) som tillhör den axiellt glidande tätningsringen (24) är större än kompensationsdíametern (C), så att det tryck, som under drift utövas av flytmediet i ringyteområdet på det axiellt glidande tätningsorganet (24), alstrar axiellt tillslutande krafter som pressar den ringformade tätningsytan (33) hos det axiellt glidan- de tätningsorganet (24) mot det andra tätningsorganets (25) ringformade tätningsyta (30). ÄOOR Qvzaizrr V... a.. ___-___... __