TWI514420B - 高溫、高壓用之備援密封 - Google Patents

Description

高溫、高壓用之備援密封

本發明係關於例如核能冷卻泵這類高溫、高壓應用之備援密封。

當前有許多機械密封設計可用於核能主冷卻泵，這些機械密封的功能用於限制高溫、高壓反應爐冷卻系統(RCS，reactor coolant system)水從反應器主系統洩漏進入反應爐包覆容器，同時容許一旋轉軸穿過該主要壓力邊界。該轉軸驅動一泵推進器，並且該機械密封在密室內搭配該轉軸配置。這些抽唧系統需要冷卻至該機械密封，以便提供最佳效能的運轉環境給該密封。這些抽唧系統內的情況可能高達2500 psi以及650F，因此需要利用準備能冷卻該機械密封的冷卻系統，確定該密封在這些情況下具有足夠的使用壽命。

在冷卻系統的電力中斷或失去控制這些緊急情況下，密封冷卻可能喪失並且在密封面上會產生過高的溫度。由於許多因素導致大幅增加RCS洩漏至反應爐包覆容器的可能性，這種高溫會造成該等密封受損。

因此，本發明目的在於提供一種安全備用密封(備援密封)，其可在例如冷卻系統故障這類特定洩漏情況下啟動，藉此在該密封的緊急期間維持抵抗完整RCS情況的防漏密封。

在西屋專利(美國專利申請案2010/0150715 A1)內揭示另一 個設計概念，此專利揭示一種用於核電廠的熱啟動備用密封，其需要溫度上升到250至290F的範圍來融化隔板或填蠟活塞，其中這種結構融化容許一維持插銷縮回，讓一分離活塞環下陷抵住該轉軸。壓力與溫度進一步增加導致二次聚合物環也與該轉軸接合，提供比該第一金屬分離環所提供還要少的洩漏，這些洩漏係由於該分離環間隙所造成。該固態聚合物環位於該分離環的下游。

不過，此設計具有許多缺陷，例如：在到達啟動溫度(250-290 F)之後，最多要耗費45秒才能啟動，其中在啟動之前會逃脫大量蒸氣。

另外，此設計會在非意外(包含熱待機)情況下由於冷卻暫時喪失而意外啟動，並且難以或不可能判斷其是否啟動，並且若未發現意外啟動，該密封可能無法應付後續真正的緊急情況。

另外，在該密封的相伴主要密封有任何缺乏時，該密封可在旋轉之下啟動，並且若該密封在轉軸旋轉期間啟動，由於該金屬活塞環摩擦並可能擠壓，則該密封本身及/或旋轉組件都將受損，這可能導致洩漏遠多於測試中識別的洩漏率。

另外，該密封並無法保護總液體洩漏，並且完整啟動並無法提供零洩漏。在2250 psi並且575F之下，該洩漏在該專利申請案內報導為0.1 gal/min的數量級。若發生高達168小時的長久意外情況，則該密封環腐蝕會讓洩漏顯著超出這些值。

此外，該下游聚合物元件必須可密封外殼凸緣與轉軸之間0.050”的徑向間隙。吾人將了解，溫度高於600F時，該元件材料有可能流動，導致由於擠出而喪失密封能力。

更特別針對本發明，相信本發明能夠克服先前密封設計所伴隨的缺陷。本發明為備援密封，包含以下：金屬熱膨脹抑制器(TEP，Thermal Expansion Preventer)：TEP安裝與該轉軸徑向相鄰的一密封外殼，並且具有對於金屬密封/防擠出環的一干涉裝配，幫助一單位化組合。該TEP在該聚合物啟動環的水平(軸向密封部分)唇上提供一極限限制。因為該聚合物啟動環的熱膨脹係數遠大於金屬組件，該TEP避免該聚合物材料膨脹遠離該轉軸或轉軸套管，藉此在溫 度升高的情況下，維持該旋轉與靜止組件之間一恆等或受控制的間隙。另外此環為該聚合物啟動環中心之上或底下正面(高壓側)內的一些開口，並且其錐形前緣也與該聚合物啟動環匹配。這兩特徵幫助由於大動能在高蒸氣或兩階段流速之下的啟動程序。

聚合物啟動環：此裝置為密封啟動的前線，因為其由彈性聚合化合物所製成，所以洩漏時此元件將繞著其中心旋轉、下陷抵住該轉軸或轉軸套管，並且在該旋轉與靜止組件之間形成該初始密封功能(請參閱圖2)。此動作為伯努力效應的結果，其中小壓力差由透過該聚合物環與該轉軸或轉軸套管的水平部分間之間隙所增加的洩漏所引起。由於洩漏流導向通過該聚合物環中央底下的該TEP環內之該等開口，利用前述流體侵入進一步增加上述壓力差。一旦該密封唇開始朝向該轉軸或轉軸套管收縮，則該壓力差進一步擴大，導致該唇部加速關閉動作。一旦開始關閉該唇部與轉軸或轉軸套管間之間隙，經過測試，在不足一秒的時間內完全啟動。一旦該聚合物環密封至該轉軸或轉軸套管，則通過該備援密封的壓力差開始迅速上升。圖3顯示該聚合物環在100 psi下的情況。

該聚合物環進一步密封該轉軸或轉軸套管，並且其外徑也抵住該金屬密封/防擠出環以及熱膨脹抑制器(TEP)環。該環的外徑不受限制的事實增長了該聚合物環的這種變形。若該OD受限，則該環變成堅硬，造成該受限區域上的內部應變上升，並且降低該啟動能力。由於高速蒸氣、兩階段流動或氣體，將在顯著低洩漏流量上啟動此元件。在啟動之前將通過更多液態水流。

金屬密封/防擠出環：該金屬密封/防擠出環具有至該金屬背環的干涉裝配，在安裝該聚合物啟動環以及TEP環之前，執行此干涉裝配。這再次提供一單位化組合，並且將該金屬密發/防擠出環密封至該金屬背環。從功能的角度來看，由於低壓力差(低於10 psid)洩漏，該聚合物環提供初始密封功能。一旦該聚合物環密封至該轉軸或轉軸套管，增加的密封壓力讓該聚合物環壓住該金屬密封/防擠壓環，導致其變形、旋轉，如此該金屬環的內徑與該轉軸或轉軸套管接觸。壓力低於1000 psi時，該金屬環將與該轉軸或轉軸套管完全接觸(請參閱圖4)。此時該防擠出環形成額外密封 功能，並且也禁止該聚合物環在較高壓力與溫度時擠出。因為該聚合物環無法擠出，所以可幫助在較高壓力與溫度之下進一步防漏密封。圖5顯示在2500 psi與500 F之下此配置的完整密封。該金屬密封/防擠出環建構成分開的組件，幫助製造薄剖面。另外若該金屬密封/防擠出環以及該金屬背環一體成形時，該功能會相同。

金屬背環：提供一支撐組件給該金屬密封/防擠出環。

優點

此密封配置的優點描述如下：密封啟動與溫度無關，而是與實際洩漏流有關。若無蒸氣洩漏或有非常低的蒸汽洩漏，除非液體洩漏流明顯更高，否則不會啟動。與依賴溫度上升來啟動不同，本發明並無例如冷卻水瞬間喪失這種暫時情況造成意外啟動之風險，或是同時發生意外啟動密封將會因為泵持續運轉而受損並且在真正緊急情況下無法使用之風險。

實驗顯示到達大約1 lbm/sec蒸氣流率時，可啟動該備援密封。在正常液體洩漏流當中將不會啟動密封。經使用所選組態的實驗，確認高達9 gal/min的水流率(特定測試設定的最高水流率)也不會啟動該密封。這是一項重要的設計優勢。在主要機械密封已經開始退化並且洩漏增加，但是密封注射、密封冷卻和RCS標記能力仍舊在之情況下，因為具有充分能力來處理安排正常關閉之前的額外洩漏，所以無迫切關閉該泵的需求。

由金屬與聚合物元素一起運作所提供密封該轉軸的裝置，在壓力高達2500 psi和575℉之下提供防漏密封。

該聚合物環位於該金屬密封環的上游，使其不可能擠出。上升的溫度以及壓力促進該聚合物符合轉軸情況下許多缺陷。即使在溫度高於600F這種材料可能流動的情況下，也不會減損材料的使用效能。相對之下，該聚合物材料更符合需求，提供更多密封能力。

因為依照設計，該裝置在洩漏時才啟動，無需操作員介入或其他支援系統來啟動或維持該密封，只要有密封的壓力。

密封可重複啟動，並且可在製造後測試，或可能在完整機組 安裝之後利用供應低壓空氣至該上密封與備援密封間之密室來測試。該備援密封將啟動，然後壓力去除之後將打開，並且該等備援密封組件未受損。

在全壓力與溫度之下，此組合只有兩個組件超出其生產強度：該金屬密封/防擠出環與聚合物啟動環。壓力降低之後，該金屬環將充分回彈，提供某些間隙給該轉軸。雖然該聚合物環不會回彈，不過對於該轉軸的負擔將最少。這兩因素導致很輕鬆就可移除該組合。

因為此裝置在高速洩漏情況下啟動，此概念也可運用在核電以外的其他工業，在牽涉到高壓輕質烴(在大氣下為蒸氣)以及任何其他高壓液體(在大氣下為氣態)的輸送方面有特定優勢。

在閱讀以下說明書並且檢視附圖後，將對本發明的其他目標與目的及其變化有所了解。

10‧‧‧備援密封

12‧‧‧聚合物啟動環

14‧‧‧彈性密封唇

15‧‧‧轉軸

18‧‧‧金屬密封/防擠出環

20‧‧‧外部側

21‧‧‧環狀間隙

22‧‧‧相對表面

24‧‧‧密封外殼

26‧‧‧金屬熱膨脹抑制器

27‧‧‧環狀缺口

28‧‧‧內部凸緣區段

29‧‧‧外部環狀壁

31‧‧‧邊緣部分

32‧‧‧開口

33‧‧‧開口

34‧‧‧錐形前緣

37‧‧‧位置

38‧‧‧外徑

40‧‧‧金屬背環

41‧‧‧環狀本體

42‧‧‧溝槽

43‧‧‧O形環

44‧‧‧固定肩部

45‧‧‧環凸緣

46‧‧‧鼻部

47‧‧‧傾斜密封面

50‧‧‧扣環

51‧‧‧外殼肩部

55‧‧‧內徑

56‧‧‧密封凸緣

58‧‧‧相對面

圖1為一基本備援密封組合。

圖2為一初始聚合物唇密封。

圖3為100 psi之下的一聚合物密封。

圖4為至轉軸的一防擠出環密封。

圖5為在2500 psi與500 F之下一完整防漏密封。

圖6為圖1內該備援密封的部分放大圖。

以下說明內為了方面將使用特定用語，僅供參考並不設限。例如：「向上」、「向下」、「向右」與「向左」代表圖式內相對於參考點的方向。

「向內」與「向外」分別代表朝向與遠離該配置及其指定零件之地理中央。該詞彙將包含特別提及的用字、其變體以及類似用字。

請參閱圖1，提供一備援密封10，其與一主要機械密封結合，避免通過該機械密封洩漏至外界。此備援密封10特別適用於例如核能冷卻泵這類高溫、高壓應用。

一般來說，針對密封組件，備援密封10包含一聚合物啟動 環12，其為密封啟動的第一線，並且定義正常情況下與該轉軸或轉軸套管15相隔的一彈性密封唇14。產生洩漏時，該啟動環12與唇14下陷抵住轉軸或轉軸套管15，形成一初始密封(如圖2內所見)。在由於高速蒸氣、兩階段流動、氣體或任何其他類似因素下，於顯著低洩漏流量上就會啟動該啟動環12。

再來，提供一金屬密封/防擠出環18，形成洩漏時的第二密封。啟動環12在低壓力差(例如低於10 psid)的洩漏期間提供該初始密封功能，並且一旦啟動環12密封至轉軸或轉軸套管15(如圖3內所見)，增加的密封壓力施力讓聚合物啟動環12抵住金屬密封/防擠出環18(如圖4內所見)，導致該環變形，如此金屬環18的內徑與轉軸或轉軸套管15接觸，形成與利用唇14所定義的該第一密封軸向相鄰之一第二密封。

此備援密封10的一項優勢為密封啟動與溫度無關，而是與實際洩漏流有關。若無蒸氣洩漏或有非常低的蒸汽洩漏，除非液體洩漏流明顯更高，否則不會啟動。

備援密封10可與目前可用於核能主要冷卻泵的許多機械密封設計搭配使用，不過備援密封10並不受限於此環境的這種特定泵。儘管如此，在此環境內，該主要機械密封的功能用於限制高溫、高壓反應爐冷卻系統(RCS，reactor coolant system)水從反應器主系統洩漏進入反應爐包覆容器，同時容許一旋轉軸15穿過該主要壓力邊界。轉軸15可具有或不具有一轉軸套管，但是為了本揭露事項，參照至一轉軸適用於具有或不具有轉軸套管的轉軸。旋轉時，該轉軸驅動一泵推進器。

該機械密封沿著一密室內的轉軸15放置，從一般與外界相通的外部側密封該推進器所在的該機械密封內部處理側。該外部側顯示於圖1內，並且指定為參考編號20，其中備援密封10應該沿著該機械密封外部側上的轉軸15放置，該機械密封也固定至相同轉軸15。如所了解，正常來說在一般操作情況下，備援密封10並未定義一密封，而是定義在啟動環12的唇14與轉軸15的相對表面22之間徑向形成之一環狀間隙21。如此，在某些典型設置內一機械密封正常應該在該外部側上與外界連通。不過在缺乏備用密封10時，該開放間隙也允許在密封失效期間洩漏過該機械密封 的高壓流體流至外界。為了避免此結果，在這些情況下應該關閉備援密封10，並且迅速停止此洩漏至外界。

針對該核能冷卻泵，這些抽唧系統需要冷卻至該機械密封，以便提供最佳效能以及連續密封的這種運轉環境給該機械密封。這些抽唧系統內的情況可能高達2500 psi以及650F，因此需要利用準備能冷卻該機械密封的冷卻系統，確定該機械密封在這些情況下具有足夠的使用壽命。

在冷卻系統的電力中斷或失去控制這些緊急情況下，密封冷卻可能喪失並且在該機械密封內該密封環的密封面上會產生過高的溫度。由於許多因素導致大幅增加RCS洩漏至反應爐包覆容器的可能性，這種高溫會造成該等機械密封受損。

尤其是針對備援密封10，可結合任何機械密封設計來提供備援密封10，並且精通技術的讀者精通這種機械密封，如此可省略不必詳述。一般針對該機械密封與備援密封10而言，形成一流體密封來密封轉軸表面22與靜止密封結構的相對內側表面(一般定義為密封外殼24)之間該徑向空間。雖然該機械密封應包含一外殼，例如一密封腺，備援密封10的外殼24可隨現有密封腺一起形成，或以外加組件固定至該密封腺。

為了有效密封轉軸表面22與密封外殼24之間的徑向空間，備援密封10較佳由組件的一單體化組合所形成，其固定至密封外殼24並且放置在轉軸15與外殼24之間的徑向空間20內。備援密封10包含以下組件和結構：金屬熱膨脹抑制器(TEP，Thermal Expansion Preventer)26：TEP 26裝配在外殼24的環狀缺口27內，並且包含一內部凸緣區段28與一外部環狀壁29。環狀壁29具有一徑向面向內表面，其定義與金屬密封/防擠出環18的一干涉裝配，其中該環在環狀壁29內徑向摩擦裝配，來促成一單位化組合。

除了提供壁29來承載和支撐金屬環18以外，TEP 26的凸緣區段28在聚合物啟動環12的水平(軸向密封部分)唇14上提供一極限限制。凸緣區段28包含一環狀邊緣部分31，其較佳如圖1和圖6內所見具有一V形剖面，徑向限制唇14的徑向向外移動遠離轉軸15，因此將唇14徑 向放置在遠離轉軸表面22的一固定最遠位置上。進一步，邊緣部分31也可限制唇14往該機械密封內部的方向軸向移動。

因為聚合物啟動環12的熱膨脹係數遠大於金屬組件，TEP 26避免啟動環12的該聚合物材料成長遠離該轉軸或轉軸套管15，藉此在溫度升高的情況下，維持該旋轉與靜止組件之間一恆等並受控制的間隙21。另外身為TEP 26的一部分，凸緣區段28包含位於聚合物啟動環12中心之上或底下正面33(高壓側)內的一些開口32，並且一錐形前緣34也與聚合物啟動環12和唇14匹配或接觸。開口32和錐形前緣34的這兩特徵幫助由於大動能在高蒸氣或兩階段流速之下的啟動程序。

聚合物啟動環12：此裝置為密封啟動的前線，雖然啟動環12較佳為一聚合物，吾人將了解，此元件可由經證實可提供合適結構和功能的其他材料所製成。

因為其較佳由彈性聚合化合物所製成，所以洩漏時此元件12將繞著其中心旋轉、徑向向內塌陷抵住轉軸或轉軸套管15，在該旋轉與靜止組件之間形成該初始密封功能(請參閱圖2)。此動作為伯努力效應的結果，其中小壓力差由透過聚合物環12與轉軸或轉軸套管15的水平部分或唇14間之間隙21所增加的洩漏所引起。由於洩漏流導向通過聚合物環12中央底下的TEP環26凸緣部分28內之開口33，利用前述流體侵入進一步增加此塌陷效果。一旦密封唇14開始徑向向內朝轉軸或轉軸套管15收縮，如圖2內所示，則該壓力差進一步擴大，導致唇14加速關閉動作至圖3內所示的完全關閉位置。一旦開始關閉唇14與轉軸或轉軸套管15間之間隙21，經過測試，會在不足一秒的時間內完全啟動。一旦聚合物環12密封至轉軸或轉軸套管15，則通過備援密封10的壓力差開始迅速上升。圖3顯示該聚合物環在100 psi下的情況。

如圖3內所見隨著洩漏壓力增加，聚合物環12透過位置37上增加的接觸力，進一步密封在轉軸或轉軸套管15上，並且也密封在其外徑38上抵住金屬密封/防擠出環18以及熱膨脹抑制器環26。環12的外徑(OD)38不受限制的事實增長了聚合物環12的這種變形或彈性。若OD 38受限，則環12變成堅硬，造成該受限區域上的內部應變上升，並且降低該 啟動能力。不過，由於無限制的OD 38以及在唇14定義的ID接觸位置37上缺乏軸向限制，則在由高速蒸氣、兩階段流動或氣體所產生的顯著較低洩漏流上將啟動此元件12。在啟動之前將通過更多液態水流。

金屬密封/防擠出環：下一個組件為金屬密封/防擠出環18，其具有卡住一金屬背環40的一干涉裝配，金屬背環40具有一環狀本體41，其定義一溝槽42來接受一O形環43(圖1)，其中O形環43密封背援密封10抵住外殼24。本體41的前面也包含一固定肩部44，其摩擦卡住肩部44的徑向面向外表面與金屬環18的相對面向內表面間之金屬環18，尤其是卡住其環凸緣45。環本體41進一步往前突出來定義一鼻部46，其定義軸向面對該內部方向的一傾斜密封面47。

在安裝聚合物啟動環12以及TEP環26之前，執行肩部44上的該干涉裝配。為了例示，在環凸緣45與面向肩部44(在內側與後端上)和壁29(在外側上)的三邊之間顯示一白線。吾人將了解，為了清晰起見所以顯示此白線，實際上在這些相對表面之間應存在靠近的裝配接觸，以便在其間定義該等干涉裝配。

再次完成肩部44的該干涉裝配來提供一單位化組合，並且密封金屬密封/防擠出環18的環凸緣45與金屬背環40間之該肩部介面。進一步，利用前述O形環43定義背環40與外殼24之間的密封，該O形環43允許該單位化密封組合軸向滑入轉軸15與外殼24之間的軸向室內。安裝之後，該備援密封組合利用一扣環50(圖1)軸向固定在定位，如此備援密封10軸向侷限在扣環50與缺口27所定義的外殼肩部51之間。

從功能的角度來看，由於低壓力差(低於10 psid)洩漏，聚合物環12提供該初始密封功能。一旦如圖3所示聚合物環12密封至轉軸或轉軸套管15，則在緊急或其他類似情況期間造成的密封壓力增加會施力於聚合物環12，使其變形抵住金屬密封/防擠出環18(請參閱圖3)，藉此導致金屬環18在增加的洩漏壓力下也變形。此環變形旋轉金屬環18(請參閱圖4)，如此金屬環18的內徑55徑向接觸轉軸或轉軸套管15。壓力低於1000 psi時，金屬環18將與轉軸或轉軸套管15完全接觸(請參閱圖4)。

此內徑55定義在一密封凸緣56的終端上。正常來說，密封 凸緣56以圖1至圖3和圖6內所示的一第一傾斜角度延伸，然後以擺動動作變形至圖4和圖5內所示的一第二完整偏轉角度。此第二角度受到其上密封凸緣56軸向抵住背環40的傾斜面47並且徑向抵住轉軸15之該點的限制，如圖5內所示。

此時防擠出環18透過內徑55與轉軸表面21接觸，形成一額外密封功能，並且也禁止聚合物環12在較高壓力與溫度時擠出，如圖5內所示。因為聚合物環12與密封凸緣56的相對面58相鄰，所以無法往外軸向擠出，如此可幫助在較高壓力與溫度之下進一步防漏密封。圖5顯示此配置在2500 psi與500 F之下的完整密封。金屬密封/防擠出環18建構成分開的組件，幫助製造定義密封凸緣56的薄剖面。另外若金屬密封/防擠出環18以及金屬背環40一體成形時，該功能會相同。

金屬背環：如上述，背環40提供金屬密封/防擠出環18的一支撐組件，並且用於將該單位化組合固定在密封外殼24內。

上述備援密封提供許多優點，此密封配置的下列優點包含如下。

例如：密封啟動與溫度無關，而是與實際洩漏流有關。若無蒸氣洩漏或有非常低的蒸汽洩漏，除非液體洩漏流明顯更高，否則不會啟動。與先前技術依賴溫度上升來啟動不同，本發明並無例如冷卻水瞬間喪失這種暫時情況造成意外啟動之風險，或是同時發生意外啟動密封將會因為泵持續運轉而受損並且在真正緊急情況下無法使用之風險。

實驗顯示到達大約1 lbm/sec蒸氣流率時，可啟動備援密封10。不過，在正常泵與密封操作期間可能發生的正常液體洩漏流之下並不會發生密封啟動。經使用備援密封10的所選組態實驗，確認高達9 gal/min的水流率(特定測試設定的最高水流率)也不會啟動密封10。這是一項重要的設計優勢。在主要機械密封已經開始退化並且洩漏增加，但是密封注射、密封冷卻和RCS標記能力仍舊在之情況下，因為具有充分能力來處理安排正常關閉之前的額外洩漏，所以無迫切關閉該泵的需求。

在進一步範例中，密封至轉軸15的裝置由該金屬與聚合物元件，換言之就是金屬環18和聚合物環12所提供，這些元件在壓力高達 2500 psi和575℉之下提供防漏密封。如此，聚合物環12為金屬密封環18的上游，即是在內部洩漏側上，使其在高壓之下不可能擠出聚合物環12。上升的溫度以及壓力促進該聚合物符合轉軸情況下許多缺陷。即使在溫度高於600F這種材料可能流動的情況下，這種高溫也不會減損材料的使用效能，並且不受密封凸緣56限制。相對之下，該聚合物材料更符合需求，提供更多密封能力。

在進一步範例中，因為依照設計，該裝置在洩漏時才啟動，無需操作員介入或其他支援系統來啟動或維持該密封，只要有密封的壓力。

另外針對範例，密封可重複啟動，並且可在製造後測試，或可能在完整機組安裝之後利用供應低壓空氣至該上密封與備援密封間之密室來測試。備援密封10將啟動，然後去除該壓力，在該等備援密封組件未受損之下開啟備用，如此可重複使用備援密封10。

另外，在全壓力與溫度之下，此組合只有兩個組件超出其生產強度：由可彈性變形材料形成的金屬密封/防擠出環18與聚合物啟動環12。壓力降低之後，金屬環18將充分回彈，提供某些間隙給轉軸15。雖然聚合物環12通常不會回彈，不過對於該轉軸的負擔將最少。這兩因素導致很輕鬆就可移除該組合。

因為此裝置在高速洩漏情況下啟動，此概念也可運用在核電以外的其他工業，在牽涉到高壓輕質烴(在大氣下為蒸氣)以及任何其他高壓液體(在大氣下為氣態)的輸送方面有特定優勢。

雖然為了例示而詳細揭示本發明的特定較佳具體實施例，不過吾人將了解，所揭示設備的變化或修改，包含零件重新配置，都在本發明的範疇內。

10‧‧‧備援密封

12‧‧‧聚合物啟動環

14‧‧‧彈性密封唇

15‧‧‧轉軸

18‧‧‧金屬密封/防擠出環

20‧‧‧外部側

21‧‧‧環狀間隙

22‧‧‧相對表面

24‧‧‧密封外殼

26‧‧‧金屬熱膨脹抑制器

27‧‧‧環狀缺口

28‧‧‧內部凸緣區段

29‧‧‧外部環狀壁

31‧‧‧邊緣部分

32‧‧‧開口

33‧‧‧開口

34‧‧‧錐形前緣

40‧‧‧金屬背環

41‧‧‧環狀本體

42‧‧‧溝槽

43‧‧‧O形環

44‧‧‧固定肩部

45‧‧‧環凸

46‧‧‧鼻部

47‧‧‧傾斜密封面

50‧‧‧扣環

51‧‧‧外殼肩部

56‧‧‧密封凸緣

Claims (20)

1. 一種避免一密封流體沿著一可旋轉軸以及徑向相對外殼洩漏至外界之備援密封，該備援密封包含：一聚合物啟動環，其提供一第一密封於洩漏時抵住一轉軸表面，該啟動環包含一彈性密封唇，徑向地向內透射使得該彈性密封唇正向地與該轉軸表面相隔，該啟動環具有對向的一第一邊與一第二邊軸向地面向內板及外板方向，當受制於作用在該啟動環的第一邊上的該密封流體的一第一液壓時，該啟動環抗拒變形，及當受制於大於該第一液壓的該密封流體的一第二液壓下，該啟動環為軸向向內可變形的，如此下陷抵住該轉軸表面藉由該密封唇接觸該轉軸表面一開始便形成一第一密封；以及一金屬密封/防擠出環，其在洩漏期間提供一第二密封，該金屬環包含一密封凸緣，其輻射狀地向內透射使得當受制於該第一液壓與該第二液壓下，該密封凸緣正向地與該轉軸表面相隔，及該密封凸緣比該啟動環較強硬使得在增加的密封壓力負載而產生大於該第二液壓的該密封流體的一第三液壓之下能變形抵住該轉軸表面，該聚合物環會在變形之後壓住該金屬環，導致該金屬環也變形，如此該金屬環的一內徑與該轉軸表面接觸，以形成該第二密封。
2. 如申請專利範圍第1項所述之備援密封，其中當未發生變形時，該啟動環及該金屬密封環為軸向地相隔。
3. 如申請專利範圍第2項所述之備援密封，其中當未發生變形時，該啟動環的該第二邊係與該金屬密封環相隔離，及當該啟動環因該第二液壓而變形時，該啟動環的該第二邊係與該金屬密封環相連接。
4. 如申請專利範圍第1項所述之備援密封，其中當該啟動環因該第二液壓而變形時，該啟動環延伸而軸向且徑向地轉移與該轉軸表面接觸。
5. 如申請專利範圍第4項所述之備援密封，其中該啟動環包含由徑向隔離的內部與外部直徑所定義的一徑向部分，且該彈性密封唇自該內部直徑軸向地往外延伸，該內部直徑大於由該轉軸表面所定義的一轉軸直徑。
6. 如申請專利範圍第5項所述之備援密封，其中該彈性密封唇在該內板方向上從該金屬密封環軸向地遠離延伸。
7. 如申請專利範圍第1項所述之備援密封，其中該啟動環是藉由徑向隔離的內部與外部直徑所定義，該內部直徑大於由該轉軸表面所定義的一轉軸直徑，以定義出當未發生變形時，位於該啟動環的該彈性密封唇與該轉軸表面之間的一徑向間隙。
8. 如申請專利範圍第7項所述之備援密封，其中於該備援密封的內部該啟動環的外部直徑不受限制，使該啟動環易於變形。
9. 如申請專利範圍第7項所述之備援密封，其中該備援密封包含一膨脹限制器，其具有一環型凸緣環繞該彈性密封唇，以限制該彈性密封唇與該內部直徑徑向地膨脹。
10. 一種避免一密封流體沿著一可旋轉軸的一外轉軸表面以及一徑向相對外殼洩漏之備援密封，該備援密封包含：一啟動環，其提供一第一轉軸密封於洩漏時抵住一轉軸表面，該啟動環自一外部直徑徑向地向內透射，並定義一彈性密封唇於一外部直徑上，其中該彈性密封唇正向地與該轉軸表面相隔以定義出位於其間的一徑向間隙，該啟動環為一聚合物當受制於作用在該啟動環的內板第一邊上的該密封流體的一第一液壓下，該聚合物抗拒變形，而當受制於大於該第一液壓的該密封流體的一第二液壓下，該聚合物為軸向向內可變形的，當受制於該第二液壓下該聚合物允許該密封唇下陷抵住該轉軸表面 以一開始便形成一第一轉軸密封；以及一防擠出環，其剛性大於該啟動環，並在洩漏期間提供一第二轉軸密封，該防擠出環包含一密封凸緣，於該第一與該第二液壓下該密封凸緣輻射狀地向內透射使得該密封凸緣正向地與該轉軸表面相隔，及該密封凸緣設置於軸向鄰接該啟動環的該外板第二邊，該密封凸緣比該啟動環較強硬使得在增加的密封壓力負載而產生大於該第二液壓的該密封流體的一第三液壓之下能變形抵住該轉軸表面，於面對接觸該第二液壓該啟動環會在變形之後壓住該防擠出環，導致該第三液壓傳遞至該防擠出環使得該防擠出環的一內徑與該轉軸表面接觸，以形成該第二密封；該啟動環與該防擠出環的該內部直徑大於該轉軸表面的一轉軸直徑。
11. 如申請專利範圍第10項所述之備援密封，其中當未發生變形時，該啟動環及該防擠出環為軸向地相隔。
12. 如申請專利範圍第11項所述之備援密封，其中該備援密封包含一背環於該防擠出環的一外板邊，其中當未發生變形時，該防擠出環及該背環為軸向地相隔。
13. 如申請專利範圍第12項所述之備援密封，其中當受制於該第三液壓時，該防擠出環可變形以與該背環相接觸，該背環比該防擠出環具有較大的剛性。
14. 如申請專利範圍第10項所述之備援密封，其中該防擠出環於內板方向軸向地延伸且徑向地向內，且當受制該第三液壓而變形時，該防擠出環具有一內部端其擺動與該轉軸表面接觸。
15. 如申請專利範圍第10項所述之備援密封，其中於該備援密封的內部該啟動環的外部直徑不受限制，使該啟動環易於變形。
16. 如申請專利範圍第15項所述之備援密封，其中當受制該第二液壓而變形時，該啟動環相對其質心為可旋轉的。
17. 如申請專利範圍第10項所述之備援密封，其中該備援密封包含一膨脹限制器，其具有一環型凸緣環繞該啟動環，以限制該內部直徑徑向地膨脹。
18. 如申請專利範圍第17項所述之備援密封，其中該環型凸緣包含多個軸向開口以允許該第二液壓作用在該啟動環的該第一邊上。
19. 如申請專利範圍第18項所述之備援密封，當受制該第二液壓而變形時，該啟動環相對其質心為可旋轉的，且該等開口係位在該啟動環的質心上或其徑向內部中，使該啟動環易於旋轉。
20. 如申請專利範圍第17項所述之備援密封，其中該膨脹限制器的熱膨脹係數小於該啟動環的熱膨脹係數，該膨脹限制器固定於該軸向間隙中。