DE69125861T2

DE69125861T2 - Reaktorkühlmittelpumpe mit verbesserten sekundärdichtungseinheiten

Info

Publication number: DE69125861T2
Application number: DE69125861T
Authority: DE
Inventors: Charles David Bice; Clifford Howard Campen
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 1990-01-22
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2011-01-19
Also published as: KR100218021B1; JP2915584B2; ES2100928T3; US5071318A; EP0439308A1; KR910014960A; DE69125861D1; JPH04214999A; EP0439308B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Wellendichtungen, und betrifft insbesonders eine verbesserte dynamische Sekundärdichtungsanordnung für eine Reaktorkühlmittelpumpe, die in einer Kernkraftanlage benutzt wird.
In Druckwasserkernkraftanlagen wird ein Reaktorkühlmittelsystem benutzt, um Wärme von dem Reaktorkern zu Dampfgeneratoren zur Herstellung von Dampf zu transportieren. Der Dampf wird dann benutzt, um einen Turbinengenerator anzutreiben. Das Reaktorkühlmittelsystem schliesst eine Vielzahl von getrennten Kühlkreisläufen ein, von denen jeder an den Reaktorkern angeschlossen ist und einen Dampfgenerator und eine Reaktorkühlmittelpumpe enthält.
Die Reaktorkühlmittelpumpe ist typischerweise ein senkrechte Einstufenzentrifugalpumpe, die gestaltet ist, um grosse Volumen von Reaktorkühlmittel bei hohen Temperaturen und Drucken zu bewegen, zum Beispiel 287,77ºC (550ºF) und 170,115 ATM (2500 psi). Die Pumpe schliesst grundlegend drei allgemeine Abschnitte von unten nach oben ein, -hydraulische, Wellendichtungs- und Motorabschnitte. Der untere hydraulische Abschnitt schliesst ein auf dem unteren Ende einer Pumpenwelle angebrachtes Laufrad ein, das in dem Pumpengehäuse betrieben werden kann, um Reaktorkühlmittel um den entsprechenden Kreislauf zu pumpen. Der obere Motorabschnitt schliesst einen Motor ein, der angeschlossen ist, um die Pumpenwelle anzutreiben.
Der mittlere Wellendichtungabschnitt schliesst drei hintereinander angeordnete mechanischen Dichtungsstufen ein - oder untere, mittlere und obere Dichtungsanordnungen. Die Dichtungsanordnungen sind in einem Dichtungsgehäuse angeordnet, das konzentrisch zu der Pumpenwelle ist, und in der Nähe des oberen Endes davon liegt. Ihr kombinierter Zweck ist, zwischen dem Inneren des Dichtungsgehäuses und seinei Aussenseite während des normalen Pumpbetriebszustandes mechanisch eine hohe positive Druckgrenze von 170,115 ATM beizubehalten, während sichergestellt wird, dass die Pumpenwelle sich frei in dem Dichtungsgehäuse drehen kann. Die untere Dichtungsanordnung, die den grössten Teil der Druckdichtung (angenähert 153,104 ATM) durchführt, ist von einer nicht berührenden hydrostatischen Art, während die mittleren und oberen Dichtungsanordnungen von der berührenden oder reibenden mechanischen Art sind. Darstellende Beispiele von beim Stand der Technik bekannten Pumpenwellendichtungsanordnungen sind die, die in U.S. Patenten im Namen MacCrum (3522948), Singleton (3529838), Villasor (3632117), Andrews et al (3720222) und Boes (4275891) und in den ersten drei oben genannten Patentanmeldungen beschrieben werden, die alle demselben Zessionar wie die vorliegende Erlindung zugeschrieben sind.
Die Reaktorkühlmittelpumpe schliesst daher drei mechanische Dichtungsstufen ein, die ein gesteuertes Leckagedichtungssystem umfassen. Die Reaktorkühlmittelpumpe schliesst auch eine Vielzahl von Sekundärdichtungen ein. Drei dieser Sekundärdichtungen, wobei eine pro mechanische Dichtungsstufe angeordnet ist, sind dynamische Dichtungen. Das dynamische Wesen dieser Sekundärdichtungen besteht wegen der Tatsache, dass sie zwischen entsprechenden Teilen der mechanischen Dichtungsstufen gelagert sind, die axiale Bewegung relativ zueinander durchmachen. Wenn sie ihre Dichtungsfunktionen durchführen, müssen die dynamischen Sekundärdichtungen auch mehrere Oszillationsbewegungen unterbringen, die durch die mechanische Bewegung und thermische Ausdehnung der sich drehenden Pumpenwelle in ihnen induziert werden.
Obwohl die drei mechanischen Dichtungsstufen bei ganz verschiedenen Druckzuständen arbeiten, ist es traditionell vorgezogen worden, die drei dynamischen Sekundärdichtungen, die an den drei mechanischen Dichtungsstufen angeordnet sind, mit einer im wesentlichen gleichen Gestaltung zu versehen. Ursprünglich war jede Sekundärdichtung ein einfacher ringförmiger O-Ring, der zwischen den sich relativ axial bewegenden Teilen der entsprechenden mechanischen Dichtungsstufe benutzt wurde. Diese erste Dichtungsgestattung funktionierte aber nicht richtig bei allen drei mechanischen Dichtungsstufen wegen ihrer Unfähigkeit, die verschiedenen dynamischen Zustände unterzubringen, die von den verschiedenen Drucken an den verschiedenen Dichtungsstufen induziert werden. Danach wurde eine zweite Dichtungsgestaltung benutzt, die einen äusseren ringförmigen O-Ring und eine innere Auskleidung umfasst, die aus Teflonmaterial zusammengesetzt ist und einen L- förmigen Querschnitt hat. Die Auskleidung lieferte eine Lagerung für den O-Ring und griff gleitend in das relativ bewegbare Teil der entsprechenden mechanischen Dichtungsstufe ein. Man fand, dass diese zweite Dichtungsgestaltung eine verbesserte Leistung hatte, aber man traf Schwierigkeiten bei dem Zusammenbau an. Eine dritte Dichtungsgestaltung, die bisher benutzt worden ist, wurde dann ersetzt. Diese dritte Dichtungsgestaltung benutzte auch einen äusseren ringförmigen O-Ring. Aber statt dass die ringförmige Auskleidung den L-förmigen Querschnitt der zweiten Dichtungsgestaltung hatte, benutzte die dritte Dichtungsgestaltung eine ringförmige Teflonauskleidung mit einem von einer Doppeldeltaquerschnittsgestaltung. Obwohl die dritte Dichtungsgestaltung die Zusammenbauprobleme der zweiten Dichtungsgestaltung überwand, zeigte sie immer noch eine gleitende Grenzfläche wie die zweite Gestaltung, die dazu neigte, sich zu verschlechtern und zu lecken, und Wanderung von Schmutz und fremdem Material in die Grenzfläche der Sekundärdichtung zu gestatten.
Folglich besteht ein Bedarf an einer anderen Konstruktion der dynamischen Sekundärdichtungen für die unteren, mittleren und oberen mechanischen Dichtungsstufen, die die oben erwähnten Probleme ohne Einführung eines neuen Satzes von Problemen an ihrer Stelle überwinden werden.
Die vorliegende Erfindung liefert eine verbesserte dynamische Sekundärdichtungsanordnung, die gestaltet ist, um die vorher genannten Bedürfnisse zu befriedigen. Die dynamische Sekundärdichtungsanordnung benutzt die Kombination der ringförmigen Auskleidung mit einem modifizierten L-förmigen Querschnitt und dem ringförmigen O-Ring in einer modifizierten Anordnung mit Bezug auf die axial beweglichen Teile der entsprechenden mechanischen Dichtungsstufe. In der Anordnung der vorliegenden Erfindung erreicht die verbesserte dynamische Sekundärdichtung Null Umleitungsleckage, stellt gleichbleibende Reibung während des Lebens der zugeordneten mechanischen Dichtungsstufe her, und beseitigt das Bedürfnis nach einer harten Beschichtung des einen Teils der mechanischen Dichtungsstufe, die sich relativ zu der Sekundärdichtung bewegt. Die verbesserte dynamische Sekundärdichtung mit der modifizierten Anordnung der vorliegenden Erfindung arbeitet zufriedenstellend an allen drei mechanischen Dichtungsstufen.
Daher besteht die vorliegende Erfindung aus einer Dichtungsanordnung in einer Pumpe mit einem festen Gehäuse mit Druckflüssigkeit darin, und einer Welle mit einer Drehachse, wobei die Dichtungsanordnung in dem Gehäuse angeordnet ist, und die Welle relativ zu dem Gehäuse dichtend anbringt, wobei die Dichtungsanordnung eine durch folgendes gekennzeichnete Konstruktion hat
(a) erste und zweite ringförmige Dichtungsteile, die radial durch einen Abstandsspalt voneinander beabstandet sind und einer Übersetzungsbewegung relativ zueinander fähig sind, wobei eins der Dichtungsteile eine zylindrische Oberfläche hat, und das andere der Dichtungsteile eine ringförmige Nut hat, die sich auf den Spalt hinzu öffnet und eine innere zylindrische Oberfläche einschliesst, die sich auf die zylindrische Oberfläche des einen Dichtungsteils richtet; und
(b) eine Dichtungsanordnung, die folgendes einschließt (i) eine ringförmige Auskleidung, die in der Nut in dem anderen Dichtungsteil angeordnet ist, und sich davon auf die Oberfläche des einen Dichtungsteils erstreckt, wobei die Auskleidung eine erste Oberfläche definiert, die im allgemeinen quer zu der zylindrischen Oberfläche des einen Dichtungsteils ausgerichtet ist, und eine zweite Oberfläche, die im allgemeinen parallel zu der zylindrischen Oberfläche des einen Dichtungsteils ausgerichtet ist, wobei die erste Oberfläche eine gekrümmte Gestalt hat, die einen wiegenartigen Aufbau liefert, und (ii) ein biegbar nachgiebiges ringförmiges Dichtungsglied, das in der Nut zwischen der zylindrischen Oberfläche des einen Dichtungsteils und der zweiten Oberfläche der Auskleidung angeordnet ist, wobei das Dichtungsglied gegen die gekrümmt gestaltet, erste Oberfläche der ringförmigen Auskleidung mit dem wiegenartigen Aufbau gelagert werden kann, und das von der Nut und über den Spalt weiter als die Auskleidung hervorragen kann und in Kontakt mit der zylindrischen Oberfläche des einen Dichtungsteils kommen kann, so dass das ringförmige Dichtungsglied auf der zylindrischen Oberfläche des einen Dichtungsteils rollen kann und auf der ersten Oberfläche der ringförmigen Auskleidung nach der Übersetzungsbewegung der Dichtungsteile relativ zueinander gleiten kann. Insbesonders ist die Auskleidung aus einem Material mit einem kleineren Reibungskoeffizienten zusammengesetzt, als ein Material, das das andere Dichtungsteil zusammensetzt. Weiterhin schliesst die Auskleidung ein erstes radiales Teil ein, das sich im allgemeinen radial mit Bezug auf die zylindrische Oberfläche des anderen Dichtungsteils erstreckt und die erste Oberfläche der Auskleidung definiert, und ein zweites axiales Teil, das sich im allgemeinen parallel mit Bezug auf die zylindrische Oberfläche des anderen Dichtungsteils erstreckt und die zweite Oberfläche der Auskleidung definiert. Die ersten und zweiten Teile der Auskleidung sind fest aneinander geschlossen. Das ringförmige Dichtungsglied ist ein aus elastomerem Material zusammengesetzter O-Ring.
Man nimmt auf das Dokument des Standes der Technik US-A-3806136 Bezug, das die Grundlage der Einleitung des unabhängigen Anspruchs 1 bildet, das eine Wellendichtung beschreibt, die eine O-Ring-Dichtung einschliesst, die zur gleitenden Bewegung in einer Nut angeordnet ist. Der O-Ring berührt die Oberfläche eines Trägerrings. Die Nut hat vorzugsweise eine radiale Tiefe, die um einen Betrag kleiner als der Durchmesser des O-Rings ist, wobei der Betrag etwas kleiner als der Raum zwischen dem äusseren Durchmesser der inneren Wand und einem inneren Durchmesser des Trägerrings ist. Der O-Ring dient so als eine Sekundärdichtung, die Druckentlassung durch das Gehäuse uns das Hinterteil des Trägerrings verhindert. Da der O-Ring einen grösseren Durchmesser als die radiale Tiefe der Nut hat, erstreckt sich der O-Ring in den Spalt zwischen dem äusseren Durchmesser der inneren Wand und dem inneren Durchmesser des Trägerrings. Zusätzlich ist der Durchmesser des O- Rings ausreichend gross, um zu verursachen, dass eine äussere Oberfläche des O-Rings die innere Oberfläche des Trägerrings berührt. Da der O-Ring die innere Oberfläche des Trägerrings und die untere Wand der Nut berührt, dient der O-Ring als eine Sekundärdichtung, und hat die Funktion einer Druckdichtung.
Im Laufe der folgenden genauen Beschreibung nimmt man auf die begleitenden Zeichnungen Bezug, in denen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kühlungskreislaufs eines konventionellen Kernreaktorkühlmittelsystems ist, der einen Dampfgenerator und eine Reaktorkühlmittelpumpe einschliesst, die in einem geschlossenen Kühlmittelkreis mit dem Rektorkern in Reihe schlossen sind.
Figur 2 eine Perspektive im Ausschnitt des Wellendichtungsabschnitts einer konventionellen Reaktorkühlmittelpumpe ist, die das Dichtungsgehäuse und die unteren, mittleren, und oberen Dichtungsanordnungen im Querschnitt darstellt, die in dem Dichtungsgehäuse angeordnet sind, und die Pumpenwelle in diesem Abschnitt der Pumpe umgeben.
Figur 3 eine vergrösserte axiale Abschnittansicht des Dichtungsgehäuses und der Dichtungsanordnungen der Reaktorkühlmittelpumpe von Figur 2 ist.
Figur 4 eine vergrösserte axiale Bruchteilabschnittsansicht einer dynamischen Sekundärdichtung des Standes der Technik in Gestalt eines ringförmigen O-Rings ist, die bisher in den mechanischen Dichtungsstufen der Pumpe von Figur 3 benutzt worden ist.
Figur 5 eine vergrösserte axiale Bruchteilabschnittansicht einer anderen dynamischen Sekundärdichtung des Standes der Technik in Gestalt eines ringförmigen O-Rings ist, die von einer ringförmigen Auskleidung mit einem L-förmigen Querschnitt gelagert ist, die bisher in den mechanischen Dichtungsstufen der Pumpe von Figur 3 benutzt worden ist.
Figur 6 eine vergrösserte axiale Bruchteilabschnittansicht noch einer anderen dynamischen Sekundärdichtung des Standes der Technik in Gestalt eines ringförmigen O-Rings ist, die von einer ringförmigen Doppeldeltaauskleidung gelagert ist, die bisher in den mechanischen Dichtungsstufen der Pumpe von Figur 3 benutzt worden ist.
Figur 7 eine vergrösserte axiale Bruchteilabschnittansicht der verbesserten dynamischen Sekundärdichtung der vorliegenden Erfindung ist.
Figuren 8-10 vergrössserte axiale Bruchteilabschnittansichten der verbesserten dynamischen Sekundärdichtung nach der vorliegenden Erfindung sind, die jeweils die zusammengebaute Dichtung während des Tiefdruckbetriebs wie bei den Dichtungen Nummern 2 und 3, und während des Hochdruckbetriebs wie bei der Dichtung Nummer 3 darstellen.
Figur 11 eine zeichnerische Ansicht der dynamischen Sekundärdichtung von Figur 6 des Standes der Technik ist, die die Scherverformung eines O-Rings in der Anordnung der Dichtung des Standes der Technik darstellt.
Figur 12 eine zeichnerische Ansicht der verbesserten dynamischen Sekundärdichtung von Figur 7 ist die die Scherverformung eines O-Rings in der Anordnung der verbesserten Dichtung darstellt.
Wenn man nun auf die Zeichnungen Bezug nimmt, und insbesonders auf Figur 1, dann wird eine schematische Darstellung von einem von einer Vielzahl von Kühlkreisläufen 10 eines konventionellen Kernreaktorkühlmittelsystems gezeigt. Der Kühlkreislauf 10 schliesst einen Dampfgenerator 2 und eine Reaktorkühlmittelpumpe 4 ein, die in einem geschlossenen Kühlmittelsströmungskreis mit einem Kernreaktorkern 16 in Reihe geschlossen sind. Der Dampfgenerator 12 schliesst Primärrohre 18 ein die mit Einlass- und Auslasskammern 20,22 des Generators in Verbindung steilen. Die Einlasskammer 20 des Dampfgenerators 12 ist in Strömungsverbindung an den Auslass des Reaktorkerns 16 angeschlossen, um heisses Kühlmittel davon entlang dem Strömungsweg 24 des geschlossenen Strömungskreises zu empfangen. Die Auslasskammer 22 des Dampfgenerators 12 ist in Strömungsverbindung an eine Einlasssaugseite der Reaktorkühlmittelpumpe 14 entlang dem Strömungsweg 26 des geschlossenen Strömungskreises angeschlossen. Die Auslassdruckseite der Reaktorkühlmittelpumpe 14 ist in Strömungsverbindung an den Einlass des Reaktorkerns 16 angeschlossen, um kaltes Kühlmittel entlang dem Strömungsweg 28 des geschlossenen Strömungskreises zu ihr zu bringen.
Kurzgefasst pumpt die Kühlmittelpumpe 14 das Kühlmittel unter hohem Druck um den geschlossenen Strömungskreis. Insbesonders wird heisses Kühlmittel, das aus dem Reaktorkern 16 austritt, zu der Einlasskammer 20 des Dampfgenerators 12 und zu den Primärrohren 18 in Verbindung damit geleitet. Während es in den Primärrohren 18 ist, strömt das heisse Kühlmittel in einem Wärmetauschverhältnis mit kaltem Speisewasser, das über konventionelle Mittel (nicht gezeigt) zu dem Dampfgenerator 12 geliefert wird. Das Speisewasser wird erwärmt, und Teile davon werden in Dampf zur Benutzung zum Antreiben eines Turbinengenerators (nicht gezeigt) umgewandelt. Das Kühlmittel, dessen Temperatur durch den Wärmetausch verringert worden ist, wird dann wieder über die Kühlmittelpumpe 14 zu dem Reaktorkern 16 zirkuliert.
Die Reaktorkühlmittelpumpe muss fähig sein, grosse Volumen von Reaktorkühlmittel bei hohen Temperaturen und Drucken um den geschlossenen Strömungskreis zu bewegen. Obwohl die Temperatur des Kühlmittels, das von dem Dampfgenerator 12 zu der Pumpe 14 strömt, nach dem Wärmetausch im wesentlichen unter die Temperatur des Kühlmittels, das von dem Reaktorkern 16 vor dem Wärmetausch zu dem Dampfgenerator 12 strömt, abgekühlt ist, ist seine Temperatur immer noch relativ hoch, typischerweise ungefähr 287,77ºC (550ºF). Der von der Pumpe hergestellte Kühlmitteldruck ist typischerweise ungefähr 170,115 ATM (2500 psi).
Wie aus Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, schliesst die Reaktorkühlmittelpumpe 14 des Standes der Technik im allgemeinen ein Pumpengehäuse 30 ein, das an einem Ende in einem Dichtungsgehäuse 32 endet. Die Pumpe 14 schliesst auch eine Pumpenwelle 34 ein, die sich zentral von dem Gehäuse 30 erstreckt und dichtend und sich drehend in dem Dichtungsgehäuse 32 angebracht ist. Obwohl dieses nicht gezeigt ist, ist das untere Teil der Pumpenwelle 34 an ein Laufrad angschlossen, während ein oberes Teil davon an einen induktionsartigen elektrischen Motor mit hoher Pferdestärke angeschlossen ist. Wenn der Motor die Welle 34 dreht, dann zirkuliert das Laufrad in dem Inneren 36 des Gehäuses 30 das Kühlmittel, das durch das Pumpepgehäuse 30 bei Drucken des Deckgases von dem Umgebungsdruck bis zu angenähert 170,115 ATM (2500 psi) strömt. Dieses unter Druck gesetzte Kühlmittel wendet eine nach oben gerichtete, hydrostatische Last auf die Welle 34 an, da das äussere Teil des Dichtungsgehäuses 32 von der umgebenden Atmosphäre umgeben ist.
So dass die Pumpenwelle 34 sich in dem Dichtungsgehäuse 32 frei drehen kann, während die Druckgrenze von 170,115 ATM (2500 psi) zwischen dem Gehäuseinneren 36 und der Aussenseite des Dichtungsgehäuses beibehalten wird, werden hintereinander angeordnete mechanische Dichtungsstufen - untere, mittlere, und obere Dichtungsanordnungen 38,40,42 - in den Stellungen, die in Figuren 2 und 3 dargestellt sind, um die Pumpenwelle 34 und in dem Pumpengehäuse 30 vorgesehen.
Die untere Dichtungsanordnung 38, die den grössten Teil der Druckdichtung (angenähert 153,104 ATM) durchführt, ist von einer nicht berührenden hydrostatischen Art, während die mittleren und oberen Dichtungsanordnungen 40,42 von der berührenden oder reibenden mechanischen Art sind.
Jede der Dichtungsanordnungen 38,40,42 der Pumpe 14 schliesst im allgemeinen einen entsprechenden ringförmigen Läufer 44,46,48 ein, der an der Pumpenwelle 34 zur Drehung damit angebracht ist, und einen entsprechenden ringförmigen Dichtungsring 50,52,54, der an das Dichtungsgehäuse 32 gekuppelt ist, um Drehbewegung zu verhindern, aber Übersetzungsbewegung der entsprechenden Dichtungsringe 50,52,54 entlang der Pumpenwelle 34 zu den entsprechenden Läufern 44,46,48, die sich mit der Pumpenwelle drehen, und von ihnen fort zu gestatten. Die entsprechenden Läufer 44,46, 48 und Dichtungsringe 50,52,54 haben obere und untere ringförmige Oberflächen 56,58,60 und 62,64,66, die einander gegenüberliegen. Die ringförmigen, sich gegenüberliegenden Oberflächen 56,62 des Läufers 44 und des Dichtungsrings 50 der unteren Dichtungsanordnung 38 berühren sich normalerweise nicht, sondern es strömt stattdessen normalerweise ein Flüssigkeitsfilm zwischen ihnen. Insbesonders schafft eine unter Druck gesetzte Flüssigkeit in dem Pumpengehäuse 30 einen strömenden Flüssigkeitsfilm, der verhindert, dass ringförmige, sich gegenüberliegende Oberflächen 56,62 in Berührung miteinander kommen. Andererseits berühren sich die ringförmigen gegenüberliegenden Oberflächen 58,64 und 60,66 der Läufer und Dichtungsringe 46,52 und 48,54 der mittleren und oberen Dichtungsanordnungen 40 und 42 normalerweise oder reiben aneinander.
Da die untere Dichtungsanordnung 38 normalerweise in einer auf einem Film gleitenden Weise arbeitet, muss man eine Vorkehrung zur Flandhabung von Kühlmittelflüssigkeit treffen, die in den ringförmigen Raum zwischen dem Dichtungsgehäuse 32 und der daran drehbar angebrachten Welle 34 "ausleckt". Daher schliesst das Dichtungsgehäuse 32 untere, mittlere, und obere Dichtungsauslecköffnungen 68,70,72 ein, um Kühlmittelflüssigkeitausleckung von den unteren, mittleren, und oberen Dichtungsanordnungen 38,40,42 unterzubringen.
Die untere Dichtungsanordnung 38 (oder Dichtung Nr. 1), die Hauptdichtung der Pumpe, verursacht einen Druckabfall der Kühlmittelflüssigkeit von ungefähr 153,104 ATM (2250 psi) auf 2,04 ATM (30 psi) über ihren gegenüberliegenden Oberflächen 56,62 und gestattet eine Strömungsrate von ungefähr 0,126-0,189 Liter/Sek (2-3 gpm) dadurch. Die Tiefdruckkühlmittelflüssigkeit, die durch die untere Dichtungsanordnung 38 leckt, strömt den Wellenring zu dem Gebiet der mittleren Dichtungsanordnung 40 herauf. An der mittleren Dichtungsanordnung 40 (oder Dichtung Nr. 2) wird das meiste der Kühlmittelflüssigkeit von der unteren Dichtungsanordnung 38 zu der unteren Dichtungsauslecköffnung 68 umgeleitet. Ein Teil der Flüssigkeit geht aber durch die mittlere Dichtungsanordnung 40, leckt mit einer Strömungsrate von ungefähr 7,57 Liter/Std (2 gph) mit einem Druckabfall von 2,04 ATM (30 psi) bis 0,204-0,476 ATM (3-7 psi). Die Kühlmittelflüssigkeit mit noch tieferem Druck, die durch die mittlere Dichtungsanordnung 40 leckt, strömt weiter an dem Wellenring hoch zu dem Gebiet der oberen Dichtungsanordnung 42. An der oberen Dichtungsanordnung 42 (oder Dichtung Nr. 3) wird das meiste der Strömung, die von der mittleren Dichtungsanordnung 40 leckt, von der oberen Dichtungsanordnung 42 durch die mittlere Dichtungsauslecköffnung 70 nach aussen umgeleitet.

Dynamische Sekundärdichtungen des Standes der Technik

Die Reaktorkühlmittelpumpe 14 schliesst, den hintereinander angeordneten unteren, mittleren und oberen Dichtungsanordnungen 38,40,42 der drei mechanischen Dichtungsstufen zugeordnet, weiterhin entsprechende untere, mittlere und obere dynamische Sekundärdichtungen 74,76,78 ein. Die dynamischen Sekundärdichtungen 74,76,78 sind zwischen entsprechenden Teilen gelagert, die den unteren, mittleren und oberen Dichtungsanordnungen 38,40,42 der mechanischen Dichtungsstufen zugeordnet sind, die axiale Bewegung relativ zueinander durchmachen. Die entsprechenden relativ bewegbaren Teile, die den unteren und mittleren Dichtungsanordnungen 38,40 zugeordnet sind, sind ringförmige untere und mittlere Tragglieder 80,82 des entsprechenden unteren und mittleren Dichtungsrings 50,52 und ringförmige untere und mittlere zylindrische Einschüben 84,86, die an dem Dichtungsgehäuse 32 befestigt sind. Die entsprechenden relativ bewegbaren Teile, die der oberen Dichtungsanordnung 42 zugeordnet sind, sind eine ringförmige obere Kappe 88 des Dichtungsgehäuses 32 und ein ringförmiger oberer zylindrischer Einschub 90, der an dem oberen Dichtungsring 54 befestigt ist.
Das dynamische Wesen der Sekundärdichtungen 74,76,78 bezieht sich auf zwei Komponenten der von der Wellenbewegung induzierten Sekundärdichtungsbewegung. Eine Komponente ist eine Oszillation mit geringer Amplitude, hoher Frequenz, und die andere Komponente ist eine Bewegung mit mässiger Amplitude, sehr geringer Frequenz. Die oszillierende Komponente mit geringer Amplitude hoher Frequenz der Sekundärdichtungsbewegung wird durch axiale Wellenbewegung und axiales Auslaufen bewirkt, was einmal pro jeder Drehung der Welle 34 stattfindet. Die Komponente mit mässiger Amplitude, sehr geringer Frequenz der Sekundärdichtungsbewegung wird von dem thermischen axialen Wachstum der Welle 34 induziert, der auf Änderungen der Einspritztemperatur, Umlauf der Behälterlüfter usw. bezogen ist.
Obwohl die oberen, mittleren und und unteren Dichtungsanordnungen 38,40,42 der drei mechanischen Dichtungsstufen unter verschiedenen Druckzuständen arbeiten, sind die verschiedenen Gestaltungen des Standes der Technik der drei dynamischen Sekundärdichtungen 74,76,78, die bisher zu irgendeiner gegebenen Zeit an den drei mechanischen Dichtungsstufen geliefert wurden, im wesentlichen dieselbe. Wie in Figur 4 gezeigt ist, war die ursprüngliche Gestaltung jeder der dynamischen Sekundärdichtungen 74,76,78 des Standes der Technik nur ein ringförmiger O-Ring 92 (mit 80 Durometer), der reibend in eine äussere zylindrische Oberfläche 93 der entsprechenden Einschübe 84,86,90 eingriff und in einem ringförmigen Dichtungsstutzen oder einer Nut 84 gelagert war und davon nach innen hervorragte, die in der inneren Oberfläche 96 des entsprechenden der Tragglieder 80,82 und der Kappe an den entsprechenden Stellen der unteren, mittleren und oberen Dichtungsanordnungen 38,40,42 gebildet war.
Diese Gestaltung des Standes der Technik funktionierte aber aus zwei Gründen nicht richtig an allen drei mechanischen Dichtungsstufen. Der erste Grund war, dass die Sekundärdichtung 76 an der unteren Dichtungsanordnung 38 (oder Dichtung Nr. 1) der ersten mechanischen Dichtungsstufe bei 136,1 ATM (2000 psi) arbeitete. Bei diesem Druck war der O-Ring ganz in den Dichtungsstutzen oder in die Nut eingefügt, so dass keine elastische Verformung die Oszillation mit hoher Frequenz unterbringen konnte, und hohe Reibungslasten und Abnutzung an der Grenzfläche zwischen dem O-Ring 92 und dem Einschub 84 ergab. Die Haltbarkeit dieser Sekundärdichtung war unbefriedigend. Der O-Ring 92 allein war an der mittleren Dichtungsanordnung (oder Dichtung Nr. 2) der zweiten mechanischen Dichtungsstufe, die bei einer zwischengelagertem Druck von ungefähr 3,40 ATM (50 psi) arbeitete, befriedigend tätig. Der zweite Grund war die unbefriedigende Leistung des O-Rings 92 an der oberen Dichtungsanordnung 42 (oder Dichtung Nr. 3) der dritten mechanischen Dichtungsstufe. Der geringe Druckabfall von ungefähr 0,204 ATM (3 psi) ergab hier Lagerungskraftsteifheiten, die zu klein waren, um den Reibungszug des O-Rings 92 während den Bewegungen mit geringer Frequenz, massiger Amplitude zu überwinden.
Danach war, wie in Figur 5 gezeigt ist, die nächste Gestaltung des Standes der Technik jeder der dynamischen Sekundärdichtungen 74,76,78 eine Anordnung eines äusseren O-Rings 98 (auch mit 80 Durometer) und einer inneren ringförmigen Auskleidung 100, die in der ringförmigen Nut 94 gelagert war und davon hervorragte. Die innere ringförmige Auskleidung 100 ist aus einem Kunststoffmaterial mit geringer Reibung zusammengesetzt, wie es unter dem Warenzeichen Teflon im Handel erhältlich ist, und ist im Querschnitt L-förmig. Die ringförmige Auskleidung 100 hat sich axial erstreckende und radial erstreckende Teile 100A, 100B, die fest im wesentlichen rechtwinklig aneinander angeschlossen sind, und den ringförmigen O-Ring 98 lagern. Der ringförmige O-Ring 98 ist in der Nut 94 gelagert und das radiale Auskleidungsteil 100B erstreckt sich in die Nut 94. Das axiale Auskleidungsteil 100A greift reibend und gleitend in die äussere zylindrische Oberfläche 93 des entsprechenden der Einschübe 84,86,90 ein. Der O-Ring 98 liefert die Federkraft, um die Auskleidung 100 gegen den Einschub zu halten. Diese Gestaltung brachte Zusammenbauprobleme mit sich, obwohl man fand, dass die Auskleidung befriedigend als ein Antipressring an der Stelle der unteren Dichtungsanordnung 38 und an der Stelle der mittleren Dichtungsanordnung 40 während des Hochdruckbetriebs diente. Man fand, dass diese Gestaltung schliesslich nicht gut genug an allen drei mechanischen Dichtungsstufen funktionierte. Insbesonders fand Umleitungsleckage in Anbetracht dessen statt, dass der hohe Modul der Auskleidung 100 ihn daran hinderte, sich in die abgetragene Oberfläche des entsprechenden Einschubs 84,86,90 zu fügen. Umleitungsleckage und Zitterbewegung der Auskleidung und des Einschubs relativ zueinander zieht Schmutz in die Grenzflächen zwischen der Auskleidung und dem Einschub, wo der Schmutz dann eingefangen wurde, und abschleifende Verschlechterung beschleunigte
Schliesslich ist, wie in Figur 6 gezeigt ist, die Gestaltung des Standes der Technik von jeder der dynamischen Sekundärdichtungen 74,76,78, die bis zur vorliegenden Erfindung benutzt wurde, eine Anordnung eines äusseren ringförmigen O-Rings 102 und einer inneren ringförmigen Kanalauskleidung 104 mit einem Doppeldeltagestalt im Querschnitt und auch vorzugsweise aus einem Teflonmaterial mit geringer Reibung hergestellt. Obwohl die letztgenannte Doppeldeltagestaltung die Zusammenbauprobieme überwand, die mit der früher gestalteten L-förmigen Gestaltung erfahren wurden, zeigte sie immer noch eine gleitende Grenzfläche, die dazu neigte, sich zu verschlechtern und zu lecken, und Wanderung von Schmutz und fremdem Material in die Grenzflächen der Sekundärdichtung und des Einschubs zu gestatten. Die Benutzung der Doppeldeltakanalauskleidung 104 führte auch unbeabsichtigt erhöhte Ladung ein. Die Zusammendrückung des O-Rings 96 zwischen der gekrümmten äusseren Oberfläche 106 der Auskleidung 104 und der ebenen inneren Oberfläche 108 der Nut 94 ergab bedeutend höhere Ladungen als die, die für die Zusammendrückung zwischen dem axialen Teil 100A der L-förmigen Auskleidung 100 und der ebenen inneren Oberfläche 108 der Nut 94 bestand Dieses führte zu der Einführung eines weicheren O-Rings in die Sekundärdichtungen 76,78 an den Stellen der mittleren und oberen Dichtungsanordnungen 40,42.
Wenn man nun zu Figuren 7-10 geht, dann wird die verbesserte Gestaltung für die dynamischen Sekundärdichtungen 74,76,78 nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, die die Probleme vermeidet, die aus der oben beschriebenen derzeitigen Gestaltung des Standes der Technik der dynamischen Sekundärdichtungen 74,76,78 von Figuren 4-6 hervortreten. Die verbesserte Gestaltung der dynamischen Sekundärdichtungen 74,76,78 der vorliegenden Erfindung kann zur Benutzung an den Steilen der unteren, mittleren und oberen Dichtungsanordnungen 38,40,42 der drei mechanischen Dichtungsstufen angewandt werden.
Wie aus Figur 7 ersichtlich ist, ist die verbesserte Gestaltung der dynamischen Sekundärdichtungen 74,76,78 eine Anordnung 109 eines inneren ringförmig gestalteten flexibel nachgiebigen elastischen Glieds in Gestalt eines O-Rings 110 und einer äusseren ringförmigen Auskleidung 112, die in der ringförmigen Nut 94 angeordnet ist und sich davon erstreckt. Die äussere ringförmige Auskleidung 112 ist vorzugsweise aus dem Teflonkunststoffmaterial mit geringer Reibung zusammengesetzt, und ist im allgemeinen L-förmig im Querschnitt. Die ringförmige Auskleidung 112 hat sich axial erstreckende und radial erstreckende Teile 112A,112B, die im wesentlichen rechtwinklig fest aneinander angeschlossen sind. Das axiale Teil 112A definiert eine innere zylindrische Oberfläche 113, die im allgemeinen parallel zu der äusseren zylindrischen Einschuboberfläche 93 ausgerichtet ist, während das radiale Teil 112B eine innere gekrümmte Oberfläche 114 definiert, die im allgemeinen quer zu der äusseren zylindrischen Einschuboberfläche 93 ausgerichtet ist und einen wiegenartigen Aufbau hat, gegen die der ringförmige O-Ring 110 gelagert werden kann. Die ringförmige Auskleidung 112 ist in der Nut 94 angeordnet und greift in die innere Umfangsoberfläche 108 der Nut 94 au ihrem axialen Teil 112A ein. Die ringförmige Auskleidung 112 erstreckt sich radial entlang einer unteren radialen ebenen Oberfläche 116 der Nut 94, und davon an ihrem radialen Teil 112B. Der ringförmige O-Eing 110 greift an seiner inneren Seite 118 in die äussere zylindrische Oberfläche 93 der entsprechenden der Einschübe 84,86,90.
Figur 8 zeigt die "zusammengebaute" Stellung der Sekundärdichtungsanordnung 109 an den Stellen jeder der unteren, mittleren und oberen Dichtungsanordnungen 38,40,42 (Dichtungen Nrn. 1-3) der drei mechanischen Dichstungsstufen. In der "zusammengebauten" Stellung ist der O-Ring 110 neben einer oberen radialen ebenen Oberfläche 120 der Nut 94 angeordnet und von der inneren gekrümmten Oberfläche 114 der Auskleidung 112 auf dem radialen Teil 112B davon beabstandet. Die Auskleidung 112 ruht auf der unteren radialen Oberfläche 116 der Nut 94.
Figur 9 zeigt die "Tiefdruckbetrieb"sstellung der Sekundärdichtunganordnung 109 an den Stellen jeder der mittleren und oberen Dichtungsanordnungen 40,42 (Dichtungen Nrn. 2 und 3) und an der Stelle der unteren Dichtungsanordnung 38, wenn sie bei einem Druck von weniger als 68,05 ATM (1000 psi) liegt. Druck nach unten auf den O-Ring 110 verursacht, dass er von der "zusammengebauten" Stellung von Figur 8 nach unten auf den Einschub 84,86,90 in die "Tiefdruckbetriebs"stellung von Figur 9 rollt. In der "Tiefdruckbetriebs"stellung von Figur 9 ist der O-Ring 110 auf der inneren gekrümmten oder wiegenartigen Oberfläche 114 der Auskleidung 112 gelagert. In einer solchen Stellung dreht sich der O-Ring 110 um seine eigene Achse A, während der Einschub 84,86,90 eine zitterartige axiale Bewegung relativ zu dem O-Ring 110 durchmacht, er rollt auf der äusseren Oberfläche 93 des Einschubs 84 86,90 und gleitet relativ zu der Oberfläche 114 der Auskleidung 112, da Reibungskräfte an der Grenzfläche des O-Rings 110 mit dem Einschub 84,86,90 sehr viel höher als au der Grenzfläche des O-Rings 110 mit der Oberfläche 114 der Auskleidung 112 sind.
Figur 10 zeigt die "Hochdruckbetriebs"steilung der Sekundärdichtunganordnung 109 an den Stellen von jeder der unteren und mittleren Dichtungsanordnungen 38,40 (Dichtungen Nrn. 1 und 2) wenn sie bei einem Druck von höher als 68,05 ATM (1000 psi) liegt. Grösserer nach unten gehender zusammendruckender Druck auf den O-Ring 10 versucht, den O-Ring 110 in einen Zwischenraumspalt 122 zwischen dem Einschub 84,86,90 und den Teilen 80,82,88 zu pressen. Dieselben zusammendrückenden Kräfte verursachen aber, dass das radikale Teil 112B den Spalt 122 verlängert und weiter überbrückt, was Pressen des O-Rings 110 an ihm vorbei und durch den Spalt verhindert. Der O-Ring 110 kann sich wieder um seine eigene Achse A drehen und auf der äusseren Oberfläche 93 des Einschubs 84,86,90 rollen, und relativ zu der Oberfläche 114 der Auskleidung 112 gleiten, während der Einschub eine zitterartige axiale Bewegung relativ zu dem O-Ring 110 durchmacht.
Figur 11 stellt dar, dass in der vorliegenden Gestaltung des Standes der Technik die Berührungskraft F zwischen dem Einschub (nicht gezeigt) und der Auskleidung 104 zu der Reibungskraft Fr übertragen werden muss) bevor O-Ring-Nachgiebigkeit die zyklische (zitternde) Verschiebung mit geringer Amplitude unterbringen kann. Daher muss eine bedeutende Reibungslast von dem Einschub geliefert werden, bevor die Kanalauskleidung 102 von der Nutwand fortgezogen wird und Scherverformung des O-Rings 102 beginnen kann. Im Gegensatz dazu stellt Figur 12 dar, dass der O-Ring 110 der verbesserten Anordnung 102 so angeordnet ist, dass die Bewegungen (oder Zitterungen) mit geringer Amplitude, hoher Frequenz durch zyklische Scherverformung des elastonieren O-Rings 110 untergebracht werden können, statt durch die Coulomb-Reibungsscherung Fr an der Grenzfläche des O-Rings und des Einschubs.
Zusammenfassend liefert die verbesserte Gestaltung der dynamischen Sekundärdichtung die folgenden zusätzlichen Merkmale und Vorteile: (1) die Anordnung kann nachträglich umgebaut werden; (2) Bewegung mit geringer Amplitude, geringer Frequenz wird dadurch untergebracht, dass der O-Ring relativ zu der Auskleidung gleitet und entlang der Einschuboberfläche rollt, wobei die Rollbewegung Einschuboberflächenverschlechterung beseitigt, so dass wenigstens für die Dichtungen Nrn. 2 und 3 eine harflächige Einschubbeschichtung nicht benötigt wird; (3) das Gleiten, das stattfindet, findet zwischen zwei nachgiebigen Gliedern (der Teflonaliskleidung und dem elastomeren O-Ring) statt, die gegenüber abschleifender Verschlechterung relativ unempfindlich sind; (4) die Gestalt der wiegenartigen Auskleidungsoberfläche begrenzt Hochdruckanpassungsverformung des O-Rings, und verringert dabei die Verformungserholungszeit, die von dem O-Ring benötigt wird, wenn der Druck von hohen (149,701 ATM) zu tiefen (27,22 ATM) Werten geht; (5) der O-Ring wird zwischen flachen und im allgemeinen parallelen Oberflächen der Nut und des Einschubs zusammengedrückt, was von einem Dichtungsstandpunkt wirksamer ist, da Berührungsbeanspruchungen, die ausreichen, um Leckage zu verhindern, an beiden Oberflächen mit einer minimalen Gesamtberührungskraft erreicht werden; (6) da der elastomere O-Ring das aktive Dichtungsglied mit der Einschuboberfläche ist, wird Null Leckage für das ganze Leben der entsprechenden mechanischen Dichtung sichergestellt, und sogar dann, wenn etwas Verschlechterung, der Einschuboberfläche stattgefunden hat, kann der elastomere O-Ring mit relativ geringem Modul sich an der verschlechterte Oberfläche anpassen und Leckage ausschliessen; (7) Null Leckage hat den zusätzlichen Vorteil, die Wanderung von Schmutz in die Grenzfläche der Sekundärdichtung zu beeinträchtigen; (8) O-Ringe hoher Temperatur können in den dynamischen Sekundärdichtungen an den Dichtungen Nrn. 1 und 2 ohne Verschlechterung der konventionellen Leistung benutzt werden.

Claims

1. In einer Pumpe (14) mit einem festen Gehäuse (30) mit Druckflüssigkeit darin, und einer Welle (34) mit einer Drehachse, ist eine Dichtungsanordnung in dem Gehäuse (30) angeordnet, und die die Welle (34) relativ zu dem Gehäuse (30) dichtend anbringt, wobei die Dichtungsanordnung eine durch freigendes gekennzeichnete Konstruktion hat:

(a) erste und zweite ringförmige Dichtungsteile (80,84), die radial durch einen Abstandsspalt (122) voneinander beabstandet sind und einer Übersetzungsbewegung relativ zueinander fähig sind, wobei eins der Dichtungsteile (84) eine zylindrische Oberfläche (93) hat, und das andere der Dichtungsteile (80) eine ringförmige Nut (94) hat, die sich auf den Spalt (122) hinzu öffnet und eine innere zylindrische Oberfläche (108) einschliesst, die sich auf die zylindrische Oberfläche (93) des einen Dichtungsteils (84) richtet; und

(b) eine Dichtungsanordnung (109), die folgendes einschliesst

(i) eine ringförmige Auskleidung (112), die in der Nut (94) in dem anderen Dichtungsteil (80) angeordnet ist, und sich davon auf die Oberfläche (93) des einen Dichtungsteils (84) erstreckt, wobei die Auskleidung (112) eine erste Oberfläche (114) definiert, die im allgemeinen quer zu der zylindrischen Oberfläche (93) des einen Dichtungsteils (84) ausgerichtet ist, und eine zweite Oberfläche (108), die im allgemeinen parallel zu der zylindrischen Oberfläche (93) des einen Dichtungsteils (84) ausgerichtet ist, wobei die erste Oberfläche eine gekrümmte Gestall hat, die einen wiegenartigen Aufbau liefert, und

(ii) ein biegbar nachgiebiges ringförmiges Dichtungsglied (110), das in der Nut (94) zwischen der zylindrischen Oberfläche (93) des einen Dichtungsteils (84) und der zweiten Oberfläche (108) der Auskleidung (112) angeordnet ist wobei das Dichtungsglied (110) gegen die gekrümmt gestaltete erste Oberfläche (114) der ringförmigen Auskleidung (112) mit dem wiegenartigen Aufbau gelagert werden kann, und das von der Nut (94) und über den Spalt (122) weiter als die Auskleidung (112) hervorragen kann und in Kontakt mit der zylindrischen Oberfläche (93) des einen Dichtungsteils (84) kommen kann, so dass das ringfönnige Dichtungsglied (110) auf der zylindrischen Oberfläche (93) des einer Dichtungsteils (84) rollen kann und auf der ersten Oberfläche (114) der ringförmigen Auskleidung (112) nach der Übersetzungsbewegung der Dichtungsteile (80,84) relativ zueinander gleiten kann.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, in der die Auskleidung (112) der Dichtungseinheit (109) aus einem Material zusammebgesetzt ist, das einen kleineren Reibungskoeffizienten als ein Material hat, das das eine Dichtungsteil (84) zusammensetzt.

3. Dichtungsanordnung, nach Anspruch 1, in der die Auskleidung (112) der Dichtungseinheit (109) ein erstes radiales Teil (112B) einschliesst, das sich mit Bezug auf die zylindrische Oberfläche (93) des einen Dichtungsteils (84) radial erstreckt, und ein zweites axiales Teil (112A), das sich im allgemeinen parallel zu der zylindrischen Oberfläche (93) des einen Dichtungsteils (84) erstreckt.

4. Dichtungsanordnung nach Ansprüch 3, in der das erste radiale Teil (112B) der Auskleidung (112) der Dichtungseinheit (109) die erste Oberfläche (114) davon definiert, und das zweite axiale Teil (112A) der Auskleidung (112) die zweite Oberfläche (108) davon definiert.

5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, in der die ersten und zweiten Teile (112B, 112A) der Auskleidung (112) der Dichtungseinheit (109) ist aneinander angeschlossen sind.

6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, in der das ringförmige Dichtungsglied (110) ein aus einem elastomeren Material zusammengesetzter O-Ring (110) ist.