专利名称:改进的泵轴密封的制作方法
本发明一般涉及泵轴密封，特别是与一种流体静压的径向斜削的薄液膜密封有关，这种密封可以用于核电站中使用的冷却剂泵泵轴的密封。
流体静压的径向斜削的“液膜”密封在先有技术中已经为人们所知道。在核电站的一次加热系统中使用的冷却剂泵中，这样的密封使泵轴能够穿过增压的泵壳传送转动力矩，而伴随的摩擦和漏水是最小的。在过去，这样的密封使用了用氧化铝制成的密封环和转轮，它们包括了以特定角度斜削的密封表面，以便在环的密封表面和转轮的密封表面之间形成一个流体静压的薄层。这一流体静压薄层使环和转轮能够以非摩擦的方式运行。
包括了由西屋电气公司首创的总设计的核电站已经分开了一次和二次水力系统。一次系统包括一个冷却剂泵，用来使水从热的放射性反应堆堆芯通过一个核蒸汽发生器进行循环，在核蒸汽发生器中热量被传递到二次系统。
冷却剂泵内的水通常在大约290℃，并增压到大约160百克/平方厘米的压力水平。泵轴延伸通过泵壳和泵轴密封，摩擦极小，通过罩壳的漏水也是最小的，这一种泵轴密封为美国专利3，347，552中所公开的类型。
虽然上述先有技术泵轴密封在正常条件下能够令人满意地运行，但是在密封叶片彼此接触从而开始以摩擦方式运行的某些意外状况下，可能导致严重损坏密封。如果这种状况出现30秒钟以上，密封将会受到无法修补的损坏。
因此本发明的主要目的是提供一种改进的泵轴密封，如果冷却剂泵中的压力发生故障，这种改进的泵轴密封就能够以摩擦的方式运行，如果有可能被一次系统夹带的微粒物质流到密封表面之间，这种改进的泵轴密封就能够抵抗侵蚀。
考虑到这一目的，本发明属于一种泵轴用的密封装置，该泵轴延伸穿过一个压力界面而越过该压力界面传递机械能，该密封装置包括一个与上述压力界面相联结的密封表面和一个与上述泵轴相联结而置于上述界面的密封表面对面的密封表面，以便在两个密封表面之间形成一薄层泄漏液流，该密封装置的特征在于，至少上述两个密封表面中的一个是基本上用氮化硅制成的。
最好是两个密封表面都用至少为98%纯度的热压氮化硅制成。此外，两个密封表面之间径向斜削变窄的角度最好是这样选择的，也就是所得流动的流体薄层的最终速度大到足以防止密封表面互相接触，但小到足以防止在流体薄层内产生紊流。当本发明被用作一个将水增压到200至2500磅/平方英寸的水泵中的泵轴密封时，环和转轮的外周面是以彼此之间大约成590至690微弧度的斜削度，而这两个零件的内周面是大约成170至270微弧度的斜削度。在最佳实施例中，环和转轮的外周面是以大约640微弧度的角度相对斜削的，而内周面是以大约220微弧度的角度斜削的。此外，所有的斜削都最好设置在密封环的密封表面上，而转环的密封表面是平的。
本发明提供一种能够以液膜隔离的方式运行而不管形成薄层的环境增压流体的压力和温度有多大变化的泵轴密封。此外，构成密封表面的热压氮化硅的硬度和光滑的表面织构，使泵轴能够抗侵蚀，能够在形成薄层的增压流体源万一停止运转的事故中(例如在泵发生故障的情况下)，很长时间地以非液膜隔离的方式运行而不发生显著的损坏。
从下面对一种仅仅作为例子而以附图表明的最佳实施例的描述中，可以更清楚地理解本发明，附图中图1是一台冷却剂泵的外壳的局部剖视透视图，举例说明在外壳的这一区域中围绕泵轴的第一级、第二级和第三级密封装置;
图2是第一级密封装置的密封环和将密封环安装在泵壳内的夹紧环的平面图;
图3是沿图2中A-A线截取的部分剖面图;
图4是本发明的密封装置的密封环的放大剖面图;
现在参考图1，在所有附图中相同的零件用相同的编号表示，本发明在用于使水循环通过核电站的放射性堆芯的离心式冷却剂泵1中找到了特别的用途。这种冷却剂泵1通常包括一个泵壳3，泵壳3的一端是轴承装置5。泵轴7密封而可以转动地安装在轴承装置5内。虽然图1中并没有专门表示，但是泵轴7的底部被接到一个叶轮上，而其顶部被连接到一台大功率的感应式电动机上。当电动机使泵轴7转动时，泵壳内部9中的叶轮使流过泵壳的水从环境压力增压到约158百克/平方厘米。因为轴承装置5的上部是受环境大气包围的，所以这部分增压水将一个方向向上的流体静压负荷加到泵轴7上。
为了使泵轴7可以在轴承装置5的内部自由旋转而又在泵壳内部9和轴承装置5的外部之间维持158百克/平方厘米的压力界面，在图示的位置上分别安设了第一级、第二级和第三级的密封装置11、13和15。所需的压力密封大部分是由第一级密封装置11来完成的，它体现了本发明。
第一级密封装置11通常包括一个密封环17和一个转轮21，密封环17通过夹紧环19固定地安装在轴承装置5内部，而转轮21利用另一个夹紧环23安装到泵轴7的法兰盘25上。密封环17的底面和转轮环21的顶面形成密封表面18和22，由于泵轴7上的流体压力负荷的结果，这两个表面彼此相对倾斜。但是，密封表面18和22相互之间通常不摩擦接合，因为密封环17的密封表面18相对于转轮21的基本上平直而水平的密封表面22是以一个微小的角度斜削的。这种斜削在密封环17和转轮21的密封表面18和22之间形成一薄层流动的水，这转过来使得密封环17和转轮21可以以一种“液膜隔离”的方式彼此相对地转动。此外，密封环17和转轮21两者是用98%纯度的热压氮化硅制成的，以便万一冷却剂泵1不能使水增压到足以在密封表面18和22之间产生上述流动的薄层水时，第一密封装置11可以以非液膜隔离的方式运行。热压氮化硅和下文描述的特定的斜削角的联合使用，不仅提供了一种能够以非液膜隔离的方式运行的泵轴密封(在冷却剂泵1内发生故障或其它意外事故的情形下)，而且也提供了一种极为耐用的并且能够抵抗各种有害的机械作用(例如由于“热冲击”的结果)的泵轴密封。
轴承装置5包括一个第一级漏水口27。漏水口29和31分别适应第二级密封装置13和第三级密封装置15漏水的需要。但是，因为漏水口并不包括在本文所述的发明之内，所以不再进一步地描述它们。
现在参考图2和图3，将密封环17安装在冷却剂泵1的轴承装置5内的夹紧环19通常包括一个基底件35和一个固定环37。在最佳实施例中，基底件35和固定环37两者是用诸如＃410不锈钢之类耐腐蚀材料制成的。固定环37利用一个环形的肩形突出部39将密封环17的平直底面66紧靠地安装在它的平直上表面35a上，环形的肩形突出部39可以安放在一个如图所示的围绕密封环17周缘延伸的环形凹口41中。固定环37利用四个不锈钢螺栓43a-43d紧固在基底件35上，不锈钢螺栓43a-43d最好等距离地间隔安置，以便平衡固定环37围绕密封环17的周缘所施加的压力负荷。为了防止密封环17的平直底面66围绕基底件35的平直顶面35a滑动，安装了许多个等距离间隔设置的销钉45，它们在基底件35的上表面上方伸出了一段短距离。这些销钉45的上部与密封环17下表面上存在的许多个园柱形浅孔47相对准，并可以插入浅孔47中。这种销钉45和浅孔47的设置是重要的因为万一密封装置11不得不以“摩擦”方式运行时，在密封环17的底面66和基底件35的顶面35a之间可以施加相当大的剪切力。
为了防止围绕密封装置11的注入水在基底件35的上表面35a和密封环17的底面66之间流动，围绕基底件35的上表面35a安装了一个O形环48。这个O形环48位于环形槽50内，环形槽50如图所示是在基底件35的上表面35a上绕圈的。为了保证注入水不会在固定环37的内径和基底件35的外经之间流动，又安装了两个O形环49a和49b，如图所示，每个O形环装在一个环形槽51a和51b内。最后，在环形槽55内装了一个O形环53，环形槽55是在基底件35的内径周围绕圈的。O形环53所得基底件35的内径可以垂直地支撑在先前提到过的圆柱形套管57(见图1)上，套管57构成冷却剂泵1的轴承装置5的一部分。
现在参考图4，密封环17的截面除了上表面的平截锥形和承受上述固定环37的环形肩形突出部39的环形凹口41以外，一般为矩形。如上所述，密封环17和转轮21两者是用98%纯度的热压氮化硅制成的，它们可以从马萨诸塞州伍斯特(Worcester)的诺尔顿(Norton)公司买到。
密封环17的上表面18包括一个外缘62和一个内缘64。外缘62以与水平面成θ角的角度径向斜削，在最佳实施例中，此角度为640微弧度(如图4所示参照原点“0”算起)。而内缘64以相对于水平面成α角的角度同样径向斜削，这个角最好比θ角小。在最佳实施例中，α角等于220微弧度(如图4所示参照原点“0”算起)。虽然如果θ和α分别选择为640微弧度和220微弧度的100微弧度范围内的任何角度值时本发明都可以实施，但上述最佳值分别提供一种漏水量小而相对稳定的以液膜隔离的方式成功地运行的泵轴密封，而不管流过密封环17和转轮21的密封表面18和22之间斜削变窄的空间的注入水的类型和压力有多显著的变化。
转轮21的构造与密封环17非常相同，唯一的例外是，转轮21的顶部密封表面22是完全平的，而不是斜削的。此外，转轮21的夹紧环23的构造与上述密封环17的夹紧环19大体相同，唯一的显著例外是，夹紧环23的基底件的底面包括许多个容纳销钉的孔眼，这些销钉被安装在泵轴7的泵轴法兰盘25的上表面上(见图1)。夹紧环23底面中的这些孔眼和泵轴法兰盘25顶面中的销钉的设置，保证万一密封装置11以“摩擦”方式运行时，夹紧环23不会由于剪切力而相对于泵轴法兰盘25发生可以转动的滑动。
在密封环17和转轮21两者中使用98%纯度的热压氮化硅，与上述640微弧度和220微弧度的斜削角θ和α相结合，相应地提供一种在许多方面比具有氧化铝密封环和转轮的先有技术泵轴密封更为优越的泵轴密封11。
第一，如上面指出的，薄层的流体速度和注入水的“泄漏”量保持在一种非常恒定的速率，而不管泵壳内部9中水的压力可能发生多大的波动(也就是分别为21-28米/秒和11升/分)。这转而导致一个具有适当“硬度”的流体静压薄层，而不管泵壳内部9中水的压力发生多么显著的变化。
第二，密封环17和转轮21的密封表面18和22具有极好的抗磨性，这所得它们能够以非液膜隔离即摩擦的方式运行相当长时间而不损坏。具体地说，依照本发明制造的密封能够以摩擦方式运行至少90分钟而不产生显著的损坏;相反，一种用氧化铝制成的密封装置如果以这样一种“摩擦”方式运行超过30秒种的话，就会发生无法修补的损坏。
第三，一种使用热压氮化硅的密封装置比起一种可以比较的用氧化铝制成的密封装置来，具有更加好得多的抗侵蚀性。这一点很重要，因为在冷却剂泵1中注入泵发生故障的事故中，从一次系统来的水可能进入密封环17和转轮21之间的斜削变窄空间，这转过来又会使这两个零件的密封表面18和22暴露在外来物质摩擦粒子(如氧化铁)之下。万一发生这种事故，氮化硅密封环17和转轮21遭受的损坏会比用氧化铝制成的同样的环要远远小得多。
第四，一种依照本发明制成的密封装置其断裂韧性(即可压性)比起使用用氧化铝制成的密封环和转轮的密封装置来，要优越得多。这一点特别重要，因为这些环和转轮能够经受高达41000百克的压力负荷。
最好，本发明的密封装置其热冲击性能比起用氧化铝制成的相似的密封装置来要显著地优越。在万一注入泵失效而从一次系统来的更加热得多的水进入密封环17和转轮21之间斜削变窄的空间中时，依照本发明制成的环和转轮能够不发生断裂地运行，也即是不损失具有足够“稳定性”的薄层，而用其它材料制成的环和转轮可能会发生断裂。
权利要求
1.一种泵轴用的密封装置，该泵轴延伸穿过一个压力界面以越过该压力界面传递机械能，该密封装置包括一个与上述界面相联结的密封表面和一个与上述泵轴相联结而置于上述界面的密封表面对面的密封表面，以便在两个密封表面之间形成一个薄层泄漏液流通路，该密封装置的特征在于，至少上述两个密封表面中的一个(18)是基本上用氮化硅制成的。
2.一种如权利要求
1所述的密封装置，其特征在于，上述密封表面形成在面对的第一个(22)和第二个(18)可以相对移动的密封零件上，一个密封零件是置于上述泵轴上的密封转轮(21)，另一个密封零件是安置在泵壳中可以轴向移动的密封环(17)。
3.一种如权利要求
2所述的密封装置，其特征在于，上述密封零件载带了用热压氮化硅制成并具有形成于其上的上述密封表面(18，22)的构件。
4.一种如权利要求
2或3所述的密封装置，其特征在于，上述密封表面18、22是用98%纯度的热压氮化硅制成的。
5.一种如权利要求
1至4中任何一项所述的密封装置，其特征在于，密封表面是沿径向斜削的，而上述密封表面18、22之间的径向斜削变窄的角度是这样选择的，即使得两个表面之间产生的流体薄层的最终速度大到足以防止密封面18、22互相接触，但小到足以防止在流体薄层中产生紊流。
6.一种如权利要求
5所述的密封装置，其特征在于，上述密封零件通过足以使上述密封环17和上述密封转轮21发生弹性变形的压力的作用而互相偏斜，而上述密封表面18、22之间的径向斜削的角度是这样选择的，使得变形之后的最终角度在密封表面18、22之间产生合适的液流薄层。
7.一种如权利要求
1至6中任何一项所述的密封装置，其特征在于，环17和转轮21的外周面62和内周面64是以彼此显著不同的角度θ和α斜削的。
8.一种如权利要求
7所述的密封装置，其特征在于，环17和转轮21的外周面62是以590至690微弧度斜削的，而环17和转轮21的内周围是以170至270微弧度之间的角度斜削的。
专利摘要
一种泵轴用的密封装置，该泵轴延伸穿过一个压力界面以越过该压力界面传递机械能，该密封装置包括一个与上述界面相联结的密封表面和一个与上述泵轴相联结而置于上述界面的密封表面对面的密封表面，以便在两个密封表面之间形成一个泄漏液流通路，至少有一个密封表面(18)是基本上用氮化硅制成的。
文档编号F16J15/34GK86103284SQ86103284
公开日1987年1月7日 申请日期1986年5月14日
发明者肯尼思·保罗·奎恩 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan