(57)【要約】  接触摩擦の発生原因を排除した漏洩制御型静圧機械式シールであって、接触摩擦力がシール面の重心に整列する有利な配置を実現し、フィルムの静圧剛性が最大となり、半径方向のテイパーに対する感度が最小となるようにシール面の設計を最適化し、不要なＯリングおよび他の有意な力の変動原因を排除し、常に高精度の許容差で製造可能な機器の設計に製造容易性設計手法を採用し、適正な圧縮、最小の摩擦抗力および最大の摩耗抵抗を得るためにダブルデルタ流路シールを最適化し、ボルトの予負荷や他の非軸対称発生源などの周方向うねりの発生原因を排除し、熱膨張差による変形を緩和するために異なる材料の構成部品を熱的に隔離することを特徴とする、漏洩制御型静圧機械式シール。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ（１４）であって、
軸方向の長さを有する回転軸（２３０）と、
環状の内壁が当該回転軸（２３０）の当該軸方向の長さの少なくとも一部を当該一部から離隔して取り囲むハウジング（２３２）と、
両側に面を有し、当該回転軸（２３０）に固着され、当該回転軸の周りを延び、当該回転軸と共に回転可能であり、第１の突起部が当該回転軸（２３０）に隣接する半径方向内側端部またはその近傍において当該両側の面のうちの一方から軸方向に延びる第１のシール支持リング（２２２）と、
一方の端部が当該第１のシール支持リング（２２２）の当該一方の面に対向し、当該回転軸（２３０）から離隔して当該第１の突起部の少なくとも一部の上に支持される第１のフェイスプレート（２１０）と、
両側に面を有し、軸方向にある程度移動自在に当該ハウジング（２３２）の内部に装着され、当該回転軸（２３０）の少なくとも一部の周りを当該回転軸から離隔して延びており、第２の突起部が当該回転軸（２３０）に隣接する半径方向内側端部またはその近傍において当該両側の面のうちの一方から軸方向に延びる第２のシール支持リング（２０４）と、
一方の端部が当該第２のシール支持リング（２０４）の当該一方の面に対向し、当該回転軸（２３０）から離隔して当該第２の突起部の少なくとも一部の上に支持される第２のフェイスプレート（２１２）とから成り、
当該第１のシール支持リング（２２２）は、当該一方の面の外側端部またはその近傍を軸方向に延びる環状シュラウド（２３６）を有し、当該第１のシール支持リングの当該シュラウド（２３６）は軸方向端部またはその近傍において当該回転軸（２３０）の方へ延びるリップを有し、当該第１のシール支持リング（２２２）は、また、当該一方の面に当該第１の突起部と当該シュラウド（２３６）との間を延びる第１の環状凹部を有し、
当該第１のフェイスプレート（２１０）の、当該第１のシール支持リングの当該第１の凹部を実質的に覆う当該一方の端部には、半径方向外方へ延びて当該第１のシール支持リングの当該シュラウド（２３６）に当該リップの下方で嵌合する棚部があり、当該第１のシール支持リング（２２２）の当該シュラウドの内壁または当該第１のフェイスプレート（２１０）の外壁には、当該シュラウド（２３６）の当該リップの下方で当該リップから離隔した位置に、当該第１のシール支持リング（２２２）の当該シュラウド（２３６）を当該第１のフェイスプレート（２１０）から離隔させる第１のランドがあり、当該第１のフェイスプレートの当該一方の端部とは軸方向反対側のもう一方の端部には、当該第１のシール支持リングの当該シュラウド（２３６）の当該リップを越える軸方向位置に第１の密封面（２１６）が延びており、当該第１のフェイスプレート（２１０）は当該回転軸（２３０）と共に回転できるように当該回転軸の周りを延びており、
当該第２のシール支持リング（２０４）は、当該一方の面の外側端部またはその近傍において軸方向に延びる環状シュラウド（２３４）を有し、当該第２のシール支持リングの当該シュラウド（２３４）は軸方向端部またはその近傍において当該回転軸（２３０）の方へ延びるリップを有し、当該第２のシール支持リング（２０４）は、また、当該一方の面に当該第２の突起部と当該シュラウド（２３４）との間を延びる第２の環状凹部を有し、
当該第２のフェイスプレート（２１２）の、当該第２のシール支持リングの当該第２の凹部を実質的に覆う当該一方の端部には、半径方向外方へ延びて当該第２のシール支持リングの当該シュラウド（２３４）に当該リップの下方で嵌合する棚部があり、当該第２のシール支持リング（２０４）の当該シュラウドの内壁または当該第１のフェイスプレート（２１２）の外壁には、当該シュラウド（２３４）の当該リップの下方で当該リップから離隔した位置に、当該第２のシール支持リング（２０４）の当該シュラウド（２３４）を当該第２のフェイスプレート（２１２）から離隔させる第２のランドがあり、当該第２のフェイスプレートの当該一方の端部とは軸方向反対側のもう一方の端部には、当該第２のシール支持リング（２０４）の当該シュラウドの当該リップを越える軸方向位置に、当該第１のフェイスプレート（２１０）の第１の密封面（２１６）に並んで第２の密封面（２０８）が延びており、当該第２のフェイスプレート（２１２）は当該回転軸（２３０）と共に回転できるように当該回転軸の周りを延びていることを特徴とする
ポンプ（１４）。
【請求項２】
前記第１の密封面（２１６）および前記第２の密封面（２０８）のうちの少なくとも一方が軸対称だが半径方向において不均一な表面輪郭を有するように構成されているため、前記第１の密封面（２１６）と前記第２の密封面（２０８）との間の圧力分布が非線形であることを特徴とする、請求項１のポンプ（１４）。
【請求項３】
前記第２のフェイスプレート（２１２）の前記第２の密封面（２０８）が軸対称だが半径方向において不均一な表面輪郭を有するため、前記第１の密封面（２１６）と前記第２の密封面（２０８）との間の圧力分布が非線形であることを特徴とする、請求項１のポンプ（１４）。
【請求項４】
前記第１の密封面（２１６）および前記第２の密封面（２０８）のうちの前記少なくとも一方はテイパー付き表面であり、前記第１の密封面（２１６）と前記第２の密封面（２０８）との間の角度が収束し、外径側の軸方向隙間が最大で、内径側の軸方向隙間が最小であることを特徴とする、請求項１のポンプ（１４）。
【請求項５】
前記第１の密封面（２１６）および前記第２の密封面（２０８）のうちの前記少なくとも一方は段付きであるかまたは不均一な表面組織を有する、請求項４のポンプ（１４）。
【請求項６】
前記第１の密封面（２１６）および前記第２の密封面（２０８）のうちの前記少なくとも一方は段付きであるかまたは不均一な表面組織を有する、請求項１のポンプ（１４）。
【請求項７】
前記第１の突起部と前記第１のフェイスプレート（２１０）の前記一方の端部との界面において前記第１の突起部の外面の周りに第１のＯリング（２２０）が設けられた、請求項１のポンプ（１４）。
【請求項８】
前記第１のフェイスプレート（２１０）の前記半径方向に延びる棚部が前記第１のシール支持リングの前記シュラウド（２３６）に前記リップの下方で嵌合するが、前記第１のシール支持リング（２２２）および前記第１のフェイスプレート（２１０）は、前記ポンプ（１４）の運転時に前記第１のフェイスプレート（２１０）に実質的に機械的な力をかけずに前記第１のフェイスプレートが前記第１のシール支持リング（２２２）上に保持され、前記半径方向に延びる棚部が前記第１のシール支持リングの前記シュラウド（２３６）の前記リップに接触しないように構成されていることを特徴とする、請求項７のポンプ（１４）。
【請求項９】
前記第２の突起部と前記第２のフェイスプレート（２１２）の前記一方の端部との界面において前記第２の突起部の外面の周りに第２のＯリング（２２４）が設けられた、請求項７のポンプ（１４）。
【請求項１０】
前記第１のシール支持リング（２２２）は、前記回転軸（２３０）を取り囲む第１の溝と、当該第１の溝内で前記回転軸（２３０）を取り囲み前記第１のシール支持リング（２２２）と前記回転軸（２３０）との間を密封する第３のＯリング（２０２）とを有し、前記第２のシール支持リング（２０４）は、前記回転軸（２３０）に隣接する前記ハウジング（２３２）の一部を取り囲む第２の溝と、前記第２のシール支持リング（２０４）と前記ハウジング（２３２）の当該一部との間の当該第２の溝内で前記ハウジング（２３２）の当該一部を取り囲み前記第２のシール支持リング（２０４）と前記ハウジング（２３２）の当該一部との間を密封する第４のＯリング（２０２）とを有することを特徴とする、請求項９のポンプ（１４）。
【請求項１１】
静圧機械式面シールであって、
両側に面を有し、回転軸（２３０）に固着され、当該回転軸の周りを延び、当該回転軸と共に回転可能であり、第１の突起部が当該回転軸（２３０）に隣接する半径方向内側端部またはその近傍において当該両側の面のうちの一方から軸方向に延びる第１のシール支持リング（２２２）であって、静圧機械式面シールが当該第１のシール支持リングの外表面上のプロセス流体から制御量の漏洩は別にして当該回転軸を実質的に隔離するように構成されている、第１のシール支持リング（２２２）と、
一方の端部が当該第１のシール支持リング（２２２）の当該一方の面に対向し、当該回転軸（２３０）から離隔して当該第１の突起部の少なくとも一部の上に支持される第１のフェイスプレート（２１０）と、
両側に面を有し、当該回転軸のある軸方向長さ部分を取り囲むハウジング（２３２）内に軸方向にある程度移動自在に装着され、当該回転軸（２３０）の少なくとも一部の周りを当該回転軸から離隔して延びており、第２の突起部が当該回転軸（２３０）に隣接する半径方向内側端部またはその近傍において当該両側の面のうちの一方から軸方向に延びる第２のシール支持リング（２０４）と、
一方の端部が当該第２のシール支持リング（２０４）の当該一方の面に対向し、当該回転軸（２３０）から離隔して当該第２の突起部の少なくとも一部の上に支持される第２のフェイスプレート（２１２）とから成り、
当該第１のシール支持リング（２２２）は、当該一方の面の外側端部またはその近傍から軸方向に延びる環状シュラウド（２３６）を有し、当該第１のシール支持リングの当該シュラウド（２３６）は軸方向端部またはその近傍から当該回転軸（２３０）の方へ延びるリップを有し、当該第１のシール支持リング（２２２）は、また、当該一方の面に当該第１の突起部と当該シュラウド（２３６）との間を延びる第１の環状凹部を有し、
当該第１のフェイスプレート（２１０）の、実質的に当該第１のシール支持リングの当該第１の凹部を覆う当該一方の端部には、半径方向外方へ延びて当該第１のシール支持リングの当該シュラウド（２３６）に当該リップの下方で嵌合する棚部があり、当該第１のシール支持リング（２２２）の当該シュラウドの内壁または当該第１のフェイスプレート（２１０）の外壁には、当該シュラウド（２３６）の当該リップの下方で当該リップから離隔した位置に、当該第１のシール支持リング（２２２）の当該シュラウド（２３６）を当該第１のフェイスプレート（２１０）から離隔させる第１のランドがあり、当該第１のフェイスプレートの当該一方の端部とは軸方向反対側のもう一方の端部には、当該第１のシール支持リングの当該シュラウド（２３６）の当該リップを越える軸方向位置に第１の密封面（２１６）が延びており、当該第１のフェイスプレート（２１０）は当該回転軸（２３０）と共に回転できるように当該回転軸の周りを延びており、
当該第２のシール支持リング（２０４）は、当該一方の面の外側端部またはその近傍において軸方向に延びる環状シュラウド（２３４）を有し、当該第２のシール支持リングの当該シュラウド（２３４）は軸方向端部またはその近傍において当該回転軸（２３０）の方へ延びるリップを有し、当該第２のシール支持リング（２０４）は、また、当該一方の面に当該第２の突起部と当該シュラウド（２３４）との間を延びる第２の環状凹部を有し、
当該第２のフェイスプレート（２１２）の、当該第２のシール支持リングの当該第２の凹部を実質的に覆う当該一方の端部には、半径方向外方へ延びて当該第２のシール支持リングの当該シュラウド（２３４）に当該リップの下方で嵌合する棚部があり、当該第２のシール支持リングの当該シュラウドの内壁または当該第１のフェイスプレートの外壁には、当該シュラウド（２３４）の当該リップの下方で当該リップから離隔した位置に、当該第２のシール支持リング（２０４）の当該シュラウド（２３４）を当該第２のフェイスプレート（２１２）から離隔させる第２のランドがあり、当該第２のフェイスプレートの当該一方の端部とは軸方向反対側のもう一方の端部には、当該第２のシール支持リング（２０４）の当該シュラウドの当該リップを越える軸方向位置に、当該第１のフェイスプレート（２１０）の第１の密封面（２１６）に並んで第２の密封面（２０８）が設けられており、当該第２のフェイスプレート（２１２）は当該回転軸（２３０）の周りを当該回転軸から離隔して延びるように構成されていることを特徴とする
静圧機械式面シール。
【請求項１２】
前記第１の密封面（２１６）および前記第２の密封面（２０８）のうちの少なくとも一方が軸対称だが半径方向において不均一な表面輪郭を有するように構成されているため、前記第１の密封面（２１６）と前記第２の密封面（２０８）との間の圧力分布が非線形であることを特徴とする、請求項１１の静圧機械式面シール。
【請求項１３】
前記第２のフェイスプレート（２１２）の前記第２の密封面（２０８）が軸対称だが半径方向において不均一な表面輪郭を有するため、前記第１の密封面（２１６）と前記第２の密封面（２０８）との間の圧力分布が非線形であることを特徴とする、請求項１１の静圧機械式面シール（２０８）。
【請求項１４】
前記第１の密封面（２１６）および前記第２の密封面（２０８）のうちの前記少なくとも一方はテイパー付き表面であり、前記第１の密封面（２１６）と前記第２の密封面（２０８）との間の角度が収束し、外径側の軸方向隙間が最大で、内径側の軸方向隙間が最小であることを特徴とする、請求項１１の静圧機械式面シール。
【請求項１５】
前記第１の密封面（２１６）および前記第２の密封面（２０８）のうちの前記少なくとも一方は段付きであるかまたは不均一な表面組織を有する、請求項１４の静圧機械式面シール。
【請求項１６】
前記第１の密封面（２１６）および前記第２の密封面（２０８）のうちの前記少なくとも一方は段付きであるかまたは不均一な表面組織を有する、請求項１１の静圧機械式面シール。
【請求項１７】
前記第１の突起部と前記第１のフェイスプレート（２１０）の前記一方の端部との界面において前記第１の突起部の外面の周りに第１のＯリング（２２０）が設けられた、請求項１１の静圧機械式面シール。
【請求項１８】
前記第１のフェイスプレート（２１０）の前記半径方向に延びる棚部が前記第１のシール支持リングの前記シュラウド（２３６）に前記リップの下方で嵌合するが、前記第１のシール支持リング（２２２）および前記第１のフェイスプレート（２１０）は、前記ポンプ（１４）の運転時に前記第１のフェイスプレート（２１０）に実質的に機械的力をかけずに前記第１のフェイスプレートが前記第１のシール支持リング（２２２）上に保持され、前記半径方向に延びる棚部が前記第１のシール支持リングの前記シュラウド（２３６）の前記リップに接触しないように構成されていることを特徴とする、請求項１７の静圧機械式面シール。
【請求項１９】
前記第２の突起部と前記第２のフェイスプレート（２１２）の前記一方の端部との界面において前記第２の突起部の外面の周りに第２のＯリング（２２４）が設けられた、請求項１７の静圧機械式面シール。
【請求項２０】
前記第１のシール支持リング（２２２）は、前記回転軸（２３０）を取り囲む第１の溝と、当該第１の溝内で前記回転軸（２３０）を取り囲み前記第１のシール支持リング（２２２）と前記回転軸（２３０）との間を密封する第３のＯリング（２０２）とを有し、前記第２のシール支持リング（２０４）は、前記回転軸（２３０）に隣接する前記ハウジング（２３２）の一部を取り囲む第２の溝と、前記第２のシール支持リング（２０４）と前記ハウジング（２３２）の当該一部との間の当該第２の溝内で前記ハウジング（２３２）の当該一部を取り囲み前記第２のシール支持リング（２０４）と前記ハウジング（２３２）の当該一部との間を密封する第４のＯリング（２０２）とを有することを特徴とする、請求項１９の静圧機械式面シール。
【請求項２１】
漏洩制御型静圧機械式面シールであって、
軸方向の長さを有するポンプの回転軸（２３０）に当該回転軸と共に回転するように固定された第１のシール支持リング（２２２）と、
当該第１のシール支持リング（２２２）の一方の側に支持され、当該一方の側とは反対の側に第１の密封面（２１６）を有する第１のフェイスプレート（２１０）と、
当該回転軸（２３０）を取り囲むハウジング（２３２）の内側に軸方向にある程度移動自在に装着された第２のシール支持リング（２０４）と、
当該第２のシール支持リング（２０４）の一方の側に支持され、第２の密封面（２０８）が当該一方の側とは反対の側に当該第１の密封面（２１６）に並んで設けられた第２のフェイスプレート（２１２）とから成り、
当該第１のシール支持リング（２２２）と当該第１のフェイスプレート（２１０）との間の第１の界面、および当該第２のシール支持リング（２０４）と当該第２のフェイスプレート（２１２）との間の第２の界面は、当該ポンプ運転時に、当該第１のフェイスプレート（２１０）または当該第２のフェイスプレート（２１２）に機械的な力をかけなくても、当該第１の密封面（２１６）および当該第２の密封面（２０８）にかかる静水圧力が、両密封面の間に制御された漏洩経路を保ちながら当該第１のフェイスプレート（２１０）を当該第１のシール支持リング（２２２）上に保持し、当該第２のフェイスプレート（２１２）を当該第２のシール支持リング（２０４）上に保持するのに十分な大きさであるよう構成されていることを特徴とする、漏洩制御型静圧機械式面シール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して回転軸のシールに関し、具体的には、漏洩制御型機械式面シールに関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子力発電所では、原子炉冷却系により原子炉炉心から蒸気発生器へ熱を移送して蒸気を発生させる。蒸気はその後、有用な仕事を発生させるためのタービン発電機の駆動に使用される。原子炉冷却系は、各々が原子炉炉心に接続された蒸気発生器と原子炉冷却材ポンプとを有する複数の冷却ループより成る。
【０００３】
原子炉冷却材ポンプは通常、例えば華氏５５０度（２８８℃）、約２，２５０ｐｓｉａ（１５５バール）の高温高圧下で、多量の原子炉冷却材を移動させるように設計された垂直単段遠心ポンプである。このポンプの基本構造は大まかに、下から上へ向かって、液圧部、軸シール部およびモータ部の３つの部分より成る。下方の液圧部では、ポンプ軸の下方端部に装着されポンプケーシング内で動作するインペラが原子炉冷却材をそれぞれのループへ圧送し循環させる。上方のモータ部には、モータがポンプ軸に駆動結合されている。中間の軸シール部は、下方の一次シール組立体（ナンバーワン・シール）、中間の二次シール組立体および上方の三次シール組立体という３つの縦続シール組立体より成る。ポンプ軸の上端部近くで当該軸と同心関係にあるこれらのシール組立体を併用する目的は、通常運転時にポンプ軸に沿って格納空間へ漏洩する原子炉冷却材の量を最小限に抑えることである。従来技術として公知のポンプ軸シール組立体の代表例は、米国特許第３，５２２，９４８号、３，５２９，８３８号、３，６３２，１１７号、３，７２０，２２２号および４，２７５，８９１号に記載されている。
【０００４】
ポンプの定常圧力バウンダリと回転軸との界面を機械的に密封するポンプ軸シール組立体は、過大な漏洩を防止し高いシステム圧力（約２，２５０ｐｓｉ（１５５バール））を閉じ込める能力を備える必要がある。商用設計のポンプには、縦続構成の３つのシール組立体により圧力を段階的に解消するものがある。これら３つの機械式ポンプシール組立体は、各段の制御漏洩量を最小限に抑えると共に、一次冷却系からそれぞれのシールリークオフポートへの原子炉冷却材の漏洩が過大にならないようにする漏洩制御型シールである。
【０００５】
商用の加圧水型原子炉は、原子炉冷却材ポンプのモータ部と液圧部との間の漏洩制御型シールとして静圧機械式面シールを用いることが多い。そのようなシールは、シール面間に定常的に薄い流体フィルムを介在させて摩耗を最小限に抑えつつ、一次系からの漏洩量を安定制御できるように設計されている。シールからの漏洩は、シール面の形状および機械的設計と、封止される流体の熱力学的状態とに左右される。原子炉プラントの運転者は、原子炉冷却材ポンプのシールを介する公称漏洩流量を毎分３ガロンに維持しようとする。この漏洩量は、ポンプ内の上部構造を介して適正な流量の緩衝／冷却水を提供できるほど大きいが、化学体積制御系によって補償できるほど小さいため原子炉冷却系インベントリが平衡状態に保たれる。
【０００６】
シールを介する漏洩流量は、主として、シール構成部品の製造時寸法、隣接する構成部品間の界面の接触摩擦力、ならびに封止される流体の作動温度・圧力に起因する機械的変形および熱弾性変形によって決まる。プラント運転者は原子炉冷却材ポンプのシールを介する漏洩流量を安定した状態に保つことを望んでいるので、製造公差、接触摩擦力、機械的変形および熱弾性変形がシール漏洩流量に及ぼす影響を極力小さくするようにシールの設計を最適化する必要がある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は概して、軸方向の長さを有するポンプの回転軸に当該回転軸と共に回転するように固定された第１のシール支持リングと、当該第１のシール支持リングの一方の側に支持され、当該一方の側とは反対側に密封面を有する第１のフェイスプレートとを具備する漏洩制御型機械式面シールを企図する。当該静圧機械式面シールはまた、当該回転軸を取り囲むハウジングの内側に軸方向にある程度移動自在に装着された第２のシール支持リングと、当該第２のシール支持リングの一方の側に支持され、当該一方の側とは反対側に第１のフェイスプレートの当該第１の密封面に対して並置関係にある第２の密封面を有する第２のフェイスプレートとを有する。当該第１のシール支持リングと当該第１のフェイスプレートとの間の第１の界面、および当該第２のシール支持リングと当該第２のフェイスプレートとの間の第２の界面は、ポンプ運転時に当該第１の密封面および当該第２の密封面にかかる静水圧力が、機械的な力の印加なしに、また、両密封面の間に制御された漏洩経路がありながら当該第１のフェイスプレートを当該第１のシール支持リング上に保持し、当該第２のフェイスプレートを当該第２のシール支持リング上に保持するのに十分な大きさになるよう構成されている。
【０００８】
本発明の一実施態様は、軸方向の長さを有する回転軸と、環状の内壁が当該回転軸の当該軸方向長さの少なくとも一部を当該一部から離隔して取り囲むハウジングとから成るポンプを提供する。両側に面を有する第１のシール支持リングは、当該回転軸に固着され、当該回転軸の周りを延び、当該回転軸と共に回転可能である。当該第１のシール支持リングは、当該回転軸に隣接する半径方向内側端部またはその近傍において当該両側の面のうちの一方から軸方向に延びる第１の突起部と、当該第１のシール支持リングの当該一方の面の外側端部またはその近傍において軸方向に延びる環状シュラウドとを具備する。当該第１のシール支持リングの当該シュラウドの軸方向端部またはその近傍には、当該回転軸の方へ延びるリップがある。当該第１のシール支持リングの当該一方の面には、当該第１の突起部と当該第１のシール支持リングの当該シュラウドとの間を延びる第１の環状凹部がある。第１のフェイスプレートは、当該第１のシール支持リングの当該一方の面に対向する一方の端部が当該第１の突起部の少なくとも一部の上にあり、当該回転軸から離隔して支持されている。当該第１のフェイスプレートは、半径方向外方へ延びて、当該第１のシール支持リングの当該シュラウドに当該リップの下方で嵌合する棚部を具備する。当該第１のシール支持リングの当該シュラウドの内壁または当該第１のフェイスプレートの外壁には、当該第１のシールリングの当該シュラウドを当該第１のフェイスプレートから離隔させる第１のランドが当該リップの下方に離隔して設けられている。当該第１のフェイスプレートの、当該一方の端部とは軸方向反対側のもう一方の端部には、当該第１のシール支持リングの当該シュラウドの当該リップを越える軸方向位置に第１の密封面が延びている。当該第１のフェイスプレートは当該回転軸と共に回転できるように当該回転軸の周りを延びている。両側に面を有する第２のシール支持リングは、当該ハウジング内に軸方向にある程度移動自在に装着されており、当該回転軸の少なくとも一部の周りを当該回転軸から離隔して延びている。当該第２のシール支持リングは、当該回転軸に隣接する半径方向内側端部またはその近傍において当該両側の面のうちの一方から軸方向に延びる第２の突起部と、当該第２のシール支持リングの当該一方の面の外側端部またはその近傍から軸方向に延びる環状シュラウドとを具備し、当該第２のシール支持リングの当該シュラウドは軸方向端部またはその近傍において当該回転軸の方へ延びるリップを具備する。当該第２のシール支持リングは、当該一方の面に当該第２の突起部と当該シュラウドとの間を延びる第２の環状凹部を具備する。第２のフェイスプレートは、当該第２のシール支持リングの当該一方の面に対向する一方の端部において当該第２の突起部の少なくとも一部の上に当該回転軸から離隔して支持される。当該第２のフェイスプレートの、当該第２のシール支持リングの当該第２の凹部を実質的に覆う当該一方の端部には、当該第２のフェイスプレートから半径方向外方へ延びて当該第２のシール支持リングの当該シュラウドに当該リップの下方で嵌合する棚部がある。当該第２のシール支持リングの当該シュラウドの内壁または当該第２のフェイスプレートの外壁には、当該第２のシール支持リングの当該シュラウドの当該リップの下方に当該リップから離隔して、当該第２のシール支持リングの当該シュラウドを当該第２のフェイスプレートから離隔させる第２のランドがある。当該第２のフェイスプレートの、当該第２のシール支持リングの軸方向反対側のもう一方の端部には、当該第２のシール支持リングの当該シュラウドの当該リップを越える軸方向位置に第２の密封面が当該第１の密封面に並んで延びている。当該第２のフェイスプレートは実質的に当該回転軸の周りを当該回転軸から離隔して延びている。
【０００９】
そのような一実施態様では、当該第１の密封面および当該第２の密封面のうちの少なくとも一方が軸対称だが半径方向において不均一な表面輪郭を有するように構成されているため、当該第１の密封面と当該第２の密封面との間の圧力分布が非線形になる。好ましくは、当該第２のフェイスプレートの当該第２の密封面は軸対称だが半径方向において不均一な表面輪郭を有するため、当該第１の密封面と当該第２の密封面との間の圧力分布は非線形になる。
【００１０】
別の一実施態様において、当該第１の密封面および当該第２の密封面のうちの当該少なくとも一方はテイパー付き表面であり、当該第１の密封面と当該第２の密封面との間の角度が収束し、外径側の軸方向隙間が最大で、内径側の軸方向隙間が最小である。そのような一実施態様において、当該第１の密封面および当該第２の密封面のうちの当該少なくとも一方は段付きであるかまたは不均一な表面組織を有する。
【００１１】
同様の別の一実施態様において、当該第１のフェイスプレートの半径方向に延びる当該棚部は当該第１のシール支持リングの当該シュラウドに当該リップの下方で嵌合するが、第１のシール支持リングおよび当該第１のフェイスプレートは、ポンプ運転時に当該第１のフェイスプレートに実質的に機械的な力をかけなくても当該第１のフェイスプレートが当該第１のシール支持リング上に保持されると共に当該半径方向に延びる当該棚部が当該第１のシール支持リングの当該シュラウドの当該リップに接触しないように構成されている。そのような実施態様において、当該ポンプは、当該第１の突起部と当該第１のフェイスプレートの当該一方の端部との界面において当該第１の突起部の外面の周りに位置する第１のＯリングと、当該第２の突起部と当該第２のフェイスプレートの当該一方の端部との間の界面において当該第２の突起部の外面の周りに位置する第２のＯリングのうちの一方または両方を具備するのが好ましい。望ましくは、当該第１のシール支持リングは当該回転軸を取り囲む第１の溝と、当該第１の溝内で当該回転軸を取り囲み当該第１のシール支持リングと当該回転軸との間を密封する第３のＯリングとを具備し、当該第２のシール支持リングは当該回転軸に隣接する当該ハウジングの一部を取り囲む第２の溝と、当該第２の溝内で当該ハウジングの当該一部を取り囲み当該第２のシール支持リングと当該ハウジングの当該一部との間を密封する第４のＯリングとを具備する。
【００１２】
本発明はまた、上述の特性を有する静圧機械式面シールをも企図する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。
【００１４】
【図１】蒸気発生器と原子炉冷却材ポンプが原子炉に直列接続されて閉ループ系を形成する従来の原子炉冷却系の１つの冷却ループを示す概略図である。
【００１５】
【図２】原子炉冷却材ポンプの軸シール部の切欠き斜視図であり、シールハウジングと、シールハウジング内でポンプ軸を取り囲むように配置された下方の一次シール組立体、中間の二次シール組立体および上方の三次シール組立体とを断面図で示している。
【００１６】
【図３】図２の原子炉冷却材ポンプのシールハウジングおよびシール組立体の一部を示す拡大断面図である。
【００１７】
【図４】本発明を利用可能な軸シール装置の断面図であり、図２、３に示す下方の一次シール組立体を拡大して示す。
【００１８】
【図５】本発明の軸シールの概略図である。
【００１９】
【図６】本発明の一実施態様のテイパー付きシール面を示す概略図である。
【００２０】
【図７】本発明の第２の実施態様の段付きシール面を示す概略図である。
【００２１】
【図８】本発明の第３の実施態様の、輪郭が不均一なシール面を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下の説明において、同一参照記号はいくつかの図面を通して同一のまたは対応する部品を指すものである。また、以下の説明において、前方、後方、左、右、上方へ、下方へなどの方向を示す用語は便宜的に使用するものであり、限定的に解釈すべきでないことを理解されたい。
【００２３】
先行技術の原子炉冷却ポンプ
本発明を理解する上で、本発明が適用される１つの環境を理解することが有用である。ただし、当然のことながら、本発明は他にも多くの用途がある。図１は、従来の原子炉冷却系の複数の原子炉冷却材ループ１０のうちの１つを示す概略図である。冷却材ループ１０は、原子炉炉心１６に直列に接続された蒸気発生器１２と原子炉冷却材ポンプ１４とより成る閉ループ冷却系である。蒸気発生器１２は、入口プレナム２０および出口プレナム２２と連通する一次伝熱管１８を含む。蒸気発生器１２の入口プレナム２０は原子炉炉心１６の出口と流れ連通関係にあり、閉ループ系統のホットレグ流路２４（通称はホットレグ）に沿って当該炉心から高温の冷却材を受け取る。蒸気発生器１２の出口プレナム２２は、閉ループ系統の流路２６に沿って原子炉冷却材ポンプ１４の入口部側と流れ連通関係にある。原子炉冷却材ポンプ１４の高圧出口側は原子炉炉心１６の入口と流れ連通関係にあり、比較的低温の冷却材を閉ループ系のコールドレグの流路２８に沿って原子炉炉心へ送り込む。
【００２４】
冷却材ポンプ１４は、冷却材を高圧で圧送して閉ループ系統を循環させる。詳細には、原子炉炉心１６から出た高温の冷却材が、蒸気発生器１２の入口プレナム２０へ流入し、入口プレナムと連通する伝熱管１８を通される。高温の冷却材は、伝熱管１８を流れる間、従来型手段（図示せず）を介して蒸気発生器１２へ供給される低温の給水と熱交換関係にある。給水は加熱され、その一部が蒸気に変換されてタービン発電機（図示せず）の駆動に使用される。熱交換により温度が低下した冷却材はその後、冷却材ポンプ１４を介して原子炉炉心１６へ再循環される。
【００２５】
原子炉冷却材ポンプ１４は、高温高圧の多量の原子炉冷却材を閉ループ系統中において移動させ循環させる能力を持つ必要がある。蒸気発生器１２からポンプ１４へ流れる冷却材の温度は、熱交換による冷却の結果、原子炉炉心１６から蒸気発生器１２へ流れる熱交換前の冷却材より実質的に低いが、依然として通常は華氏約５５０度（２８８℃）と比較的高い。液状の冷却材をこのような比較的高温に維持するために、当該系統は注入ポンプ（図示せず）により加圧状態にあり、その動作圧力は約２，２５０ｐｓｉａ（１５５バール）である。
【００２６】
図２、３からわかるように、先行技術の原子炉冷却材ポンプ１４は一般的に、ポンプハウジング３０の一端がシールハウジング３２で終端する構造である。このポンプのポンプ軸３４はポンプハウジング３０の中心部を延びており、シールハウジング３２内に封止され、回転自在に装着されている。図示しないが、ポンプ軸３４は底部がインペラに接続される一方、頂部は高馬力の誘導型電気モータに接続されている。モータが軸３４を回転させると、ポンプハウジング３０の内部３６にあるインペラにより加圧状態の原子炉冷却材が原子炉冷却系を循環する。この加圧状態の冷却材は軸３４に上向きの静水圧負荷を印加するが、それはシールハウジング３２の外側部分が周囲大気に取り囲まれているからである。
【００２７】
ポンプハウジングの内部３６とシールハウジング３２の外側との間に２，２５０ｐｓｉａ（１５５バール）の圧力バウンダリを維持しながらポンプ軸３４をシールハウジング３２内で自由に回転させるために、下方の一次シール組立体３８、中間の二次シール組立体４０および上方の三次シール組立体４２が、シールハウジング３２内のポンプ軸３４の周りの図２、３に示す位置に縦続配置されている。圧力封止（約２，２００ｐｓｉ（１５２バール））の大部分を担う下方の一次シール組立体３８は非接触型静圧式であるが、中間の二次シール組立体４０および上方の三次シール組立体４２は接触型または擦過型機械式である。
【００２８】
ポンプ１４の各シール組立体３８、４０、４２はそれぞれ、通常は、ポンプ軸３４と共に回転するように当該軸に装着された環状ランナー４４、４６、４８と、シールハウジング３２内で静止するように装着された環状シールリング５０、５２、５４とを含む。各ランナー４４、４６、４８およびシールリング５０、５２、５４はそれぞれ、対向する上方端面５６、５８、６０および下方端面６２、６４、６６を有する。下方の一次シール組立体３８のランナー４４およびシールリング５０の対向端面５６、６２は常態では互いに接触せず、フィルム状の流体が対向端面間を流れる。一方、中間の二次シール組立体４０のランナー４６およびシールリング５２の対向端面５８、６４、ならびに上方の三次シール組立体４２のランナー４８およびシールリング５４の対向端面６０、６６は、常態では互いに接触するかまたは擦れ合う。
【００２９】
一次シール組立体３８は常態ではフィルム介在モードで動作するため、シールハウジング３２の環状壁３３とそれに対して回転自在に装着された軸３４との間の空間を「リークオフ（漏洩）」する冷却用流体に対して何らかの手立てを講じる必要がある。したがって、図２に示すように、シールハウジング３２には一次リークオフポート６９があるが、リークオフポート７１は二次シール組立体４０および三次シール組立体４２からの冷却材流体のリークオフを可能にする。
【００３０】
図４は、図２、３に示すタイプのナンバーワン・シール（下方の一次シール）領域のシールハウジングの断面図であり、ナンバーワン・シールの動作および本発明との関連性のさらなる理解に資するものである。図示の構造物は、内部に圧力チェンバ３５を形成する環状壁３３を備えたハウジング３２と、ハウジング３２内に回転自在に装着された軸３４と、シールランナー組立体４４と、ハウジング３２内に位置するシールリング組立体５０とより成る。前述したように、軸３４は適当なモータ（図示せず）により駆動され、遠心ポンプ（図示せず）のインペラを駆動して加圧系内で冷却材を循環させる。注入水は、ポンプが発生するよりも高い圧力でチェンバ３５へ供給される。ランナー組立体４４は、環状ホルダー７０および環状シールプレート７２より成る。同様に、シールリング組立体５０は、ホルダー７４および環状フェイスプレート７６より成る。
【００３１】
ホルダー７０は軸３４と共に回転するが、それはホルダーが、軸３４上の肩部８０と係合し、スリーブ８２により当該軸に固定された環状支持体７８上に装着されているからである。スリーブ８２は、軸３４と、ほぼＬ字形断面の支持体７８の上方に延びる脚部８４との間で当該軸３４上に組み込まれている。本発明のこの実施態様を、ポンプ軸の上にスリーブがあるポンプに利用されるものとして説明するが、本発明はスリーブを使用しないポンプ軸にも等しく利用可能であることを理解されたい。ホルダー７０上の肩部８６は脚部８４の上端部に載っており、スリーブ８２上の肩部８８はホルダー７０を支持体８４上に保持する。ピン９０はスリーブ８２の凹部９２に押し込まれてホルダー７０の軸方向スロット９４と係合する。スリーブ８２および支持体７８を軸３４と共に回転させるナット（図示せず）により、軸方向のクランプ力がスリーブ８２および支持体７８にかかる。このピン９０により、ホルダー７０が軸３４と共に回転するスリーブ８２と共に回転する。支持体７８と軸３４との間および支持体７８とホルダー７０との間に、それぞれＯリングシール９６、９８が設けられる。ホルダー７０とシールプレート７２との界面１０２にもＯリングシール１００が設けられる。
【００３２】
シールプレート７２は、ホルダー７０が作られる材料と実質的に同じ熱膨張係数を有する耐腐食性および耐侵食性材料で構成され、ホルダー７０は大きい弾性係数を有する。同様に、フェイスプレート７６は、弾性係数が大きいホルダー７４の材料と実質的に同じ熱膨張係数を有する耐腐食性および耐侵食性材料で構成される。適切な材料の例として炭化物類およびセラミック類がある。ホルダー７４とフェイスプレート７６との界面１０６にはＯリングシール１０４が設けられる。
【００３３】
ホルダー７４は、ほぼＬ字形断面の環状シールリング挿入材１１０の下方に延びる脚部１０８に移動自在に装着されている。挿入材１１０は、ハウジング３２内に押えねじ１１２により保持される。挿入材１１０とハウジング３２との界面にはＯリングシール１１４が設けられている。同様に、ホルダー７４と挿入材１１０の脚部１０８との界面１２０にはＯリングシール１１８が設けられている。挿入材１１０に押入されるピン１２２は、ホルダー７４の回転運動を阻止する。ピン１２２はホルダー７４のウエル１２４内に延びるが、ウエル１２６の壁とピン１２２との間には、ホルダー７４の軸方向移動を可能にしつつ回転運動を制限するのに十分な隙間が存在する。
【００３４】
フェイスプレート７６は、保持リング１３０、クランプリング１３２、ロックリング１３４、複数の押えねじ１３６、およびロックリング１３４とクランプリング１３２との間の押えねじ１３６上に装着された皿ばね１３８を含むクランプ手段１２８により、ホルダー７４に固着される。押えねじ１３６は、保持リング１３０、クランプリング１３２および皿ばね１３８を貫通し、ロックリング１３４に螺着される。ホルダー７４の界面１０６には凹部１４０が設けられ、その界面上に、フェイスプレート７６の界面の外径より小さい外径を有する環状の支点１４２が提供される。保持リング１３０にはリッジ１４４を備えた内向きに延びるフランジがあり、このリッジ１４４は、フェイスプレート７６の支点１４２を越えて延びる部分１４６と係合する。クランプリング１３２には、リッジ１４８を備えた内向きに延びるフランジがあり、このリッジ１４８はホルダー７４のフェイスプレート１４６と係合する。したがって、押えねじ１３６を締めてクランプリング１３２および保持リング１３０を互いに近付けようとすると、フェイスプレート７６上に支点１４２を中心とする片持ちばり効果を及ぼす力が発生する。クランプ動作時、皿ばね１３８が部分的に圧縮され、フェイスプレート７６がこのクランプ力により変形する。
【００３５】
シールプレート７２は、フェイスプレート７６につき説明したのと同様な態様でクランプ手段１５１によりホルダー７０に固着される。ただし、ホルダー７０の界面１０２上の支点１５２は、ホルダー７４上の支点１４２よりもシールプレート７２の外径に近い所に位置する。したがって、シールプレート７２にかかるクランプ力は、フェイスプレート７６上に発生するような支点１５２を中心とするフェイスプレートの大きな変形を発生させない。所望であれば、支点１４２、１５２を、それぞれに対応するフェイスプレートに対して同じ場所に配置してもよい。
【００３６】
前述したように、シールリング組立体５０は、軸３４およびシールランナー組立体４４に関して軸方向に限られた運動が可能なように装着される。また、シールリング組立体５０の回転運動は、シールリングホルダー７４のウエル１２４に緩く嵌合する回転阻止用ピン１２２により制限される。フェイスプレート７６上のシール面１５４は、重力により、シールプレート７２の対向するシール面１５６の方に付勢される。
【００３７】
軸３４により駆動されるポンプの動作について、シールリングホルダー７４の表面１５８、１６０は、高圧チェンバ３５の全圧力に晒される。高圧チェンバ３５と、スリーブ８２に隣接する環状低圧領域１６２との間に圧力障壁を設けるのが望ましい。シールリング組立体はこの圧力障壁手段として利用されるが、圧力チェンバ３５から、シールプレート７６、７２上のそれぞれの対向するシール表面１５４、１５６の間に設けられたシールギャップ１６４を介して、領域１６２へ制御量の流体が漏洩できるようにする。
【００３８】
動作時に、軸方向に移動可能なシールリング組立体５０の対向する表面にかかる圧力に応じて、当該シールリング組立体の平衡位置が維持される。ギャップ１６４内の流体の厚み、すなわちギャップ１６４を介する漏洩量は、ギャップ１６４の形状により決まる。
【００３９】
シールギャップ１６４が変化してもシールリング組立体５０とランナー組立体４４の相対的位置を自己復元させるために、高圧の端縁部１６６からシールの対向末端間の位置まで厚みが減少する流体流路が設けられている。さらに詳細には、図示の構造において、厚みが減少する流体流路は外方端縁部１６６と、シール面１５４上の１６８に位置する中間同心円との間を延びる。
【００４０】
この構造に示されるように、同心円１６８とフェイスプレート７６の外方端縁部１６６との間において、表面１５４がシートプレート７２の対向表面１５６からわずかに離れるように当該表面にテイパーを付けることにより厚みが減少する流路が形成される。図示の表面１５４と表面１５６との間の角度は誇張されている。この構成または構造は、テイパー付き面シールとして知られている。このタイプのシールの動作は、１９６７年１０月１７日にＥｒｌｉｎｇ Ｆｒｉｓｃｈへ付与された米国特許第３，３４７，５５２号に詳しく記載されている。
【００４１】
したがって、原子炉冷却材ポンプや、モータのような駆動装置から回転軸により力学的エネルギーをプロセス流体へ伝達する同様の機械では、回転軸がプロセスバウンダリを貫通するので、回転軸に沿ってプロセス流体を隔離する上述のような軸シールが必要である。静圧平衡型機械式面シールは、この用途、特に、高い信頼性、漏洩制御および摩耗抑制が要求される状況で常用される。そのようなシールは、一方は回転軸に、もう一方は静置ハウジングに固定された、２つの境界面部材を使用する。それぞれの部材は、両面間の軸方向の小さい隙間を隔てて対向し、互いに接触することなく、漏洩量を管理可能なレベルに制御する、精密に設計された「シール面」を有する。
【００４２】
本発明の改良されたシール
図５に示すように、本発明のシールもまた、２つの対向する組立体、すなわち、ポンプ軸２３０に固定された回転組立体２２６と、ハウジング２３２に固定された静置組立体２２８とを使用する。各組立体は、セラミックのシールフェイスプレート２１０、２１２と、当該フェイスプレートを支持する基部支持リング２２２、２０４および支持シュラウド２３６、２３４とより成る。シールの外面はポンプのプロセス流体に接し、シールの内面は低圧ブリードオフシステムに接続している。漏洩流はシール面間の軸方向の隙間を外径側から内径側へ流れ、その圧力は漏洩経路に沿ってプロセス流体の圧力からブリードオフシステムの圧力へ減少する。
【００４３】
ポンプ軸２３０がハウジング２３２に対して軸方向に移動できるようにするために、静置組立体２２８は軸方向に拘束されず、自由に並進できるようになっている。機械的励振や熱膨張の差によって、そのような移動が生じることがある。静置組立体２２８の回転組立体２２６に対する軸方向位置は、静置組立体に作用する力の釣り合いによって定まる。プロセス流体の圧力は、動的Ｏリング２０２の外側の静置組立体２２８の最上面にかかり、ブリードオフシステムの圧力は、動的Ｏリング２０２の内側の静置組立体２２８の最上面にかかる。これらの圧力により生じる正味の静水圧力と静置組立体２２８の重量とが作用して、静置組立体は回転組立体２２６の方へ押しやられる。この力に抗して、静置組立体と回転組立体の面間に分布する圧力が、静置組立体２２８を回転組立体２２６から引き離そうとする。シール面２０８、２１６の間の流体圧力の分布形状は非線形であり、静置組立体と回転組立体との間の流路の形状に左右される。したがって、静置組立体２２８が回転組立体２２６からさらに離れたり近づいたりすると、圧力の分布形状が変化する。静置組立体２２８が回転組立体２２６からさらに離れると、圧力分布はより線形になり、その結果静水圧力が低下する。一方、静置組立体２２８が回転組立体２２６に近づくと、圧力分布はより平坦になり、その結果静水圧力は増加する。「負荷支持」と呼ばれるこの挙動により、外部からの負荷に拘わらず、シール面２０８、２１６の間に安定かつ有限の隙間が維持される。したがって、シール面が互いに接触せず、摩耗が最小限に抑えられ、漏洩流量が比較的一定であるように、シールの軸方向の隙間が比較的一定に維持される。
【００４４】
シール面２０８、２１６の軸方向位置は、支持リング２０４、２２２により定まる。回転組立体の支持リング２２２はポンプ軸２３０に固着しており、その軸方向位置はポンプ軸の肩部２０６により定まる。支持リング２２２の対応スロットに係合する１つ以上の割りピンまたはねじ２１８により、支持リング２２２とポンプ軸２３０との間でトルクが伝達される。支持リング２２２には、ポンプ軸２３０との間の境界面に、シールの高圧側と低圧側との間に静的な封止接合部を形成するＯリング２２４が付設されている。支持リング２２２の最上面には、その最上部とフェイスプレート２１０の最下部との間に、シールの高圧側から低圧側を隔てる静的封止接合面を形成するＯリング２２０も付設されている。Ｏリング２２０の半径方向位置は、フェイスプレート２１０のフィルム表面２１６にかかる静水圧によって生じる力の差が、フェイスプレート２１０の底面にかかる静水圧によって生じる力より大きくなるように選択される。その結果得られる正味の力によって、フェイスプレート２１０は支持リング２２２上にしっかり保持される。Ｏリングの半径方向位置の選択は、フィルム表面２１６の形状と相俟って、フェイスプレート２１０に作用する正味モーメントによりフェイスプレートの重心周りに発生する角変形が、シール面２０８、２１６の界面を通る流体フィルムを所望の形状に保つ上で許容し得る程度になるようにする。支持リング２２２にはまた、ポンプ軸２３０、支持リング２２２およびフェイスプレート２１０の間で相対的な回転が起きないように、支持リング２２２とフェイスプレート２１０との間にトルクを伝達するための１つ以上の駆動ピン２１８が付設されている。
【００４５】
静置組立体２２８の支持リング２０４は、フェイスプレート２１２を回転組立体２２６に整列する状態に保持するが、当該静置組立体２２８にはハウジング挿入材２００との間の摺動界面に沿って圧力をシールの高圧側から低圧側へ減少させる動的Ｏリングシール２０２が付設されている。静置組立体の支持リング２０４にはまた、フェイスプレート２１２に隣接する面上にＯリング２２４が付設されており、当該Ｏリング２２４の半径方向位置は、回転組立体の支持リング２２２と同様に、フェイスプレート２１２のフィルム表面２０８にかかる静水圧によって生じる力の差が、フェイスプレート２１２の背面にかかる静水圧によって生じる力より大きくなるように選択される。このようにして、静置組立体のフェイスプレート２１２は支持リング２０４に密着した状態に保持される。Ｏリング２２４の半径方向位置の選択は、密封面２０８のフィルム表面の形状と相俟って、フェイスプレート２１２に作用する正味モーメントによりフェイスプレート２１２の重心周りに発生する角変形が、シール面２０８、２１６の界面を通る流体フィルムを所望の形状に保つ上で許容し得る程度になるようにする。静置組立体の支持リング２０４にはまた、フェイスプレート２１２と静置組立体の支持リング２０４との間で相対的な回転が起きないようにする１つ以上のピン（回転組立体２２６のピン２１８に類するもの）が付設されている。
【００４６】
回転組立体２２６と静置組立体２２８はいずれも、機械式留め具２１４によって支持リング２０４、２２２に固定された支持シュラウド２３４、２３６を具備する。支持シュラウド２３４、２３６の機能は、それぞれのフェイスプレート２１２、２１０の半径方向センタリングを行うこと、組立ておよび起動のためにフェイスプレート２１２、２１０を支持リング２０４、２２２の上に保持すること、フェイスプレートのＯリング２２４、２２０に初期圧縮を与えること、プロセス流体の急激な温度変化およびその結果生じるかもしれない、シールの形状および漏洩流量を変化させる熱弾性ひずみからフェイスプレート２１２、２１０の外面を保護するための熱障壁を提供することである。支持シュラウド２３４、２３６は、通常運転時にフェイスプレート２１２、２１０のそれぞれの肩部と支持シュラウド２３４、２３６の内面との間に小さな軸方向の隙間が存在するようなサイズにする。
【００４７】
フェイスプレート２１２、２１０の形状は、圧力、機械的負荷および熱負荷に起因する正味モーメントがもたらす若干の軸対称たわみにより、静置組立体および回転組立体のフェイスプレート２１２、２１０のフィルム表面２０８、２１６の外縁部の間の軸方向距離が狭まるように選択する。静置組立体のフェイスプレート２１２の表面２０８は、軸対称だが、半径方向において不均一な輪郭を有する。この表面輪郭により、フェイスプレート２１２、２１０の間の圧力分布が前述したような負荷支持を実現する非線形になる。本願で説明する好ましい実施態様では、図６に示すように、静置組立体のフェイスプレート２１２の表面２０８にテイパーを付けて静置組立体および回転組立体のフェイスプレート２１２、２１０の間の角度を収束させ、表面の外径側の軸方向隙間が最大、内径側の軸方向隙間が最小となるようにする。本発明の別の実施態様では、テイパー付きフィルム表面の代わりにまたはテイパー付きフィルム表面と組み合わせて、図７に示すような段付き表面または図８に示すような不均一な表面組織が採用される。フェイスプレート２１２、２１０は若干のねじれたわみを許容するように設計されているので、シールのプロセス側およびブリードオフ側の圧力・温度の違いによって収束角の大きさが変化する。設計者は、フェイスプレート２１２、２１０および表面輪郭の形状を調整することにより、具体的な用途に適したシール漏洩流量、温度上昇および圧力・流量関係を実現することができる。
【００４８】
本発明の改良された静圧機械式面シールは、主に、セラミックのシールフェイスプレート２１２、２１０を支持し、方向付け、回転組立体および静置組立体に取付ける方法が既存の技術とは異なる新技術である。既存の設計は、セラミックフェイスプレートに対して機械的なクランプ力を加える「クランプリング」を使用する。この機械的なクランプ力は、機械式留め具の予負荷と、シールの低圧側につながる２つのＯリングの間の封止された面積の差により生じる静水圧力とによってもたらされる。クランプリングは、フェイスプレートを基部に保持すると共に、フェイスプレートの外縁周りの不均一な圧力分布に伴う半径方向のテイパーのひずみを制御する働きがある。既存設計による構成には、フェイスプレートに作用するクランプ力が表面のうねりや高い摩擦負荷をもたらすと共に、静圧式クランプリングがＯリングの圧縮、摩擦および時間に依存する挙動に有意に感応するという問題がある。これらの効果により、シールが不測の態様で反応する可能性がある。
【００４９】
本願の改良型シールは、静圧式クランプリングを使用せず、その代わりに組立ておよび起動時にフェイスプレートを基部に固定する役割を持つ支持シュラウドを用いる。既存の設計では、すべての運転モードにおいて、フェイスプレートを静圧式クランプリングと接触させることによって基部に固定し、半径方向のテイパーを制御するのに対し、改良型設計では、通常運転時、フェイスプレートは支持シュラウドに接触しない。この方式は、静圧式クランプリングの使用により生じる可能性のあるフェイスプレート表面のうねり、摩擦負荷、およびＯリング感応性を排除する。改良型シールは、機械的クランプ力に頼らずに、静水圧力だけでフェイスプレートが支持リングに固定され、半径方向のテイパーが制御される設計である。これは、フェイスプレートのフィルム表面に作用する静水圧力がフェイスプレートの背面に作用する静水圧力より若干大きくなるように、設計の制約内でフェイスプレートと支持リングとの間のＯリングの位置を決めることによって実現する。その結果得られる軸方向の力が、機械式クランプ機構や留め具を使用せずにフェイスプレートを支持リングに固定させる正味負荷を発生させる。半径方向のテイパーの制御は、静水圧力がかかるとフェイスプレートの断面重心周りに所望のねじりモーメントが発生して、角度が収束するシール面間の正味の半径方向テイパーが差圧の増加に応じて減少するように、フェイスプレートの断面および面の起伏を設計することにより行う。シール漏洩流量および圧力・流量関係は、設計者が、具体的な用途に適したシール漏洩流量が達成されるようにバックアップＯリングの位置、面の起伏およびシール面の形状を変更することによって調整できる。
【００５０】
本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何ら制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物を包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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