УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСОСА
SEALING DEVICE FOR PUMP

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к уплотнительному устройству для насоса. Более конкретно, оно относится к устройству для уплотнения насоса атомной электростанции. Также оно может иметь отношение к электростанции, работающей на органическом топливе, в особенности, к такой, которая производит электричество путем сжигания угля, нефти или природного газа. В случае атомной электростанции, речь идет о насосе, функция которого состоит в том, чтобы направлять воду к нагревателям, расположенным перед входом в реактор.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В соответствии с известным уровнем техники, функция теплового экрана и функция охлаждения фрикционных элементов механического уплотнения выполняются отводами (трубопроводы со входом(-ами) и выходом(-ами), которые питают определенные зоны, определяются как отводы), расположенными в корпусе насоса, механическом уплотнении и в коллекторе текучей среды, если таковой имеется. Существующие технологии делают техническое обслуживание затруднительным, поскольку, прежде всего, должна быть демонтирована система трубопроводов. Кроме того, наличие многочисленных отводов в стандартных компонентах увеличивает издержки, в особенности, из-за необходимости делать отверстия и сварные соединения на подводящем трубопроводе. Более того, охлаждающая жидкость поступает из двух различных контуров, а именно вспомогательного контура охлаждения, который используется для осуществления функции теплового экрана, и другого контура для охлаждения фрикционных элементов механического уплотнения, который использует жидкость из насоса и поверхностного теплообменника.
Такие устройства делают техническое обслуживание уплотнительного устройства затруднительным, поскольку отводы изготовлены в механическом уплотнении и корпусе насоса.
В таком случае, задача, поставленная здесь, состоит в производстве уплотнительного устройства для насоса вышеупомянутого типа, которое имеет простую конструкцию и облегчает техническое обслуживание указанного устройства и увеличивает срок службы данного устройства. Настоящее изобретение также стремится объединить две функции в одном и том же уплотнительном устройстве, в котором имеется только один контур охлаждения, назначение которого заключается в охлаждении фрикционных элементов механического уплотнения и формировании теплового экрана для защиты указанного механического уплотнения от нагревания так, чтобы продлить срок службы данного устройства. Механическое уплотнение обеспечивает уплотнение на конце вала и снаружи корпуса насоса. Температура механического уплотнения и жидкости, текущей рядом с механическим уплотнением, не должна превышать пороговую температуру, традиционно равную 100°С. Далее, обычно, жидкость, циркулирующая через насос, имеет температуру около 200°С. Учитывая механические свойства уплотнения и, в особенности, стационарных и вращающихся торцовых колец (стационарные и вращающиеся фрикционные элементы механического уплотнения определяются как стационарные и вращающиеся торцовые кольца) и то, как они расположены в уплотнительном устройстве, является важным защитить их от чрезмерного нагрева с тем, чтобы предотвратить их разрушение. Происходит то, что теплообмен путем теплопроводности между корпусом насоса и механическим уплотнением может ухудшать правильное функционирование уплотнения и, в особенности, может ухудшать уплотнение в точке между стационарным торцовым кольцом и вращающимся торцовым кольцом. Кроме того, трение между вращающейся деталью механического уплотнения, определяемой вращающимся торцовым кольцом уплотнения, с одной стороны, и стационарной деталью, определяемой стационарным торцовым кольцом уплотнения, с другой стороны, рассеивает энергию в форме тепла, что приводит к повышению температуры и к преждевременному изнашиванию стационарных и вращающихся торцовых колец. Таким образом, с целью продления срока службы механического уплотнения предусматривается механическое уплотнение, которое охлаждается в тех местах, где происходит трение, а именно в том месте механического уплотнения, и более конкретно, в том месте, где происходит относительное движение между стационарным торцовым кольцом и вращающимся торцовым кольцом.
Более того, настоящее изобретение стремится, в особенности, оптимизировать техническое обслуживание уплотнительного устройства и продлить срок службы уплотнительного устройства. Другой целью настоящего изобретения является сокращение числа компонентов, формирующих указанное уплотнительное устройство и, в то же время, снижение стоимости изготовления уплотнительного устройства для насоса.
Решение, которое предлагает настоящее изобретение, состоит в том, что устройство для уплотнения насоса содержит:
- корпус насоса, включающий в себя первый и второй трубопроводы для прохождения текучей среды;
- вал, включающий в себя, рядом с корпусом насоса, первый канал для текучей среды;
- механическое уплотнение, вмонтированное между указанным валом и корпусом насоса и содержащим фрикционные элементы для трения друг о друга вращающейся детали и стационарной детали,
причем указанное устройство имеет два состояния, первое состояние останова, в котором текучая среда не циркулирует через указанное устройство, и второе рабочее состояние, в котором текучая среда протекает в циркуляционном контуре, проходя через:
- первый канал для подачи текучей среды в контур,
- второй канал, который находится между корпусом насоса и уплотнением и сообщается с указанными фрикционными элементами, причем второй канал также образует средство охлаждения фрикционных элементов и тепловой экран,
- первый трубопровод для подачи охлажденной текучей среды во второй канал,
- второй трубопровод для удаления горячей текучей среды из второго канала.
Такая конструкция, предпочтительно, дает возможность более простого технического обслуживания и позволяет продлить срок службы уплотнительного устройства, одновременно сокращая число компонентов, формирующих указанное устройство, и снижая стоимость изготовления такого компонента. Корпус насоса, вал и механическое уплотнение вместе воплощают средство охлаждения фрикционных элементов и тепловой экран, которые, следовательно, нуждаются в снабжении текучей средой. Настоящее изобретение предполагает использование единого контура для снабжения как средства охлаждения фрикционных элементов, так и теплового экрана посредством второго канала. Часть текучей среды, циркулирующей через второй канал, выполняет функцию охлаждения механического уплотнения, примыкающего к данному второму каналу, с целью понижения температуры фрикционных элементов, что, таким образом, позволяет использовать насос без риска утечки; к тому же это предотвращает контакт жидкости из насоса с внешней средой. Другая часть текучей среды, циркулирующей через второй канал, выполняет функцию образования теплового экрана, с целью защиты уплотнения, в особенности его фрикционных элементов, от тепла, рассеиваемого корпусом насоса и вызываемого горячей жидкостью, циркулирующей через указанный насос.
Циркуляционный контур, по которому следует текучая среда, преимущественно делает возможным сокращение числа компонентов, из которых формируется указанное устройство. Более конкретно, все варианты конструкции корпуса насоса, вала и уплотнения, связанные с контуром текучей среды, предусматривают преимущество сниженного числа компонентов, в то же время предлагая оптимальное средство защиты уплотнения и его фрикционных элементов.
В одном варианте осуществления, первая камера проходит радиально между уплотнением и корпусом насоса и аксиально между заглушкой и четвертым каналом.
В одном варианте осуществления, описываемое устройство может включать в себя вторую камеру, которая находится между корпусом насоса, с одной стороны, и уплотнением, с другой стороны, и может определять, в рабочем состоянии, второй тепловой экран.
В другом варианте осуществления, вышеупомянутая вторая камера ограничена:
- радиально, валом и отверстием, сформированным внутри корпуса насоса,
- аксиально, уплотнением и корпусом насоса.
В другом варианте осуществления, продольно между валом и корпусом насоса проходит зазор, причем указанный зазор располагается по окружности и определяет, в рабочем состоянии, третий тепловой экран.
В еще одном варианте осуществления, корпус насоса может содержать третий канал, обеспечивающий сообщение между указанными вторым и третьим тепловыми экранами.
В другом варианте осуществления данного изобретения, третий канал непосредственно обращен, в аксиальном направлении, к боковой части стационарного торцового кольца.
В другом варианте осуществления, первый канал между валом и корпусом насоса предназначен для циркулирования текучих сред из насоса в направлении указанного зазора.
В одном варианте осуществления, второй канал может содержать указанные первую и вторую камеры, четвертый канал, третий канал, обеспечивающий сообщение между указанными второй камерой и зазором, и указанный зазор.
В еще одном варианте осуществления, второе рабочее состояние инициируется валом, когда он начинает вращение.
В другом варианте осуществления данного изобретения, уплотнительное устройство дополнительно содержит устройство охлаждения текучей среды, подключенное к первому и второму трубопроводам.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие отличительные свойства и преимущества станут очевидны дополнительно из описания, данного в дальнейшем в этом документе, посредством абсолютно не ограничивающего указания, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых Фиг.1 иллюстрирует половину поперечного сечения примерного варианта осуществления уплотнительного устройства.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Два уплотнительных устройства 1 предусмотрены для предотвращения попадания горячей жидкости, находящейся под давлением, во внешнюю атмосферу, в то же время не препятствуя вращению вала 20. Каждое из двух уплотнительных устройств 1 расположено на одном из выходов вала 20. На Фиг.1 изображено только одно устройство 1.
Каждое из устройств 1 содержит:
- корпус 10 насоса, который содержит горячую жидкость, находящуюся под давлением, и компоненты возврата электроэнергии в сеть;
- вращающийся вал 20, на котором укреплено рабочее колесо, лопасти которого сообщают энергию двигателя горячей жидкости, причем вал 20 выходит из корпуса 10 на каждой стороне и располагается на опорах; один из его концов соединен с приводной системой, не изображенной на чертеже; выходы вала 20 уплотнены с помощью уплотнительных устройств 1;
- заглушку 40, фиксирующую механическое уплотнение 70 к насосу, и более конкретно, к внутренней части корпуса 10 насоса; она фиксируется к корпусу 10 насоса с помощью средств крепления;
- механическое уплотнение 70, содержащее вращающееся торцовое кольцо 71 и стационарное торцовое кольцо 72, которые определяют фрикционные элементы, которые, соответственно, представляют собой вращающуюся деталь 71 и стационарную деталь 72;
- вращающееся торцовое кольцо 71, которое вращается вместе с валом 20 и находится в контакте поверхность к поверхности со стационарным торцовым кольцом 72; причем уплотнение происходит на стыке между данными двумя торцовыми кольцами;
- стационарное торцовое кольцо 72, прижатое вплотную к вращающемуся торцовому кольцу 71, может иметь возможность двигаться только поступательно;
- носитель вращающегося торцового кольца, удерживающий вращающееся торцовое кольцо 71;
- носитель невращающегося торцового кольца, удерживающий стационарное торцовое кольцо 72 и дающий возможность торцовому кольцу 72 двигаться поступательно;
- покрытие механического уплотнения, соединенное с валом 20; оно представляет собой стенку механического уплотнения 70, находящуюся в контакте с валом 20 и защищающую ее.
Уплотнительное устройство 1 предназначено для размещения между вращающимся валом 20 и корпусом 10 насоса. Более конкретно, устройство 1 располагается на выходе вала 20, снаружи корпуса 10 насоса, для того чтобы предотвращать вытекание из корпуса 10 насоса горячей жидкости, находящейся под давлением, которая циркулирует в указанном корпусе 10. Более того, уплотнительное устройство 1, вращающийся вал 20 и корпус 10 насоса расположены вместе таким образом, чтобы не препятствовать вращению вала 20 относительно корпуса 10 насоса. Вал 20 вращается вокруг оси 20а.
Механическое уплотнение 70, определяющее средство уплотнения, приспособлено к уплотнительному устройству 1. Механическое уплотнение 70 содержит указанное стационарное уплотнительное торцовое кольцо 72, присоединенное герметичным образом к корпусу 10 насоса, и указанное вращающееся уплотнительное торцовое кольцо 71, присоединенное герметичным образом к вращающемуся валу 20. При вращении вала 20 вокруг его оси 20а, вращающееся торцовое кольцо 71 трется о стационарное торцовое кольцо 72 по всей кольцеобразной фрикционной поверхности. Каждое из колец - стационарного торцового 72 и вращающегося торцового 71, - соответственно, имеет: радиальные наружные поверхности и радиальные внутренние поверхности. По меньшей мере, участок радиальных наружных поверхностей сообщается с первой камерой 120, определяющей зону теплообмена. Первая камера 120, которая определяет зону теплообмена, находится между той частью уплотнения 70, которая ориентирована радиально наружу, и корпусом 10 насоса; данная первая камера 120 примыкает к фрикционным элементам, сформированным стационарным торцовым кольцом 72 и вращающимся торцовым кольцом 71. В рабочем состоянии, первая камера 120 содержит текучую среду для охлаждения фрикционных элементов. Когда контур находится в рабочем состоянии и когда первая камера 120 содержит охлажденную текучую среду, тогда первый тепловой экран 31 создается между уплотнением 70 и корпусом 10, причем указанный первый тепловой экран формируется первой камерой 120, наполненной текучей средой. Предпочтительно, первая камера 120 располагается радиально между уплотнением 70 и корпусом 10 насоса и аксиально между заглушкой 40 и четвертым каналом 14b.
Устройство 1 может содержать сжимающее средство для торцового кольца для того, чтобы прижимать стационарное торцовое кольцо 72 и вращающееся торцовое кольцо 71 аксиально друг к другу. Целью данного средства является поддержание контакта между стационарным торцовым кольцом 72 и вращающимся торцовым кольцом 71.
В одном варианте осуществления данного изобретения, заглушка 40 образует крышку. В соответствии с данным вариантом осуществления, указанная заглушка 40 располагается между корпусом 10 насоса и механическим уплотнением 70, охватывая корпус 10 насоса и механическое уплотнение 70. Ее целью является внедрение механического уплотнения 70 в корпус 10 насоса и затем неподвижное удерживание его на месте.
Расположение трубопроводов, каналов и отводов в корпусе 10 насоса, а также между корпусом 10 насоса и валом 20, в особенности, в области механического уплотнения 70, имеет две главные функции:
- формировать тепловой экран 30 между корпусом 10 насоса и механическим уплотнением 70;
- охлаждать механическое уплотнение 70 и, более конкретно, стационарное торцовое кольцо 72 и вращающееся торцовое кольцо 71.
Таким образом, циркуляция текучей среды через вышеупомянутые трубопроводы направлена по существу на защиту механического уплотнения 70 от внешних повреждений, в особенности, вредного влияния нагрева, и на продление срока его службы.
Предпочтительно, указанный тепловой экран 30 формируется из первого теплового экрана 31, второго теплового экрана 32 и третьего теплового экрана 33.
Корпус 10 насоса содержит первый и второй отводы 12, 13, сообщающиеся, соответственно, с первым и вторым трубопроводами 15, 16. Первый отвод 12 и первый трубопровод 15 вместе подают охлажденную текучую среду к тепловому экрану 31 и фрикционным элементам 71, 72, тогда как второй отвод 13 и второй трубопровод 16 вместе удаляют горячую текучую среду, содержащуюся в третьем тепловом экране 33.
В соответствии с вариантом осуществления, который не был проиллюстрирован на чертеже, посредством подходящего расположения заглушки 40 по отношению к корпусу 10 насоса, первый трубопровод 15 сообщается с третьим трубопроводом, расположенным в заглушке 40. Данный третий трубопровод сообщается с первой камерой 120. Расположенные таким образом, первый трубопровод 15 и третий трубопровод подают текучую среду к первой камере 120, и это заставляет стационарное торцовое кольцо 72 и вращающееся торцовое кольцо 71 погружаться в текучую среду с целью охлаждения.
Первая камера 120 определяет радиальный зазор между уплотнением 70 и внутренней стенкой корпуса 10. Вторая камера 130 определяет аксиальный зазор между корпусом 10 и уплотнением 70. Как изображено на Фиг.1, вторая камера 130 радиально ограничена валом 20 и отверстием, сформированным в корпусе 10 насоса; аксиально она ограничена выше участка первой стороны указанной второй камеры механическим уплотнением и, возможно, стенкой корпуса 10 насоса и выше участка второй стороны указанной второй камеры корпусом 10 насоса. Данная вторая камера 130 содержит на своей первой стороне четвертый канал 14b, образующий сообщение между первой камерой 120 и второй камерой 130, и на своей второй стороне третий канал 14а, образующий сообщение между второй камерой 130 и зазором 140.
В рабочем состоянии текучая среда, содержащаяся в первой камере 120, потечет, следовательно, в четвертый канал 14b, перед тем как полностью или частично заполнить второй тепловой экран 32, определяемый вышеупомянутой второй камерой. Фиг.1 иллюстрирует, что тепловые экраны 31, 32 являются по существу кольцеобразными по форме.
Второй тепловой экран 32 сообщается с третьим тепловым экраном 33 посредством третьего канала 14а, расположенного в корпусе 10 насоса. Третий канал 14а непосредственно, в аксиальном направлении, обращен к боковой части стационарного торцового кольца 72; дополнительно, третий канал 14а и боковая часть стационарного торцового кольца 72 отделены от второго теплового экрана 32.
Третий канал 14а сообщается с зазором 140, который проходит по окружности вдоль вала 20. Как изображено на Фиг.1, зазор 140 проходит между корпусом 10 насоса и вращающимся валом 20. В рабочем состоянии текучая среда, содержащаяся во втором тепловом экране 32, следовательно, будет циркулировать в направлении зазора 140 посредством третьего канала 14а, чтобы обеспечить целостность со вторым тепловым экраном 32 и предотвратить передачу тепла от корпуса 10 насоса к валу 20. Заполненный текучей средой зазор 140 определяет третий тепловой экран 33.
Второй отвод 13 расположен в корпусе 10 насоса. Он проходит между зазором 140 и наружной поверхностью насоса и позволяет удалять горячую текучую среду наружу относительно механической конструкции, которую образуют корпус 10 насоса, уплотнение 70 и вал 20 и, возможно, заглушка 40. Предпочтительно, горячая текучая среда отводится в устройство охлаждения текучей среды теплообменного типа.
В одном варианте осуществления, для подачи текучей среды в охлаждающий контур используется первый канал 51 между вращающимся валом 20 и отверстием в корпусе 10 насоса. Более конкретно, текучая среда из насоса может течь в зазор 140, причем указанный зазор 140 и указанный первый канал 51 сообщаются друг с другом. В данном варианте осуществления, охлаждающий контур снабжается с использованием текучей среды из насоса. Таким образом, устройство 1 имеет два состояния: первое состояние останова, в котором текучая среда не циркулирует через устройство 1, и второе рабочее состояние, в котором текучая среда протекает в циркуляционном контуре, проходя через:
- первый канал 51 для подачи текучей среды в контур,
- второй канал, который находится между корпусом 10 насоса, уплотнением 70 и валом 20 и сообщается с фрикционными элементами, причем, второй канал также формирует средство охлаждения фрикционных элементов и тепловой экран 30,
- первый отвод 12 для подачи охлажденной текучей среды во второй канал,
- второй отвод 13 для удаления горячей текучей среды из второго канала.
В первом состоянии останова, жидкость из насоса находится во всех зазорах 120, 130, 140, 14а, 14b. Во втором рабочем состоянии вращение вала 20 позволяет контуру, снабжающему уплотнение 70 и тепловые экраны 31, 32, 33, начать циркулировать.
Кроме того, следует подчеркнуть, что текучая среда из насоса протекает случайным образом между валом 20 и корпусом 10 насоса по каналу 51. Следовательно, предусматривается правильное использование данной текучей среды путем направления ее течения через контур. Протекание между корпусом 10 насоса и валом 20 тогда становится полезным.
Предпочтительно, второй канал содержит первую камеру 120, четвертый канал 14b, вторую камеру 130, третий канал 14а и зазор 140.
В одном варианте осуществления, второй канал может, и данный список не является исчерпывающим, содержать: первую камеру 120, охлаждающую фрикционные элементы в текучей среде и определяющую первый тепловой экран 31, вторую камеру 130, образующую второй тепловой экран 32, и зазор 140, образующий третий тепловой экран 33. Четвертый канал 14b обеспечивает сообщение между первой и второй камерами 120, 130. Четвертый канал 14b обеспечивает сообщение между первым тепловым экраном 31 и вторым тепловым экраном 32. Третий канал 14а обеспечивает сообщение между вторым тепловым экраном 32, определяемым второй камерой 130, и третьим тепловым экраном 33, определяемым зазором 140.