CN112943933B - 一种高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置，包括外壳、转轴以及柔性静环，所述外壳和所述转轴之间设有介质流体腔，所述柔性静环固定设置在所述外壳上，所述转轴上固定设有与所述柔性静环相对应的动环，所述柔性静环包括和动环接触密封的摩擦部以及压力腔，所述压力腔连接有压力调节器一，所述压力调节器一包括调压腔，所述调压腔与所述介质流体腔连通，所述调压腔与所述压力腔连通，所述调压腔内设有弹簧和柱塞，所述弹簧抵接在所述柱塞的一端，使得所述柱塞封堵调压腔与所述介质流体腔的连通口。本发明的轴端密封装置具有高可靠性，且扭矩低、功率损耗小，密封性好。

Description

一种高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置

技术领域

本发明属于机械密封技术领域，尤其是涉及一种高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置。

背景技术

相对转动的密封流体设备例如汽轮机、离心压缩机包括转子和定子，定子一般为壳体，转子和壳体一旋转一静止，壳体内设有介质流体，旋转和静止的部件需要密封，保证腔体里面的流体压力，其轴端的常用密封方式为机械密封(机械端面密封)。机械密封结构包括动环和静环。动环是固定安装在轴套或轴上，随轴旋转，静环是安装在静环座上，静环座安装在设备壳体上，静环和动环通过弹簧压紧，以实现旋转和静止的两个部件之间的密封。旋转设备介质流体的泄漏常发生在静环和动环之间的端面间隙处；另外，由于动环和静环的磨损，将导致密封失效。为减少旋转设备轴端的介质流体泄漏，需对轴端密封结构进行优化设计。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题，提供一种高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置，包括外壳、转轴以及柔性静环，所述外壳和所述转轴之间设有介质流体腔，所述柔性静环固定设置在所述外壳上，所述转轴上固定设有与所述柔性静环相对应的动环，所述柔性静环包括和动环接触密封的摩擦部以及压力腔，所述压力腔连接有压力调节器一，所述压力调节器一包括调压腔，所述调压腔与所述介质流体腔连通，所述调压腔与所述压力腔连通，所述调压腔内设有弹簧和柱塞，所述弹簧抵接在所述柱塞的一端，使得所述柱塞封堵调压腔与所述介质流体腔的连通口。

作为优选，所述柔性静环包括柔性静环一、柔性静环二，所述动环包括与所述柔性静环一、柔性静环二相对应的动环一和动环二，所述柔性静环二的直径小于柔性静环一的直径，所述压力调节器一内设有调压腔一和调压腔二，所述调压腔一与柔性静环一外周的介质流体腔连通，所述调压腔一与柔性静环一的压力腔连通，所述调压腔一内设有弹簧三和柱塞一，所述弹簧三抵接在所述柱塞一的一端，使得所述柱塞一封堵调压腔一与柔性静环一外周介质流体腔的连通口，所述调压腔二与所述柔性静环二和柔性静环一之间的腔体连通，所述调压腔二与柔性静环二的压力腔连通，所述调压腔二内设有弹簧四和柱塞二，所述弹簧四抵接在所述柱塞二的一端，使得所述柱塞二封堵调压腔二与所述柔性静环二和柔性静环一之间腔体的连通口。

作为优选，所述外壳包括静环座，所述转轴上固定设有动环座一和动环座二，所述动环一、动环二固定设置在所述动环座一上，所述柔性静环一、柔性静环二固定设置在所述静环座的一侧端面上，所述静环座的另一侧端面上设有静环三，所述动环座二的一侧端面上设有与所述静环三相对应的动环三，所述动环座二的另一侧端面上设有动环四，所述外壳上设有与所述动环四相对应的静环四。

作为优选，所述静环三在与所述动环三的接触面上、所述静环四在与所述动环四的接触面上均设有动压槽，所述动压槽包括沿圆周均匀分布的若干螺旋动压槽单元。

作为优选，所述静环三上的螺旋动压槽单元由静环三端面的内径边缘延伸至静环三端面的中部，所述静环四上的螺旋动压槽单元由静环四端面的外径边缘延伸至静环四端面的中部。

作为优选，所述轴端密封装置还包括压力调节器二，所述压力调节器二内设有调压腔三，所述调压腔三与所述动环三、动环四外周的腔体连通，所述调压腔三还连接有空压机，所述调压腔三内设有弹簧五和柱塞三，所述弹簧五抵接在所述柱塞三的一端，使得所述柱塞三封堵调压腔三与所述空压机的连通口。

作为优选，所述柔性静环包括外胎层和内胎层，所述摩擦部固定设置在所述外胎层的端面上，所述内胎层设置在所述外胎层内，所述内胎层的内部腔体为所述压力腔。

作为优选，所述内胎层上设有若干连通所述压力腔与所述外胎层和内胎层之间腔体的通孔。

作为优选，所述摩擦部的摩擦面上设有若干同轴设置的摩擦环，所述摩擦环的截面呈半圆形。

作为优选，所述摩擦环的高度不一致。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：

本轴端密封装置采用多级的串并联密封结构。密封装置的左侧为封气侧及高压介质侧，右侧为大气侧及低压侧，高压流体通过柔性静环一外周的介质流体腔到达柔性静环一和动环一的第一级密封。柔性静环一是能够向内部的压力腔注气、注压力的结构，向柔性静环一压力腔注气、注压力使得柔性静环一和动环一压紧。向柔性静环一注送的压力是利用介质流体腔的流体介质压力，本发明中，即通过汽轮机内的蒸汽蒸汽压力调节。由于介质流体腔的流体介质压力较大，而柔性静环一内不需要如此大的压力，故设计了压力调节器一调节进入柔性静环一压力腔的流体压力。压力调节器一的原理是通过柱塞一封堵调压腔一与介质流体腔的连通口，当压力达到一定程度时，柱塞一被推开，连通口释放流体压力进入柔性静环一的压力腔，使得柔性静环一膨胀，柔性静环一与动环一压紧。

柔性静环二和动环二的第二级密封一开始是不启用的，只有柔性静环二和柔性静环一之间的腔体有流体泄漏产生压力时，柔性静环二才会与动环二压紧形成一个用于密封的摩擦副。当第一级密封失效时，流体泄漏至柔性静环二和柔性静环一之间的腔体，柱塞二被推开，连通口释放流体压力进入柔性静环二的压力腔，使得柔性静环二膨胀，柔性静环二与动环二压紧。上述结构一方面是降低密封产生的摩擦扭矩，以降低功耗，另一方面当第一级密封发生损坏时，第二级密封自动膨胀密封，使得汽轮机整体可靠性得到了提高，密封装置的使用寿命也会得到提升。

为了进一步保障密封装置的可靠性，本密封装置还采用了静环三和动环三、静环四和动环四的两级干式密封，为非接触密封，无摩擦功耗，理论寿命也是无限长的。第二级密封失效后，两级干式密封也能够起到一定的保障。设计供气***，空压机产生压力气体，向所述动环三、动环四外周的腔体注压。干式密封的密封介质需要干燥洁净的密封气体，故设计干燥机对空压机产生压力气体进行干燥。静环四和动环四泄漏的气体是密封气体向大气侧泄漏，故此处的密封要求不高，故静环四上的螺旋动压槽单元设计成由静环四端面的外径边缘延伸至静环四端面的中部。而静环三和动环三泄漏的气体是密封气体向介质流体侧泄漏，可能会触发第二级密封的启用，故静环三上的螺旋动压槽单元设计成由静环三端面的内径边缘延伸至静环三端面的中部，把高压侧向内泄漏过来的密封气体反泵送回高压侧。

综上，本轴端密封装置具有高可靠性，且扭矩低、功率损耗小，密封性好。

附图说明

图1为本发明的一种高可靠低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置的结构示意图；

图2为本发明中柔性静环的结构示意图，此时柔性静环处于未膨胀状态；

图3为本发明中柔性静环的结构示意图，此时柔性静环膨胀并与动环接触；

图4为本发明中柔性静环的结构示意图，此时柔性静环在无阻挡时完全膨胀；

图5为本发明中静环三的端面结构示意图；

图6为本发明中静环四的端面结构示意图；

图中：

1-转轴；2-机壳；201-密封圈安装槽一；202-密封圈一；3-静环座；301-静环一安装槽；302-静环二安装槽；303-静环三安装槽；4-端盖；401-静环四安装槽；5-动环座一；501-密封圈安装槽二；502-密封圈二；503-动环一安装槽；504-动环二安装槽；505-密封圈安装槽三；506-密封圈三；507-密封圈安装槽四；508-密封圈四；6-动环座二；601-动环三安装槽；602-动环四安装槽；603-密封圈安装槽五；604-密封圈五；605-密封圈安装槽六；606-密封圈六；7-柔性静环一；8-柔性静环二；9-静环三；10-静环四；11-动环一；12-动环二；13-动环三；14-动环四；15-防转销；16-摩擦部；17-压力腔；18-压力调节器一；1801-调压腔一；1802-调压腔二；19-弹簧三；20-柱塞一；21-弹簧四；22-柱塞二；23-外胎层；2301-卡接部；24-内胎层；2401-通孔；25-安装座；26-弹簧一；27-弹簧二；28-动压槽；2801-螺旋动压槽单元；29-压力调节器二；2901-调压腔三；30-空压机；31-弹簧五；32-柱塞三；33-干燥机。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

如图1-6所示，一种高可靠低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置，包括外壳和转轴1。所述外壳包括机壳2、静环座3和端盖4，所述转轴1上固定设有动环座一5和动环座二6。所述外壳和所述转轴1之间为介质流体腔，对于汽轮机来说，介质流体腔内的介质流体为蒸汽。

为便于表述各部件的结构关系，本发明对轴端密封装置的左右进行了区分。

所述静环座3的左侧端面通过螺钉与所述机壳2固定连接，所述静环座3的右侧端面通过螺钉与所述端盖4固定连接。所述机壳2与所述静环座3的接触面上设有密封圈安装槽一201，所述密封圈安装槽一201内设有密封圈一202。轴端密封装置的左侧为封气侧即高压介质侧，右侧为大气侧即低压侧。

所述静环座3的左侧端面上设有静环一安装槽301和静环二安装槽302，所述静环一安装槽301内设有柔性静环一7，所述静环二安装槽302内设有柔性静环二8。所述柔性静环二8的直径小于柔性静环一7的直径。所述静环座3的右侧端面上设有静环三安装槽303，所述静环三安装槽303内设有静环三9。所述端盖4的左侧内端面上设有静环四安装槽401，所述静环四安装槽401内设有静环四10。

所述动环座一5通过紧定螺钉安装在转轴1上，所述动环座一5上固定安装有动环一11和动环二12。所述动环一11与所述柔性静环一7对应，所述动环二12与所述柔性静环二8对应。所述动环座一5和所述转轴1的接触面上设有密封圈安装槽二501，所述密封圈安装槽二501内设有密封圈二502。所述动环座一5上开设有动环一安装槽503和动环二安装槽504以安装动环一11和动环二12。所述动环一安装槽503的底面上设有密封圈安装槽三505，所述密封圈安装槽三505内设有密封圈三506；所述动环二安装槽504的底面上设有密封圈安装槽四507，所述密封圈安装槽四507内设有密封圈四508。

所述动环座二6的左侧端面上固定安装有动环三13，所述动环座二6的右侧端面上固定安装有动环四14。所述动环三13与所述静环三9对应，所述动环四14与所述静环四10对应。所述动环座二6上开设有动环三安装槽601和动环四安装槽602以安装动环三13和动环四14。所述动环三安装槽601的底面上设有密封圈安装槽五603，所述密封圈安装槽五603内设有密封圈五604；所述动环四安装槽602的底面上设有密封圈安装槽六605，所述密封圈安装槽六605内设有密封圈六606。

所述动环一安装槽503、动环二安装槽504、动环三安装槽601和动环四安装槽602内均设有防止动环相对转动的防转销15。

所述柔性静环一7、柔性静环二8均设有摩擦部16和压力腔17。所述轴端密封装置还包括压力调节器一18，所述压力调节器一18内设有调压腔一1801和调压腔二1802。所述调压腔一1801与柔性静环一7外周的介质流体腔连通，所述调压腔一1801与柔性静环一7的压力腔17连通。所述调压腔一1801内设有弹簧三19和柱塞一20，所述弹簧三19抵接在所述柱塞一20的一端，使得所述柱塞一20封堵调压腔一1801与柔性静环一7外周介质流体腔的连通口。所述调压腔二1802与所述柔性静环二8和柔性静环一7之间的腔体连通，所述调压腔二1802与柔性静环二8的压力腔17连通。所述调压腔二1802内设有弹簧四21和柱塞二22，所述弹簧四21抵接在所述柱塞二22的一端，使得所述柱塞二22封堵调压腔二1802与所述柔性静环二8和柔性静环一7之间腔体的连通口。

所述柔性静环一7、柔性柔性静环二8包括外胎层23和内胎层24，所述摩擦部16固定设置在所述外胎层23的左侧端面上，所述内胎层24设置在所述外胎层23内，所述内胎层24的内部腔体为所述压力腔17。所述摩擦部16呈凸环状。摩擦部16为碳化硅、石墨材料，外胎层23和内胎层24为橡胶材料。所述内胎层24上设有若干连通所述压力腔17与所述外胎层23和内胎层24之间腔体的通孔2401，压力腔17内注压时，气体通过通孔2401进入外胎层23和内胎层24之间腔体。外胎层23和内胎层24的两层内结构起到一定缓冲作用，避免摩擦部16撞碎。

所述柔性静环一7、柔性柔性静环二8还包括安装座25，所述外胎层23和内胎层24安装在所述安装座25内，所述外胎层23包括卡接部2301，所述外胎层23通过卡接部2301卡接在所述安装座25内，以避免压力腔17注气的反冲力使得外胎层23和内胎层24脱落。所述内胎层24的右侧端面固定连接在所述外胎层23内表面的右侧面上。

所述摩擦部16的摩擦面上设有若干同轴设置的摩擦环1601。所述摩擦环1601的截面呈半圆形。接触磨损的磨屑可以进入摩擦环1601之间的沟槽内，避免磨屑加快动环端面或者柔性静环摩擦部16的磨损。此外，多个摩擦环1601形成多点密封，端面比压大，密封效果好。

所述摩擦环1601可以做成高度不一致，即波峰不一样高。最高的摩擦环1601波峰磨损后，次高的摩擦环1601波峰在与动环接触。增加了柔性静环的使用寿命。摩擦环1601波峰高度差为0-100微米。

所述静环三9、静环四10为刚性静环。所述静环三安装槽303内设有弹簧一26，所述静环四安装槽401内设有弹簧二27，所述静环三9与所述静环座3通过弹簧一26连接，所述静环四10与所述端盖4通过弹簧二27连接。弹簧一26将所述静环三9压向所述动环三13，弹簧二27将所述静环四10压向所述动环四14。

所述静环三9在与所述动环三13的接触面上、所述静环四10在与所述动环四14的接触面上均设有动压槽28。所述动压槽28包括沿圆周均匀分布的若干螺旋动压槽单元2801，所述螺旋动压槽单元2801的深度为微米级。上述的两组静环和动环之间存在相对旋转运动，且该相对旋转运动的速度很高，介质流体从动压槽28的边缘泵送进动压槽28，介质流体被挤压使得动压槽28内形成高压区，即流体动压效应，该高压区使得静环和动环之间相互推开，使得静环和动环之间形成微米级的非接触间隙，该微米级的非接触间隙能够保证静环和动环之间良好的密封性，此外，静环和动环之间无接触就无磨损，可以提升静环和动环的使用寿命。

所述静环三9上的螺旋动压槽单元2801由静环三9端面的内径边缘延伸至静环三9端面的中部，静环三9的高压侧在外径侧，静环三9上的动压槽28可以把高压侧向内泄漏过来的密封气体反泵送回高压侧，可以实现介质流体的零泄漏或负泄漏。

所述静环四10上的螺旋动压槽单元2801由静环四10端面的外径边缘延伸至静环四10端面的中部，所述静环四10的高压侧在外径侧，静环四10上的动压槽28摩压大、开启特性好。

所述轴端密封装置还包括压力调节器二29，所述压力调节器二29内设有调压腔三2901，所述调压腔三2901与所述动环三13、动环四14外周的腔体连通，所述调压腔三2901还连接有空压机30，所述调压腔三2901内设有弹簧五31和柱塞三32，所述弹簧五31抵接在所述柱塞三32的一端，使得所述柱塞三32封堵调压腔三2901与所述空压机30的连通口。空压机30输出的压缩空气经干燥机33干燥后再通入调压腔三2901。

本轴端密封装置采用多级的串并联密封结构。

工作原理：密封装置的左侧为封气侧及高压介质侧，右侧为大气侧及低压侧，高压流体通过柔性静环一7外周的介质流体腔到达柔性静环一7和动环一11的第一级密封。

柔性静环一7是能够向内部的压力腔17注气、注压力的结构，向柔性静环一7压力腔17注气、注压力使得柔性静环一7和动环一11压紧。向柔性静环一7注送的压力是利用介质流体腔的流体介质压力，本发明中，即通过汽轮机内的蒸汽蒸汽压力调节。由于介质流体腔的流体介质压力较大，而柔性静环一7内不需要如此大的压力，故设计了压力调节器一18调节进入柔性静环一7压力腔17的流体压力。压力调节器一18的原理是通过柱塞一20封堵调压腔一1801与介质流体腔的连通口，当压力达到一定程度时，柱塞一20被推开，连通口释放流体压力进入柔性静环一7的压力腔17，使得柔性静环一7膨胀，柔性静环一7与动环一11压紧。

柔性静环二8和动环二12的第二级密封一开始是不启用的，只有柔性静环二8和柔性静环一7之间的腔体有流体泄漏产生压力时，柔性静环二8才会与动环二12压紧形成一个用于密封的摩擦副。当第一级密封失效时，流体泄漏至柔性静环二8和柔性静环一7之间的腔体，柱塞二22被推开，连通口释放流体压力进入柔性静环二8的压力腔17，使得柔性静环二8膨胀，柔性静环二8与动环二12压紧。上述结构一方面是降低密封产生的摩擦扭矩，以降低功耗，另一方面当第一级密封发生损坏时，第二级密封自动膨胀密封，使得汽轮机整体可靠性得到了提高，密封装置的使用寿命也会得到提升。

为了进一步保障密封装置的可靠性，本密封装置还采用了静环三9和动环三13、静环四10和动环四14的两级干式密封，为非接触密封，无摩擦功耗，理论寿命也是无限长的。第二级密封失效后，两级干式密封也能够起到一定的保障。设计供气***，空压机30产生压力气体，向所述动环三13、动环四14外周的腔体注压。干式密封的密封介质需要干燥洁净的密封气体，故设计干燥机33对空压机30产生压力气体进行干燥。静环四10和动环四14泄漏的气体是密封气体向大气侧泄漏，故此处的密封要求不高，故静环四10上的螺旋动压槽单元2801设计成由静环四10端面的外径边缘延伸至静环四10端面的中部。而静环三9和动环三13泄漏的气体是密封气体向介质流体侧泄漏，可能会触发第二级密封的启用，故静环三9上的螺旋动压槽单元2801设计成由静环三9端面的内径边缘延伸至静环三9端面的中部，把高压侧向内泄漏过来的密封气体反泵送回高压侧。

除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (8)

1.一种高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置，其特征在于，包括外壳、转轴以及柔性静环，所述外壳和所述转轴之间设有介质流体腔，所述柔性静环固定设置在所述外壳上，所述转轴上固定设有与所述柔性静环相对应的动环，所述柔性静环包括和动环接触密封的摩擦部以及压力腔，所述压力腔连接有压力调节器一，所述压力调节器一包括调压腔，所述调压腔与所述介质流体腔连通，所述调压腔与所述压力腔连通，所述调压腔内设有弹簧和柱塞，所述弹簧抵接在所述柱塞的一端，使得所述柱塞封堵调压腔与所述介质流体腔的连通口；

所述柔性静环包括柔性静环一、柔性静环二，所述动环包括与所述柔性静环一、柔性静环二相对应的动环一和动环二，所述柔性静环二的直径小于柔性静环一的直径，所述压力调节器一内设有调压腔一和调压腔二，所述调压腔一与柔性静环一外周的介质流体腔连通，所述调压腔一与柔性静环一的压力腔连通，所述调压腔一内设有弹簧三和柱塞一，所述弹簧三抵接在所述柱塞一的一端，使得所述柱塞一封堵调压腔一与柔性静环一外周介质流体腔的连通口，所述调压腔二与所述柔性静环二和柔性静环一之间的腔体连通，所述调压腔二与柔性静环二的压力腔连通，所述调压腔二内设有弹簧四和柱塞二，所述弹簧四抵接在所述柱塞二的一端，使得所述柱塞二封堵调压腔二与所述柔性静环二和柔性静环一之间腔体的连通口；

所述外壳包括静环座，所述转轴上固定设有动环座一和动环座二，所述动环一、动环二固定设置在所述动环座一上，所述柔性静环一、柔性静环二固定设置在所述静环座的一侧端面上，所述静环座的另一侧端面上设有静环三，所述动环座二的一侧端面上设有与所述静环三相对应的动环三，所述动环座二的另一侧端面上设有动环四，所述外壳上设有与所述动环四相对应的静环四。

2.如权利要求1所述的高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置，其特征在于，所述静环三在与所述动环三的接触面上、所述静环四在与所述动环四的接触面上均设有动压槽，所述动压槽包括沿圆周均匀分布的若干螺旋动压槽单元。

3.如权利要求2所述的高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置，其特征在于，所述静环三上的螺旋动压槽单元由静环三端面的内径边缘延伸至静环三端面的中部，所述静环四上的螺旋动压槽单元由静环四端面的外径边缘延伸至静环四端面的中部。

4.如权利要求2所述的高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置，其特征在于，所述轴端密封装置还包括压力调节器二，所述压力调节器二内设有调压腔三，所述调压腔三与所述动环三、动环四外周的腔体连通，所述调压腔三还连接有空压机，所述调压腔三内设有弹簧五和柱塞三，所述弹簧五抵接在所述柱塞三的一端，使得所述柱塞三封堵调压腔三与所述空压机的连通口。

5.如权利要求1所述的高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置，其特征在于，所述柔性静环包括外胎层和内胎层，所述摩擦部固定设置在所述外胎层的端面上，所述内胎层设置在所述外胎层内，所述内胎层的内部腔体为所述压力腔。

6.如权利要求5所述的高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置，其特征在于，所述内胎层上设有若干连通所述压力腔与所述外胎层和内胎层之间腔体的通孔。

7.如权利要求5或6所述的高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置，其特征在于，所述摩擦部的摩擦面上设有若干同轴设置的摩擦环，所述摩擦环的截面呈半圆形。

8.如权利要求7所述的高可靠性低扭矩零泄漏汽轮机轴端密封装置，其特征在于，所述摩擦环的高度不一致。