CN118140053A - 用于旋转设备的锥形密封组件和包括该密封组件的旋转设备 - Google Patents

Abstract

轴密封组件(1)包括旋转密封构件(31)，该旋转密封构件适于驱动地联接到旋转设备的旋转轴(5)；以及固定多孔密封构件(41)，该固定多孔密封构件适于联接至旋转设备的固定壳体并且围绕旋转密封构件(31)延伸。该轴密封组件还包括至少密封气体入口端口(55)，该密封气体入口端口适于将加压密封气体传送到固定多孔密封构件(41)。旋转密封构件(31)具有锥形外密封面(35)，并且固定多孔密封构件(41)具有锥形内密封表面(43)。锥形内密封表面(43)面向锥形外密封表面(35)。

Description

用于旋转设备的锥形密封组件和包括该密封组件的旋转设备

说明书

技术领域

本文公开了用于旋转设备的密封组件，诸如但不限于涡轮机械。

背景技术

涡轮机，诸如但不限于离心式压缩机和轴向压缩机，需要旋转密封件来防止或限制流体朝轴承或朝环境泄漏。

为此目的已经开发了多种轴密封装置，其中包括迷宫式密封件、油填充密封件、机械接触密封件和干气密封件。

干气密封件包括固定环和适于与轴一体旋转的旋转环。通常与流过旋转设备的工艺气体相同的干密封气体被注入密封件中以提供防止气体泄漏的屏障。大部分干密封气体流过内侧迷宫式密封件返回到机器中，并且少部分干密封气体以主排气口或次排气口的形式从干气密封件排出并且被回收或燃烧。

在提供优异的密封性能的同时，干气密封件并非没有缺点，诸如例如当旋转设备处于静止状态时也需要提供密封气体。此外，排出的密封气体的流速相对较高，如果排出的密封气体没有被回收，这可能导致严重的环境影响或有价值的气体组分的损失。

已经尝试使用与旋转密封构件共同作用的固定多孔密封构件来克服这些缺点。加压密封气体被供给到多孔密封构件并且穿过多孔密封构件朝向固定多孔密封构件与旋转密封构件之间的界面迁移。这些使用多孔密封构件的密封组件具有一些缺点。特别地，泄漏流动路径的长度小导致相对高的泄漏率。

因此，希望提供使用多孔密封构件的密封组件，其克服或减轻现有技术的密封组件的至少一些缺点和限制。

发明内容

公开了一种轴密封组件，该轴密封组件被构造为密封地分离旋转设备(诸如压缩机或另一涡轮机)中的高压区域和低压区域。如本文所用，术语旋转设备可包括具有外壳和被支撑以在外壳体中旋转的轴的任何机器。该轴密封组件包括旋转密封构件和固定多孔密封构件，该旋转密封构件适于驱动地联接至旋转轴以与旋转轴共同旋转，该固定多孔密封构件适于联接至旋转设备的固定壳体并且围绕旋转密封构件延伸。轴密封组件还包括至少一个密封气体入口端口，该至少一个密封气体入口端口适于将加压密封气体输送到固定多孔密封构件。旋转密封构件具有锥形外密封表面(即，凸锥形密封表面)，并且固定多孔密封构件具有锥形内密封表面(即，凹锥形密封表面)。锥形内密封表面面向锥形外密封表面。

在本文所公开的当前优选实施方案中，当轴密封组件安装在旋转设备中时，上述锥形外密封表面和锥形内密封表面各自具有适于面向高压区域的相应第一端部和适于面向低压区域的相应第二端部。每个所述第一端部具有大于对应的第二端部的直径。

密封组件的进一步特征和实施方案将在下文中描述并且在所附权利要求中阐述。

根据另一个方面，本文公开了一种旋转设备，诸如例如涡轮机，其中高压区域和低压区域将彼此密封地分离。如上所述的至少一个或多个轴密封组件可沿旋转轴布置在高压区域和低压区域之间。

附图说明

现在简要参考附图，其中：

图1是根据本公开的具有轴密封组件的涡轮机的示意性布置；

图2是根据本公开的一个实施方案中的轴密封组件的截面图；并且

图3是根据本公开的另一个实施方案中的轴密封组件的截面图。

具体实施方式

以下描述具体涉及涡轮机，并且更具体地涉及动态压缩机，诸如轴向压缩机或离心压缩机，以及泵。然而，应当理解，本公开的新颖特征可有利地用于在其它类型的旋转设备中提供有效的轴密封，所述其它类型的旋转设备诸如涡轮、膨胀机和其它旋转机械，其中高压侧或区域和低压侧或区域应当彼此密封地分离。

为了沿着涡轮机中的旋转轴提供有效的密封，用于旋转设备中的新型密封组件具有与固定锥形表面(即，非旋转锥形表面)共同作用的旋转锥形表面。固定锥形表面围绕旋转锥形表面。固定锥形表面形成在多孔体中，加压密封气体可流过该多孔体。固定锥形表面和旋转锥形表面之间的间隙或空间在加压密封气体和施加在固定锥形表面上的弹性轴向力的组合作用下形成。

“轴向力”被理解为这样的力，其在固定锥形表面和旋转锥形表面的几何轴线的方向上定向。所述轴线与密封组件安装在其上的轴的旋转轴线基本重合。

该弹性轴向力被定向成在涡轮机的旋转轴的旋转轴线的方向上将固定锥形表面推靠在旋转锥形表面上。这以密封气体的最小流速实现了高压区域和低压区域之间的有效分离。

现在转到附图，图1示意性地示出了涡轮机1，例如离心式压缩机，其包括外壳3和被支撑以在外壳3中旋转的旋转轴5。叶轮7与旋转轴5一起围绕旋转轴5的旋转轴线A-A旋转。工艺气体通过与入口管线10流体联接的吸入侧9流到压缩机1。加压工艺气体由压缩机1在输送侧11输送并且在出口管线12中流动。

旋转轴5由在13和15处示意性示出的轴承支撑。密封组件17和19沿着旋转轴5布置在轴承13和15内侧，以防止工艺气体沿着旋转轴5通过轴承13、15泄漏并朝环境泄漏。在未示出的其它实施方案中，附加的密封组件可布置在外壳3内的相邻压缩机级之间。

图2示出了本公开的密封组件17的实施方案。密封组件19可以以与密封组件17基本相同的方式构造。

一般而言，密封组件17布置在高压区域HP和低压区域LP之间，例如在最上游压缩机级和轴承13之间，或者在最下游压缩机级和轴承15之间。

在实施方案中，密封组件17包括旋转密封构件31，该旋转密封构件31约束于，即，连接到旋转轴5，以随旋转轴旋转并且避免旋转密封构件31沿着旋转轴5的轴向移位。在此，所谓“约束于旋转轴”，是指旋转密封构件31与轴5一体地旋转。旋转密封构件31到旋转轴5的连接(即紧固)可以以任何合适的方式实现，例如通过焊接、滑动配合、摩擦配合、粘合剂等。在其它实施方案中，旋转密封构件31与旋转轴5的连接也可用螺钉、销、夹具、键、突片、花键轮廓等来实现。作为非限制性示例，在图2中，旋转轴5与旋转密封构件31之间的机械连接由螺钉33示意性地表示。

旋转密封构件31包括轴套，该轴套具有用于旋转轴5的圆柱形通孔和锥形外表面35，即锥形凸表面。锥形外表面35与轴5同轴，即其轴线与旋转轴5和压缩机转子的旋转轴线A-A重合。锥形外表面35围绕旋转密封构件31的内圆柱形表面36。一个或多个固定密封构件，诸如0形环37，可定位在内圆柱形表面36和旋转轴5之间。

旋转密封构件31的锥形外表面35从面向高压区域HP的第一端部延伸到面向低压区域LP的第二端部。锥形外表面35具有直径可变的圆形横截面。面向高压区域HP的第一端部具有大于第二端部的直径，即，锥形外表面35的理想顶点与高压区域HP相对的定位。在其它当前较不优选的实施方案中，锥形外表面35相对于高压区域和低压区域的位置可以颠倒；即，锥形外表面35的大直径端部可以面向低压区域，锥形外表面35的小直径端部可以面向高压区域。

密封组件17还包括固定多孔密封构件41，固定多孔密封构件与旋转密封构件31基本上同轴。如这里所理解的，“基本上同轴”意味着固定多孔密封构件41和旋转密封构件31在可接受的机械公差内是同轴的。这些可以根据具体应用而变化。一般而言，旋转密封构件31和固定多孔密封构件41的锥形表面的几何轴线的相互位置可在偏心距以及相互倾斜两方面偏离严格的同轴条件。两个轴线的偏心距可以在相互面对的锥形表面的最大直径的0％至5％的范围内。例如，平行度误差(即，角偏移)可以在0°与5°之间，优选地在0°与2°之间或更小。

这里使用的术语“固定”是指固定多孔密封构件41不与旋转轴5一起围绕旋转轴线A-A旋转。然而，固定多孔密封构件41可以围绕固定位置振动或振荡。例如，由于机械公差，固定多孔密封构件41可执行0°至2°或更小范围内的有限角位移。

此外，固定多孔密封构件41可以在轴向方向上，即在平行于旋转轴5的旋转轴线A-A的方向上执行有限位移。轴向位移可由涡轮机械的热膨胀引起。例如，该位移可以在0mm至20mm的范围内，并且通常取决于涡轮机轴线的长度。

另外，如稍后将更详细描述的，固定多孔密封构件41适于在旋转轴5的旋转轴线A-A的方向上相对于旋转密封构件31执行小的移动，以在固定多孔密封构件41的锥形内表面和旋转密封构件31的锥形外表面35之间形成间隙，以防止当旋转轴5旋转时它们之间的相互接触。相对面向的锥形表面之间的这种相互位移可以在1微米与1000微米或更小之间的范围内，例如在1微米与500微米或更小之间，优选地小于300微米，甚至更优选地小于200微米。

固定多孔密封构件41可包括多孔材料体，例如由烧结材料制成。在实施方案中，烧结材料可选自碳、石墨、氧化铝、碳化钨等。在其它实施方案中，多孔材料体可通过增材制造来制造具有合适的多孔结构。

在图2的实施方案中，固定多孔密封构件41完全由多孔材料形成，但是在未示出的其它实施方案中，例如如果固定多孔密封构件41通过增材制造来制造，则固定多孔密封构件41可以包括多孔区域和无孔区域。

在本说明书和所附权利要求书中，涉及固定多孔密封构件41的术语“多孔”是指注入密封件中的密封气体将在压差下迁移通过固定密封构件41。

在图2的实施方案中，固定多孔密封构件41包括锥形凹表面43，即锥形内表面43。锥形内表面43围绕旋转密封构件31的锥形外表面35，即围绕旋转密封构件31延伸，并且在以上限定的意义上与旋转密封构件31大致同轴。在使用中，间隙45形成在锥形内表面43和锥形外表面35之间，如将在下面解释的。

固定多孔密封构件41的锥形内表面43从面向高压区域HP的第一端部延伸到面向低压区域LP的第二端部。锥形内表面43具有直径可变的圆形横截面，第一端部具有大于第二端部的直径，即锥形内表面43的理想顶点与高压区域HP相对的定位。在其它当前较不优选的实施方案中，锥形内表面43的大直径端部面向低压区域，并且锥形内表面43的小直径端部面向高压区域。

在图2的实施方案中，固定多孔密封构件41容纳在环形壳体47中，环形壳体47围绕固定多孔密封构件41和旋转密封构件31。固定多孔密封构件41具有与环形壳体47密封接触的外表面。在图2的实施方案中，固定多孔密封构件41的外表面包括与锥形内表面43同轴的主圆柱形外表面49以及两个端部平面表面51、53。主圆柱形外表面49和端部平面51、53与环形壳体47的内表面密封接触。以此方式，将防止输送到固定多孔密封构件41的加压密封气体通过侧表面49、51、53泄漏。

环形壳体47包括至少一个密封气体入口端口55。在优选实施方案中，多个密封气体入口端口55围绕旋转轴5的旋转轴线A-A环状地分布。在优选实施方案中，密封气体入口端口55围绕旋转轴线A-A以恒定的角节距分布。密封气体入口端口55布置成邻近或靠近固定多孔密封构件41的面向高压侧的端部，并且与锥形内表面43的面向低压侧的端部相对。

在所示实施方案中，固定多孔密封构件41在轴向方向上(即，在锥形表面35、43的几何轴线的方向上)弹性地偏置，使得锥形内表面43被迫抵靠锥形外表面35。

在一些实施方案中，弹性构件将固定多孔密封构件41推靠在旋转密封构件31。在实施方案中，弹性构件可包括一个或多个弹性元件，诸如压缩弹簧。在图2中，弹性构件包括围绕轴线A-A布置的多个压缩弹簧57。在图2的实施方案中，弹簧57布置在环形壳体47和环外壳59之间，环形壳体47布置在环外壳59中。环外壳59可固定地安装在压缩机1的外壳5中。

如图2所示，环形壳体47的轴向延伸小于形成在环外壳59中的内座61的轴向延伸，环形壳体47被滑动地容纳在该环外壳59中。以这种方式，在环形壳体47与环外壳49之间存在足够的轴向间隙，从而允许环形壳体47沿轴向方向(即，沿旋转轴5的旋转轴线A-A的方向)移动。在非操作状态下，当没有加压密封气体被输送到密封组件17时，弹簧57将固定多孔密封构件41推靠在旋转密封构件31的静止位置。在静止位置，锥形内表面43接触锥形外表面35。

环外壳59的径向尺寸使得在环形壳体47和环外壳59之间可获得径向间隙，如62所示。

平衡垫圈63、65布置在环形壳体47和环外壳59之间。垫圈63、65允许环形壳体47在环外壳59的座61内的一定程度的轴向和径向位移。

环外壳59中的至少一个孔67直接或间接地流体联接至加压密封气体源并且适于朝密封气体入口端口55输送加压密封气体。加压密封气体源可以是处于比高压区域HP中的压力高的压力下的足够清洁气体的任何源。在一些实施方案中，加压密封气体可以是从压缩机1的输送侧转移并且在预处理单元71中适当地预处理的工艺气体，例如如图1中示意性地示出的。在其它实施方案中，为此目的可预见专用密封气体源，例如，氮源。

在使用中，加压密封气体通过环外壳59中的孔67输送，并被迫进入密封气体入口端口55。固定多孔密封构件41的多孔结构使得加压密封气体通过其迁移并从锥形内表面43泄漏。密封气体的压力产生具有与弹性构件57(弹簧57)的弹力相反的轴向分量的静液升力。静液升力足以使固定多孔密封构件41相对于旋转密封构件31沿旋转轴线A-A的方向移位。由于所述轴向位移，间隙45形成在锥形内表面43和锥形外表面35之间。锥形间隙45的尺寸由加压密封气体产生的静液压力、弹性构件57施加的轴向推力以及作用在可轴向移位的固定多孔密封构件41上且由高压区域HP与低压区域LP之间的压差产生的力之间的平衡确定。

环外壳59中的轴向间隙允许轴向壳体47抵抗弹性构件57的弹性推力沿轴向方向移动。垫圈63和65防止环外壳59与环形壳体47之间的气体泄漏，并且固定多孔密封构件41可因此由于由迁移通过固定多孔密封构件41的多孔结构的加压密封气体产生的静液推力而“漂浮”在旋转密封构件31上。

固定多孔密封构件41的多孔结构导致从密封气体入口端口55朝锥形内表面43迁移通过多孔结构的加压密封气体的压力逐渐损失。图2示出了表示固定多孔密封构件41的多孔结构内部的密封气体压力变化的等压线。压力从锥形内表面43和锥形外表面35的第一端部(面向高压区域HP)朝第二端部(面向低压区域LP)减小。从间隙45流出的密封气体的一部分向高压区域HP、即压缩机1的内部泄漏，密封气体剩余的部分向低压侧流动。可以提供未示出的排气口以收集朝向低压区域逸出的密封气体，从而防止减压的密封气体朝环境分散。在一些实施方案中，另一密封件可定位在密封组件17与外侧轴承13之间，并且分离气体可在密封组件17与外侧轴承13之间输送，以防止密封气体接触轴承13。

在压缩机1的静止期间，不需要通过密封组件17、19的加压密封气体，这避免了连续密封气体输送的需要，而现有技术的干气密封则需要连续密封气体输送。这是通过由于锥形内表面43和锥形外表面35的倾斜而导致的两个配合构件31和41之间的接触压力的倍增效应来实现的。

围绕环形壳体47的轴向和径向间隙补偿了形成固定多孔密封构件41的多孔材料的磨损。此外，轴向和径向间隙允许密封组件的轴向和径向位移，这可能由旋转轴5的径向和轴向位移引起，例如由于热膨胀。

在图2的实施方案中，垫圈63、65的变形能力允许环形壳体47和容纳在其中的固定多孔密封构件41的轴向和径向位移。然而，如果需要或期望固定多孔密封构件41的较大径向和轴向位移，则可使用适于允许径向和轴向运动的单独的垫圈。图3中示出了能够允许较大的径向和轴向位移的密封组件的实施方案。相同的附图标记表示与图2的部件相对应的部件。这些部件将不再详细描述。

在图3的实施方案中，固定多孔密封构件41以类似于图2的方式被刚性地约束在环形壳体47中。与图2的实施方案不同，在图3中，中间环形部件75设置在环外壳59与环形壳体47之间，固定多孔密封构件41容纳在其中。环形壳体47布置在中间环形部件75中，具有径向间隙。环形平衡垫圈77、79密封环形壳体47和中间环形部件75之间的间隙，允许前者在后者内部的径向位移以补偿旋转轴5的径向运动。

中间环形部件75容纳在由环外壳59形成的座61中，具有轴向间隙，即允许包括固定多孔密封构件41、环形壳体47和中间环形部件75的单元在旋转轴5的旋转轴线A-A的方向上移位的空间。环形平衡垫圈81、83密封中间环形部件75和环外壳59之间的间隙，允许它们之间的轴向位移。因此，由于通过孔67A和67B注入密封组件中的加压密封气体所产生的静液推力，固定多孔密封构件41可从旋转密封构件31提升，所述气体迁移通过固定多孔密封构件41的多孔结构。

环外壳59和中间环形部件75中的孔67A和67B将加压密封气体供给到密封气体入口端口55。如上所述，密封气体可以是从压缩机1的输送侧分流的加压工艺气体。替代地或另外地，可以预见单独的加压密封气体源。

迁移通过固定多孔密封构件41的多孔结构的密封气体产生静液推力，该静液推力足以使固定多孔密封构件41和旋转密封构件31在轴5的旋转轴线A-A的方向上相对于彼此移位，从而形成间隙45。如在上述图2的实施方案中，从旋转密封构件31提升固定多孔密封构件41所需的推力的值取决于密封组件两端的压差以及由弹性构件57(例如，弹簧57)施加的总偏压力。

通过提供单独的垫圈组77、79和81、83，固定多孔密封构件41相对于旋转密封构件31的更大的轴向和径向位移是可能的。

上述密封组件的一些或全部表面可设置有硬化涂层，以减少机械接触表面的磨损。在一些实施方案中，硬化可设置在旋转密封构件31的锥形外表面35上和/或固定多孔密封构件41的锥形内表面43上。除此之外或作为另外一种选择，相互滑动接触的密封组件的构件的一些表面或表面部分可被硬化，诸如在图3中标记为87和89的区域中。在一些实施方案中，可以设想硬度高于30HRC，优选高于70HRC或更高。可使用适于实现所需硬度值的任何已知硬化技术。例如，合适的硬化技术包括氮化、钨/碳化铬涂层等。

在一些实施方案中，滞弹性特征部可定位在相邻部件之间，所述相邻部件可例如由于由压缩机1的旋转引起的振动而在径向方向上执行相互位移。例如，可以在环形壳体47的外表面与中间环形部件75之间布置诸如滞弹性涂层91的滞弹性特征部。滞弹性特征部91适于阻尼在旋转轴5的旋转期间产生的振动，并且因此减小噪音和磨损。

描述了某些示例性实施方案，以提供对本文所公开的***、装置和方法的结构、功能和使用的原理的全面理解。这些实施方案的一个或多个示例在附图中示出。本领域技术人员将理解的是，本文中具体描述且在附图中示出的***、装置和方法是非限制性的示例性实施方案，并且本发明的范围仅由权利要求限定。结合一个示例性实施方案描述或示出的特征可与其他实施方案的特征组合。此类修改和变型旨在包括在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种轴密封组件，所述轴密封组件被构造为密封地分离旋转设备中的高压区域与低压区域，所述轴密封组件包括：

旋转密封构件，所述旋转密封构件适于驱动地联接到所述旋转设备的旋转轴以与所述旋转轴共同旋转；

固定多孔密封构件，所述固定多孔密封构件适于联接到所述旋转设备的固定壳体并且围绕所述旋转密封构件延伸；和

至少密封气体入口端口，所述密封气体入口端口适于将加压密封气体传送到所述固定多孔密封构件；

其中所述旋转密封构件具有锥形外密封表面并且所述固定多孔密封构件具有锥形内密封表面，其中所述锥形内密封表面面向所述锥形外密封表面。

2.根据权利要求1所述的轴密封组件，其中所述锥形外密封表面具有适于面向所述高压区域的第一端部和适于面向所述低压区域的第二端部，所述第一端部相比于所述第二端部具有更大的直径；并且其中所述锥形内密封表面具有适于面向所述高压区域的相应第一端部和适于面向所述低压区域的第二端部，所述第一端部相比于所述第二端部具有更大的直径。

3.根据权利要求1所述的轴密封组件，其中所述锥形外密封表面具有适于面向所述高压区域的第一端部和适于面向所述低压区域的第二端部，所述第一端部具有小于所述第二端部的直径；并且其中所述锥形内密封表面具有适于面向所述高压区域的相应第一端部和适于面向所述低压区域的第二端部，所述第一端部相比于所述第二端部具有更小的直径。

4.根据权利要求2或3所述的轴密封组件，其中所述至少一个密封气体入口端口位于所述锥形内密封表面的所述第一端部附近。

5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的轴密封组件，所述轴密封组件还包括弹性构件，所述弹性构件适于朝向所述锥形外密封表面轴向地推动所述锥形内密封表面。

6.根据权利要求5所述的轴密封组件，其中在使用中，所述加压密封气体在所述锥形内密封表面与所述锥形外密封表面之间流过所述固定多孔密封构件，以便平衡所述弹性构件在所述固定多孔密封构件上的轴向推力，从而在所述锥形内密封表面与所述锥形外密封表面之间形成间隙。

7.根据权利要求6所述的轴密封组件，其中在使用中，所述间隙中的密封气体压力从所述第一端部朝向所述第二端部减小。

8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的轴密封组件，其中所述固定多孔密封构件被容纳在环外壳中并且能够在环外壳中轴向移动。

9.根据权利要求8所述的轴密封组件，其中所述固定多孔密封构件能够在所述环外壳中径向移动。

10.根据权利要求8或9所述的轴密封组件，其中所述固定多孔密封构件被刚性地约束到保持在所述环外壳中的环形壳体。

11.根据权利要求10所述的轴密封组件，其中所述环形壳体以轴向和径向间隙保持在所述环外壳中，以在所述环外壳内沿轴向和沿径向方向移动。

12.根据权利要求10所述的轴密封组件，其中所述环形壳体安装在中间环形部件中，并且所述环形壳体相对于所述中间环形部件具有径向间隙，并且其中所述中间环形部件保持在所述环外壳中，具有轴向间隙。

13.根据权利要求10或11所述的轴密封组件，其中平衡垫圈布置在所述环外壳和所述环形壳体之间。

14.根据权利要求12所述的轴密封组件，其中平衡垫圈布置在所述中间环形部件与所述环外壳之间以及所述环形壳体与所述中间环形部件之间。

15.根据前述权利要求中的一项或多项所述的轴密封组件，其中所述固定多孔密封构件具有与所述锥形内密封表面同轴的外圆柱形表面。

16.根据前述权利要求中的一项或多项所述的轴密封组件，其中所述锥形外表面与适于成角度地联接到旋转轴的轴套成一体。

17.根据前述权利要求中的一项或多项所述的轴密封组件，所述轴密封组件包括围绕所述锥形内密封表面周向布置的多个密封气体入口端口，优选地以恒定的角节距布置。

18.根据前述权利要求中的一项或多项所述的轴密封组件，所述轴密封组件包括在经受机械接触的至少一些表面上进行硬化处理。

19.根据前述权利要求中的一项或多项所述的轴密封组件，所述轴密封组件还包括在所述轴密封组件的两个部件之间的滞弹性特征部。

20.一种旋转设备，所述旋转设备包括固定外壳和被支撑以在所述外壳中旋转的轴；包括根据前述权利要求中的一项或多项所述的轴密封组件，所述轴密封组件布置在高压区域与低压区域之间。