CN102165228B

CN102165228B - 轴密封装置和具有轴密封装置的系统

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Publication number: CN102165228B
Application number: CN200980137752.XA
Authority: CN
Inventors: L·阿尔费斯; D·格里沙贝尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: EP2326858A1; EP2326857A1; US8647052B2; CN102165229A; US20110255966A1; WO2010034601A1; DE102008048942A1; US20110189013A1; DE102008048942B4; WO2010034605A1; US8714907B2; EP2169282A1; CN102165228A

Abstract

本发明涉及一种轴密封装置（SS），它包括多于一个的密封模块（SM）、至少一个流体输入机构（FF）和一个流体排出机构（FS），具有主密封装置（MS1），最大的部分压差（ΔPi）施加到此第一主密封装置（MS1）上。常规的轴密封装置通常需要大量的额外的密封流体（SF），用来确保适当的压降。本发明在此通过以下方式进行改进，即第一主密封装置（MS1）构成为径向的双重密封装置（RDS），它通过两个气体密封装置（DGS）来确定，其分别具有旋转的密封面（RSS）和静止的密封面（SSS），密封面对（SSP）分别在一个密封平面（SEP）上对置，其中两个密封平面具有基本朝向轴（S）的径向延展。

Description

轴密封装置和具有轴密封装置的系统

技术领域

本发明涉及一种轴密封装置，用来密封穿过外壳的轴的通孔的间隙，其中在外壳内部具有处于密封压力下的工艺流体，在外壳外部具有处于环境压力下的环境流体，其中轴密封装置具有多于一个的密封模块、至少一个流体输入机构和一个流体排出机构，其中在运转状态中，环境压力与密封压力的区别在于压差，此压差被划分成部分地施加到单个的密封模块上，分别当作部分压差，其中密封模块具有至少一个主密封装置，此主密封装置是这样构成的，即最大的部分压差施加到此主密封装置上，其中在密封模块之间设置有至少一个流体排出机构，借助它排出第一排出流体。

背景技术

上述类型的轴密封装置尤其在涡轮机中经常使用，涡轮机具有从外壳中导出的轴，此轴实现了驱动机构与从动机构的连接。密封装置的旋转元件及静止元件在此通常构成密封模块。轴密封装置的本质是，由于轴表面与相邻外壳之间的相对运动，不能达到百分之百的密封性。尤其在工艺流体有毒或易爆的情况下，这种工艺流体应该借助轴密封装置远离周围环境，必须小心地将泄漏流体引开。例如在蒸气涡轮机或燃气涡轮机中，工艺流体也借助这种轴密封装置防止渗到周围环境中，轴密封装置的泄漏或排出量对产生的热效率会有直接影响。在这种机器的结构方面，将轴密封装置的泄漏降至最低是最重要的任务之一。

在涡轮压缩机中，所谓的串列式气体密封装置通常承担着此任务，即将外壳内的压力腔与大气隔离开来。串列式气体密封装置是无接触的密封装置，并用干燥、过滤的密封流体或密封气体进行润滑。

图1示意性地示出了具有上述类型的轴密封装置的常规结构。轴S通过外壳C的通孔PT进行延伸。在外壳C的内部，工艺流体PF处于密封压力PPF之下。此工艺流体PF借助压缩机CO加压到密封压力PPF进行输送。在外壳C的外面，空气AM处于环境压力PAM之下。在通孔PT范围内轴S与外壳C之间的间隙G借助轴密封装置SS进行密封。轴密封装置SS包含多个密封模块SM，还包含两个主密封装置，即第一主密封装置MS1和第二主密封装置MS2。这两个主密封装置MS1、MS2构成为气体密封装置DC1、DC2或干燥空气密封装置DCS。从外壳C的内部开始，首先设置了两个迷宫式密封装置，即第一迷宫式密封装置LS1和第二迷宫式密封装置LS2，在它们之间导入升压密封流体SFP。迷宫式密封装置LS1和升压密封流体SFP的作用是，把密封压力提高到所需的最低压力水平，并且只有当压缩机中存在的压力小于这个所需的最低压力水平时才是必需的。此外，在第一主密封装置MS1和第二、外部的迷宫式密封装置LS2之间，密封流体被引入间隙G中。由于密封流体SF的输入，通过第一主密封装置MS1朝外产生了质量流，通过迷宫式密封装置LS2在压缩机方向上产生了质量流。此质量流通常相对较小，不会在迷宫式密封装置LS2中产生显著的压差。升压密封流体SFP的质量流是这样测量的，即它与密封流体SF的质量流（其通过迷宫式密封装置LS2流动）一起在迷宫式密封装置LS1中建立差压，此差压除了压缩机中的压力以外与所述至少所需的压力水平相一致。此质量流流回到外壳C内。在第一主密封装置MS1和第二主密封装置MS2之间设置有第三迷宫式密封装置LS3。在第三迷宫式密封装置LS3和第二主密封装置MS2之间，中间密封流体ISF输入到间隙G中。密封流体SF是指工艺流体PF，而中间密封流体ISF要么指惰性流体或惰性气体，要么指环境介质（大多指氮气）。

在第一主密封装置MS1和第二主密封装置MS2之间，即在第三迷宫式密封装置LS3的内部，在该处聚集的混合物输到接着的未详细描述的制备过程，此混合物由密封流体SF和中间密封流体ISF或由工艺流体和惰性流体或环境流体形成。此制备过程也可以是指吹焰器，借助它可点燃此混合物。在第二主密封装置MS2的外部，通常还具有额外的迷宫式密封装置的串列式结构，其由两个密封装置LS4、LS5构成，分离流体SPF在它们之间输入。由分离流体SPF和中间密封流体ISF构成的混合物借助第二排出机构EX2引导至制备过程或同样引导至吹焰器，此混合物在往外的方向上通过第二主密封装置MS2作为泄漏流出。

在密封结构的下方，图1示出了在轴向方向上的压力走向，从中可导出通过密封装置的流动方向。干燥气体密封装置在通流方向方面是不可任意逆转的。就此而言，必须在一定的运转条件下，才能输入更大量的升压密封流体SFP。

图1所示的气体密封装置的结构也可称为串列式气体密封装置。在串列式气体密封装置的构造方式中（在两个主密封装置之间有或没有迷宫式密封装置），中间密封流体只有在具有迷宫式密封装置的构造方式中才是必需的。中间密封流体通常指来自外部源头的氮气。不仅主密封装置MS1和附加轴密封装置LS2之间的密封流体SF的部分量，而且主密封装置MS2和相邻的附加轴密封装置LS3之间的中间密封流体ISF的部分量，都导入到第一排出机构EX1中，其中压力如同图1在示意图中示出的压力走向一样进行选择，即大部分导入的流体量到达第一排出机构EX1中。小部分中间密封流体通过第二主密封装置MS2达到第二排出机构EX2中。具有导入的分离流体SPF的附加轴密封装置LS4和LS5的作用是，将第二主密封装置MS2与周围环境AM的污染物基本隔离开来，此周围环境可能被例如来自邻近轴承的油雾污染。分离流体部分地进入周围环境AM中，并且部分在第二排出机构EX2中导出。对于由附加轴密封装置LS4、LS5构成的密封模块SM来说，也可使用碳环或其它类型的密封装置。

从DE 20 2008 003 418 U1已知前述类型的径向的双重密封结构。干燥气体密封装置的串列式结构从JP 2006 08 38 89 A以及US 3,880,434已知。径向的双重密封装置的简单结构从US 6，325，382 B1已知。从EP 1 914 387 A1中已知在中间设置有迷宫式密封装置的情况下径向的双重密封结构的串列式结构。

在密封压力较低时，必须借助第一附加轴密封装置LS1中的额外的升压密封流体SFP来提高密封压力，因此存在着朝第一排出机构EX1 的压降。这一点是尤其重要，因为构成为气体密封装置的第一主密封装置MS1总是需要与待密封空间或密封压力在朝外方向上存在压降，以便不会随着轴的旋转而损坏。按照压力必须上升得多高，需要大量的升压密封流体SFP。这又也明显使整个设备的效率变差。

发明内容

因此本发明的目的是，改进具有前述类型的轴密封装置的结构，从而降低密封流体的需求，但不会影响运转的密封性和安全性。

为了实现按本发明的目的，建议了一种轴密封装置，用来密封穿过外壳的轴的通孔的间隙，其中在外壳内部具有处于密封压力下的工艺流体，在外壳外部具有处于环境压力下的环境流体，其中此轴密封装置包括多于一个的密封模块、至少一个流体输入机构和一个流体排出机构，其中在运转状态中，环境压力与密封压力的区别在于压差，此压差被划分成部分地施加到单个的密封模块上，分别当作部分压差，其中密封模块包括至少一个主密封装置，此主密封装置是这样构成的，即最大的部分压差施加到此主密封装置上，其中在密封模块之间设置有至少一个流体排出机构，借助该流体排出机构排出第一排出流体，其中，至少第一主密封装置构成为径向的双重密封装置，它通过两个气体密封装置来确定，其分别具有旋转的密封面和静止的密封面，这种密封面对分别在一个密封平面上对置，其中两个密封平面具有基本朝向轴的径向延展，其中两个密封面对中的第一密封面对比第二密封面对位于更大的半径上，并且其中这两个密封面对的静止的密封面和旋转的密封面分别固定在一个共同的载体上，即静止的载体和旋转的载体上，并且通过使至少静止的载体或者旋转的载体借助弹性元件预紧，使密封面对的密封面弹性地相对张紧，其中在两个密封面对之间设置有在周向上延伸的密封流体腔，此密封流体腔可借助密封流体输入机构加载密封流体，其特征在于，其中在第二主密封装置的外部还顺序设置了两个附加轴密封装置，即内部的第四附加轴密封装置和外部的第五附加轴密封装置，其中在第四附加轴密封装置和第五附加轴密封装置之间输入分离流体，其中所述分离流体在两个方向上溢出并应该阻止可能的污染物从外面进入。还提出一种具有所述轴密封装置的系统。

在此，密封模块包括至少一个第一主密封装置，它优选这样构成，即在正常无干扰运转中，并在起动和停机时，最大的部分压差施加到此第一主密封装置上，从最大的压力水平开始从内朝外，其中此密封模块包括至少一个第二主密封装置，它是这样构成的，即在第一主密封装置出现故障时，最大的部分压差施加到此第二主密封装置上，从最大的压力水平开始从内朝外，其中在这两个主密封模块之间设置有至少一个流体排出机构，第一排出流体借助它排出。

如果在下面用到了朝内或朝外、内或外，则这些方向说明是指越来越靠近或越来越远离壳体的内部或壳体的外部。

通过按本发明的特征，产生了特别的优点。密封流体量明显降低，因为与图1所示的常规结构相比，迷宫式密封装置不再直接用密封流体加载，密封流体而是首先必须经过密封面对。而且，在密封压力较低时，不必借助升压密封流体来升高压力，因为径向的双重密封装置需要或产生了出现的密封流体在两侧的压力差。由于不需要升高压力，内部循环的待密封的流体数量会减少，并且可改善了例如压缩机的容积效率。最后，还可在环境压力之下实现密封压力。因为径向的双重密封装置只需要很少的轴向空间，并且还额外可让迄今必需的额外轴密封装置通过，所以由于缩短可改善轴的转子动力。

此外，还可这样来选择在第一排出机构EX1中的压力水平，即来自第一排出机构EX1中的流体可导回到压缩过程中。

径向的双重密封装置的静止的载体优选借助弹性元件在旋转的载体的方向上预紧。承受离心力的转子结构以这种方式构造得没那么复杂。

密封面对优选布置为同轴的，因此可产生更简单且更节省空间的结构。

按本发明的密封结构的最佳运转规定，第一主密封装置用工艺流体（作为密封流体）进行加载。

第二主密封装置可构成为简单的干燥气体密封装置。但对于第二主密封装置来说，也优选使用径向的双重密封装置，它用中间密封流体（作为密封流体）进行加载。在此按照待压缩的介质类型，此中间密封流体可与第一主密封装置的密封流体一致，或者是其它流体（例如氮气）。重要的是确保，第二主密封装置在每个运转时刻朝两侧都具有正的压差，并因此在密封面对的对置的密封面之间产生了稳定的流体膜。因此不必在第一排出机构中建立相应的压力，因此相对第二主密封装置存在着最小压差。

本发明的有利的构造方案规定，尤其当第二主密封装置MS2设计成简单的干燥气体密封装置时，在两个主密封装置之间设置额外的第一附加轴密封装置LS3（优选迷宫式轴密封装置）。以这种方式确保，没有第一主密封MS1的泄漏通过第二主密封装置MS2进入第二排出机构EX2中。在具有这种第一附加轴密封装置的结构中，适宜的是，第一密封流体输出机构在此附加轴密封装置的朝内侧上设置在两个主密封装置之间。

本发明的有利的改进方案规定，在第二主密封装置MS2和这个上述的附加轴密封装置LS3之间输入中间密封流体ISF。

基于相同的原因，如第一附加轴密封装置有利地设置在两个主密封装置之间，适宜的是，在第一主密封装置MS1的内侧设置有第二附加轴密封装置（优选构成为迷宫式轴密封装置）。如果工艺流体载有微粒或其它污物，则适宜的是，冲刷流体在第一主密封装置和第二附加轴密封装置之间输入，此冲刷流体优选是清洁的工艺流体。与工艺流体相比，此冲刷流体优选具有5至20 mbar的超压。

此外为了隔离敏感的轴密封系统，还适宜的是，在第二主密封装置的外部还额外地顺序设置了两个轴密封装置（优选迷宫式轴密封装置），即内部的第三附加轴密封装置和外部的第四附加轴密封装置。如果在这两个附加轴密封装置之间导入分离流体，则此隔离尤其有效。此分离流体可指过滤的环境介质。如果在整个密封结构的外部设置例如油轴承，从中逸出的油雾会到达密封结构中，并且可能会产生危险的流体混合物，则这种结构是尤其有利的。

适宜的是，导入的分离流体可在第二主密封装置和两个顺序设置的第三和第四附加轴密封装置之间借助第二排出机构来排出。

适宜的是，在第二主密封装置和第四附加轴密封装置之间设置第二排出机构，第一排出机构和第二排出机构尤其可通到共同的排出机构中。

此排出机构可以输到共同的燃烧吹焰器。

附图说明

下面借助实施例并参照附图详细地描述了本发明。除了在实施例中提出的本发明构造以外，专业人员还可从此描述中得出额外的实施方案。其中：

图1 在示意图中示出了常规的结构；

图2 在示例性的视图中示出了径向的双重密封装置；

图3至6 在示意性的视图中分别示出了按本发明的系统的实施例。

具体实施方式

在密封模块SM下的箭头分别示出了在额定工作状态下出现的流动方向。

图2在示意图中示出了径向的双重密封装置RDS，它将轴S和外壳C之间的间隙G密封起来。在轴S通过外壳C的通孔PT的范围内，轴S设置有环绕的台阶SC，它承载着径向双重密封装置RDS的旋转部件。此径向的双重密封装置基本由两个径向顺序设置的气体密封装置DGS1、DGS2构成，它们分别具有旋转的密封面RSS和静止的密封面SSS，它们相应地产生了两个密封面对SSP。在两个密封面对SSP之间，密封流体SF输入到位于该处的、在周向上延伸的腔室SFC中，由于两个密封面对SSP各自的旋转的密封面RSS和静止的密封面SSS之间的超压，此密封流体SF会溢出。两个密封面对SSP的旋转的密封面RSS和静止的密封面SSS借助共同的载体RSUP、SSUP固定地连接在一起。静止的载体SSUP借助弹性元件EEL朝旋转的载体RSUP预紧。

图3示出了此系统的按本发明的构造方案，此系统由轴S、外壳C以及包含多个密封模块SM的轴密封装置SS构成。从外壳C的内部开始，属于密封模块的是：第一附加轴密封装置LS1，其构成为第一迷宫式密封装置；主密封装置MS1，其构成为按图2的径向双重密封装置；第二主密封装置MS2，其构成为简单的干燥气体密封装置；以及两个附加轴密封装置LS4、LS5的结构，它们顺序设置为迷宫式密封装置。

在运转状态中，环境压力（PAF）与密封压力（PPF）的区别在于压差（ΔPtot），此压差（ΔPtot）被划分成部分地施加到单个的密封模块（SM）上，分别当作部分压差（ΔPi）。第一主密封装置（MS1）是这样构成的，即最大的部分压差（ΔPi）在此第一主密封装置（MS1）上施加或者消除。

在外壳C的内部存在着工艺流体PF的密封压力PPF。密封冲刷流体SPF输入到第一附加轴密封装置LS1和第一主密封装置MS1之间，此密封冲刷流体是清洁的工艺流体PF，其具有相对密封压力而言5至20 mbar的超压。所述输入防止整个密封结构被载有污物的工艺流体PF污染。如果工艺流体应该足够干净，则可省略附加轴密封装置LS1、LS2。密封流体SF输入到第一主密封装置MS1中，此密封流体SF的形式是具有超压的清洁的工艺流体PF，因此通过径向双重密封装置的两个密封面对SSP既向内也向外形成排流。第一排出机构EX1位于在第一主密封装置MS1和第二主密封装置MS2之间，此第一排出机构EX1把从第一主密封装置MS1朝外流动的工艺流体PF排出来。与第二主密封装置MS2和朝外的接着的密封装置之间的中间腔相比，第一主密封装置MS1和第二主密封装置MS2之间的中间腔具有超压，此超压通过第二主密封装置MS2（其构成为简单的气体密封装置）继续下降。第二排出机构EX2位于在第二主密封装置MS2和朝外的接着的密封装置之间，此第二排出机构EX2把流体混合物排出来，此流体混合物由工艺流体PF以及源自朝外的接着的密封装置组合中的流体构成。在外壳的外部，周围环境AM处于环境压力PAM之下。分离流体SPPF在此结构的外侧端部上的两个附加轴密封装置LS4和LS5之间输入，此分离流体SPPF在两个方向上溢出并应该阻止可能的污染物从外面在入口处进入到此系统中。此分离流体SPPF要么指周围环境的清洁介质，要么指惰性流体，例如氮气。

在图4中，图3的结构在两个主密封装置MS1、MS2之间增加了第三附加轴密封装置LS3，其构造成迷宫密封装置。第一排出机构EX1位于这个附加的第三轴密封装置LS3的里面。

中间密封流体ISF（例如氮气）在额外的第三附加轴密封装置LS3和第二主密封装置MS2之间输入。因此，实现没有第一主密封装置MS1的密封流体SF达到第二主密封装置MS2并且作为泄漏在排出机构EX2中排出。

图5示出了本发明的构造方案，其中第二主密封装置MS2也构成为径向的双重密封装置RDS。

图6示出了图5的结构，其在两个主密封装置MS1、MS2之间增加了第三附加轴密封装置LS3。图6所示的在密封结构的轴向延展上的压力走向示出了，所用的密封流体SF的压力P高于其它的压力，并相应地在运转状态中总是确保安全的密封效果。尤其不需要升压密封流体SFP。

Claims

1.一种轴密封装置（SS），用来密封穿过外壳（C）的轴（S）与外壳（C）之间的间隙（G），其中在外壳（C）内部（IN）具有处于密封压力（PPF）下的工艺流体（PF），在外壳（C）外部具有处于环境压力（PAF）下的环境流体（AF），其中此轴密封装置（SS）包括多于一个的密封模块（SM）、至少一个流体输入机构（FF）和一个流体排出机构（FS），其中在运转状态中，环境压力（PAF）与密封压力（PPF）的区别在于压差（ΔPtot），此压差（ΔPtot）被划分成部分地施加到单个的密封模块（SM）上，分别当作部分压差（ΔPi），其中密封模块（SM）包括至少一个主密封装置，此主密封装置是这样构成的，即最大的部分压差（ΔPi）施加到此主密封装置上，其中在密封模块（SM）之间设置有至少一个流体排出机构（FS1），借助该流体排出机构排出第一排出流体（FLEX1），其中，至少第一主密封装置（MS1）构成为径向的双重密封装置（RDS），它通过两个气体密封装置（DGS）来确定，其分别具有旋转的密封面（RSS）和静止的密封面（SSS），这种密封面对（SSP）分别在一个密封平面（SEP）上对置，其中两个密封平面具有基本朝向轴（S）的径向延展，其中两个密封面对（SSP）中的第一密封面对（SSP）比第二密封面对（SSP）位于更大的半径上，并且其中这两个密封面对（SSP）的静止的密封面（SSS）和旋转的密封面（RSS）分别固定在一个共同的载体（RSUP、SSUP）上，即静止的载体（SSUP）和旋转的载体（RSUP）上，并且通过使至少静止的载体（SSUP）或者旋转的载体（RSUP）借助弹性元件（EEL）预紧，使密封面对（SSP）的密封面（RSS、SSS）弹性地相对张紧，其中在两个密封面对（SSP）之间设置有在周向上延伸的密封流体腔（SFC），此密封流体腔（SFC）可借助密封流体输入机构（SFS）加载密封流体（SF），

其特征在于，

其中在第二主密封装置（MS2）的外部还顺序设置了两个附加轴密封装置，即内侧的附加轴密封装置和外侧的附加轴密封装置，

其中在内侧的附加轴密封装置和外侧的附加轴密封装置之间输入分离流体（SPPF），其中所述分离流体（SPPF）在两个方向上溢出并应该阻止可能的污染物从外面进入。

2.按权利要求1所述的轴密封装置（SS），其中静止的载体（SSUP）借助弹性元件（EEL）预紧。

3.按权利要求1或2所述的轴密封装置（SS），其中所述第一密封面对和第二密封面对与轴的轴向延展同轴布置。

4.按权利要求1或2所述的轴密封装置（SS），其中主密封装置用工艺流体（PF）作为密封流体（SF）进行加载。

5.按上述权利要求4所述的轴密封装置（SS），密封模块（SM）包含至少一个所述第一主密封装置（MS1）和一个所述第二主密封装置（MS2），在所述第一主密封装置（MS1）和所述第二主密封装置（MS2）之间设置有所述至少一个流体排出机构（FS1）。

6.按权利要求1或2所述的轴密封装置（SS），其中第二主密封装置（MS2）构成为简单的干燥气体密封装置。

7.按权利要求1或2所述的轴密封装置（SS），其中第二主密封装置（MS2）构成径向的双重密封装置（RDS），它用中间密封流体（ISF）作为密封流体（SF）进行加载。

8.按权利要求1所述的轴密封装置（SS），其中在所述第一主密封装置（MS1）和所述第二主密封装置（MS2）之间设置有第三附加轴密封装置（LS3）。

9.按权利要求8所述的轴密封装置（SS），其中第一流体排出机构（EX1）设置在第三附加轴密封装置（LS3）的朝内的侧面上。

10.按权利要求8或9所述的轴密封装置（SS），其中在第二主密封装置（MS2）和第三附加轴密封装置（LS3）之间输入中间密封流体（ISF）。

11.按权利要求1或2所述的轴密封装置（SS），其中在第一主密封装置（MS1）的内部设置第二附加轴密封装置。

12.按权利要求11所述的轴密封装置（SS），其中在第一主密封装置（MS1）和第二附加轴密封装置之间输入冲刷流体（SPF）。

13.一种具有按上述权利要求之至少一项所述的轴密封装置（SS）的系统。