CN102762872B - 具有轴向偏移的可磨耗密封件 - Google Patents

Abstract

一种用于离心压缩机的密封系统(200)，包括：定子(220)，其具有密封壳体(230)；密封件(223)，其设置在密封壳体(230)中且具有沿内周边的可磨耗部分(225)；转子(210)，其具有多个转子齿(215)，该多个转子齿(215)被构造成在密封件(223)的内周边内旋转且被构造成在可磨耗部分(225)内形成摩擦凹槽(227)；以及第一弹簧(240)，其设置在定子(220)和密封件(210)之间且被构造成有利于密封件(223)相对于密封壳体(230)的轴向移动。

Description

具有轴向偏移的可磨耗密封件

技术领域

示例性实施例大体上涉及压缩机密封件，并且更具体而言，涉及用于减少泄漏的具有轴向偏移的可磨耗密封件的提供。

背景技术

压缩机是一种通过使用机械能增加诸如气体的可压缩流体的压力的机器。压缩机被用于多种不同的应用和大量的工业过程中，包括发电、天然气液化和其它过程。在用于这样的过程和过程设备中的各种压缩机中，存在着所谓的离心压缩机，其中，机械能例如通过旋转离心叶轮而以离心加速的方式作用于输入到压缩机的气体。

离心压缩机可配有单个叶轮，即单级构型，或者配有串联的多个叶轮，在这种情况下它们常常被称为多级压缩机。离心压缩机的每一级通常包括用于待压缩气体的入口管道、能够为输入气体提供动能的叶轮以及将离开叶轮的气体的动能转化为压力能的扩散器。

图1中示出了多级压缩机100。压缩机100包括在壳体110内，在壳体110内安装有轴120和多个叶轮130。轴120和叶轮130包括在通过轴承190和195支撑的转子组件中。

多级压缩机运转而从入口管道160吸入输入的过程气体，以便通过转子组件的运转增加过程气体压力，并且随后将过程气体在高于其输入压力的输出压力下通过出口管道170排出。过程气体可以例如是二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气或它们的组合中的任一种。

在叶轮130和轴承190及195之间设有密封件或密封系统180、185和188，以防止过程气体流通至轴承。密封件188为叶轮入口密封件。

叶轮130中的每一个增加过程气体的压力。叶轮130中的每一个可视为多级压缩机100的一级。因此，额外的级导致输出压力与输入压力的比值增加。

转子组件包括称为定子的固定部分和称为转子的旋转部分。压缩机的总体工作效率不利地受到由于转子的轴向压力差而在定子和转子之间产生的工作流体或气体的泄漏流的影响。

在离心压缩机中，可磨耗密封件可用于经由间隙减小而减少(工作流体的)泄漏流以提高级效率，而没有损坏转子部分的风险。

图2中示出使用可磨耗密封件的密封系统。密封系统200包括转子210(即，旋转部分)和定子220(即，固定部分)。转子210围绕压缩机的纵向轴线旋转。转子210包括多个转子齿215。转子齿215可以是径向的。定子220包括用于容纳定子密封件223的腔体或壳体230。

定子密封件包括可磨耗部分或涂层225。在一些布置中，定子密封件223可以是内周边上具有可磨耗涂层的插入环。在其它布置中，(整个)插入环也可由可磨耗材料制成。

定子密封件周向地封闭转子；转子可以沿定子密封件的内周边在内部旋转。定子密封件位于多级压缩机的每一级的任一侧上。

转子210的旋转导致安装到转子的径向齿215沿着安装到定子的可磨耗密封件223的内周边形成摩擦凹槽227，并且可以造成对密封性能的弊端(即，泄漏流的增加)。

为了减少泄漏流，如图2所示的壳体230内的定子密封件可以通过弹簧促动机构240从壳体230的顶部235径向偏移。插入环通常分隔成两个或四个等尺寸部段。弹簧促动机构允许定子密封件朝着或远离转子210径向移动。插入环的两个或四个等尺寸部段有利于径向移动。

带有弹簧促动机构的定子密封件223也可被称为顺从(compliant)密封件、弹簧支承密封件或弹簧赋能可磨耗密封件。当与非顺从密封件(即，不具有弹簧促动机构且因此无径向偏移的密封件)相比时，顺从密封件提供了更小的径向间隙和泄漏流的减少。

将希望设计和提供一种用于进一步减少泄漏流弊端的改进的密封机构。

发明内容

根据这些示例性实施例的系统和方法提供了改进的密封特性，以通过引入用于有利于对密封件的轴向定位控制的弹簧机构而减少在定子密封件和转子组件的转子之间的泄漏流。

根据一示例性实施例，公开了用于离心压缩机的密封系统。该密封系统包括：定子，其具有密封壳体；密封件，其设置在密封壳体中且具有沿内周边的可磨耗部分；转子，其具有多个转子齿，该多个转子齿被构造成在密封件的内周边内旋转且被构造成在可磨耗部分内形成摩擦凹槽；以及第一弹簧，其设置在定子和密封件之间且被构造成有利于密封件相对于密封壳体的轴向移动。

根据另一实施例，公开了一种用于减少容纳在定子密封壳体内的密封件和离心压缩机的转子之间的泄漏流的方法，其中转子在密封件的内周边内旋转。该方法包括：通过弹簧载荷朝密封壳体的高压侧偏压密封件，以在密封件和密封壳体之间形成轴向间隙；起动压缩机；在密封件的可磨耗部分中切割径向摩擦凹槽；增加压缩机的速度；以及朝密封壳体的低压侧移动密封件。

根据又一实施例，离心压缩机包括：定子，其具有密封壳体；密封件，其设置在密封壳体中且具有沿内周边的可磨耗部分；转子，其具有多个转子齿，该多个转子齿被构造成在密封件的内周边内旋转且被构造成在可磨耗部分内形成摩擦凹槽；第一弹簧，其设置在定子和密封件之间且被构造成有利于密封件的轴向移动；以及第二密封件，其位于壳体的较低压力侧和密封件之间。

附图说明

附图示出了示例性实施例，其中：

图1示出多级压缩机；

图2示出利用可磨耗密封件的转子/定子密封组件的侧视图；

图3示出利用处于初始状态的根据示例性实施例的可磨耗密封件的转子/定子密封组件的侧视图；

图4示出利用处于运转状态的根据示例性实施例的可磨耗密封件的转子组件的侧视图；以及

图5示出根据示例性实施例的方法。

具体实施方式

示例性实施例的下列详细描述参考了附图。不同图中的相同标号表示相同或类似的元件。另外，下列详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。

在示例性实施例中，通过采用压力促动机构来实现转子齿相对于摩擦凹槽的主动轴向定位控制，可以减少在转子组件中的转子齿和定子摩擦凹槽之间的泄漏流。

对摩擦凹槽影响的计算流体动力学(CFD)分析表明，齿/凹槽轴向定位在泄漏性能中起重要作用。在凹槽最初形成之后，转子齿的轴向偏移可以减少性能弊端。

示例性实施例可利用压力促动机构来实现转子齿相对于摩擦凹槽的主动轴向定位控制，如图3的密封系统300中所示。密封系统300可包括转子310和定子320。转子310可包括可为径向的多个转子齿315。定子320可包括位于密封壳体330内的定子密封件323。

如上所述，定子密封件可包括可磨耗部分或涂层325。在一些布置中，定子密封件323可包括在内周边上具有可磨耗涂层的插入环(两个或更多个部分)。插入环可由钢制成。内周边上的可磨耗涂层可以是多孔金属材料，例如多孔铝、钴或镍基热喷涂涂层；其可以备选地为塑料基的(例如，特氟隆、聚酯)。

在其它布置中，(整个)插入环也可由可磨耗材料制成。可磨耗材料可以是例如Fluorosint-500、云母增强特氟隆。

定子密封件323可置于壳体330内且通过弹簧促动机构340从壳体的顶部335径向偏移。转子齿315可以在可磨耗定子部分325中形成摩擦凹槽327。在示例性实施例中，通过使用轴向取向弹簧350，可以在定子密封件320和密封壳体330之间形成或设计轴向间隙360。

在组装的同时，定子密封件323可由轴向取向弹簧350推送(或设定)至壳体330的(较)高压力侧(P+)。弹簧350可置于密封件323和壳体330的(较)低压力侧(P-)之间。此时，弹簧350可以处于其(初始)或略微压缩状态。轴向取向弹簧350可以朝较高压力侧偏压定子密封件323。

在使用期间，在起动时(即，当压力较低时)，转子齿315可以在临界振动期间切入可磨耗部分325中并形成摩擦凹槽327。在起动速度下，压差(P+和P-之间)相对较低，使得可以将密封件的位置保持在较高压力侧。转子齿315可以在这些速度和定子密封件位置下骑跨在摩擦凹槽327的中间。

在设计速度下，压差(P+和P-之间)增加。如图4所示，由于高压(或P+)侧而跨过密封件323增加的压力比可迫使密封件323朝低压(或P-)侧轴向移动。当压力增加时，弹簧350可开始收缩(即，不在其初始状态)。

这种轴向移动(从较高压力侧P+向较低压力侧P-)在转子齿315和摩擦凹槽327之间形成更小或更紧密的间隙。如图所示，转子齿315未骑跨在摩擦凹槽327的中间。

相对于在图3的转子齿和摩擦凹槽中间之间的间距，在图4的转子齿(的顶端)和可磨耗部分面向转子齿的部分之间的间距更小。因此可以减少泄漏量。泄漏可通过弹簧刚性和运转压力比来控制。

在一些实施例中，也可以在密封件323和密封壳体330之间包括第二级密封件，以提供进一步的泄漏减少，如图3和图4所示。参见图4，第二级密封件370可以在设计速度下阻挡密封件323和密封壳体330之间的泄漏。因此，第二级密封件370进一步减少了泄漏。

虽然如示例性实施例中所述的轴向偏移可以是除径向偏移之外的，但在一些实施例中轴向偏移可单独实现(即，没有径向偏移)。在任一种布置(即，有或没有径向偏移)中，轴向偏移减小了径向间隙并减小了泄漏弊端。

根据示例性实施例的方法500可以参照图5描述。在组装期间，在510，通过利用轴向取向弹簧(处于其初始或略微压缩状态)朝壳体的高压侧移动密封件，可以在密封件和离心压缩机的密封壳体之间形成轴向间隙。在520，可以起动压缩机。在530，转子齿可以在定子密封件中切割摩擦凹槽。

在540，可以增加压缩机速度(和因此压力)。在550，当压缩机朝设计速度工作时，密封件弹簧可变成被增加的压力压缩，并且密封件朝低压侧移动。转子齿和可磨耗部分之间的间隙可减小，并且第二级密封件可提供如上所述的额外泄漏保护。

CFD分析证明，在示例性实施例中由压力促动机构实现的可磨耗密封件的轴向摩擦凹槽定位增加了密封性能。

示例性实施例致力于可磨耗密封件设计的轴向定位控制。虽然此前的努力集中在最小化转子齿和可磨耗密封件之间的径向间隙上，但本文所述实施例引入了压力促动轴向定位机构，其导致独立于压缩机临界振动或热瞬变的密封间隙最小化。

如本文所述的示例性实施例提供了多项优点。根据示例性实施例的密封系统减少了由摩擦凹槽对非顺从可磨耗密封件造成的泄漏。该系统也优化了用于离心压缩机的叶轮入口的顺从(弹簧赋能)可磨耗密封件的性能。

通过提供如示例性实施例中所述的主动轴向定位机构，可以提高离心压缩机级效率，以实现最小的密封间隙。

在一些实施例中，可以在定子密封件中设置多个轴向定位机构。该多个轴向定位机构可沿例如密封件均匀地分布(或间隔开)。

根据示例性实施例的轴向定位机构不限于在新压缩机中实施。可以用轴向定位机构改装带有密封环的现有压缩机。此外，虽然已关于离心压缩机描述了示例性实施例的主动定位机构，但其通常可以同样适用于涡轮机械。

上述示例性实施例意图在所有方面说明本发明，而不是限制本发明。因此，本发明能够具有可由本领域的技术人员从本文包含的描述中推出的详细实施方式的许多变型。所有这种变型和修改被认为在由所附权利要求限定的本发明的范围和精神内。在本申请的描述中所使用的元件、动作或指令不应解释为对于本发明是关键或必不可少的，除非明确如此描述。另外，如本文所用，用词“一”意图包括一个或更多物件。

Claims (14)

1.一种用于离心压缩机的密封系统，包括：

      定子，所述定子具有密封壳体；

      密封件，所述密封件设置在所述密封壳体中且具有沿内周边的可磨耗部分；

      转子，所述转子具有多个转子齿，所述多个转子齿被构造成在所述密封件的所述内周边内旋转且被构造成在所述可磨耗部分内形成摩擦凹槽；

      第一弹簧，所述第一弹簧设置在所述定子和所述密封件之间且被构造成有利于所述密封件的轴向移动；以及

      第二级密封件，所述第二级密封件位于所述密封壳体的较低压力侧和所述密封件之间。

2.根据权利要求1所述的密封系统，其特征在于，所述转子齿被定向在径向方向上。

3.根据权利要求1所述的密封系统，其特征在于，在所述压缩机起动时，所述第一弹簧朝所述密封壳体的高压侧轴向地偏压所述密封件。

4.根据权利要求3所述的密封系统，其特征在于，在所述压缩机起动时，所述第一弹簧处于伸展状态。

5.根据权利要求3所述的密封系统，其特征在于，在所述压缩机的设计速度下，所述密封壳体的高压侧和低压侧之间的增加的压差迫使所述密封件朝所述密封壳体的低压侧轴向移动。

6.根据权利要求5所述的密封系统，其特征在于，所述第一弹簧在所述压缩机的设计速度下处于压缩状态。

7.根据权利要求1所述的密封系统，其特征在于，还包括：

      第二弹簧，所述第二弹簧在所述密封件和所述密封壳体之间且被构造成提供所述密封件的径向移动。

8.根据权利要求7所述的密封系统，其特征在于，所述第二弹簧在所述压缩机的运转期间处于伸展位置。

9.根据权利要求8所述的密封系统，其特征在于，所述第二弹簧被构造成减小所述密封件和所述转子之间的径向距离。

10.根据权利要求1所述的密封系统，其特征在于，所述密封件为插入环。

11.根据权利要求10所述的密封系统，其特征在于，所述插入环由钢制成，并且所述可磨耗部分由多孔金属材料制成。

12.根据权利要求1所述的密封系统，其特征在于，所述密封件为由可磨耗材料制成的插入环。

13.一种用于减少容纳在定子密封壳体内的密封件和离心压缩机的转子之间的泄漏流的方法，其中，所述转子在所述密封件的内周边内旋转，所述方法包括：

      通过弹簧载荷朝所述密封壳体的高压侧偏压所述密封件，以在所述密封件和所述密封壳体之间形成轴向间隙；

      起动所述压缩机；

      在所述密封件的可磨耗部分中切割径向摩擦凹槽；

      增加所述压缩机的速度；以及

      朝所述密封壳体的低压侧移动所述密封件。

14.一种离心压缩机，包括：

      定子，所述定子具有密封壳体；

      密封件，所述密封件设置在所述密封壳体中且具有沿内周边的可磨耗部分；

      转子，所述转子具有多个转子齿，所述多个转子齿被构造成在所述密封件的内周边内旋转且被构造成在所述可磨耗部分内形成摩擦凹槽；

      第一弹簧，所述第一弹簧设置在所述定子和所述密封件之间且被构造成有利于所述密封件的轴向移动；以及

      第二级密封件，所述第二级密封件位于所述壳体的较低压力侧和所述密封件之间。