CN103459904A

CN103459904A - 轴密封装置

Info

Publication number: CN103459904A
Application number: CN2012800174303A
Authority: CN
Inventors: 杰西努斯·马特曼
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: EP2665953B1; US20140027985A1; RU2589417C2; RU2013149798A; DE102011007073A1; CN103459904B; EP2665953A1; WO2012136497A1

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机械（CO）的轴密封件（SHS）的轴密封装置（DGSM），其中轴密封装置（DGSM）在一个轴向端部上具有高压侧（HPS）并且在另外的轴向端部上具有低压侧（LPS），所述轴密封件（DGSM）包括：-在运行中旋转的转子部件（RS），-固定的定子部件（CS），-至少一个干燥气体密封件（DGS），-其中在轴密封装置（DGSM）的高压侧（HPS）的端部上以与干燥气体密封件（DGS）串联设置的方式设有用于密封中间空间（IR）的另外的附加轴密封件，所述附加轴密封件包括固定的轴密封部件和旋转的轴密封部件，-其中在周向方向和轴向方向上延伸的中间的轴密封面在第五直径（DSS5）上与旋转轴线（AX）同轴地设置在固定的轴密封部件和旋转的轴密封部件之间，-其中在固定的密封元件（SSE）和定子部件（CS）之间在第四直径（DSS4）上设置第四静止密封件（SS4）以用于相对于第一压差进行密封。提出了，由于第四直径（DSS4）与第五直径（DSS5）的差值小于第五直径的10%，在干燥气体密封件上存在缺陷的情况下，推力变化不引起损伤。

Description

轴密封装置

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮机械的轴密封件的轴密封装置，所述轴密封装置在轴向方向上沿着旋转轴线延伸，

-其中轴密封装置在一个轴向端部上具有高压侧并且在另一个轴向端部上具有低压侧，所述轴密封装置包括：

-在运行中旋转的转子部件，

-固定的定子部件，

-至少一个干燥气体密封件，所述干燥气体密封件具有安置在转子部件上的旋转的密封元件和安置在定子部件上的固定的密封元件，以用于将转子部件和定子部件之间的中间空间相对于第一压差进行密封，

-其中固定的密封元件和旋转的密封元件相互对置地设置在径向地并且在周向方向上延伸的密封面上，

-其中在轴密封装置的高压侧的端部上以与干燥气体密封件串联设置的方式设有用于密封中间空间的另外的附加轴密封件，所述附加轴密封件包括固定的轴密封件部件和旋转的轴密封件部件，

-其中在周向方向和轴向方向上延伸的中间的轴密封面在第五直径上与旋转轴线同轴地设置在固定的轴密封件部件和旋转的轴密封件部件之间，

-其中在固定的密封元件和定子部件之间设置有在第四直径上的第四静止密封件以用于相对于第一压差进行密封。

背景技术

干燥气体密封件越来越广泛地用作涡轮机械中、例如涡轮压缩机中的轴密封件。在本发明的范围中的干燥气体密封件是下述轴密封件，所述轴密封件具有围绕轴在周向方向上（关于旋转轴线）延伸的至少两个密封元件，所述密封元件分别包括至少一个指向相对置的密封元件的密封面，借助于所述密封面，干燥气体密封件对静止的部件、例如壳体和旋转的部件之间的中间空间进行密封。密封元件借助其环形的密封面通常在在周向方向上且径向地延伸的密封平面中相对置。密封元件中的一个随旋转的部件旋转并且另一个密封元件相对于壳体静止。相互朝向的密封面中的至少一个密封面具有表面的凸部和/或凹部，所述凸部和/或凹部与密封气体共同作用以确保在密封面上在两个密封元件之间形成气体膜的形成，使得干燥气体密封件在预设的旋转期间以无接触的方式在旋转的密封元件和静止的密封元件之间工作。干燥气体密封件需要基本上不具有液态组分的密封气体，以便以无损伤或无接触的方式进行密封。凹部或凸部能够具有不同的形状并且优选地仅设在一个密封面上，优选地设在旋转的密封元件的密封面上。凹部例如能够构成为U形的或“圣诞树”形的或T形的或螺旋形式，由此引起在两个密封面之间构成密封气体的稳定的密封膜。

重要的优点通过例如在压缩机上以如下方式使用干燥气体密封件而得出：泄漏相对较小以及不需要润滑油，如例如在借助液体工作的密封件中那样。通常，干燥气体密封件在高压侧上加载有密封气体，其中所述密封气体的少量泄漏经过干燥气体密封件从高压侧到达较低压的一侧，即低压侧，在此通常将所述泄漏导出到所谓的通风管道或燃烧管道中（Flare-Leitung）。为了减少对这些经过特殊处理的密封气体的消耗，干燥气体密封件通常由另外的轴密封件包围。尤其在高压侧上通常存在迷宫式密封件，所述迷宫式密封件在高压侧上减少密封气体流出至背离干燥气体密封件的一侧。在干燥气体密封件的高压侧上通常存在工艺气体，所述工艺气体在涡轮压缩机的情况下处于较高的运行压力下。密封气体必须相对于所述工艺气体具有超压，以便保持可能受到污染的工艺气体远离易脏的干燥气体密封件。

发明内容

基于所描述的现有技术，本发明的目的在于，干燥气体密封件上的损伤对转子上的推力产生尽可能小的影响，干燥气体密封件对所述转子的轴进行密封。

具有在开始限定类型的、具有权利要求1的特征部分的附加特征的轴密封装置的本发明提供了针对所述目的的解决方案。从属权利要求包含了本发明的有利的改进形式。

在本发明的术语范围中，旋转轴线是轴密封装置的中心轴线，所述中心轴线称作旋转轴线，这是因为轴密封装置的干燥气体密封件为下述轴密封件，所述轴密封件当然围绕在运行中旋转的轴。所有的没有进一步阐明的涉及这种类型的转动的术语范围的说明——例如轴向、径向、周向方向、直径——涉及作为转动运动的中心的旋转轴线。

此外，术语区分了两个根本上不同的密封类型，即将两个相对于彼此运动的组件相互密封的轴密封件和将两个相对于彼此静止的组件相互密封的静止密封件。

关于根据本发明的轴密封件，使用术语高压侧和低压侧，这换言之意味着，轴密封件相对于压差阻止或减小流体从较高压力的一侧溢流到较低压力的一侧上并且与此相应地保持所述压差。

本发明阐述在根据本发明的轴密封装置上存在高于200bar的压差的情况下的特别的优点。尤其适当的是，在周向方向和轴向方向上延伸的、在固定的迷宫式密封件部件和旋转的迷宫式密封件部件之间的、在第五直径上的、与旋转轴线同轴的密封面基本上与第四直径相同，这是因为当干燥气体密封件具有缺陷时，所述几何尺寸要求的较大偏差能够引起轴向轴承上的高的力，其中在所述第四直径上，在干燥气体密封件的固定的密封元件和定子部件之间存在第四静止密封件。优选地，第四直径和第五直径之间的差小于第五直径的10%。

以根据本发明的方式，在根据本发明的轴密封装置的干燥气体密封件具有缺陷的情况下，作用到涡轮机械的轴上的推力仅发生相对较小的变化，这是因为在干燥气体密封件自身上压力减小时，通过干燥气体密封件上的压差而产生不同压力在转子上所施加处的直径没有不同，相对于在所连接的迷宫式密封件上的压差减小的情况中。

尤其在具有在正常运行状态中减小大于200bar的压差的干燥气体密封件的压缩机中，如果没有满足在直径方面预先限定的准则，那么在干燥气体密封件具有缺陷并且由此出现轴推力的变化时，轴向轴承通常不能够经受推力变化。

为了轴密封装置的干燥气体密封件的密封元件不受到不必要地高的负荷，其确保对于在密封面之间构成产生无接触性的润滑膜而言必要的几何形状，有意义的是，在转子部件和旋转的密封元件之间在第三直径上设置有第三静止密封件，并且第三直径与第四直径的差别不大于第四直径的10%。

根据本发明的结构对下述轴密封装置是尤其有利的，在所述轴密封装置中，干燥气体密封件的固定的密封元件相对于定子部件借助于在第四直径上的第四静止密封件密封，并且在周向方向和轴向方向上延伸的中间的迷宫式密封面在第五直径上与旋转轴线同轴地设置在固定的迷宫式密封件部件和旋转的迷宫式密封件部件之间，其中第五直径小于或等于第四直径。

另一个目的是降低具有在开始描述的类型的轴密封装置的涡轮机械的复杂性，其中能够简化这种涡轮机械的安装并且降低轴密封装置的空间要求。

已经在开始提及的定子部件可理解为固定的组件，所述固定的组件优选为轴密封装置的至少干燥气体密封件的组件的承载件。

定子部件优选地构成为用于轴密封装置的定子套筒，使得所述定子部件能够插入到定子的凹部中，所述定子优选地构成为涡轮机械的壳体。在此，也能够为与壳体连接的组件，使得设有定子部件与涡轮机械的壳体的间接的连接。在任何情况下，定子部件在构成为定子套筒的情况下适合于，将轴密封装置的结构元件组合成单元，使得轴密封装置为自身可移动的模块，所述模块在安装范围中能够作为整体安置在转子的轴上。优选地，根据本发明的轴密封装置首先被施加在轴上并且随后与轴共同地例如导入到筒型壳体（barrel-type-casing）中或者置入到下半部的壳体中并且固定在壳体中。

特别的优点通过轴密封装置构成为具有定子套筒和转子套筒而得出，所述定子套筒和转子套筒这两者分别是迷宫式密封件的承载件，这是由于涡轮机械的部件数量的减少所造成的复杂性的降低，因为邻接于轴密封装置的干燥气体密封件的迷宫式密封件由此为轴密封装置的组件。简化的优点尤其在安装范围中是显著的，这是因为仅必须将单独的模块安置在轴上并且极大地简化或部分地消除了转子相对于轴密封装置和通常与其分开设置的迷宫式密封件插件的复杂的校准工作。在现有技术中，必须部分地进行尤其是转子、干燥气体密封件、迷宫式密封件或壳体这些组件有时困难的且耗费时间的校准。由于在优选的轴密封装置中将迷宫式密封件与干燥气体密封件组合，此外还可能的是，减小涡轮机械的轴密封件的结构空间，尤其是因为迷宫式密封件不再要求专门地固定在壳体上，而是所述迷宫式密封件与轴密封装置一起直接固定在壳体上。所述结构空间节约尤其导致更小的轴向的空间需求，这种减少能够实现转子的轴所必需的长度的减小，由此得出重要的转子动力学的优点，尤其是振幅减小并且可能的谐振频率由于加固而有利地增大。在涡轮机械的运行参数在其他方面相同的情况下，这能够实现轴直径的减小，从而使得能够在假设径向间隙要求相同的情况下通过轴密封件来密封更小的面，使得仅出现更小的可能泄漏量并且提高了涡轮机械的效率。

有意义的是，迷宫式密封件在高压侧设置成轴向最靠外的轴密封件，从而确保污染不能够从高压侧在不受到阻碍的情况下到达轴密封装置的干燥气体密封件。有意义的是，轴密封装置在定子部件上设有第二静止密封件，使得定子部件能够密封地插在定子的凹部中。此外，适当的是，转子部件设有静止密封件，使得转子部件能够密封地安置到转子的轴上。有利地，转子的轴设有肩部，在所述肩部上，转子部件能够由接触面轴向贴靠。例如，在轴和转子部件之间的或在定子凹部和定子部件之间的静止密封件为具有V形横截面的密封件（聚四氟乙烯杯形密封件（PTEE Cup seals）），所述横截面在压差下扩大，使得有助于密封效应。

本发明不仅涉及一种轴密封装置，而且涉及一种涡轮机械，所述涡轮机械包括根据本发明的轴密封装置、至少一个壳体和具有轴的转子。

适当地，本发明的有利的改进形式具有在轴密封装置的迷宫式密封件和干燥气体密封件之间的密封气体到轴向的中间空间中的导入管路，使得迷宫式密封件减少了经过处理且纯净的密封气体朝向高压侧的方向的逸出并且使得干燥气体密封件被纯净的密封气体加载。适当地，对此，密封气体相对于在迷宫式密封件的对侧上的工艺气体在高压侧上处于超压，使得没有工艺气体的部分能够到达干燥气体密封件。在干燥气体密封件的低压侧上，适当地，设有密封件导出管路，所述密封件导出管路将必要时作为与存在于低压侧的其他气体的混合物的纯净的密封气体导入密封气体处理装置或废气燃烧烟道（Abfackelung）。

将固定的迷宫式密封件部件和旋转的迷宫式密封件部件有利地构成为定子部件的或转子部件的一部分理解成，也包括这两个结构元件始终至少部分地一件式的构成。迷宫式密封件的旋转的部件和静止的部件能够具有尖部，其中能够为真正的迷宫或透明的迷宫。将根据本发明将迷宫式密封件部件固定地安装到同样也构成为套筒的定子部件和转子部件上能够理解成可拆开的固定，这尤其能够替选地设为用于至少部分地一件式的构成。

附图说明

在下文中，根据实施例参考附图详细地阐明本发明，其中本领域技术人员从权利要求的尤其任意的组合中得出本发明的实施方案的不同于实施例的可能性。附图示出：

图1至3分别示出贯穿根据本发明的轴密封装置的纵剖面图。

具体实施方式

在下面的描述中，相同的结构元件或具有相同功能的结构元件设有相同的附图标记。例如为轴向的、径向的、周向方向、直径和半径的表达与旋转轴线AX相关，所述旋转轴线是根据本发明的轴密封装置DGSM的中心轴线。在图1和2中示出的轴密封装置DGSM包括定子部件CS和转子部件RS以及干燥气体密封件DGS和迷宫式密封件LS。轴密封装置DGSM的转子部件RS借助于在直径DSS2上的第二静止密封件STS2密封地安置在转子R的轴SH上。轴SH同样是涡轮机械CO的没有示出的至少一个叶轮的承载件，所述涡轮机械以不详细示出的方式构成为离心压缩机。

定子部件CS借助于在第一直径DSS1上的第一静止密封件STS1密封地插入到定子凹部CR中。第一静止密封件STS1和第二静止密封件STS2具有V形轮廓，所述V形轮廓在各自的在周向方向上延伸的密封槽中设置成，使得在从高压侧HPS对静止密封件施压时，V形轮廓扩展。轴密封装置DGSM具有轴向的高压侧HPS和轴向的低压侧LPS，其中高压侧HPS经受相对于低压侧LPS处于超压的工艺气体PG。定子部件CS附加地借助O形环密封件STS11相对于定子凹部CR密封。轴密封装置DGSM在图1、2、3中是没有完全示出的轴密封件SHS的组件。

定子部件CS和转子部件RS之间的中间空间IR一方面借助于干燥气体密封件DGS密封，并且另一方面以与其串联设置的方式借助迷宫式密封件LS密封。干燥气体密封件DGS在此有助于主要减小高压侧HPS和低压侧LPS之间的压差。在干燥气体密封件DGS和迷宫式密封件LS之间设有极其纯净的密封气体SG的密封气体导入管路SGS。迷宫式密封件LS的功能在此是减少密封气体SG朝向高压侧的方向逸出或者逸出到可能被污染且侵蚀性的工艺气体PG中。因此，干燥气体密封件DGS在高压侧上仅被加载有干净且干燥的密封气体SG，所述密封气体相对于工艺气体PG具有超压。在干燥气体密封件DGS的低压侧LPS上，设有干燥气体密封件DGS的仅少量的泄漏的密封气体导出管路SGE，所述密封气体导出管路优选地通到没有示出的出口或废气燃烧烟道中。

干燥气体密封件DGS具有旋转的密封元件RSE和固定的密封元件SSE，所述旋转的密封元件和固定的密封元件借助相应的密封表面在共同的干燥气体密封件密封面DGSSS上相互对置。旋转的密封元件RSE相对于转子部件RS借助于第三静止密封件SS3相对于压差密封，所述第三静止密封件在第三直径DSS3上在周向方向上延伸。定子部件CS具有弹性元件EE，所述弹性元件借助于引导装置GD和活塞PT将固定的密封元件SSE相对旋转的密封元件RSE预张紧。固定的密封元件SSE相对于活塞PT借助于在第四直径DSS4上的第四静止密封件SS4相对于压差密封。在本发明的术语范围中，弹性元件EE和活塞PT以及引导装置GD属于定子部件CS。

迷宫式密封件LS具有固定的迷宫式密封件部件SLSM和旋转的迷宫式密封件部件RLSM，所述固定的迷宫式密封件部件和旋转的迷宫式密封件部件在沿轴向并且在周向方向上延伸的中间的迷宫式密封面LSS上相互对置，其中中间的迷宫式密封面LSS在周向方向上在第五直径DSS5上延伸。中间的迷宫式密封面可理解成下述面，所述面轴向地并且在周向方向上沿着恒定的第五直径DSS5延伸，其中第五直径是迷宫式密封件LS的开口的高压侧的外直径、高压侧的内直径、低压侧的外直径、低压侧的内直径的圆面积加权平均的结果。

旋转的密封元件RSE与固定的密封元件SSE在干燥气体密封面DGSSS上借助旋转的密封面DGSRS相对置，所述旋转的密封面设有凸部和凹部，所述凸部和凹部优选为楔形的和/或螺旋形的。固定的密封元件SSE指向固定的密封面DGSTS，所述固定的密封面朝向干燥气体密封件密封面DGSSS，相对置的旋转的密封面DGSRS的构成适合于通过构成密封气体SG的相应的润滑膜来确保干燥气体密封件DGS的无接触的运行。

根据本发明，在所有三个实施例中，尤其适合于在压差大于200bar的情况下的高压应用。迷宫式密封面LSS位于与转子部件RS和旋转的密封元件RSE之间的第四静止密封件SS4基本上一致的第五直径DSS5上，或者第五直径DSS5和第四直径DSS4之间的差小于第五直径DSS5的10%。

此外，为了使作用到干燥气体密封件DGS的密封元件上的机械负荷最小化，第三直径DSS3和第四直径DSS4之间的差小于第三直径DSS3的10%或者替选地小于第四直径DSS4的10%。在此，第五直径DSS5、第四直径DSS4和第三直径DSS3的分别的近似是重要的，其中第五直径DSS5与第四直径DSS4优先近似。

图1示出轴密封装置DGSM的二件式的构成，其中干燥气体密封件DGS作为包括定子部件CS和转子部件RS的安装单元安置在轴SH上。基本上与此无关地，旋转的迷宫式密封件元件RLSM构成为轴肩，所述轴肩连接到安置有转子部件RS的轴部段上。迷宫式密封件的静止部件SLSM与定子凹部CR上的肩部固定地连接并且据此仅间接地与定子部件CS连接。

图2示出尤其适当地作为改进解决方案的根据本发明的轴密封装置DGSM的构造。必要时初始没有设置有根据本发明的直径配置的迷宫式密封件LS与如同在图1中固定在定子凹部CR的肩部上的固定的迷宫式密封件部件SLSM是类似的。轴密封件的旋转的部件RLSM构成为增大轴的直径的套筒SL，所述套筒的尺寸尤其设计成，使得在干燥气体密封件DGS和迷宫式密封件LS上存在根据本发明的直径参数。这种配置不仅作为改进解决方案是有益的，而且在下述范围中是有利的：干燥气体密封件DGS的相对于围绕的轴SH在两侧都更大的密封直径、尤其是第四直径DSS4不必强制性地在结构上导致轴SH的大的轴肩，大的轴肩又必需大的叶轮直径以便能够接合转子R。替代地，作为迷宫式密封件LS的旋转的密封元件RLSM，设有在迷宫式密封件LS的区域中增大轴SH的直径的套筒SL。借助于所述套筒SL的增大能够灵活地匹配于涡轮机械的其他的结构数据。

附加地，可能的是，如同在图1至3中示出的那样，导流轮廓部IMP具有靠近轴的凹部RC，在所述凹部中设置有轴密封装置DGSM的轴向部段。以所述方式，轴SH针对转子动力学的优点而缩短，使得要考虑的振动变得更小并且径向间隙的尺寸能够设计成更小的以有助于提高效率。

附加地，当迷宫式密封件LS的旋转的部件RLSM和静止的部件SLSM分别是转子部件RS的或定子部件CS的固定组件或者固定地安置在其上时，借助在图3中示出的构造能够节约轴向的结构空间。

附加地，所述单模块式的结构方式避免了安装和安装期间的校准耗费，因为所述这种类型的一件式的轴密封装置DGSM已经能够在准备阶段中相互校准。

Claims

1.一种用于涡轮机械（CO）的轴密封件（SHS）的轴密封装置（DGSM），所述轴密封装置（DGSM）在轴向方向上沿着旋转轴线（AX）延伸，

-其中所述轴密封装置（DGSM）在一个轴向端部上具有高压侧（HPS）并且在另一个轴向端部上具有低压侧（LPS），所述轴密封装置（DGSM）包括：

-在运行中旋转的转子部件（RS），

-固定的定子部件（CS），

-至少一个干燥气体密封件（DGS），所述干燥气体密封件（DGS）具有安置在所述转子部件（RS）上的旋转的密封元件（RSE）和安置在所述定子部件（CS）上的固定的密封元件（SSE），以用于将在所述转子部件（RS）和所述定子部件（CS）之间的中间空间（IR）相对于第一压差进行密封，

-其中所述固定的密封元件（SSE）和所述旋转的密封元件（RSE）在径向地并且在周向方向上延伸的密封面上相互对置地设置，

-其中在所述轴密封装置（DGSM）的所述高压侧（HPS）的端部上以与所述干燥气体密封件（DGS）串联设置的方式设有用于密封所述中间空间（IR）的另外的附加轴密封件，所述附加轴密封件包括固定的轴密封件部件和旋转的轴密封件部件，

-其中在周向方向和轴向方向上延伸的中间的轴密封面在第五直径（DSS5）上与所述旋转轴线（AX）同轴地设置在所述固定的轴密封件部件和所述旋转的轴密封件部件之间，

-其中在所述固定的密封元件（SSE）和所述定子部件（CS）之间在第四直径（DSS4）上设置有第四静止密封件（SS4）以用于相对于所述第一压差进行密封，

其特征在于：

所述第四直径（DSS4）与所述第五直径（DSS5）的差值小于所述第五直径的10%。

2.根据权利要求1所述的轴密封装置（DGSM），其中另外的所述附加轴密封件是迷宫式密封件（LS），

其中所述固定的轴密封件部件是固定的迷宫式密封件部件（SLSM），

其中所述旋转的轴密封件部件是旋转的迷宫式密封件部件（RLSM），

其中所述中间的轴密封面是中间的迷宫式密封面（LSS）。

3.根据权利要求1或2所述的轴密封装置（DGSM），其中所述固定的迷宫式密封件部件（SLSM）是所述定子部件（CS）的一部分或者固定地安置在所述定子部件（CS）上，并且其中所述旋转的迷宫式密封件部件（RLSM）是所述转子部件（RS）的一部分或固定地安置在所述转子部件（RS）上。

4.根据权利要求1、2或3所述的轴密封装置（DGSM），其中所述定子部件（CS）构成为具有第一静止密封件（STS1），使得其能够密封地插入到所述定子凹部（CR）中，并且/或者所述转子部件（RS）构成为具有第二静止密封件（STS2），使得所述转子部件能够密封地安置在所述轴（SH）上。

5.根据权利要求1至4之一所述的轴密封装置（DGSM），其中所述迷宫式密封件（SLS）是所述轴密封装置（DGSM）的在所述高压侧（HPS）上的轴向最靠外的密封件。

6.根据权利要求1至5之一所述的轴密封装置（DGSM），其中所述中间空间（IR）轴向地在所述迷宫式密封件（LS）和所述干燥气体密封件（DGS）之间具有密封气体导入管路（SGS）以用于在所述迷宫式密封件（LS）和所述干燥气体密封件（DGS）之间导入密封气体（SG），其中所述轴密封装置（DGSM）在所述干燥气体密封件（DGS）的朝向所述低压侧（LPS）的一侧上具有密封气体导出管路（SGE）以用于导出已经经过所述干燥气体密封件（DGS）的密封气体（SG）。

7.根据权利要求1至6之一所述的轴密封装置（DGSM），其中所述转子部件（RS）构成为转子套筒，使得所述转子部件（RS）能够安置在沿着所述旋转轴线（AX）延伸的转子（R）的轴（SH）上。

8.根据权利要求1至7之一所述的轴密封装置（DGSM），其中所述定子部件（CS）构成为定子套筒，使得所述定子部件（CS）能够插入到定子凹部（CR）中。