CN104520618B - 轴密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有沿着轴线(X)延伸的轴(SH)和定子(ST)的轴密封装置(SSM)，其中在轴(SH)上设置有旋转的密封环(RSR)并且在定子(ST)上设置有静态的密封环(SSR)，其中旋转的密封环(RSR)具有旋转的密封面(RSS)并且静止的密封环(SSR)具有静止的密封面(SSS)，其中密封面(2SS)设置成使得其在基本上径向的密封平面(SPL)中密封地相对置，其中轴密封装置(SSM)构成为无接触的气体密封装置，其中密封面(2SS)中的至少一个具有非旋转对称的表面轮廓部(SC)。本发明具有下述目的：实现一种气体密封件的轴密封装置，所述轴密封装置需要关于密封气体的相对少量的处理耗费。为此提出，表面轮廓部(SC)在密封面(2SS)中包括凹部(DP)，其中凹部(DP)分别具有相对于其余的密封面(O2SS)的限界线(LL)，并且凹部(DP)的借助于限界线(LL)限定的底面(FS)具有连续径向的伸展，其中凹部(DP)在限界线(LL)上以深度0邻接其余的密封面(O2SS)。

Description

轴密封装置
技术领域
本发明涉及一种具有沿着轴线延伸的轴和定子的轴密封装置，其中在轴上设置有旋转的密封环并且在定子上设置有静态的密封环，其中旋转的密封环具有旋转的密封面并且静态的密封环具有静止的密封面，其中密封面设置成使得其在基本上径向的平面中密封地相对置，其中轴密封装置构成为无接触的气体密封装置，其中密封面中的至少一个具有非旋转对称的表面轮廓部。
背景技术
气体密封件对于构成为涡轮机的流体机械、尤其压缩机而言在压强较高的情况下由于相对小的泄漏是优选的密封形式。例如与常规的迷宫式密封件相比，干燥气体密封件的小一个数量级的泄漏实现相应的涡轮机的明显的效率上升。
相对于相对简单构成的迷宫式密封件，现代的干燥气体密封件在运行条件方面是相对高要求的。当根据高的处理质量而对这两个密封环之间的由干燥气体构成的滑动膜连续地用气体供应时，干燥气体密封件的可靠运行才是可行的。用于供应密封环之间的气体膜的气体必须一方面是充分干燥的并且另一方面也相对没有杂质。例如工艺气体压缩机的需要用于气体处理的辅助系统能够在其空间需求和投资成本方面完全地处于原本的压缩机的数量级中。
从DE 690 19 296 T2、DE 692 04 703 T2、DE 693 03 749 T2、US 5,222,743 A1和US 6,152,452 A1中分别已知轴密封装置，所述轴密封装置由于其功能依赖于密封气体的高的处理品质。
从关于DE 10 2012 214 276.2的检索中已经已知下述文献：DE 19 64 150 A、DE202 16587 U1、US 2003/0209859 A1、US 6 341 782 B1、DE 17 75 596 A、DE2618682 A1、DE 38 39 106 A1、DE 29 28 504 A1、EP 1 275 864 A1，其同样涉及轴密封件。将气体密封件作为主题的这种轴密封件依赖于密封气体的高的处理品质并且通常与旋转方向关联。
发明内容
本发明基于下述目的：实现气体密封件的轴密封装置，所述轴密封装置需要关于密封气体的相对小的处理耗费。
对于根据本发明的解决方案提出：前面所述类型的轴密封装置附加地具有特征：表面轮廓部在所述密封面中包括凹部，其中所述凹部分别具有相对于其余的密封面的限界线，并且所述凹部的借助于所述限界线限定的底面具有连续的伸展，其中所述凹部在所述限界线上以深度0邻接所述其余的密封面。
根据本发明的轴密封装置表示下述设备：其包括也适合于转子的较高的旋转速度的轴密封件。属于此的例如是用于高速涡轮压缩机的干燥气体密封件。对于该使用目的不适合的例如是填料箱。干燥气体密封件由于这两个彼此对置设置的密封面的无接触性而获得用于高速的旋转速度的特别的适用性。当自特定的极限速度起在这两个相对置的密封面之间构成气体滑动膜时，才通常存在无接触性。权利要求内容确定了：一个密封环设置成静止的并且另一密封环设置用于旋转，而对于根据本发明的轴密封装置而言仅决定性的是：在静止的和旋转的密封环之间进行相对旋转。就此不要求绝对的运动状态或静止状态。尤其重要的是，表面轮廓部是这两个相对置的密封面中的至少一个。该表面轮廓部根据本发明通过有针对性地制造而引入密封表面中并且例如不是密封面在制造公差方面的波动性的结果。根据本发明的表面轮廓部此外是非旋转对称的，其中旋转对称的表面轮廓部通过本发明作为附加的特征没有被排除。特别地，本发明的一个有利的改进形式提出：这两个相对置的密封面中的至少一个、优选这两个相对置的密封面具有有针对性的旋转对称的凸形的形状。在此，凸形的形状优选表现为，使得在这两个密封面彼此在中间径向贴靠的情况下，径向的边缘区域的有针对性的裂口为大约1μm至10μm。优选地，裂口为1.5至3μm。
根据本发明的表面轮廓部的优点在于：——与现有技术不同——在表面轮廓部中不能够收集污物，所述污物尤其能够影响轴密封装置的”起动”特性，根据本发明的表面轮廓部能够：在运行中保持没有密封气体的污物，因为所述污物不能简单地堆积在根据本发明的几何轮廓上。表面轮廓部的或密封面的在现有技术中常见的相对尖锐的棱边或者非连续性引起小的涡流或者“死水”流，其有助于颗粒堆积在轮廓部或有助于其变脏。与此相应地，在常规的表面轮廓部几何形状中，必须将特别的耗费投入到处理密封气体中，所述耗费在根据本发明的几何形状的情况下能够显得显著更小，因为新型的轴密封装置由于其自清洁作用相对于污物是更容忍的。
因为密封面中的根据本发明的凹部的底面的连续径向的伸展已经随之带来关于密封面的自清洁作用的明显进步，所以当底面还具有连续切向的伸展时自清洁作用附加地被改进。
就本发明而言，连续的伸展表示：沿给定方向的相应的伸展线或伸展轮廓能够连续地微分。与此相应地，在所需要的连续性的部位处存在离散的——即有限的——导数。换而言之：伸展在相应的范围中相对于给定的伸展方向不具有角或棱边。另一有利的改进形式提出：表面轮廓部的或凹部的限定底面在径向方向上能够两次连续地微分。另一有利的改进形式提出：凹部的底面沿径向方向和切向方向能够两次连续地微分。另一有利的改进形式提出：密封面在径向和/或切向方向上在限界线的区域中能够一次地连续地微分。另一有利的改进形式提出：密封面在限界线的区域中且尤其在限界线上能两次连续微分。
关于可连续微分性的上述特征按其顺序逐级提高地适合于最小化污染趋势。
全部方向说明，包括关于可微分性的说明，涉及由沿着转轴的轴线、与其垂直的径向方向和与这两个方向相切的方向构成的坐标系。另一有利的改进形式提出：凹部在限界线上连续地邻接其余的密封面。该构成方案附加地有利于最小化污染倾向。如果应当代替于此而引起“起动”转速的下降，那么能够适宜的是：凹部在限界线的区域中非连续地邻接其余的密封面。
为了根据本发明的轴密封装置的改进的模块化而适宜的是，凹部本身关于径向平面对称地构成，使得形成与旋转方向无关的密封作用和“起动”转速。
另一有利的改进形式提出：相应的密封面中的限界线形成闭合线。替选地，限界线始于和终止于相应密封面的限界棱边上，由此降低“起动”转速。
在凹部的限界线始于和终止于密封面的限界棱边上的情况下或者在那里具有第一端部和第二端部(基本上不指向限界线)的情况下——即形成敞开的几何形状——适宜的是：限界线(在密封面的俯视图中)具有抛物线形状。出于表面轮廓部的制造的观点适宜的是：凹部具有圆锥剖面的几何形状(即圆形或椭圆或抛物线或三角形)。借助该轮廓一方面能够实现良好的“起动”特性并且另一方面引起良好的污染容忍性。因为密封几何形状的限界棱边基本上是具有相对大半径的圆并且不是直线，所以凹部是圆锥或截圆锥的剖面，仅有如下附带条件：具有大半径的外轮廓或限界棱边能够视作为直线。
根据本发明且尤其适宜的是，凹部的借助于限界线限定的底面具有连续的伸展、尤其是连续的径向伸展。将连续的伸展根据本发明能够理解为：伸展是无突变的。持续的径向伸展表示：凹部的深度与相应的环周位置的半径相关的函数满足对于实值函数的连续性的要求。该要求例如借助epsilon-delta准则来限定。根据本发明且优选的是，所述要求适用于凹部的全部的环周位置，包括限界线，其中限界线位于密封平面中。
在此有意义的且根据本发明的是，凹部在整个限界线(LL)上倾斜地邻接其余的密封面，使得深度为0的凹部沿着整个限界线邻接其余的密封面。
本发明的一个有利的改进形式提出：凹部的底面具有非平坦的部段。由此实现滑动特性的改进。替选地或附加地，出于相同的动机，凹部的底面能够具有平坦的部段。
优选地，密封面在凹部之外仅具有平坦的部段。换而言之，密封面在凹部之外完全是平坦的——在该点的通常的制造公差的范围内。以该方式附加地改进滑动特性。
本发明的另一有利的改进形式提出：在限界线上将凹部的底面以一定斜度邻接其余的密封面，其中该斜度限定为在凹部的底面上直接在限界线上的切向的其余密封面和垂直于限界线的其余密封面之间的角度ALPHA，ALPHA<＝0.03°。
本发明的另一有利的改进形式提出：对于凹部相对于其余的底面的深度T适用的是：3＊(10^-6)m＜T＜5＊(10^-6)m。
本发明的另一有利的改进形式提出：凹部在环周方向上的最大的延伸为10mm-40mm之间。
本发明的另一有利的改进形式提出：至少一个限界线、优选全部的限界线在密封面本身中不形成闭合线。
本发明的另一有利的改进形式提出：在密封面的外径处邻接的非闭合的限界线的情况下，凹部在密封面的外径处在环周方向上的延伸为10mm-40mm之间。
本发明的另一有利的改进形式提出：在凹部的限界线为抛物线形的情况下，底面具有抛物线形的高度水平线或相同深度的线。
本发明的另一有利的改进形式提出：限界线具有直的部段，所述直的部段至少部分地倾斜于径向线或径向伸展。
附图说明
下面根据附图为了示例性地说明而详细阐述本发明。
其示出：
图1示出根据本发明的轴密封装置的立体图，
图2、6分别示出具有凹部的根据本发明的密封面的立体图和示意图，
图3、7、12、13分别示出具有根据本发明的凹部的密封环的俯视图的环周方向上的部段，
图4、9、10、11分别示出穿过根据图3和7的密封环的径向剖面，其中在那里用罗马数字表示的剖面在其数字值中分别对应于附图编号，
图5、8分别从径向外部示出附图3和7的密封环环周区段的视图，其中在罗马数字和附图编号方面设有相同的关联。
具体实施方式
图1示出具有沿着轴线X延伸的轴SH的根据本发明的轴密封装置SSM。
如果不另作说明，方向说明——如轴向、径向、切向或环周方向——在本文中涉及该轴线X。平面、例如轴密封件的密封平面通常在其延伸中借助于面法线来表征或者与其同意地说明至少两个空间方向，所述空间方向适合于限定一平面。因此，例如轴向平面垂直于轴线(例如轴-轴线X)延伸，使得该平面径向地且在环周方向上延伸。
相对于轴SH静止的定子ST包围轴SH。轴密封装置SSM还包括轴套SSL，所述轴套固定地安置在轴SH上。旋转的密封环RSR连同轴套SSL和轴SSH一起旋转。与旋转的密封环RSR相对置地存在静态的密封环SSR，所述静态的密封环抗转动地与定子ST连接。静态的密封环SSR具有静止的密封面SSS，所述密封面在基本上径向的密封平面SPL中与旋转的密封环RSR的旋转的密封面RSS相对置。弹性弹簧ESP将静止的密封面SSS相对于旋转的密封面RSS夹紧。下面，旋转的密封面RSS和静止的密封面SSS当其区别不是问题时也直接称作为密封面2SS。密封面2SS中的至少一个设有通过有针对性制造而引入的非旋转对称的表面轮廓部SC。表面轮廓部SC具有凹部DP，其中凹部DP具有相对于其余的密封面O2SS的限界线LL。限界线LL之内的凹部DP通过底面FS描述，如这在附图2、6中立体地描述。
图2至5主要示出根据本发明的凹部DP的设计方案。如果忽略径向外部的限界棱边在密封环的密封面2SS的一侧上的弯曲并且如果注意到由于大的半径而将所述弯曲视作为直线的话，那么图2的凹部DP尤其在图3的投影中描述三角形。尤其在图3的投影中变得显而易见的是，该三角形通过剖面IV划分成两个相同的半部，使得形成凹部DP相对于径向剖面的对称。这表示：如也在其余的实施例中那样，密封环2SS相对于根据本发明的轴密封装置SSM的旋转方向的无关性或者所实现的密封作用相对于根据本发明的轴密封装置SSM的旋转方向的无关性。凹部DP以深度0借助限界线LL邻接其余的密封面O2SS，因此在延伸方面是连续的。该连续性尤其适用于凹部DP关于径向剖面IV或者根据图4的视图的伸展。凹部DP的底面FS本身在径向剖面IV的区域中也相对于全部其他可行的径向剖面是连续的。该连续性有助于最小化污染物堆积的倾向。
图6至11示出下述布置，凹部DP的在底面FS中的几何形状不仅关于整个径向伸展是连续的而且也关于切向伸展是连续的。此外，该几何形状——就本发明的优选的实施方式而言——根据图10和图8也能够沿径向和切向方向连续地求导。图11示出一个特殊的设计方案，据此凹部DP也在限界线LL的区域中或底面FS到其余的密封面O2SS的过渡部中不仅在行进的伸展中是连续的而且也能够连续地求导。对此，底面FS在剖面中优选径向地包括至少一个拐点WP。这种连续的且求导连续的几何形状能够设置用于最小化整个限界线LL的污染倾向。
限界线LL在上面描述的简化的几何的观察方式中(密封环的限界-的大的半径相对于凹部的其余的尺寸近似是直线)能够构成为三角形或者构成为两个的半直线，所述半直线在凹部DP的径向最内的点处构成为以角度α相会。本发明的另一优选的构成方案提出：限界线LL构成为圆锥剖面或截圆锥剖面的几何形状。限界线LL能够构成为是闭合的圆(图12)或构成为椭圆(图13)或构成为抛物线(图6、图7)或构成为三角形(图3、2)。

Claims (10)

1.一种具有沿着轴线(X)延伸的轴(SH)和定子(ST)的轴密封装置(SSM)，其中在所述轴(SH)上设置有旋转的密封环(RSR)并且在所述定子(ST)上设置有静态的密封环(SSR)，其中所述旋转的密封环(RSR)具有旋转的轴向的密封面(RSS)并且静止的密封环(SSR)具有静止的轴向的密封面(SSS)，其中这些轴向的密封面(2SS)设置成使得其在基本上轴向的密封平面(SPL)中密封地相对置，其中所述轴密封装置(SSM)构成为无接触的气体密封装置，其中所述密封面(2SS)中的至少一个具有非旋转对称的表面轮廓部(SC)，
其特征在于，
所述表面轮廓部(SC)在所述密封面(2SS)中包括凹部(DP)，其中所述凹部(DP)分别具有相对于其余的密封面(O2SS)的限界线(LL)，并且所述凹部(DP)的借助于所述限界线(LL)限定的底面(FS)具有连续的伸展，其中所述凹部(DP)在所述限界线(LL)上以深度0邻接所述其余的密封面(O2SS)，其中连续的伸展表示：沿给定方向的相应的伸展线或伸展轮廓能够连续地微分。
2.根据权利要求1所述的轴密封装置(SSM)，其中连续的切向伸展表征所述底面(FS)。
3.根据权利要求1所述的轴密封装置(SSM)，其中所述凹部(DP)在所述限界线(LL)上连续地邻接所述其余的密封面(O2SS)。
4.根据权利要求1或2所述的轴密封装置(SSM)，其中所述凹部(DP)在所述限界线(LL)上非连续地邻接所述其余的密封面(O2SS)。
5.根据上述权利要求1至3中的任一项所述的轴密封装置(SSM)，其中所述限界线(LL)在所述密封面(2SS)中形成闭合线。
6.根据上述权利要求1至3中的任一项所述的轴密封装置(SSM)，其中所述限界线(LL)始于和终止于所述密封面(2SS)的径向外部的限界棱边上。
7.根据上述权利要求1至3中的任一项所述的轴密封装置(SSM)， 其中所述限界线(LL)始于和终止于所述密封面(2SS)的径向内部的限界棱边上。
8.根据上述权利要求1至3中的任一项所述的轴密封装置(SSM)，其中所述限界线(LL)具有抛物线形状。
9.根据权利要求6所述的轴密封装置(SSM)，其中所述限界线(LL)由两个彼此成角度α设置的直线构成。
10.根据上述权利要求1至3中的任一项所述的轴密封装置(SSM)，其中所述凹部(DP)相对于轴径向平面是对称的。
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