CN107355537A - 设有流体槽的碳浮密封环及其密封装置 - Google Patents

Abstract

设有流体槽的碳浮密封环及其密封装置。该碳浮密封环的基本结构，是在碳密封环中沿圆周等间距设置有开口于其同一侧端面的轴向内凹的引气槽，并在碳密封环内设置有可与各引气槽的内凹端相连通的环状贯通的均气槽。在此基础上，还可在所述引气槽中的两侧壁面处对称地设置有不同形式的沿径向凹入引气槽壁面的压气槽。该结构形式的碳密封环用于传统结构形式的高温、高压水蒸气螺杆膨胀机及压缩机等设备的密封装置后，可大大提高密封的耐压性能，避免了水蒸气的泄漏量及进入轴承箱后对润滑油的污染，满足了设备对泄漏量和安全、可靠性的要求，且结构简单，无附加功率消耗，成本低，寿命长。

Description

设有流体槽的碳浮密封环及其密封装置

技术领域

本发明涉及一种可用于以高温、高压水蒸气为介质的螺杆式膨胀机和压缩机等设备的碳浮环密封装置中的碳浮密封环，以及相应的组合式碳浮环密封装置。

背景技术

高温、高压水蒸气螺杆膨胀机及压缩机，能较传统的高速旋转的汽轮机有更好的避免“液击”现象的发生，提升了设备可靠性，同时发电的等熵效率更高。膨胀机一般利用工厂低压（0.5~1.6 MPa）、中压（1.6~4.0 MPa）饱和或过热水蒸汽推动螺杆膨胀机做功发电，实现能量回收和节能减排；压缩机用于对低品位水蒸气的增压，提高能效。目前，水蒸气压力可高达4.0MPa，温度高达400摄氏度，机组的启停频繁、压力波动范围大是此类设备的主要技术特点。而高温、高压的工作条件则限制了对密封型式的选用。传统的机械密封、常规设计的碳环密封等，均不能满足设备长寿命、低成本、泄漏小、安全可靠的工作要求。传统机械密封由于属于接触式运行，启动扭矩大、消耗功率大、对水蒸气压力波动适应性差、不能满足设备使用需求。常规的碳环密封方式则耐压低、水蒸气泄漏量大且运行后期不稳定、易进入轴承箱污染润滑油，难以满足设备对泄漏量和安全性的要求。

发明内容

鉴于此，本发明首先提供了一种设有流体槽的碳浮密封环，在此基础上的进一步提供了采用该碳浮密封环的密封装置，可以很好地解决上述问题。

本发明设有流体槽的碳浮密封环的基本结构，是在碳密封环中沿圆周等间距设置有开口于其同一侧端面的轴向内凹的引气槽，并在碳密封环内设置有可与各引气槽的内凹端相连通的环状贯通的均气槽。

上述结构的碳浮密封环使用时，碳密封环中所述引气槽开口侧的端面应朝向高温高压的水蒸气上游方向。由于所述的引气槽是只开口于碳密封环一侧的端面上，引气槽内侧为内凹的盲端，且其内侧的内凹端可经碳密封环内环状贯通的均气槽相互连通，因此当高温/高压水蒸汽由各引气槽开口进入并均匀进入均气槽后，均气槽与碳环下游侧的密封面阻止气体向低压区域泄漏，同时在均气槽内可产生一定的流体静压升压作用。由引气槽均匀进入均气槽后，均气槽与碳密封环下游端密封面可阻止气体向低压区域泄漏，同时在均气槽内产生一定的流体静压升压作用，且该均气槽还可以降低摩擦生热，可有效降低碳环与转子初始设计间隙，限制泄漏量。

在此结构基础上，为能获得更好的动压抬升性能，还可进一步在所述各引气槽的中部区域中，沿碳密封环径向方向相对的两侧壁面处，以相对于引气槽轴线的对称方式设置有一组沿径向凹入引气槽壁面的压气槽。所述压气槽的具体结构可以有不同的选择，以适应不同工况或实际需要。例如，所述的压气槽可以为在其内凹延伸方向上具有相同截面形式的孔道，或者可为在引气槽壁面开口部的截面大于其内凹延伸底部截面的具有锥度形式的孔道。在引气槽的中部区域再设有压气槽后，由于该压气槽呈对称分布，不仅提供一定流体静压作用，而且水蒸气在旋转轴旋转时可由引气槽进入压气槽，在压气槽的内凹延伸末端的气体可被压缩压力升高，除可具有设有引气槽和均气槽基本结构的作用外，还可增加额外的流体动压作用。因此，可以将碳密封环内孔与旋转轴间的泄漏间隙设计成零间隙或者更小的间隙，在静态时可控制泄漏；在动态时则在抬升力作用下，也可维持小间隙运转，到达较好的泄漏控制和长寿命要求。

另一方面，在所述均气槽轴向两侧的碳密封环的轴向厚度中，改变均气槽轴向两侧的碳密封环结构的轴向厚度，也会对碳密封环与旋转轴间的水蒸气泄漏间隙大小的调节产生影响。其中可优选采用的，是引气槽开口方向侧的厚度大于引气槽内凹端方向侧厚度的形式。

此外，由于常规的碳密封环可有整体式环状结构和由分瓣型结构组合等不同的形式，本发明上述形式结构的碳密封环均可适用，并优选适用于分瓣型碳密封环。

以上述形式碳浮密封环为基础的组合式的碳浮环密封装置，其基本结构与常规同类密封装置基本一致，即在经连接结构与设备定位连接的密封腔体结构内，沿水蒸气从高温到低温的泄漏方向顺序设置有主密封单元和隔离密封单元，或在其在高温方向侧，还设置有平衡密封单元。其中，当密封腔压力小于1.2MPa时，可只设置主密封单元和隔离密封单元；当密封腔压力大于1.2MPa时，则需在高温方向侧配置平衡密封单元。其中，所述的主密封单元中，在其下游部位设有气体排放通道；所述的隔离密封单元，用于阻挡低温侧的轴承润滑油不进入水蒸气系统，同时使由主密封单元泄漏的水蒸气或水也不会进一步向下游泄漏而进入轴承箱，污染润滑油。因此。在其下游部位设有气体注入通道，用于注入适当压力的氮气或压缩空气（如0.02~0.1MPa）吹扫而形成阻塞；所述的平衡密封单元中，在其下游部位也应设有平衡气排放通道。各密封单元中，可分别设置有由弹性结构提供的轴向弹力浮动支承在碳环座内的碳密封环组成的密封结构。其中，碳密封环与旋转轴间的配合间隙为水蒸气的泄漏通道。为此，碳密封环经与碳环座连接的防转销支承在碳环座内，同时还经其外圆的拉簧对旋转轴作向心状箍紧。其中，所述各密封结构中的碳密封环可采用本发明上述结构形式的整体型碳密封环和/或分瓣型碳密封环。

在上述采用了平衡密封单元的密封装置中，所述的平衡密封单元可以采用与主密封单元和隔离密封单元共同设置在密封腔体结构中的整体型结构，也可以采用平衡密封单元与包括有主密封单元和隔离密封单元的密封腔体结构经连接结构相互连接的分体组装型的结构。

为提高密封效果，根据需要，所述的密封单元，特别是所述的主密封单元还可以采用由至少设置有两组所述密封结构的组合结构形式。例如，可采用由仅设有引气槽和均气槽形式的基本结构碳密封环的密封结构，与同时还设有不同压气槽形式碳密封环的密封结构相互组合的方式。在所述组合式的结构中，仅设有引气槽和均气槽形式的基本结构形式碳密封环的密封结构应设置于采用还带有压气槽形式碳密封环的密封结构的高温方向侧。这种将不同形式密封结构的阶梯状布置组合，由旋转轴旋转时还能产生一定的流体动压作用，因而可以适应更小的运行间隙和温差对间隙的影响，适用范围更宽。

可以理解，采用本发明上述结构碳浮密封环的密封装置，可降低温差变化对碳浮环与旋转轴之间间隙变化的影响，有效的降低水蒸气的泄漏量，降低了磨损，延长了寿命，并且可以根据对泄漏量的不同要求，灵活采用由单一或不同结构碳密封环的密封结构组合使用的方式，以满足适应不同工况的需要。

以下结合由附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1是本发明设有流体槽的碳浮密封环的一种基本结构的示意图。

图2是图1结构的K向结构示意图。

图3是本发明设有流体槽的碳浮密封环一种改进结构的示意图。

图4是图3结构的K向结构示意图。

图5是本发明设有流体槽的碳浮密封环另一种改进结构的示意图。

图6是图5结构的K向结构示意图。

图7是一种本发明组合式的碳浮环密封装置的结构示意图。

具体实施方式

图1和图2所示的，是本发明设有流体槽的碳浮密封环的一种基本结构，是在碳密封环1中沿圆周等间距设置有开口于其同一侧端面的轴向内凹的引气槽2，并在碳密封环1内设置有可与各引气槽2的内凹端相连通的沿径向圆周贯通的环状均气槽3。此结构可简称为具有T型槽结构的碳密封环。

图3和图4所示的，是图1和图2所示的基本结构基础上的一种改进结构的碳密封环，是在图1和图2中的引气槽2的中部区域，沿碳密封环1径向方向相对的两侧壁面处，以相对于引气槽2轴线对称的方式设置有一组沿径向凹入引气槽2壁面的压气槽4。该压气槽4为在其内凹延伸方向上具有相同截面形式的孔道。此结构可简称为具有“土形”槽结构的碳密封环。

图5和图6所示的，是在图3和图4所示结构基础上的进一步改进，不同处在于，其中所述的压气槽4，是在引气槽2壁面开口部的截面大于其内凹延伸底部截面的具有锥度形式的孔道。此结构可简称为具有“树形”槽结构的碳密封环。

图7是本发明的一种组合式的碳浮环密封装置。在可经螺栓等连接结构12与设备定位连接的密封腔体结构7内，沿水蒸气从高温到低温的泄漏方向顺序设置有平衡密封单元Ⅰ、主密封单元Ⅱ和隔离密封单元Ⅲ。图中所示的，是平衡密封单元Ⅰ与主密封单元Ⅱ和隔离密封单元Ⅲ共同设置在密封腔体结构7中的整体型结构，此外，平衡密封单元Ⅰ也可以采用经螺栓等连接结构与包括有主密封单元Ⅱ和隔离密封单元Ⅲ的密封腔体结构7相互连接的分体组装式结构。

平衡密封单元Ⅰ，是用于降低高温/高压水蒸气压力的前置密封。图示的平衡密封单元Ⅰ中设置有两组分别由整体式碳密封环1构成的密封结构。其中的碳密封环1与碳环座9间经防转销6止转，并由弹簧等弹性结构14提供的轴向弹力浮动支承在碳环座9内。在该两组密封结构的下游部位还设有平衡气排放通道8。平衡密封单元Ⅰ中的密封结构一般可设置2~4组即可。在压力作用下，各密封结构中的碳密封环1可与其碳环座9的端面贴合实现密封。碳密封环1的内孔面与旋转轴13之间的配合间隙为主要泄漏通道，通过控制碳密封环1与旋转轴13之间的间隙和平衡气排放通道8的面积大小，可获得较好的降压效果。高温/高压水蒸气经各密封结构后泄漏至平衡气排放通道8，可返回至工艺系统的低压区域或者机组的低压端入口。

主密封单元Ⅱ，是密封装置中的起主要密封作用的部分。图中所示的主密封单元Ⅱ中设置有两组密封结构，其下游部位设有气体排放通道10。密封结构的设置数量可由该气体排放通道10与平衡密封单元Ⅰ的平衡气排放通道8的压差确定，一般为2~5组即可。主密封单元Ⅱ中的各组密封结构均可由分瓣型的碳密封环1与各自的碳环座9组成，各碳密封环1由外圆部的拉簧15向旋转轴13作向心状箍紧。各碳密封环同样分别经与碳环座9连接的防转销6和弹簧等弹性结构14提供的轴向弹力浮动支承在碳环座9内，不仅实现了碳密封环与各自的碳环座端面贴合实现密封，还具有一定的抗振能力，提高可靠性。主密封单元Ⅱ中的各密封结构，可为分别采用如图1所示的具有T型槽结构碳密封环的密封结构，及采用如图3或图5所示的具有“土形”和/或“树形”槽结构碳密封环的密封结构相组合的方式，以获得更好的泄漏控制和延长寿命的要求。在相互组合时，采用T型槽结构碳密封环的密封结构应位于采用“土形”和/或“树形”槽结构碳密封环的密封结构的高温上游方向侧。

隔离密封单元Ⅲ，其作用是阻挡轴承润滑油不进入水蒸气系统，同时也使由主密封单元泄漏的水蒸气或水不会进入轴承箱，污染润滑油。图示的隔离密封单元Ⅲ中，由以背靠背方式布置的两组密封结构形成阻塞系统，并在前级密封结构的下游部位设有气体注入通道11，通过由该通道注入0.02~0.1MPa的氮气或压缩空气而形成阻塞。各密封结构中的碳密封环1可以采用如图1所示的具有T型槽结构碳密封环。

采用上述设置方式的组合式的碳浮环密封装置，可以使水蒸气的泄漏量降低约30%。

Claims (10)

1.设有流体槽的碳浮密封环，其特征是在碳密封环（1）中沿圆周等间距设置有开口于其同一侧端面的轴向内凹的引气槽（2），并在碳密封环（1）内设置有可与各引气槽（2）的内凹端相连通的环状贯通的均气槽（3）。

2.如权利要求1所述的碳浮密封环，其特征是在所述引气槽（2）的中部区域中，沿碳密封环（1）径向方向相对的两侧壁面处，以相对于引气槽（2）轴线的对称方式设置有一组沿径向凹入引气槽（2）壁面的压气槽（4）。

3.如权利要求2所述的碳浮密封环，其特征是所述的压气槽（4）为在其内凹延伸方向上具有相同截面形式的孔道。

4.如权利要求2所述的碳浮密封环，其特征是所述的压气槽（4）为在引气槽（2）壁面开口部的截面大于其内凹延伸底部截面的具有锥度形式的孔道。

5.如权利要求1所述的碳浮密封环，其特征是所述均气槽（3）轴向两侧的碳密封环（1）的轴向厚度中，引气槽（2）开口方向侧的厚度大于引气槽（2）内凹端方向侧的厚度。

6.如权利要求至1至5之一所述的碳浮密封环，其特征是所述的碳密封环（1）为分瓣型碳环。

7.组合式的碳浮环密封装置，在经连接结构（12）与设备定位连接的密封腔体结构（7）内，沿水蒸气从高温到低温的泄漏方向顺序设置有主密封单元（Ⅱ）和隔离密封单元（Ⅲ），其中的主密封单元（Ⅱ）在其下游部位设有气体排放通道（10）；隔离密封单元（Ⅲ）在其下游部位设有气体注入通道（11）；各密封单元中分别设置有由弹性结构（14）提供的轴向弹力浮动支承在碳环座（9）内的碳密封环（1）组成的密封结构，碳密封环（1）与旋转轴（13）间的配合间隙为水蒸气的主泄漏通道，碳密封环（1）经与碳环座（9）连接的防转销（6）支承在碳环座（9）内，并经其外圆的拉簧（15）对旋转轴（13）作向心状箍紧，其特征是所述各密封结构中的碳密封环（1）为权利要求1至6之一所述结构的碳密封环。

8.如权利要求7所述的组合式的碳浮环密封装置，其特征是在设置有主密封单元和隔离密封单元的密封腔体结构（7）的上游高温方向侧，还设置有具有碳密封环（1）的密封结构的平衡密封单元（Ⅰ），在其下游部位并设有平衡气排放通道（8）。

9.如权利要求8所述的组合式的碳浮环密封装置，其特征是所述的平衡密封单元（Ⅰ）为与主密封单元（Ⅱ）和隔离密封单元（Ⅲ）共设于密封腔体结构（7）中的整体型结构，或是平衡密封单元（Ⅰ）与包括有主密封单元（Ⅱ）和隔离密封单元（Ⅲ）的密封腔体结构（7）为经连接结构连接的分体组装型结构。

10.如权利要求7至9之一所述的组合式的碳浮环密封装置，其特征是至少所述的主密封单元（Ⅱ）为由至少设置有两组所述密封结构的组合式结构，所述的组合式结构为采用权利要求1所述结构的碳密封环与采用权利要求3或采用权利要求4所述结构碳密封环的密封结构的组合方式，其中采用权利要求1所述结构碳密封环的密封结构，应设置于采用权利要求3或采用权利要求4所述结构碳密封环的密封结构的高温方向侧。