CN107690542A - 具有迷宫式密封的流体机器 - Google Patents

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CN107690542A CN201680032489.8A CN201680032489A CN107690542A CN 107690542 A CN107690542 A CN 107690542A CN 201680032489 A CN201680032489 A CN 201680032489A CN 107690542 A CN107690542 A CN 107690542A
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帕特里斯·博纳富瓦
伊夫·罗松
尼古拉·努伊里加
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Abstract

提供了一种流体机器，该流体机器包括静止构件(6)、旋转构件(5)、和迷宫式密封(9)，该迷宫式密封包括形成在该静止构件(6)上的一连串的静止台阶(11)、以及形成在该旋转构件(5)上的一连串的旋转台阶(14)。该迷宫式密封(9)还包括多个静止凹陷(18)和多个旋转凹陷(21)，该多个静止凹陷各自形成在相应的静止台阶(11)的径向壁部分(12)中，该多个旋转凹陷各自形成在相应的旋转台阶(14)的径向壁部分(16)中。每个静止台阶(11)限定由形成在所述静止台阶(11)上的静止凹陷(18)界定的静止凸起(19)，并且每个旋转台阶(14)限定由形成在所述旋转台阶(14)上的旋转凹陷(21)界定的旋转凸起(22)。这些静止凹陷(18)和这些旋转凹陷(21)中的每一者的轴向宽度(Wr)基本上等于这些静止凸起(19)和这些旋转凸起(22)中的每一者的轴向宽度(Wp)。

Description

具有迷宫式密封的流体机器
技术领域
本发明涉及一种流体机器，例如离心压缩机，其包括迷宫式密封，该迷宫式密封被限定在该流体机器的旋转构件与静止构件之间、并且被配置成用于使在该流体机器的壳体内形成的高压区段与低压区段之间的流体流动最小化。
背景技术
US5244216披露了一种流体机器，该流体机器包括：
-壳体，
-旋转轴，该旋转轴位于该壳体内，
-静止构件，该静止构件连接至该壳体，
-旋转构件，该旋转构件连接至该旋转轴，以及
-迷宫式密封，该迷宫式密封被配置成用于最小化或控制跨迷宫式密封的流体流动，该迷宫式密封包括：
-形成在该静止构件上的一连串的静止台阶，每个静止台阶包括基本上平行于该旋转轴的纵向轴线延伸的径向壁部分、以及基本上垂直于该旋转轴的纵向轴线延伸的轴向壁部分，
-形成在该旋转构件上的一连串的旋转台阶，每个旋转台阶包括基本上平行于该旋转轴的纵向轴线延伸的径向壁部分、以及基本上垂直于该旋转轴的纵向轴线延伸的轴向壁部分，
-多个静止凹陷，每个静止凹陷形成在相应的静止台阶的径向壁部分中，每个静止台阶限定静止凸起，该静止凸起由形成在所述静止台阶上的静止凹陷以及所述静止台阶的轴向壁部分界定，以及
-多个旋转凹陷，每个旋转凹陷形成在相应的旋转台阶的径向壁部分中、并且邻近位于所述相应的旋转台阶上游的相邻旋转台阶的轴向壁部分，每个旋转台阶限定旋转凸起，该旋转凸起由形成在所述旋转台阶上的旋转凹陷以及所述旋转台阶的轴向壁部分界定。
迷宫式密封的这种构型包括“障碍”和对泄漏流动的限制、并且因此减小了穿过迷宫式密封的流体泄漏。
然而，这样的迷宫式密封具有形状复杂的流动通道和空腔，这减少了在给出的轴向密封长度上可获得的静止台阶和旋转台阶的数量并且制造复杂。进一步地，这样的迷宫式密封需要在旋转构件与静止构件之间进行非常精确的安装和轴向定向。此外，这样的迷宫式密封的构型将太脆弱而不能被转移到小且紧凑的流体机器上。
发明内容
本发明的目的是提供一种流体机器，该流体机器具有的改进的迷宫式密封可以克服常规迷宫式密封遇到的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种牢固、有效、易于制造的迷宫式密封，该迷宫式密封具有的简单设计允许静止构件和旋转构件的轴向尺寸有大的公差并且在静止构件与旋转构件之间有大的相对轴向位移。这在非常小且紧凑的流体机器中是尤其重要的，其中迷宫式密封的总轴向长度是几毫米并且因此每个台阶的轴向长度是几百微米。
根据本发明，这样的流体机器包括：
-壳体，
-旋转轴，该旋转轴位于该壳体内，
-静止构件，该静止构件连接至该壳体，
-旋转构件，该旋转构件连接至该旋转轴，
-迷宫式密封，该迷宫式密封被配置成用于最小化或控制跨迷宫式密封的流体流动，该迷宫式密封包括：
-形成在该静止构件上的一连串的静止台阶，所述连串的静止台阶中的每个静止台阶包括基本上平行于该旋转轴的纵向轴线延伸的径向壁部分、以及基本上垂直于该旋转轴的纵向轴线延伸的轴向壁部分，
-形成在该旋转构件上的一连串的旋转台阶，所述连串的旋转台阶中的每个旋转台阶包括基本上平行于该旋转轴的纵向轴线延伸的径向壁部分、以及基本上垂直于该旋转轴的纵向轴线延伸的轴向壁部分，
-多个静止凹陷，所述多个静止凹陷中的每个静止凹陷形成在相应的静止台阶的径向壁部分中、并且邻近位于所述相应的静止台阶下游的相邻静止台阶的轴向壁部分，每个静止台阶被配置成用于限定静止凸起，该静止凸起由形成在所述静止台阶上的静止凹陷以及所述静止台阶的轴向壁部分界定，
-多个旋转凹陷，所述多个旋转凹陷中的每个旋转凹陷形成在相应的旋转台阶的径向壁部分中、并且邻近位于所述相应的旋转台阶上游的相邻旋转台阶的轴向壁部分，每个旋转台阶被配置成用于限定旋转凸起，该旋转凸起由形成在所述旋转台阶上的旋转凹陷以及所述旋转台阶的轴向壁部分界定，并且
其中，这些静止凹陷和这些旋转凹陷中的每一者的轴向宽度基本上等于这些静止凸起和这些旋转凸起中的每一者的轴向宽度。
这样的构型、并且尤其是静止凹陷和旋转凹陷以及静止凸起和旋转凸起的这样的大小改进了迷宫式密封的效率和牢固性。进一步地，静止凹陷和旋转凹陷以及静止凸起和旋转凸起的这种构型减小了制造静止构件和旋转构件的制造限制、并且因此降低了流体机器的制造成本。
此外，迷宫式密封的这种构型使得静止构件和旋转构件的组装变得简单、并且降低了旋转构件在流体机器的组装和运行过程中的轴向运动敏感度。
在本专利申请中，用语“下游”和“上游”以及类似的用语被认为是相对于穿过迷宫式密封的流体流动的方向。
该流体机器还可以包括以下特征中的一者或多者(单独或组合)。
根据本发明的实施例，该迷宫式密封被配置成用于最小化或控制在壳体内形成的高压区段与低压区段之间的流体流动。
根据本发明的实施例，这些静止台阶和这些旋转台阶的径向壁部分和轴向壁部分是基本上平面的。
根据本发明的实施例，这些静止台阶和这些旋转台阶的径向壁部分平行于该旋转轴的纵向轴线延伸。根据本发明的另一个实施例，这些静止台阶和这些旋转台阶的径向壁部分相对于该旋转轴的纵向轴线成约-5度到约5度之间的角度延伸。
根据本发明的实施例，这些静止台阶和这些旋转台阶的轴向壁部分垂直于该旋转轴的纵向轴线延伸。根据本发明的另一个实施例，这些静止台阶和这些旋转台阶的轴向壁部分相对于该旋转轴的纵向轴线成约85度到约95度之间的角度延伸。
根据本发明的实施例，这些静止凹陷和这些旋转凹陷中的每一者的轴向宽度等于这些静止凸起和这些旋转凸起中的每一者的轴向宽度。根据本发明的另一个实施例，在这些静止凹陷和这些旋转凹陷中的每一者的轴向宽度与这些静止凸起和这些旋转凸起中的每一者的轴向宽度之间的比率在0.8至1.2之间、或在0.9至1.1之间。
根据本发明的另一个实施例，在这些静止凹陷和这些旋转凹陷的轴向宽度的平均值与这些静止凸起和这些旋转凸起的轴向宽度的平均值之间的比率在0.8至1.2之间、或在0.9至1.1之间。
根据本发明的实施例，这些静止台阶彼此轴向偏离并且沿该静止构件的径向内表面相继地安排，并且这些旋转台阶彼此轴向偏离并且沿该旋转构件的径向外表面相继地安排。
根据本发明的实施例，该静止构件的径向内表面与该旋转构件的径向外表面彼此相对地安排。
根据本发明的实施例，这些静止台阶和这些旋转台阶是环形的。
根据本发明的实施例，这些静止凹陷和这些旋转凹陷是环形的。
根据本发明的实施例，这些静止凸起和这些旋转凸起是环形的。
根据本发明的实施例，该静止构件的径向内表面和该旋转构件的径向外表面是环形的。
根据本发明的实施例，每个静止凸起基本上垂直于该旋转轴的纵向轴线延伸，并且每个旋转凸起基本上垂直于该旋转轴的纵向轴线延伸。
根据本发明的实施例，每个静止凸起至少部分地面对相应的旋转凸起。
根据本发明的实施例，每个静止凸起径向向内地朝向相应的旋转凸起延伸，并且每个旋转凸起径向向外地朝向相应的静止凸起延伸。
根据本发明的实施例，每个静止凸起和相应的旋转凸起界定基本上平行于该旋转轴的纵向轴线延伸的流动通道。
根据本发明的实施例，每个静止凸起包括上游边缘和下游边缘，并且每个旋转凸起包括上游边缘和下游边缘，每个静止凸起的上游边缘从相应的旋转凸起的上游边缘轴向偏离轴向距离。
根据本发明的实施例，每个静止凸起的上游边缘从相应的旋转凸起的上游边缘向上游轴向偏离。
根据本发明的实施例，每个静止凸起的上游边缘和下游边缘是尖锐的，并且每个旋转凸起的上游边缘和下游边缘是尖锐的。
根据本发明的实施例，该轴向距离大于该流体机器的运行过程中在该旋转构件与该静止构件之间允许的最大相对轴向移动。
根据本发明的实施例，每个静止凹陷至少部分地面对相应的旋转凹陷。
根据本发明的实施例，流体机器还包括一连串的空腔，该连串的空腔各自具有流动入口和流动出口，每个空腔由静止凹陷和旋转凹陷部分地界定，每个空腔的流动入口被定位在相应的静止凹陷与上游旋转台阶的轴向壁部分之间的位置处。
根据本发明的实施例，每个空腔的流动入口面向下游的静止台阶的轴向壁部分。
根据本发明的实施例，每个空腔进一步由位于所述空腔下游的相邻静止台阶的轴向壁部分、并且由位于所述空腔上游的相邻旋转台阶的轴向壁部分界定。
根据本发明的实施例，每个空腔是环形的。
根据本发明的实施例，该迷宫式密封被配置成使得下游空腔中的压力小于上游空腔中的压力。
根据本发明的实施例，每个静止凹陷具有修圆或弯曲的凹形底部，并且每个旋转凹陷具有修圆或弯曲的凹形底部。
根据本发明的实施例，该静止构件具有圆盘形状。
根据本发明的实施例，该静止构件是一件式制成的并且相对于该旋转构件沿轴向方向被组装。
根据本发明的实施例，该静止构件是由两个单独的件制成的并且围绕该旋转构件沿径向方向被组装。
根据本发明的实施例，该迷宫式密封包括流动进口，该流动进口位于这些空腔上游并且被配置成用于向这些空腔供应流体流动。
根据本发明的实施例，该流体机器是离心压缩机、涡轮机、或泵。
根据本发明的实施例，该旋转构件与该旋转轴一体形成。
根据本发明的实施例，这些静止台阶和这些旋转台阶具有基本上相同的形状，并且这些静止凹陷和这些旋转凹陷具有基本上相同的形状。这种构型尤其允许使用相同的工具制造迷宫式密封的两侧。
参看作为非限制性实例表示根据本发明的流体机器的实施例的附图，通过阅读以下说明，这些和其他的优点将变得明显。
附图说明
当结合附图阅读时，本发明的一个实施例的以下详细说明将得以更好地理解，然而，要理解的是本发明不受限于所披露的具体实施例。
图1和图2是根据本发明的第一实施例的流体机器的局部截面视图。
图3是图1的流体机器的静止构件的正视图。
图4是图1的细节的放大视图。
图5是图4的细节的放大视图。
图6是根据本发明的第二实施例的流体机器的局部截面视图。
图7是图6的流体机器的静止构件的正视图。
具体实施方式
在以下说明中，在不同的实施例中使用相同的参考号指示相同的元件。
图1至图5披露了流体机器2(例如离心压缩机、涡轮机、或泵)，该流体机器包括壳体3和旋转轴4，该旋转轴可旋转地安装在壳体3内、并且由径向轴承和轴向轴承可旋转地支撑(未在附图中示出)。轴向轴承被配置成允许在流体机器2的运行过程中旋转轴有非常有限的轴向移动。
流体机器2还包括固定至旋转轴4的旋转构件5以及连接至壳体3并围绕旋转构件5的静止构件6。壳体3可以例如包括固定支撑件(未在附图中示出)，静止构件6固定在该固定支撑件上。
如在图3上更好地示出的，静止构件6具有圆盘形状、并且包括内周表面7和外周表面8。根据图1至图5所示的实施例，静止构件6是一件式制成的，并且该静止构件沿轴向方向被组装在旋转构件5的两个部分5a与5b之间。
流体机器2此外包括台阶式的迷宫式密封9，该迷宫式密封被配置成用于最小化或控制在壳体3内形成的高压区段27与低压区段29之间的流体流动。
迷宫式密封9包括一连串的环形的静止台阶11，这些静止台阶彼此轴向偏离并且形成在静止构件6的内周表面7上。每个静止台阶11包括平行于旋转轴4的纵向轴线A延伸的环形径向壁部分12以及垂直于旋转轴4的纵向轴线A延伸的环形轴向壁部分13。静止台阶11的径向壁部分12和轴向壁部分13有利地是基本上平面的。
迷宫式密封9包括一连串的环形的旋转台阶14，这些旋转台阶彼此轴向偏离并且形成在旋转构件5的外周表面15上，该外周表面与静止构件6的内周表面7相反并与其邻近。每个旋转台阶14包括环形的径向壁部分16和环形的轴向壁部分17，该径向壁部分平行于旋转轴4的纵向轴线A延伸，该轴向壁部分垂直于旋转轴4的纵向轴线A延伸。旋转台阶14的径向壁部分16和轴向壁部分17有利地是基本上平面的。
迷宫式密封9还包括形成在静止构件6上的多个环形的静止凹陷18。每个静止凹陷18形成在相应的静止台阶11的径向壁部分12中、并且邻近位于所述相应的静止台阶11下游的相邻静止台阶11的轴向壁部分13。每个静止凹陷18有利地具有修圆或弯曲的凹形底部。
每个静止台阶11因此限定环形的静止齿或凸起19，该静止齿或凸起由形成在所述静止台阶11上的静止凹陷18以及所述静止台阶11的轴向壁部分13界定。每个静止凸起19垂直于旋转轴4的纵向轴线A延伸、并且包括上游边缘和下游边缘。
迷宫式密封9还包括形成在旋转构件5上的多个环形的旋转凹陷21。每个旋转凹陷21形成在相应的旋转台阶14的径向壁部分16中、并且邻近位于所述相应的旋转台阶14上游的相邻旋转台阶14的轴向壁部分17。每个旋转凹陷21有利地具有修圆或弯曲的凹形底部。如在图5更好地示出的，每个旋转凹陷21至少部分地面对相应的静止凹陷18。
每个旋转台阶14因此限定环形的旋转齿或凸起22，该旋转齿或凸起由形成在所述旋转台阶14上的旋转凹陷21以及所述旋转台阶14的轴向壁部分17界定。每个旋转凸起22垂直于旋转轴A的纵向轴线A延伸、并且包括上游边缘和下游边缘。
每个旋转凸起22至少部分地面对相应的静止凸起19。具体地，每个静止凸起19径向向内地朝向相应的旋转凸起22延伸，并且每个旋转凸起22径向向外地朝向相应的静止凸起19延伸。进一步地，每个静止凸起19和相应的旋转凸起22界定平行于旋转轴4的纵向轴线A延伸的环形的流动通道23。
如在图5更好地示出的，每个静止凸起19的上游边缘从相应的旋转凸起22的上游边缘向轴向上游地偏离轴向距离D。有利地，轴向距离D大于流体机器的运行过程中旋转构件5允许的最大轴向移动。
进一步地，如图5所示出的，静止凹陷18和旋转凹陷21中的每一者的轴向宽度Wr基本上等于静止凸起19和旋转凸起22中的每一者的轴向宽度Wp。
流体机器2还包括一连串的环形的空腔24，这些空腔各自具有流动入口25和流动出口26。两个相邻空腔的流动出口26和流动入口25通过相应的流动通道23流体连接。
每个空腔24由静止凹陷18、旋转凹陷21、位于所述空腔24下游的相邻静止台阶11的轴向壁部分13、以及由位于所述空腔24上游的相邻旋转台阶14的轴向壁部分17界定。每个空腔24的流动入口25被定位在相应的静止凹陷18与相应的轴向壁部分17之间的位置处、并且面向相应的轴向壁部分13。
流体机器2还包括高压腔室27，该高压腔室由旋转构件5和静止构件6限定、并且位于空腔24的上游。迷宫式密封9包括流动进口28，该流动进口与高压腔室27流体连接、并且被配置成用于向空腔24供应来自高压腔室27的流体流动。
流体机器2还包括低压腔室29，该低压腔室由旋转构件5和静止构件6限定、并且位于空腔24的下游。迷宫式密封9包括流体地连接至低压腔室29的流动输出31。
在使用中，流体流动经由流动进口28和所述第一空腔24的流动入口25进入邻近高压腔室27的第一空腔24。由于流动入口25面向下游的静止台阶11的轴向壁部分13，流体流动冲击所述轴向壁部分13。这样的冲击产生了在第一空腔24的上部部分内的第一循环流动F1、在第一空腔24的下部部分内的第二循环流动F2、以及沿基本上平行于轴向壁部分13的方向朝向第一空腔24的流动出口26向下行进的泄漏流动F3。由于流动出口26处的方向变化，在静止凸起19和旋转凸起22的偏离边缘处产生了第三循环流动F4。第三循环流动F4减少了在流动出口26处离开空腔24的泄漏流动F3的有效流动面积。在经过了流动通道23之后，泄漏流动F3然后进入第二空腔24，其中同样产生了第一循环流动、第二循环流动和第三循环流动以及泄漏流动，并且其中泄漏流动进入第三空腔24，以此类推。
在相继的空腔24中产生第一循环流动F1、第二循环流动F2、第三循环流动F3、和泄漏流动F4很大程度上减少了穿过迷宫式密封9的流体泄漏、并且允许获得穿过迷宫式密封9的低泄漏率。
图6和图7披露了根据本发明的第二实施例的流体机器2，该第二实施例与图1至图5示出的实施例的不同之处基本上在于静止构件6是由两个单独的件6a和6b制成的，并且该静止构件沿径向方向围绕作为单一部分制成的旋转构件5被组装。
当然，本发明不限于以上通过非限制性举例的方式描述的实施例，相反，它涵盖了其所有实施例。

Claims (14)

1.一种流体机器(2)，包括：
-壳体(3)，
-旋转轴(4)，该旋转轴位于该壳体(3)内，
-静止构件(6)，该静止构件连接至该壳体(3)，
-旋转构件(5)，该旋转构件连接至该旋转轴(4)，
-迷宫式密封(9)，该迷宫式密封被配置成用于最小化或控制跨该迷宫式密封(9)的流体流动，该迷宫式密封(9)包括：
-形成在该静止构件上(6)的一连串的静止台阶(11)，所述连串的静止台阶(11)中的每个静止台阶(11)包括基本上平行于该旋转轴(4)的纵向轴线(A)延伸的径向壁部分(12)、以及基本上垂直于该旋转轴(4)的纵向轴线(A)延伸的轴向壁部分(13)，
-形成在该旋转构件(5)上的一连串的旋转台阶(14)，所述连串的旋转台阶(14)中的每个旋转台阶(14)包括基本上平行于该旋转轴(4)的纵向轴线(A)延伸的径向壁部分(16)、以及基本上垂直于该旋转轴(4)的纵向轴线(A)延伸的轴向壁部分(17)，
-多个静止凹陷(18)，所述多个静止凹陷(18)中的每个静止凹陷(18)形成在相应的静止台阶(11)的径向壁部分(12)中、并且邻近位于所述相应的静止台阶(11)下游的相邻静止台阶(11)的轴向壁部分(13)，每个静止台阶(11)被配置成用于限定静止凸起(19)，该静止凸起由形成在所述静止台阶(11)上的静止凹陷(18)以及所述静止台阶(11)的轴向壁部分(13)界定，以及
-多个旋转凹陷(21)，所述多个旋转凹陷(21)中的每个旋转凹陷(21)形成在相应的旋转台阶(14)的径向壁部分(16)中、并且邻近位于所述相应的旋转台阶(14)上游的相邻旋转台阶(14)的轴向壁部分(17)，每个旋转台阶(14)被配置成用于限定旋转凸起(22)，该旋转凸起由形成在所述旋转台阶(14)上的旋转凹陷(21)以及所述旋转台阶(14)的轴向壁部分(17)界定，
其中，这些静止凹陷(18)和这些旋转凹陷(21)中的每一者的轴向宽度(Wr)基本上等于这些静止凸起(19)和这些旋转凸起(22)中的每一者的轴向宽度(Wp)。
2.根据权利要求1所述的流体机器(2)，其中，这些静止台阶(11)彼此轴向偏离并且沿该静止构件(6)的径向内表面(7)相继地安排，并且这些旋转台阶(14)彼此轴向偏离并且沿该旋转构件(5)的径向外表面(15)相继地安排。
3.根据权利要求1或2所述的流体机器(2)，其中，每个静止凸起(19)基本上垂直于该旋转轴(4)的纵向轴线(A)延伸，并且每个旋转凸起(22)基本上垂直于该旋转轴(4)的纵向轴线(A)延伸。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的流体机器(2)，其中，每个静止凸起(19)至少部分地面对相应的旋转凸起(22)。
5.根据权利要求4所述的流体机器(2)，其中，每个静止凸起(19)和相应的旋转凸起(22)界定基本上平行于该旋转轴(4)的纵向轴线(A)延伸的流动通道(23)。
6.根据权利要求4或5所述的流体机器(2)，其中，每个静止凸起(19)包括上游边缘和下游边缘，并且每个旋转凸起(22)包括上游边缘和下游边缘，每个静止凸起(19)的上游边缘从相应的旋转凸起(22)的上游边缘轴向偏离轴向距离(D)。
7.根据权利要求6所述的流体机器(2)，其中，该轴向距离(D)大于该流体机器(2)的运行过程中在该旋转构件(5)与该静止构件(6)之间允许的最大相对轴向移动。
8.根据权利要求6或7所述的流体机器(2)，其中，每个静止凸起的上游边缘和下游边缘是尖锐的，并且每个旋转凸起的上游边缘和下游边缘是尖锐的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的流体机器(2)，其中，每个静止凹陷(18)至少部分地面对相应的旋转凹陷(21)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的流体机器(2)，还包括一连串的环形空腔(24)，该连串的空腔各自具有流动入口(25)和流动出口(26)，每个空腔(24)由静止凹陷(18)和旋转凹陷(21)部分地界定，每个空腔(24)的流动入口(25)被定位在相应的静止凹陷(18)与上游旋转台阶(14)的轴向壁部分(17)之间的位置处。
11.根据权利要求10所述的流体机器(2)，其中，每个空腔(24)的流动入口(25)面向下游的静止台阶(18)的轴向壁部分(13)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的流体机器(2)，其中，该流体机器(2)是离心压缩机、涡轮机、或泵。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的流体机器(2)，其中，该旋转构件(5)与该旋转轴(4)一体形成。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的流体机器(2)，其中，这些静止台阶和这些旋转台阶具有基本上相同的形状，并且这些静止凹陷和这些旋转凹陷具有基本上相同的形状。
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