CN108291641A - 干运转活塞杆密封组件以及运行干运转活塞杆密封组件的方法 - Google Patents

Abstract

用于密封活塞杆(5)的干运转活塞杆密封组件(10)，活塞杆以可纵向(L)移动方式安装，干运转活塞杆密封组件包括至少一个空腔环(3)、密封腔(3a)以及布置在密封腔(3a)内的密封环(2)，其中该活塞杆密封组件(10)具有高压侧(10a)和低压侧(10b)，其中顶升机构(4)被设计和布置成使顶升机构能够沿纵向(L)上顶升和降低密封环(2)。

Description

干运转活塞杆密封组件以及运行干运转活塞杆密封组件的 方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序的干运转活塞杆密封组件。本发明也涉及根据权利要求9的前序的运行干运转活塞杆密封组件的方法。

背景技术

干运转活塞压缩机是在压缩部件中无需外部润滑(比如举例为润滑油)而进行工作的压缩机。此处该压缩机室必须尽可能地针对其环境进行密封，以防止待压缩的介质发生不期望的外流或者至少将外流降到最低。有关密封的关键点尤其在于活塞杆穿入气缸内部的区域，其中这个通道也被称作活塞杆密封组件。

在干运转压缩机中，尤其是密封元件，比如举例为用于密封活塞杆的密封环，要承受极高的机械载荷和热载荷。除了良好的摩擦性外，此密封元件也必须在高温和高压力差下保持它们的密封性。

尤其是对于在干运转活塞压缩机中密封活塞杆，现今的密封元件常由塑料例如填充聚合物或高温聚合物制成。所采用的聚合物材料例如为聚四氟乙烯(PTFE)，聚醚醚酮(PEEK)，聚酰亚胺(PI)或聚酰胺酰亚胺(PAI)。这些聚合物通常与填料比如碳、石墨、玻璃纤维、金属、陶瓷或固体润滑剂混合，并且以这种形式被称为填充聚合物。

出版物WO2006042866A1描述了一种用于具有纵向可移动的活塞杆的活塞压缩机的干运转活塞杆密封组件。这个活塞杆密封组件包括至少一个密封环和至少一个致动器，其中该致动器作用在密封环上并且可相对于活塞使其径向移位。通过这种方式，密封环和活塞杆之间的间隙宽度能够以可控的方式变化。这种机构本身已知的缺点在于其相对复杂，并且密封环要承受局部更大的磨损。

出版物WO2015082497A1描述了一种用于具有纵向可移动的活塞杆的活塞压缩机的干运转活塞杆密封组件。这个活塞杆密封组件包括至少一个密封环和至少一个致动器，其中该致动器可对密封环施加相对于活塞杆轴向延伸的力。这种机构的缺点在于，由于作用其上的力，密封环相对于活塞杆径向移动是困难的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种更有利的干运转活塞杆密封组件以及一种更有利的操作干运转活塞杆密封组件的方法。

这个目的通过具有权利要求1特征的干运转活塞杆密封组件而达到。从属权利要求2至8涉及活塞杆密封组件的其它有利的实施例。此外，该目的通过具有权利要求9的特征的方法来达到。从属权利要求10至14涉及其它有利的方法步骤。

尤其是，该目的通过干运转活塞杆密封组件来达到，其用于密封被安装成可沿纵向移动的活塞杆，包括至少一个空腔环和密封环，其中所述空腔环具有密封腔，所述密封环被布置在所述密封腔内，其中所述活塞杆密封组件具有高压侧和低压侧，其中所述密封腔具有朝向高压侧并且相对于所述低压侧界定所述密封腔的支撑面，其中所述密封环沿径向具有内侧和外侧，并且其中所述密封环具有第一端面和第二端面，其中所述第一端面朝向高压侧并且形成压力施加面，并且其中所述第二端面朝向低压侧并且形成接触面，从而位于压力下的密封环通过接触面贴靠于支撑面，其中已动作的顶升机构被构造为使其沿纵向朝向高压侧顶升贴靠于支撑面的密封环以便在支撑面与密封环的接触面之间形成中间间隙。

本目的还尤其通过一种干运转活塞杆密封组件的运行方法来实现，所述干运转活塞杆密封组件用于密封可纵向移动地安装的活塞杆，其中所述活塞杆密封组件包括至少一个空腔环和密封环，其中所述空腔环具有密封腔，所述密封环布置在所述密封腔内，其中所述活塞杆密封组件包围所述活塞杆，其中所述活塞杆密封组件具有关于工作气体的高压侧和低压侧，其中所述密封腔具有朝向所述高压侧且相对于所述低压侧界定所述密封腔的支撑面，其中所述密封环沿径向具有内侧和外侧，并且所述密封环具有第一端面和第二端面，所述第一端面朝向所述高压侧并形成用于工作气体的压力施加面，且所述第二端面朝向所述低压侧并形成接触面，从而所述密封环在正常运行时通过所述接触面被压迫和贴靠到所述支撑面，并且为了对中，贴靠所述支撑面的所述密封环首先通过有效作用的顶升机构沿纵向移向所述高压侧并由此被抬离所述支撑面，从而在所述支撑面与所述密封环的接触面之间形成中间间隙，工作气体从高压侧进入所述中间间隙，从而沿纵向的所述密封环的压紧力减小，由此减小为了沿径向相对于纵向移动所述密封环所要克服的摩擦力，且该密封环在其已被顶离之后沿径向被移位。

在一个有利的实施例中，所述密封环被构造为环状密封环，此环状密封环可相对于所述活塞杆尤其容易地对中。但所述密封环也可被构造为由多个部段构成，且尤其包括多个(优选三个)部段，所述部段沿周向布置并且相对于彼此至少沿径向是可移位的。

根据本发明的干运转活塞杆密封组件的优势在于，其对安装成可沿纵向移动的活塞杆进行尤其良好的密封其具有低磨损并且因此长期可靠。所述活塞杆密封组件包括至少一个具有密封腔的空腔环，并且优选地包括沿纵向相继布置的多个空腔环和密封腔，其中密封环(优选环状密封环)被布置在每个密封腔内并且围绕所述活塞杆。所述密封环具有第二端面，该第二端面朝向所述活塞杆密封组件的低压侧，其中通常有至少一个静态压力作用在密封环上，从而其通过第二端面压靠支撑面，其中所述支撑面限定出所述密封腔。根据本发明的活塞杆密封组件包括顶升机构，其沿活塞杆的延伸方向顶升密封环，从而在支撑面和第二端面之间形成了中间间隙。由此，减小必须克服以使密封环沿径向移动的密封环的静摩擦。因此根据本发明的活塞杆密封组件的优势在于，首先，所述密封环可通过较低的力沿径向移动，其次，在密封环沿径向移位时产生明显减小的摩损或者甚至没有摩损，反之亦然。在特别有利的实施例中，在顶升状态下，所述密封环通过作用其上的压力相对于所述活塞杆自动对中，所述密封环有利地对中使其不接触活塞杆，从而在活塞杆上或者在朝向活塞杆的密封环的密封面上没有产生摩损。使密封环沿纵向容易移位的可能性也带来的优势为可将活塞杆与朝向活塞杆的密封环的密封面之间的密封间隙保持为非常小，因为可相对于所述活塞杆改变或调整所述密封环的位置。

在一个有利的方法中，所述密封环相对于所述活塞杆有规律地对中。对中优选发生在活塞杆的吸气动作过程中。在一个尤其有利的方法中，所述密封环在活塞杆的每个吸气动作过程中(即在曲轴的每个360°旋转期间)被顶升机构顶升，并且通过作用在所述密封环上的工作气体的压力而自动优选地相对于所述活塞杆对中。但是也可证明提供机械地作用在密封环上以使处于顶升状态的密封环沿径向对中的至少一个附加径向致动器是有利的。

根据本发明的活塞杆密封组件因此具有的优势为所述密封环没有摩损或者只有非常轻微的摩损，从而所述活塞杆密封组件可在更长的操作周期内无需维护而操作。根据本发明的活塞杆密封组件具有的另外的优势为所述活塞杆和所述密封环之间的密封间隙可在无摩损的情况下保持为非常小。这种小的密封间隙具有的优势为根据本发明的活塞杆密封组件也可在更高的压力下被可靠地密封，或者需要更少的密封环来进行密封。

所述顶升机构优选被构造为尤其包括压电晶体的机电机构或机械机构。在一个有利的实施例中，根据本发明的活塞杆密封组件包括至少一个用于检测所述密封环相对于所述活塞杆的位置的传感器。这个传感器可例如被构造为用于检测所述活塞杆的表面与所述密封环的密封面之间距离的距离传感器。所述传感器可例如也被构造为检测所述密封环或活塞杆的温度的温度传感器，以便检测在所述密封环与所述活塞杆之间相互接触时产生的温升。

下文中参考附图对本发明进行解释。示出的示例实施例不构成对描述的变型的限制，而是仅用于解释本发明的原理。相同的或类似的部件具有相同的附图标记。为了说明本发明的功能，在附图中示出了简化的原理描述，其中为了更清晰，已经省略了活塞杆密封组件的许多元件。然而这并不意味着这样的部件在根据本发明的解决方案中不存在。

附图说明

附图示出：

图1活塞杆密封组件和布置其中的干运转活塞杆；

图2密封装置在正常运转期间的纵截面局部示图；

图3根据图2的示图，其中示出了施加的压力；

图4密封装置在密封环移位过程中的纵截面的局部示图；

图5根据图4的示图，其中示出了施加的压力；

图6空腔环的俯示图；

图7活塞杆密封组件的另一个示例实施例；

图8根据图7的密封环的俯示图；

图9活塞杆密封组件的另一个示例实施例；

图10多部件密封环的立体图；

图11具有多部件密封环的活塞杆密封组件的示例实施例。

具体实施方式

图1示出了用于密封活塞杆5的干运转活塞杆密封组件10的纵截面，该活塞杆5延伸穿过活塞杆密封组件10并且被安装成使其能够沿纵向L或沿移动方向5b移动。活塞杆密封组件10包括至少一个空腔环3、密封腔3a以及布置在该密封腔3a内的环状密封环2，其中该空腔环3与密封腔3a和密封环2形成了密封装置1。在至少其中一个密封腔3a或在每个密封腔3a中，几个密封环2(例如两个或三个密封环)可沿纵向L相继布置并且互相接触。活塞杆密封组件10具有关于将被压缩的工作气体G的高压侧10a和低压侧10b。在图1中示出的活塞杆密封组件10的示例实施例包括沿纵向L相继布置的五个密封装置1，从而活塞杆5被五个密封环2所包围，该密封环2密封了活塞杆5。该密封环2密封了高压侧10a(气缸)和低压侧10b(曲轴箱)之间的压力差。任何发生的泄漏都通过泄漏气体管线8而消散，并且泄漏气体密封9至少部分地防止了气体朝曲轴箱流动。

图2详细示出了如图1所示的纵截面的局部图。密封腔3a具有支撑面3b，其朝向高压侧10a并相对于低压侧界定密封腔3a。该密封环2沿径向具有朝向活塞杆5的内侧2e以及径向位于外侧上的外侧2f。在内侧2e与活塞杆5的表面之间形成间隙S。密封环2具有第一和第二端面2a、2b，其中第一端面2a朝向高压侧10a并形成压力施加面，第二端面2b朝向低压侧10b并形成接触面2c，从而处于压力下的密封环2通过接触面2c贴靠支撑面3b。包括致动器4a的顶升机构4被构造为其可沿纵向L顶升贴靠支撑面3b的密封环2，以在支撑面3b和接触面2c之间暂时形成中间间隙Z，从而工作气体G可进入间隙Z并由此改变作用于密封环2上的压力。图4示出处于顶升状态的密封环2，具有形成的中间间隙Z，其中密封环2被顶升机构4顶起一段顶升距离A，其中最大的顶升距离A优选小于1毫米，有利地小于0.1毫米，特别有利地仅有几微米，例如在0.01毫米至0.1毫米的范围内。在根据图2和图4的实施例中，顶升机构4包括具有推动面4d的压电致动器4a。在作动状态下，推动面4d如图4所示在突出高于支撑面3b并且由此顶升密封环2。另外，在未作动状态下，即在无源状态下，压电致动器4a优选布置于空腔环3内，从而推动面4d不会突出超过支撑面3b，其中推动面4d与支撑面3b位于相同高度或推动面4d低于支撑面3b。在致动器4a的未启动状态下，密封环2因为密封腔3a内的压力而位于支撑面3b上。

在活塞压缩机的运行过程中，在密封环2处至少产生两种不同的压力状态。在活塞杆5的吸气动作的过程中，在密封环2处优选施加基本恒定的吸气压力。在活塞杆5的压缩动作的过程中，在密封环处施加压缩压力。在一个可能的示例实施例中，在低压侧10b上的压力是环境压力即1巴，然而在吸气动作过程中，在高压侧10a上的压力为40巴的吸气压力，并且在压缩动作的过程中，这个压力升高至高达100巴的压缩压力。

图3示出了根据图2的视图，其中在密封腔3a或在密封环2处施加恒定的吸气压力，在此详细示出作用在密封环2上的不同压力。空腔压P_K作用于密封环2的第一端面2a和外侧2f。沿着间隙S示出了沿活塞杆5的纵向L减小的间隙压力P₁。沿着接触面2c示出了沿径向减小的接触压力P₂。在密封腔3a的出口处存在出口压力P_a。使活塞环2沿径向移位所需的径向力F_R等于摩擦系数μ乘以压紧力F_N。

图5示出了根据图4的密封环2升高的示图，其中在密封环2处施加恒定的吸气压力，并且其中详细地示出了作用在密封环2上的不同压力。空腔压P_K作用于密封环2的第一端面2a和外侧2f。沿着间隙S，示出了沿活塞杆5的纵向L减小的间隙压力P₁。沿着接触面2c示出了沿径向略微减小的接触压力P₂。在密封腔3a的出口处存在出口压力Pa。密封环2的顶升或者形成的中间间隙Z导致了轻微减小的接触压力P₂，其减小了作用于支撑面3b的密封环2的恒定压力F_N，其转而减小了密封环径向移位所需的力F_R，其中径向力F_R等于摩擦系数μ乘以压紧力F_N。图3与图5的对比示出在图5中，压紧力F_N以及因此力F_R明显减小。

参考图3和图5，可将该方法解释为操作用于密封活塞杆5的该干运转活塞杆密封组件10，该活塞杆被安装成沿纵向L可移动。在正常运转期间，即在吸气动作期间，在此期间在活塞杆密封10处存在基本恒定的吸气压力，该具有接触面2c的密封环2被压向支撑面3b。为了使密封环2对中，首先采用顶升机构4的推动面4d沿纵向L移动密封环22并且由此自支撑面3b抬起，从而在支撑面3b和密封环2的接触面2c之间产生中间间隙Z，由此减小摩擦力F_R，该摩擦力须被克服以相对于纵向L沿径向R移动密封环2。在已经顶升该密封环2之后，如果密封环相对于活塞杆5偏心布置，那么密封环2沿径向R移动，并且因为作用在密封环2上的所有压力的合力而优选自动对中。

有利地，在活塞杆5的吸气动作过程中，该密封环2再次由顶升机构4顶升和降低。有利地，在顶升状态下，密封环2通过作用其上的径向力而自动对中。然而，如图9或图11所示，其也可证明通过作用在密封环2上的径向致动器6(例如通过机械作用的径向致动器6)而使处于顶升状态的密封环2对中是有利的。在一个有利的方法中，该密封环22在活塞杆5的一个完整的往复式运动期间顶升或降低。这个方法的优势在于，在曲轴的每个360°旋转期间，密封环22可相对于活塞杆5再次对中，从而极大地(优选完全地)避免密封环2与活塞杆5之间的互相接触。也可证明布置至少一个用于检测密封环2相对于活塞杆5的表面的位置的传感器是有利的。在一个有利的方法中，只有在如果例如活塞杆5与密封环2的内侧2e之间的距离偏离了预定的标称距离值的情况下，密封环2才沿纵向L升高并且接下来沿径向移位。此方法允许例如在一段时间内减小密封环2的顶升次数。在一个有利的实施例中，为每个活塞杆密封组件10的密封环2提供顶升机构4。在一个可能的方法中，在吸气动作过程中，所有的顶升机构4优选互相同步地被顶升并再次降低。在进一步有利的方法中，例如，只启动那些顶升机构4，其配属的密封环2例如偏离了预定的标称距离值。

图6示出了在图4中示出的支撑面3b的俯视图。具有致动器4a和作用在密封环2上的推动面4d的顶升机构4沿周向间隔地布置在空腔环3内。对于每个空腔环3而言，至少提供两个在周向上彼此间隔180°的致动器4a，优选提供三个致动器4a，其优选有利地沿周向彼此均匀间隔120°布置。

图7示出了另一个活塞杆密封组件10的纵截面的局部视图。与图2所示的顶升机构相比，图7所示的顶升机构4包括永磁体2d和电磁铁4a，其中永磁体2d布置在密封环2内，电磁铁4a布置在空腔环3内，其中永磁体2d和电磁铁4a沿纵向L彼此相对布置。电磁铁4a的启动导致排斥永磁体2d并由此顶升密封环2。图8示出了密封环2的第二端面2b的俯视图，两个永磁体2b沿周向间隔布置。

图9示出了另一个活塞杆密封组件10的纵截面的局部视图。与图7中示出的顶升机构相比，图9中示出的顶升机构4包括例如完全机械的机构，其例如包括拉杆4c，其中连杆(Gelenk)被布置在致动器4a内以顶升和降低推动面4d。有利地，也提供了具有控制线6a的径向致动器6，其被构造为使得其作用于密封环2的外侧2f并且使密封环2沿径向R移位。有利地，提供多个沿周向间隔开的径向致动器6。

图10示出了多部件密封环2，其包括沿周向为环状并且具有侧向引导部2h的引导件2g，并且包括两个窄密封部段2i和两个宽密封部段2k，其通过侧向引导部2h被沿径向R可移动地安装。

图11示出了另一个活塞杆密封组件10的纵截面的局部视图。与在图2中示出的机构相比，根据图11的机构包括在图10中示出的密封环2并且也包括径向致动器6。如图10所示，部段沿剖切线A-A延伸穿过密封环2。图11尤其示出了密封环2通过接触面2c贴靠于室3a的支撑面3b。该顶升机构4包括压电致动器4a以及电源线4b。该宽密封部段2k被安装在密封环2内以沿径向R可移位。致动器4的启动产生了如图4所示的中间间隙Z。当中间间隙Z打开时，密封环2的引导件2g优选地相对于活塞杆5对中。在图11中示出的机构包括至少两个径向致动器6，其中相应的径向致动器6作用在两个宽密封部段2k中的每一个上以使它们沿径向R移位。在图11中示出的机构优选包括四个径向致动器6，其沿周向相对于活塞杆彼此间隔开，使得在图10中示出的四个密封部段2k、2i中的每一个可沿径向R可控地移位。由此，间隙S的宽度，即活塞杆5的表面与密封部段2k、2i的密封面2e的内侧之间的距离是可调整的。存在许多适用于在图11所示机构的密封环2的可能的实施例，其中密封环2包括沿径向R可移位的密封部段2i、2k。

Claims (14)

1.一种干运转活塞杆密封组件(10)，其用于密封可纵向(L)移动地安装的活塞杆(5)，包括至少一个空腔环(3)和密封环(2)，其中所述空腔环(3)具有密封腔(3a)，所述密封环(2)被布置在所述密封腔内，其中所述活塞杆密封组件(10)具有高压侧(10a)和低压侧(10b)，其中所述密封腔(3a)具有朝向所述高压侧(10a)且相对于所述低压侧(10b)界定所述密封腔(3a)的支撑面(3b)，其中所述密封环(2)沿径向具有内侧(2e)和外侧(2f)，并且所述密封环(2)具有第一端面和第二端面(2a，2b)，所述第一端面(2a)朝向所述高压侧(10a)且形成压力施加面，且所述第二端面(2b)朝向所述低压侧(10b)且形成接触面(2c)，从而处于压力下的密封环(2)通过所述接触面(2c)贴靠所述支撑面(3b)，其特征是，有效作用的顶升机构(4)被构造它在纵向(L)上朝向该高压侧(10a)顶升贴靠所述支撑面(3b)的密封环(2)，以便在所述支撑面(3b)与所述密封环(2)的接触面(2c)之间形成中间间隙(Z)。

2.根据权利要求1所述的活塞杆密封组件，其特征是，它包括沿纵向(L)相继布置的多个空腔环(3)和密封腔(3a)，其中在每个密封腔(3a)中布置单个密封环(2)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的活塞杆密封组件，其特征是，所述密封环(2)被构造为连续密封环。

4.根据前述权利要求中任一项所述的活塞杆密封组件，其特征是，每个密封环(2)配属有至少两个且优选三个顶升机构(4)，并且所述顶升机构(4)在所述密封环(2)的周向上彼此间隔布置。

5.根据权利要求4所述的活塞杆密封组件，其特征是，所述顶升机构(4)包括永磁体(2d)和电磁铁，其中所述永磁体(2d)布置在所述密封环(2)内，且所述电磁铁布置在所述空腔环(3)内，其中所述永磁体(2d)和电磁铁优选在纵向(L)上彼此相对布置。

6.根据权利要求4所述的活塞杆密封组件，其特征是，所述顶升机构(4)包括具有推动面(4d)的推动部，其中所述推动面(4d)在启动状态下突出超过所述接触面(2c)。

7.根据权利要求4或6所述的活塞杆密封组件，其特征是，所述顶升机构(4)包括压电晶体，其中所述压电晶体布置在所述空腔环(3)内。

8.根据前述权利要求中任一项所述的活塞杆密封组件，其特征是，它包括径向致动器(6)，该径向致动器被构造成使它作用于所述密封环(2)的外侧(2f)并使整个密封环(2)或所述密封环(2)的密封部段(2i，2k)沿径向(R)移位。

9.一种干运转活塞杆密封组件(10)的运行方法，所述干运转活塞杆密封组件(10)用于密封可纵向(L)移动地安装的活塞杆(5)，其中所述活塞杆密封组件(10)包括至少一个空腔环(3)和密封环(2)，其中所述空腔环(3)具有密封腔(3a)，所述密封环(2)布置在所述密封腔(3a)内，其中所述活塞杆密封组件(10)包围所述活塞杆(5)，其中所述活塞杆密封组件(10)具有关于工作气体(G)的高压侧(10a)和低压侧(10b)，其中所述密封腔(3a)具有朝向所述高压侧(10a)且相对于所述低压侧(10b)界定所述密封腔(3a)的支撑面(3b)，其中所述密封环(2)沿径向具有内侧(2e)和外侧(2f)，并且所述密封环(2)具有第一端面和第二端面(2a，2b)，其中所述第一端面(2a)朝向所述高压侧(10a)且形成用于所述工作气体(G)的压力施加面，且所述第二端面(2b)朝向低压侧(10b)且形成接触面(2c)，从而所述密封环(2)在正常运行时通过所述接触面(2c)被压迫且贴靠到所述支撑面(3b)，其特征是，为了对中，贴靠所述支撑面(3b)的所述密封环(2)首先通过有效作用的顶升机构(4)在纵向(L)上移向所述高压侧(10a)并由此被抬离所述支撑面(3b)，从而在所述支撑面(3b)与所述密封环(2)的接触面(2c)之间形成中间间隙(Z)，工作气体(G)从所述高压侧(10a)进入该中间间隙，使得在纵向(L)上的所述密封环(2)的压紧力减小，以由此减小为了在径向(R)上相对于纵向(L)移动所述密封环(2)所要克服的摩擦力，并且所述密封环(2)在其已被顶离之后沿径向(R)被移位。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述密封环(2)在所述活塞杆(5)的吸气动作过程中既被顶升、也被再次降低。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征是，在顶升状态下，所述密封环(2)通过所作用的径向力被自动对中。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征是，处于顶升状态下的整个密封环(2)或所述密封环(2)的密封部段(2i，2k)通过机械作用的径向致动器(6)被对中。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征是，所述密封环(2)在所述活塞杆(5)的每个完整的往复运动期间被顶升和再次降低。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其特征是，如果所述活塞杆(5)与所述密封环(2)的内侧(2e)之间的距离偏离预定的标称距离值，则整个所述密封环(2)或所述密封环(2)的密封部段(2i，2k)沿径向(R)被移位。