CN110792630B - 一种气冷式波纹管干气密封装置 - Google Patents

一种气冷式波纹管干气密封装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气冷式波纹管干气密封装置，包括压缩机外壳，压缩机外壳内设有动环、动环支架，转子，静环，静环支架和波纹管；动环固定于动环支架上，动环支架固定于转子上表面；静环通过波纹管柔性安装于静环支架上；转子、动环支架、动环、静环、静环支架和波纹管设有气体通道，低温气体一部分从转子和动环支架的气体通道进入动环，沿动环工作表面附近流动，由动环上游流出；低温气体另一部分从静环支架和波纹管的气体通道进入静环，沿静环工作表面附近流动，由静环上游流出；流出后的低温气体与工艺气体混合，排入密封间隙。本发明通过将低温气体引入干气密封动静环内部，实现密封环的温度控制，减少密封环热变形，提高密封稳定性。

Description

一种气冷式波纹管干气密封装置
技术领域
本发明涉及干气密封技术领域，尤其涉及一种气冷式波纹管干气密封装置。
背景技术
干气密封依靠气体的动压原理实现非接触式泄漏控制，被广泛应用于各类离心压缩机的轴端封严。干气密封的运行间隙很小，一般处于3μm到10μm之间，动静环工作表面的实际状态对干气密封的稳定性影响很大。在运行过程中，动静环的工作表面与气体不断摩擦产生热量，使动静环产生热变形，进而改变原有气膜间隙的分布。无论热变形使气膜间隙产生收敛型分布，还是发散型分布，均会改变原有设计状态，使密封的泄漏量、气膜力、气膜刚度等参数产生变化，降低了密封的稳定性。因此减小热变形是提高密封稳定性的一种途径。
为降低密封的热变形，目前一般采取降低工艺气体温度的办法来减少密封的热变形。这种方法通过将冷却的工艺气体通入密封间隙来带走摩擦产生的热量，然而干气密封的泄漏量很小，由泄漏气体带走的热量较为有限。因此，动静环工作界面的线速度不能过大，限制了干气密封在超高速场合的应用。
发明内容
发明目的：针对现有技术中干气密封冷却能力的不足，本发明公开了一种气冷式波纹管干气密封装置，通过将低温气体引入干气密封动静环内部，实现密封环的温度控制，减少密封环热变形，提高密封稳定性。
技术方案：本发明公开了一种气冷式波纹管干气密封装置，包括压缩机外壳，所述压缩机外壳内设有动环、动环支架、转子、静环、静环支架和波纹管；所述动环固定于动环支架上，动环支架固定于转子上；静环支架设有一凹槽，用于安装波纹管，静环通过波纹管柔性安装于静环支架上；所述压缩机外壳的外侧分别设有工艺气体通道、惰性气体通道、第二低温气体通道和气体排出通道，所述转子内部设有第一低温气体通道；动环支架和动环内部设有相通的气体通道，并与第一低温气体通道连通；静环、静环支架和波纹管内部设有相通的气体通道，并与第二低温气体通道连通；低温气体从转子内的第一低温气体通道进入，经动环支架的气体通道到达动环，沿动环工作表面附近流动，由动环上游流出；低温气体从第二低温气体通道进入，经静环支架和波纹管的气体通道到达静环，沿静环工作表面附近流动，由静环上游流出；低温气体携带工作过程中产生的摩擦热从动环和静环流出后，与工艺气体混合，排入密封间隙。
优选地，所述动环开设的气体通道是通过钻孔方式沿动环径向及轴向钻取的若干孔道，用于低温气体从第一低温气体通道流入，能够贴近动环工作表面流动。
优选地，所述动环开设的气体通道中轴向孔道数量不小于8个，径向孔道数量不小于16个。
优选地，所述静环开设的气体通道是通过钻孔方式沿静环径向及轴向钻取的若干孔道，用于低温气体从第二低温气体通道流入，能够贴近静环工作表面流动。
优选地，所述静环开设的气体通道中，轴向孔道数量等于波纹管数量；径向孔道数量不小于16。
优选地，所述波纹管数量不小于8个，具有弹性刚度，用于调节气膜间隙，向静环输送低温气体。
更进一步地，所述波纹管与静环的连接处、波纹管与静环支架的连接处和动环与动环支架的连接处均设置有静密封装置；低温气体从第一低温气体通道流入动环的过程中和低温气体从第二低温气体通道流入静环的过程中均不产生泄漏。
更进一步地，所述一种气冷式波纹管干气密封装置还包括二次密封、堵头和迷宫密封；所述二次密封位于静环内凹槽处，用于控制静环与静环支架之间的间隙泄漏；堵头位于静环开设的气体通道处，用于封堵因钻孔产生的工艺孔；迷宫密封设置于工艺气体通道前端，用于防止压缩机的工作气体进入工艺通道。
优选地，所述低温气体为冷却后的工艺气体，不含有固、液杂质；低温气体温度小于工艺气体温度；低温气体压力高于密封压力1.1％至1.3％，其中低温气体的温度和压力能根据实际工况进行调整。
更进一步地，所述静环开设气体通道后，静环受力情况发生改变，静环除了承受由流体动压效应产生的使密封端面分开的气膜力F0、波纹管的弹性力Fb、静环背面由平衡直径分开的两部分介质压力FP1和FP2和二次密封产生的摩擦阻力f外，还承受低温气体作用给静环的力Fg1和Fg2；静环的平衡状态方程为F0+Fg1＝Fb+FP1+FP2+f+Fg2。
有益效果：
本发明通过在转子、动环支架、动环、静环、静环支架和波纹管设有孔状气体通道，增大低温气体与动环和静环的接触面，带走摩擦产生的大量热量，实现密封环的温度控制，减少密封环热变形，提高密封稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构主视图；
其中1为工艺气体通道，2为惰性气体通道，3为第一低温气体通道，4为第二低温气体通道，5为动环，6为动环支架，7为转子，8为静环，9为静环支架，10为波纹管，11为压缩机外壳，12为二次密封，13为堵头，14为迷宫密封，15为密封间隙，16为气体排出通道；
图2为本发明的静环受力分析图。
具体实施方式
本发明公开了一种气冷式波纹管干气密封装置，下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如附图1所示，一种气冷式波纹管干气密封装置包括压缩机外壳11，压缩机外壳11内设有动环5、动环支架6、转子7、静环8、静环支架9和波纹管10；动环5固定于动环支架6上，动环支架6固定于转子7上；静环支架9设有一凹槽，用于安装波纹管10，静环8通过波纹管10柔性安装于静环支架9上；所述压缩机外壳11外侧分别设有工艺气体通道1、惰性气体通道2、第二低温气体通道4和气体排出通道16，所述转子7内部设有第一低温气体通道3；动环支架6和动环5内部设有相通的气体通道，并与第一低温气体通道3连通；静环8、静环支架9和波纹管10内部设有相通的气体通道，并与第二低温气体通道4连通；低温气体从转子7内的第一低温气体通道3进入，经动环支架6的气体通道到达动环5，沿动环5工作表面附近流动，由动环5上游流出；低温气体从第二低温气体通道4进入，经静环支架9和波纹管10的气体通道到达静环8，沿静环8工作表面附近流动，由静环8上游流出；低温气体携带工作过程中产生的摩擦热从动环5和静环8流出后,与工艺气体混合，排入密封间隙15。
动环5开设的气体通道是通过钻孔方式沿动环5径向及轴向钻取的若干孔道，轴向孔道数量不小于8个，径向孔道数量不小于16个，用于低温气体从第一低温气体通道3流入，能够贴近动环5工作表面流动。
静环8开设的气体通道是通过钻孔方式沿静环8径向及轴向钻取的若干孔道，轴向孔道数量等于波纹管数量，不小于8个；径向孔道数量不小于16，用于低温气体从第二低温气体通道4流入，能够贴近静环8工作表面流动；波纹管数量具有弹性刚度，用于调节气膜间隙，向静环8输送低温气体。
波纹管10与静环8的连接处、波纹管10与静环支架9的连接处和动环5与动环支架6的连接处均设置有静密封装置，其中静密封装置可以选用橡胶圈静密封装置；低温气体从第一低温气体通道3流入动环5的过程中和低温气体从第二低温气体通道4流入静环8的过程中均不产生泄漏。
该装置还设有二次密封12、堵头13和迷宫密封14，二次密封12位于静环8内凹槽处，用于控制静环8与静环支架9之间的间隙泄漏；堵头13位于静环8开设的气体通道处，用于封堵因钻孔产生的工艺孔；迷宫密封14设置于工艺气体通道1的前端，迷宫密封14的左侧是压缩机的工作气体，工作气体含有固、液杂质，迷宫密封14的主要作用是防止压缩机的工作气体进入密封间隙15。
特别说明的是，低温气体为冷却后的工艺气体，不含有固、液杂质；低温气体温度小于工艺气体温度；低温气体压力高于密封压力1.1％至1.3％，其中低温气体的温度和压力能根据实际工况进行调整。
惰性气体从惰性气体通道2进入后，一部分从气体排出通道16排出。由于工艺气体一般有毒易燃易爆，要求干气密封一般采取串联形式联合使用。第一次密封后，从气体排出通道16排出的气体除了惰性气体外还包括少量从密封间隙15泄漏的气体，两股气体混合后排出，进入火炬烧掉，如天然气和氮气的混合。通入惰性气体，一是隔离掉易燃易爆气体，二是给第二次密封提供足够的气体，三是一级密封损坏后，不至于大量气体进入二级密封，使有毒易燃易爆气体从轴端泄漏。
静环8开设气体通道后，静环8受力情况发生改变，如附图2所示，静环8除了承受由流体动压效应产生的使密封端面分开的气膜力F0、波纹管10的弹性力Fb、静环8背面由平衡直径分开的两部分介质压力FP1和FP2和二次密封12产生的摩擦阻力f外，还承受低温气体作用给静环8的力Fg1和Fg2；静环8的平衡状态方程为F0+Fg1＝Fb+FP1+FP2+f+Fg2。
在静环8处于平衡状态时，端面间隙保持不变。当静环受到外界扰动后，如果扰动使密封间隙增大，端面间的压力就会降低，端面间隙自动减小，密封会很快达到新的平衡状态；如果扰动使密封间隙减小，端面间的压力就会增大，端面间隙自动加大，直至平衡为止，维持密封稳定工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气冷式波纹管干气密封装置，其特征在于：包括压缩机外壳(11)，所述压缩机外壳(11)内设有动环(5)、动环支架(6)、转子(7)、静环(8)、静环支架(9)和波纹管(10)；所述动环(5)固定于动环支架(6)上，动环支架(6)固定于转子(7)上；静环支架(9)设有一凹槽，用于安装波纹管(10)，静环(8)通过波纹管(10)柔性安装于静环支架(9)上；所述压缩机外壳(11)外侧分别设有工艺气体通道(1)、惰性气体通道(2)、第二低温气体通道(4)和气体排出通道(16)，所述转子(7)内部设有第一低温气体通道(3)；动环支架(6)和动环(5)内部设有相通的气体通道，并与第一低温气体通道(3)连通；静环(8)、静环支架(9)和波纹管(10)内部设有相通的气体通道，并与第二低温气体通道(4)连通；低温气体从转子(7)内的第一低温气体通道(3)进入，经动环支架(6)的气体通道到达动环(5)，沿动环(5)工作表面附近流动，由动环(5)上游流出；低温气体从第二低温气体通道(4)进入，经静环支架(9)和波纹管(10)的气体通道到达静环(8)，沿静环(8)工作表面附近流动，由静环(8)上游流出；低温气体携带工作过程中产生的摩擦热，从动环(5)和静环(8)流出后，与工艺气体混合，排入密封间隙(15)。
2.根据权利要求1所述的一种气冷式波纹管干气密封装置，其特征在于：所述动环(5)开设的气体通道是通过钻孔方式沿动环(5)径向及轴向钻取的若干孔道，用于低温气体从第一低温气体通道(3)流入，能够贴近动环(5)工作表面流动。
3.根据权利要求2所述的一种气冷式波纹管干气密封装置，其特征在于：所述动环(5)开设的气体通道中轴向孔道数量不小于8个，径向孔道数量不小于16个。
4.根据权利要求1所述的一种气冷式波纹管干气密封装置，其特征在于：所述静环(8)开设的气体通道是通过钻孔方式沿静环(8)径向及轴向钻取的若干孔道，用于低温气体从第二低温气体通道(4)流入，能够贴近静环(8)工作表面流动。
5.根据权利要求4所述的一种气冷式波纹管干气密封装置，其特征在于：所述静环(8)开设的气体通道中，轴向孔道数量等于波纹管数量；径向孔道数量不小于16。
6.根据权利要求1所述的一种气冷式波纹管干气密封装置，其特征在于：所述波纹管数量不小于8个，具有弹性刚度，用于调节气膜间隙，向静环(8)输送低温气体。
7.根据权利要求1所述的一种气冷式波纹管干气密封装置，其特征在于：所述波纹管(10)与静环(8)的连接处、波纹管(10)与静环支架(9)的连接处和动环(5)与动环支架(6)的连接处均设置有静密封装置；低温气体从第一低温气体通道(3)流入动环(5)的过程中和低温气体从第二低温气体通道(4)流入静环(8)的过程中均不产生泄漏。
8.根据权利要求1或4所述的一种气冷式波纹管干气密封装置，其特征在于：还包括二次密封(12)、堵头(13)和迷宫密封(14)；所述二次密封(12)位于静环(8)内凹槽处，用于控制静环(8)与静环支架(9)之间的间隙泄漏；堵头(13)位于静环(8)开设的气体通道处，用于封堵因钻孔产生的工艺孔；所述迷宫密封(14)设置于工艺气体通道(1)前端。
9.根据权利要求1所述的一种气冷式波纹管干气密封装置，其特征在于：所述低温气体为冷却后的工艺气体，不含有固、液杂质；低温气体温度小于工艺气体温度；低温气体压力高于密封压力1.1％至1.3％，其中低温气体的温度和压力能够根据实际工况进行调整。
10.根据权利要求1所述的一种气冷式波纹管干气密封装置，其特征在于：所述静环(8)开设气体通道后，静环(8)受力情况发生改变，静环(8)除了承受由流体动压效应产生的使密封端面分开的气膜力F0、波纹管(10)的弹性力Fb、静环(8)背面由平衡直径分开的两部分介质压力FP1和FP2和二次密封(12)产生的摩擦阻力f外，还承受低温气体作用给静环(8)的力Fg1和Fg2；静环(8)的平衡状态方程为F0+Fg1＝Fb+FP1+FP2+f+Fg2。
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