CN111022651B - 轴端密封结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体密封领域，旨在解决现有的密封结构气体泄漏量较大和适用范围窄的问题，提供轴端密封结构及方法。定子壳体和转子之间具有环形的气体通道，气体通道一端为高压端、另一端为低压端；气体通道内设置有沿轴向间隔的第一密封件和第二密封件；第一密封件靠近高压端，第二密封件靠近低压端；第一密封件和第二密封件之间限定中间腔室；对于高压端为低温、低压端为高温的情况，设置能够向中间腔室通入热态工质或对中间腔室的工质进行加热装置；对于高压端为高温、低压端为低温的情况，设置能够向中间腔室通入冷态工质或对中间腔室的工质进行冷却装置。本发明的有益效果是气体泄漏量小且能够适用于两端温差较大的环境。

Description

轴端密封结构及方法

技术领域

本发明涉及气体密封领域，具体而言，涉及轴端密封结构及方法。

背景技术

常规的密封包括以下形式，如迷宫密封、碳环密封或干气密封等。其中，迷宫密封又称梳齿密封，是离心式压缩机级间和轴端最基本的密封形式，在转轴周围设若干个依次排列的环形密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。但由于气封齿与转子间存在间隙，漏气量与间隙大小相关，为保证安全运行，常人为扩大间隙，从而漏气量较大；碳环密封将浮环材质由金属改为石墨，又叫做石墨环密封。在碳环的外圆加工凹槽，放置环形弹簧，给碳环施加径向力，由于石墨属于自润滑材料，给碳环增加了自补偿能力，保证了密封的可靠性，但泄露量仍然较大。干气密封具有泄漏量少、摩擦损失小、寿命长、能耗低、操作简单可靠、维修量小和被密封的流体不受油污染等特点。此外，干气密封可以实现密封介质的零泄漏，从而避免对环境和工艺产品的污染。但由于干气密封本身结构限制，不能使用于高温环境。

发明内容

本发明旨在提供一种轴端密封结构及方法，以解决现有的密封结构气体泄漏量较大和/或适用范围窄的问题。

本发明的实施例是这样实现的：

一种轴端密封结构，定子壳体和转子之间具有环形的气体通道，气体通道一端为高压端、另一端为低压端；所述气体通道内设置有沿轴向间隔的第一密封件和第二密封件，所述第一密封件和所述第二密封件分别对气体通道实现非接触式密封；所述第一密封件靠近所述高压端，所述第二密封件靠近所述低压端；所述第一密封件和所述第二密封件之间限定中间腔室；

对于高压端为低温、低压端为高温的情况，设置能够向中间腔室通入热态工质或对中间腔室的工质进行加热装置，用以提高中间腔室的比体积；

对于高压端为高温、低压端为低温的情况，设置能够向中间腔室通入冷态工质或对中间腔室的工质进行冷却装置，用以降低中间腔室的比体积。

本申请可用于二氧化碳、R245FA等体积随温度变化较大的工质的动静密封结构，且该结构可适用于两端温差较大的环境。中间腔室可通入热态/冷态工质或加热/冷却方式，调整转子温度梯度，并控制工质温度。通过调节中间腔室内的工质的温度，从而改变工质的比体积，达到减少泄露量的目的。

对于高压端为低温、低压端为高温的情形，此时工质首先通过第一密封件由低温端流向高温端。通过第一密封件与第二密封件间设置的中间腔室，对中间腔室内的工质进行加热或者冲入热态工质，以改变工质比体积。为保证工质流动方向，该中间腔室的压力应略低于低温端压力，从而使低温端流入中间腔室的漏气量较小；在中间腔室后，由于工质温度升高，比体积较大，中间腔室至高温端压差可相对较大，此时整个系统的质量流量守恒，由于体积流量的变化，可有效减少系统的漏气量。并且由于中间腔室的作用，可对转子本身的温度梯度进行调节，避免转子由于温度梯度过大导致的应力过大等问题。此外，由于低温端温度较低，还可在低温端设置干气密封等进行配合，以达到更好的密封效果，并有效的控制密封工质不会泄露至外部环境。

对于高压端为高温、低压端为低温的情形，此时工质首先通过第一气封件由高温端流向低温端。通过在第一气封件与第二气封件间设置中间腔室，并对中间腔室进行冷却或向中间腔室内充入冷态工质，改变工质比体积，且为保证工质流动方向，该中间腔室的压力与高温端存在较大压差。低温端压力低于中间腔室，工质由中间腔室流向低温端。该方案主要用于冷却工质，有效减小低温端温度波动。由于低温端冷却工质气源充入，该方案可对工质进行冷却，有效保护低温部分要求环境温度较低的设备安全运行。由于中间腔室的冷却作用，可改善转子由于温度梯度较大而产生的应力过大的问题。由于中间腔室的冷却作用，可有效保障低温端工质温度较低，因此可在低温端设置干气密封等进行配合达到更好的密封效果，并有效的控制密封工质不会泄露至外部环境。

在一种实施方式中：

所述第一密封件和所述第二密封件采用蜂窝密封、碳环密封或梳齿密封。在一种实施方式中：

所述第一密封件和所述第二密封件的外周固定连接于所述定子壳体、内周设置有迷宫齿，迷宫齿和转子之间形成梳齿密封。

在一种实施方式中：

其所适用的工质为二氧化碳、R245FA等体积随温度变化较大的工质。

在一种实施方式中：

还包括设置于第二密封件之后的第三密封件；所述第三密封件对气体通道实现非接触式密封；所述第三密封件和所述第二密封件之间限定后腔室；还设置有用于从所述后腔室抽出工质的抽气结构。

在前述设置有第一密封件和第二密封件的基础上，还另设第三密封件，并和第二密封件限定抽气腔室，可以实现对低压端附近的抽气，从而更好地调节低压端压力，保证工质流向。

在一种实施方式中：

所述第三密封件和转子之间形成非接触式密封。

在一种实施方式中：

所述第三密封件采用蜂窝密封、碳环密封或梳齿密封。

本申请还提供一种轴端密封方法，其包括以下步骤：

在定子壳体和转子之间的环形的气体通道内设置有沿轴向间隔的第一密封件和第二密封件，所述第一密封件和所述第二密封件分别对气体通道实现非接触式密封；所述第一密封件靠近气体通道的高压端，所述第二密封件靠近气体通道的低压端；所述第一密封件和所述第二密封件之间限定中间腔室；

对于高压端为低温、低压端为高温的情况，向中间腔室通入热态工质或对中间腔室的工质进行加热，以提高中间腔室的比体积；

对于高压端为高温、低压端为低温的情况，向中间腔室通入冷态工质或对中间腔室的工质进行冷却，以降低中间腔室的比体积。

在一种实施方式中：

在所述第二密封件之后的第三密封件；所述第三密封件对气体通道实现非接触式密封；所述第三密封件和所述第二密封件之间限定后腔室；从后腔室内抽出工质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中提及之附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例一中的轴端密封结构在高压端为低温、低压端为高温情形下的结构示意图；

图2为本发明实施例二中的轴端密封结构在高压端为低温、低压端为高温且通过向中间腔室充入工质、从后腔室抽出工质时的结构示意图；

图3为本发明实施例二中的轴端密封结构在高压端为低温、低压端为高温且通过对中间腔室的工质进行加热或冷却、从后腔室抽出工质时的结构示意图；

图4为本发明实施例一中的轴端密封结构在高压端为高温、低压端为低温情形下的结构示意图；

图5为本发明实施例二中的轴端密封结构在高压端为高温、低压端为低温且通过向中间腔室充入工质、从后腔室抽出工质时的结构示意图；

图6为本发明实施例二中的轴端密封结构在高压端为高温、低压端为低温且通过对中间腔室的工质进行加热或冷却、从后腔室抽出工质时的结构示意图。

图标：轴端密封结构10，定子壳体11，转子12，气体通道13，工质流动方向Y1，轴向16，第一密封件17，第二密封件18，中间腔室19，加热装置20，冷却装置21，迷宫齿22，第三密封件23，后腔室24，充入口25，抽出口26。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

请参见图1、图4，本实施例提供一种轴端密封结构10，定子壳体11和转子12之间具有环形的气体通道13，气体通道13一端为高压端、另一端为低压端；

气体通道13内设置有沿轴向16间隔的第一密封件17和第二密封件18，第一密封件17和第二密封件18分别对气体通道13实现非接触式密封；第一密封件17靠近高压端，第二密封件18靠近低压端；第一密封件17和第二密封件18之间限定中间腔室19；

对于高压端为低温、低压端为高温的情况，设置能够向中间腔室19通入热态工质或对中间腔室19的工质进行加热装置20(图1中示出的为通入热态工质的实施方式)，用以提高中间腔室19的比体积；

对于高压端为高温、低压端为低温的情况，设置能够向中间腔室19通入冷态工质或对中间腔室19的工质进行冷却装置21(图4中示出的为通入热态工质的实施方式)，用以降低中间腔室19的比体积。

本申请可用于二氧化碳、R245FA等体积随温度变化较大的工质的动静密封结构，由于此类工质在相同压力下体积随温度变化较大，若采用常规方式机组漏气量较大。该结构可适用于两端温差较大的环境。中间腔室19可通入热态/冷态工质或加热/冷却方式，调整转子12温度梯度，并控制工质温度。通过调节中间腔室19内的工质的温度，从而改变工质的比体积，达到减少泄露量的目的。

对于高压端为低温、低压端为高温的情形，此时工质首先通过第一密封件17由低温端流向高温端。通过第一密封件17与第二密封件18间设置的中间腔室19，对中间腔室19内的工质进行加热或者冲入热态工质，以改变工质比体积。为保证工质流动方向Y1，该中间腔室19的压力应略低于低温端压力，从而使低温端流入中间腔室19的漏气量较小；在中间腔室19后，由于工质温度升高，比体积较大，中间腔室19至高温端压差可相对较大，此时整个系统的质量流量守恒，由于体积流量的变化，可有效减少系统的漏气量。并且由于中间腔室19(的作用，可对转子12本身的温度梯度进行调节，避免转子12由于温度梯度过大导致的应力过大等问题。此外，由于低温端温度较低，还可在低温端设置干气密封等进行配合，以达到更好的密封效果，并有效的控制密封工质不会泄露至外部环境。

对于高压端为高温、低压端为低温的情形，此时工质首先通过第一气封件由高温端流向低温端。通过在第一气封件与第二气封件间设置中间腔室19，并对中间腔室19进行冷却或向中间腔室19内充入冷态工质，改变工质比体积，且为保证工质流动方向Y1，该中间腔室19的压力与高温端存在较大压差。低温端压力低于中间腔室19，工质由中间腔室19流向低温端。该方案主要用于冷却工质，有效减小低温端温度波动。由于低温端冷却工质气源充入，该方案可对工质进行冷却，有效保护低温部分要求环境温度较低的设备安全运行。由于中间腔室19的冷却作用，可改善转子12由于温度梯度较大而产生的应力过大的问题。由于中间腔室19的冷却作用，可有效保障低温端工质温度较低，因此可在低温端设置干气密封等进行配合达到更好的密封效果，并有效的控制密封工质不会泄露至外部环境。

本方案中，对于通过充入热态/冷态工质的情形，可在定子外壳上开设充气口，并通过设置充气设备(未图示)向内实现充气。

本实施例中，第一密封件17和第二密封件18采用蜂窝密封、碳环密封或梳齿密封。可选地，第一密封件17和第二密封件18的外周固定连接于定子壳体11、内周设置有迷宫齿22，迷宫齿22和转子12之间形成梳齿密封。

实施例二

配合参见图2、图3、图5和图6，本实施例中的轴端密封结构10为在实施例一的基础上，额外设置在第二密封件18之后的第三密封件23；第三密封件23对气体通道13实现非接触式密封；第三密封件23和第二密封件18之间限定后腔室24；还设置有用于从后腔室24抽出工质的抽气结构。如图示，在定子壳体11上设置抽气口，以通过外接抽气设备(未图示)从后腔室24抽出工质。具体地，图2中示出了高压端为低温、低压端为高温的情形下的，中间腔室19采用充入工质方案时的轴端密封结构10的示意图；图3中示出了高压端为低温、低压端为高温的情形下的，中间腔室19采用对工质进行加热的方案时的轴端密封结构10的示意图；图5中示出了高压端为高温、低压端为低温的情形下的，中间腔室19采用充入工质方案时的轴端密封结构10的示意图；图6中示出了高压端为高温、低压端为低温的情形下的，中间腔室19采用对工质进行加热的方案时的轴端密封结构10的示意图。

在前述设置有第一密封件17和第二密封件18的基础上，还另设第三密封件23，并和第二密封件18限定抽气腔室，可以实现对低压端附近的抽气，从而更好地调节低压端压力，保证工质流向。

本方案中的第三密封件23和转子12之间形成非接触式密封。例如第三密封件23可采用蜂窝密封、碳环密封或梳齿密封。

本发明还提供一种轴端密封方法，其包括以下步骤：

在定子壳体11和转子12之间的环形的气体通道13内设置有沿轴向16间隔的第一密封件17和第二密封件18，第一密封件17和第二密封件18分别对气体通道13实现非接触式密封；第一密封件17靠近气体通道13的高压端，第二密封件18靠近气体通道13的低压端；第一密封件17和第二密封件18之间限定中间腔室19；

对于高压端为低温、低压端为高温的情况，向中间腔室19通入热态工质或对中间腔室19的工质进行加热，以提高中间腔室19的比体积；

对于高压端为高温、低压端为低温的情况，向中间腔室19通入冷态工质或对中间腔室19的工质进行冷却，以降低中间腔室19的比体积。

可选地，在第二密封件18之后的第三密封件23；第三密封件23对气体通道13实现非接触式密封；第三密封件23和第二密封件18之间限定后腔室24；从后腔室24内抽出工质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种轴端密封结构，定子壳体和转子之间具有环形的气体通道，气体通道一端为高压端、另一端为低压端；其特征在于：

所述气体通道内设置有沿轴向间隔的第一密封件和第二密封件，所述第一密封件和所述第二密封件分别对气体通道实现非接触式密封；所述第一密封件靠近所述高压端，所述第二密封件靠近所述低压端；所述第一密封件和所述第二密封件之间限定中间腔室；

对于高压端为低温、低压端为高温的情况，设置能够向中间腔室通入热态工质或对中间腔室的工质进行加热的加热装置，用以提高中间腔室的比体积；

对于高压端为高温、低压端为低温的情况，设置能够向中间腔室通入冷态工质或对中间腔室的工质进行冷却的冷却装置，用以降低中间腔室的比体积；

所述第一密封件和所述第二密封件的外周固定连接于所述定子壳体、内周设置有迷宫齿，迷宫齿和转子之间形成梳齿密封；

所述第一密封件和所述第二密封件采用蜂窝密封、碳环密封或梳齿密封；

其所适用的工质为二氧化碳或R245FA。

2.根据权利要求1所述的轴端密封结构，其特征在于：

还包括设置于第二密封件之后的第三密封件；所述第三密封件对气体通道实现非接触式密封；所述第三密封件和所述第二密封件之间限定后腔室；还设置有用于从所述后腔室抽出工质的抽气结构。

3.根据权利要求2所述的轴端密封结构，其特征在于：

所述第三密封件和转子之间形成非接触式密封。

4.根据权利要求2所述的轴端密封结构，其特征在于：

所述第三密封件采用蜂窝密封、碳环密封或梳齿密封。

5.一种轴端密封方法，其特征在于，包括以下步骤：

在定子壳体和转子之间的环形的气体通道内设置有沿轴向间隔的第一密封件和第二密封件，所述第一密封件和所述第二密封件分别对气体通道实现非接触式密封；所述第一密封件靠近气体通道的高压端，所述第二密封件靠近气体通道的低压端；所述第一密封件和所述第二密封件之间限定中间腔室；

对于高压端为低温、低压端为高温的情况，向中间腔室通入热态工质或对中间腔室的工质进行加热，以提高中间腔室的比体积；

对于高压端为高温、低压端为低温的情况，向中间腔室通入冷态工质或对中间腔室的工质进行冷却，以降低中间腔室的比体积。

6.根据权利要求5所述的轴端密封方法，其特征在于：

在所述第二密封件之后的第三密封件；所述第三密封件对气体通道实现非接触式密封；所述第三密封件和所述第二密封件之间限定后腔室；

从后腔室内抽出工质。

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