CN1117232C - 用于密封箱壁与轴之间套状间隙的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于密封位于箱壁(2)与穿过该箱壁且相对箱壁可旋转运动的轴(3)之间的套状间隙(1)的装置。该装置具有一密封环(4)，轴(3)可穿过该环，所述密封环(4)被夹持在支座(5)的两个槽侧壁之间且分别与这两个槽侧壁之间留有径向间隙(10，11)，并形成一个环绕所述密封环(4)且可充满油的腔室(12)。位于第一槽侧壁(8)处的径向间隙(10)被闭锁，以防止腔室(12)内的油流出。本装置可应用于一个充满氢气的电机，尤其是涡轮发电机的密封系统中。

Description

用于密封箱壁与轴之间 套状间隙的装置

本发明涉及一种用于密封套状间隙的装置，所述套状间隙位于箱壁与穿过该箱壁且相对于箱壁可产生旋转运动的轴之间。这种装置具有一被所述轴穿过的密封环，以及一个可与箱壁固定连接在一起的支座，该支座具有一个圆筒状的空隙和一个开口通入该空隙的槽，该槽具有第一槽壁和第二槽壁，密封环被夹持在这两个槽侧壁之间，其中一个环绕该密封环且可充满油的腔室保留在该槽中。

这样一种装置例如可应用在一个充满氢气的电机上，在该电机中，氢气特别用于冷却的目的。在此该装置作为密封系统的一部分，为了密封旋转轴穿过机器固定壳体时形成的通孔并防止氢气泄漏到机器的周围环境中。该装置对于应用在大型的，只用氢气或用氢气和水进行冷却的涡轮发电机上具有特别重要的意义。这种涡轮发电机的输出功率通常为500兆瓦或更多；它具有一密封的壳体，其中的氢气位于105帕至106帕的压力下。

本文前言所述类型的装置由DE3723729A1和GB0760781A可知。在这些文献中也表明了对这种结构进一步完善的可能性。在第一篇文献中所涉及的密封环装置位于箱体上，其中所述密封环相对于箱壁来说是不能转动的，然而出于定心的目的能够做轻微的移动。密封环不是装在一个腔室内，而是通过固定销钉保持在箱壁和固定板之间。多根输油管穿过箱壁，为这些输油管分别配置有通入密封环中的传输连续管。每根输油续管通入该密封环中一个相应的与受密封的轴相匹配的环槽中。此外在密封环与箱壁之间以及在密封环与固定板之间至少会产生一个在限定量内的泄漏油流。通过一种密封机构，一种唇形密封圈，可以防止大量的油从发电机箱壁和密封环之间的缝隙中流出。发电机内部的压力以及油压加在密封环上，将其压紧在固定板上。为了达到平衡以及减少在密封环与固定板之间缝隙中的摩擦，在固定板上设有一卸载用油环槽，油可以被输入槽里。在第二篇文献中特别介绍了一种为了密封和/或润滑的目的，把油或其它液体输入密封环、箱壁与轴之间的缝隙内的可行方案。

在DE 3712943A1中描述了一种用于由氢气冷却的涡轮发电机的轴封。这种轴封具有一个在腔室内可径向活动的，带有两个环绕轴的密封环的密封装置，两个密封环中至少有一个可轴向移动。通过径向输入通道将来自腔室的密封油引至被密封轴，这个径向输入通道要么通过密封环，要么通过两个密封环之间。至少在第二个密封环上具有一径向通道，通过这样的通道与位于槽室壁上的集液室或盲孔连接起来。由此使密封油流的一部分分流并返回到发电机箱体内部。

CH-PS626694涉及到一种尤其用于大型压缩机轴的轴封。在被密封轴和密封活塞之间保留一环形间隙。通过这一环形间隙的流体应尽可能的少并受到节流，为此采用在密封活塞的活塞内壁上加工出螺纹线状沟槽的方式。由此形成一迷宫式密封，当轴旋转时与迷宫式密封共同产生一种泵效应，可避免密封油渗入压缩机内部。

在设计新的涡轮发电机考虑采用较大直径轴时，会出现这样的问题，间隙的大小会随着轴的直径增大，而这一间隙有可能导致氢气沿轴从涡轮发电机箱体泄漏出来。随着对涡轮发电机密封要求的提高，产生了改善本文前言所述类型装置的密封效果的要求。相应的装置因此经常被设计成这样的结构形式，它具有两个沿着轴前后相互布置的密封油回路，其中朝向箱体内部的回路应最大限度地接收可能产生的氢气泄漏，而朝向箱体外面的回路则应保证，空气不可能渗透到箱体里面。为运行这样一种结构的装置所必需的费用是非常高的，由此提出一个相应的要求，即对本文前言所述类型的装置进行设计改进，使之仅采用一个密封油回路就可正常运行。

与美国专利5233862相一致的EP 0542751B1给出了一种用于密封位于箱壁与穿过该箱壁且相对箱壁可旋转运动的轴之间的套状间隙的装置。在此装置中，可对一个在转动轴上滑动而不一起转动的密封环的工作性能实现监控。为此要测量出旋转轴施加在密封环上的转矩。如果这一转矩超过了一个确定的界限，则必然是因为不能保障在轴上滑动的密封环的完好润滑所引起的问题。

可以预见，今后对市场所能接收价格而日益增长的压力要求简化大型电动机并降低其价格，在此，出自环境保护和安全的观点，运行充氢电动机械所允许的氢泄漏将益发不能为公众忍受。因此提出这样的希望，在上面所述形式的密封系统中，将油与氢气接触时必然会产生的油对氢气的吸收降至最低程度。渗入油里的氢气不能够或不能廉价地回收并返回到电机中，至少部分氢气的损失无论如何是不可避免的。

可以肯定，在上述的具有两个油密封回路的密封系统中，始终要考虑将大量的氢气输入其中至少一个回路中。出于前一段文章的考虑，希望在将来放弃这样的密封系统，而在密封系统中只采用一个油回路就够用了。

基于上面这些观点，本发明的目的在于，提供一种用于密封位于箱壁与穿过该箱壁且相对箱壁可旋转运动的轴之间的套状间隙的装置，其中尽可能地避免氢气从充满氢气的壳体中进入流经该装置的油中。

为实现本发明的目的，提供了一种用于密封位于箱壁与穿过该箱壁且相对箱壁可旋转运动的轴之间的套状间隙的装置，这种装置具有一密封环，轴可穿过该环，同时还有一个可与箱壁固定连接在一起的支座，该支座具有一个圆筒状的空隙和一个带有第一槽侧壁和第二槽侧壁向该圆筒状空隙开通的槽，在这两个槽侧壁之间夹持着所述密封环，其中在槽中保留有一个环绕该密封环，充满油的腔室，该密封环至少包括一条通道，通过该通道腔室内的油可被导至朝向轴的密封表面，此外设有一环状密封，这个环状密封被夹持在嵌入第一槽侧壁的环槽里，环槽通过一槽出口与所述腔室连接。该密封最好由具有很低摩擦系数的材料，例如聚四氟乙烯制成。

这样一种装置被这样装在电机的密封系统里，即第一槽侧壁朝向箱体内部，使与箱体外部隔离的氢气位于该第一槽侧壁。所述腔室内注入密封用油。油渗入已有的在支座与密封环之间的径向间隙内。径向间隙通过第一槽侧壁上的防止油流出的环状密封被封锁，由此径向间隙中的油不能再扩散到箱体内部且因此与氢气饱和，这一点与在按照现有技术理论所设计的装置中是一样的。环状密封将通过油被挤压在密封环上，在此，来自腔室的油通过出口和环槽作用于环状密封。由此使流入到发电机中的油量明显减少，从而使器械费用保持在足够低的水平，且仅需在密封环附近采取一些结构措施。

按照本发明，在一种用于密封位于箱壁与穿过该箱壁且相对箱壁可旋转运动的轴之间的套状间隙的装置中，该装置具有一密封环，轴可穿过该环，同时还有一个可与箱壁固定连接在一起的支座，该支座具有一个圆筒状的空隙和一个带有第一和第二槽侧壁的向所述圆筒状空隙开通的槽，所述密封环被夹持在两个槽侧壁之间，其中在槽中保留有一个环绕密封环且可充满油的腔室，该密封环至少包含一条通道，通过这一通道来自腔室的油可流到朝向轴的密封面，密封环在所述通道与直接朝向第一槽侧壁的侧面之间包含一与密封面相连的排出管及一收集室(31)，在此收集室可收集由排出管排出的油，所述密封环在通道与直接朝向第一槽侧壁的侧壁之间的密封面上包含有一个排出通道以及一个收集室，在此该收集室可从第二环槽中加载油。所述收集室此外最好与一个将该收集室内产生的油排出的出口相连。在这样一种结构空间里，由于在密封环与旋转轴之间的摩擦而加热的油进入到收集室并且加热密封环。因此比起没有这样一种布置结构的情况来说，对密封环可以产生一个明显更加均匀的加热。这样首先可以避免在密封环上产生热应力；主要通过这样一种方式，即密封环本身也可产生膨胀来跟上由于受热而使轴同样出现的膨胀。位于密封环与轴之间的间隙因而不仅在冷态而且在运转热态中也可以保持相对较小；对于密封环这样的设计就不再是必要的了，即一方面在其冷态时保持有对运转热态轴的间隙，这意味着，位于密封环与轴之间的间隙在冷态时必须相当大以及为了密封而要求有很大的流通油量。由此达到明显的减少流入发电机里的密封油量。

在油流通经过通道时，位于轴与密封环之间的间隙可以被油完全充满，该间隙在密封环侧面为所述密封面限定，由此来可靠地阻止氢气流过。具有优点的是，通道通入密封环的密封面里的环槽中，由此保证油均匀地分布在密封面上。同样具有优点的是，位于轴与密封环之间的油通过密封环里的第二环槽被排出，该环槽与排出通道连接。

为了在所述装置的上述布置结构中，限制油沿着密封环的密封面，朝着第一槽侧壁的方向流出，在所述环槽与紧挨着槽侧壁的密封环侧面之间的密封面上具有一螺纹线状的环绕密封面的沟槽。该沟槽的走向相宜地应使沟槽内的油从旋转轴被送到环槽。在这种情况下旋转轴挤压沟槽内的油成为一流向环槽的定向脉冲，由此阻止过量的油离开环槽流入第一槽侧壁。

同样具有优点的是，密封环在紧邻第一槽侧壁的一侧壁上带有一加长所述密封面的环肩。通过这一密封面的延长也使得环槽与密封环所述侧壁之间的间隙也被延长。这使得流经间隙的油流的阻力被提高，同样限制了沿密封面的排油流。

进一步的优点是，第二槽侧壁，也就是当本装置装在一个充满氢气的电机中时朝向箱体外部的另一槽侧壁具有一个可加入油的环槽。在本装置运行时，这个环槽被加入油，槽内的油具有一高压，该高压向密封环加力，这根据通常的实践，箱体内部的位于高压下的氢气施力于密封环。由此使密封环基本上处于不受力(力平衡)状态，这一点对于密封环的运行和工作性能是有利的。

本装置另一特别优选的结构的特征在于，在第一槽侧壁上设有一环槽，一用于将油从相应的径向间隙排出的出口与该环槽相连。由此产生一个通过槽侧壁处径向间隙的油流，然而这一油流始终不会流到轴处并因而进入箱体内部，而是在此之前先被排出。因此这些油在其大部分流域内不能吸附氢气，用这种方法也可以解决所提出的任务。相对于可能会提高的设备费用，产生了一个绝对有利可图的优点，即有可能能够影响密封环的运行并能控制油从第一槽侧壁处的径向间隙中被排出。

上述任一种结构的装置最好装入一个电机，尤其是充有氢气的涡轮发电机的一个密封系统中。本装置能限制氢气进入到油里面，因为该密封装置至少在油流入密封的机器内部不是绝对必要的一个位置处阻止油流过。由此避免氢气泄漏到重要的区域，使得更容易满足相关的运行规章。

所述密封系统最好仅包含唯一一个油回路。

下面借助附图对本发明的实施例以及与现有技术的不同之处详细说明。这些附图并非合理比例的图示。实现实施例的补充注释可从相关的现有技术中获取。所示的图例均为各实施形式沿着轴的轴线的纵截面图，穿过箱体的轴孔应当被密封。

图1为本装置的第一种实施形式；

图2为现有技术的实施形式；

图3为本装置的第二实施形式；

图4，5，6为结合第一实施形式示出的本发明的其它改进结构。

在所有附图中，相互对应的零部件和特征具有相同的附图标记。或多或少的共同特征在下面将借助图1来阐述，这样的阐述同样适用于所有其它附图。

图1示出一种用于密封位于箱壁2与穿过该箱壁且相对箱壁可旋转运动的轴3之间的套状间隙的装置。这种装置包括一密封环4，轴3可穿过该环，同时还有一个可与箱壁2固定连接在一起的支座5，该支座5具有一个圆筒状的可穿过轴3的空隙6和一个向空隙6开通的槽7。这个槽沿着轴3从一个槽侧壁8到另一槽侧壁9，在两个槽侧壁8，9之间夹持着所述密封环4，该密封环与各槽侧壁之间分别保留有径向间隙10或11，两个径向间隙不是按比例而是被放大示出的。在槽7中里保留有一环绕密封环4的空腔室12，该腔室可通过一相应的注入口13用油充满，为使示图清楚起见，仅用一箭头表示，为了密封套状间隙，这些油一直扩散进到套状间隙1中。箱壁2属于充满氢气的涡轮发电机的机壳，该装置应防止氢气通过套状间隙1排出。这就要借助密封环4以及在本装置所保留的间隙中应充满的油。如同已阐述过的那样，这些油中的一部分总是会积聚氢气，氢气又必须从油中去除。这意味着，相应的设备费用必需得花，同时也意味着，必须考虑到氢气有一定损失。解决这个问题，取决于限制油流向箱壁2，在那儿油可能积聚氢气，这可理解为维持密封环4的工作性能。

来自腔室12的油尤其容易渗入到径向间隙10和11中，其中油通过第一槽侧壁8处的径向间隙10流向箱壁2并且可能与氢气接触。为了避免这一点，径向间隙10被封锁以防止油从腔室12中流出。按照所述实施形式，这一点是这样来实现的，即在径向间隙10中有一环绕轴3的环状密封14。该环状密封14例如由聚四氟乙烯或耐油弹性橡胶制成。环状密封14位于支座5的一个环槽15里，该环槽通过分支通道16与腔室12连接。在腔室12内的压力油向环状密封14施加一压力，使环状密封14压紧在密封环4上并可靠地密封环形间隙10。

在朝向箱体外部，亦即大气的第二槽侧壁9中同样有一环槽17。通过输入口18同样可向环槽17中输入油，为了附图清晰起见，该输入口也用箭头表示出。这些油的用途是，用来平衡压力下的氢气沿着轴3作用于密封环4上的力，使密封环4在不受力(力平衡)的状况下被夹持在支座5里面。这样使密封环4对槽侧壁8，9的摩擦降至最小，并使密封环4的工作性能得以保证。

密封环4上有一通道19，通过这个通道，腔室12内的油可以进入到轴3所对着的密封环4上的密封面20。由此在密封面20与轴3之间形成了两个相互反向流动的油流(用箭头表示)，从而可靠地避免氢气或空气渗透到密封环4与轴3之间。为了使油均匀分布，在密封面上有一环槽21，通道19与其相通。

图2给出了根据现有技术为人们所熟悉的用于密封套状间隙1的装置。如同已明确表示的，在这种装置中，来自腔室12的油可以不受阻碍地流过径向间隙10，与在轴3与支座5之间沿着密封面20流动的油一起到达同一侧，这一侧位于受密封的箱体内部的外面并因此遭受氢气，由此产生大量的富氢油。由于该装置只有唯一一个油回路，富氢油最终与流向支座5另一侧的富含空气的油一起流出。通过油的脱气可获得空气与氢气的混合物，如果要重新获取氢气，则必须耗费较大地对该混合气进行分离。作为另一种选择方案，必须将燃气混合气作为废气排掉，然而在某些情况下，这会对遵守有关的规章制度造成困难。当然也可以在油回路中另外设置导引和排出富氢油中气体的管路，然而这将使回路相当复杂，却只部分的解决了现有问题，因为不付出特别多的费用，油中的氢气不能够被萃取到可接受的纯度。

图3给出了本发明的另一实施例。在这个示例中，在第一槽侧壁8处的径向间隙10是这样来防止来自腔室12的油流出的，在第一槽侧壁8上有一与径向间隙10连通的环槽15a连接到用于排油的排出口22上。如同在图1中已阐述过的，在环槽15中有一附加的环状密封14。为了清晰示出，排出口22也用箭头来表示。一个与环槽15a连接的通道23通往排出口22，并且在通道23上接上一控制阀24。该控制阀24上有一调节器25，该调节器根据在密封壳体内部测得的压力控制在环槽15a内的压力。用这种方法可保证将渗入到径向间隙10中的油排出。

图4又给出了本装置的另一改进结构，除了图1所示的在第一槽侧壁8上的环槽15内有一环状密封14的结构之外。同样有一来自腔室12的分支通道16连接到环槽15。如图所示，该分支通道16可以安设在支座5中；对此要求有三个孔，其中的两个从支座5上引出且必须用螺栓(图中未示出)封闭。支座5被设计成两部分，这对其加工是有利的。

图4所示结构的特殊点在于，在与第一槽侧壁8紧邻的密封环侧面26上有一环肩27，该环肩使密封环4与轴3之间的密封面延长。这样就限制了油沿密封面20排出，进而减少富氢油量。

作为另一特殊点是在环槽21与侧面26之间的密封面上有一环绕密封面20的螺纹状沟槽28。通过旋转的轴3使得在沟槽28内的油受到一沿轴3的定向脉冲，这个定向脉冲在相应的定向沟槽28中是指向环槽21的，与此相应地同样可限制油沿密封面20被排出。

图5示出了一种实施形式，其中同样在第一槽侧壁8与密封环4之间有一环密封14被安装在一个环槽15中并且受到由分支通道16传来的腔室12内的压力。密封环4在其朝向轴3的密封面20上同样有一环槽21，该环槽经通道19被腔室12内的油加载。在密封面20上另外有一个环槽29，该槽位于第一环槽21与密封环4朝向第一槽侧壁8的侧面26之间。油从环槽21沿密封面20可流动引入该第二环槽29内，油从第二环槽29又可流进密封环4上的一个最好为环状的收集室31内。此外一通道32从收集室31穿过腔室12通过一控制阀33到一排出口34，该排出口施加给收集室一定的负压，以保证一个所期望的油流从密封面20进到收集室31。流进收集室31的油在密封面20处已被剧烈加热。这一热量通过收集室31又传给密封环4。由此使密封环4膨胀以匹配由于热应力而改变了的轴3的直径。这就意味着，允许密封环4以一个目前还难以实现的精度去匹配因热应力而膨胀的轴3，在此一个重要优点是，密封环4能够以比目前所能实现的间隙还小的间隙去匹配轴3，因为密封环可以与轴3同步膨胀。图5所示装置的另一优点在于，密封环4可以比目前更为均匀地被加热，因此密封环产生比以前少的，由于不同的热膨胀而形成的机械应力，这对于实现其长寿命是有利的。由于已经在轴3与密封环4之间形成了一个很小的间隙，流向箱壁2的油流也保持在很小，从而可视要求取消对径向间隙10的闭锁。

图6给出了图5所示实施例的全貌。在这里通过套状间隙1，支座5以及箱壁2构成了一个前室35，由密封环4流出的可能富集了氢气的油流出进入该前室内。这些油与进到收集室31里的油一起流进脱气装置36。在此净化了的油通过回流管37返回到一个没有示出的油罐里，从那里通过入口13油又被输入密封环4。通过位于净化装置36与收集室31之间的控制阀33可调节分配一个流往前室35方向的油分量。

在所示出的所有装置中2，3，4，5，13，17，22，34在密封系统中是确定的部件，而13，18，19，22，23，24，30，33，34只在单一的油回路中出现。这个回路可以存在分支，例如在输入口13和18，但作为整体来对油进行处理。

Claims (12)

1.一种用于密封位于箱壁(2)与穿过该箱壁且相对箱壁可旋转运动的轴(3)的套状间隙(1)的装置，该装置具有一密封环(4)，轴(3)可穿过该环，同时还有一个可与箱壁(2)固定连接在一起的支座(5)，该支座具有一个圆筒状的空隙(6)和一个带有第一和第二槽侧壁(8，9)的向该圆筒状空隙开通的槽(7)，所述密封环(4)被夹持于两个槽侧壁之间，其中在槽(7)中保留有一个环绕密封环(4)且可充满油的腔室(12)，所述密封环(4)至少包含一条通道(19)，通过这一通道来自槽室(12)的油可流到朝向轴(3)的密封面(20)，其特征在于，设有一个环状密封(14)，该密封被夹持在嵌在第一槽侧壁(8)内的一环槽(15)里，该环槽(15)通过分支通道(16)与腔室(12)相连。

2.按照权利要求1所述的装置，其中的环状密封(14)由具有较小摩擦系数的材料，特别是聚四氟乙烯材料制成。

3.一种用于密封位于箱壁(2)与穿过该箱壁且相对箱壁可旋转运动的轴(3)之间的套状间隙(1)的装置，该装置具有一密封环(4)，轴(3)可穿过该环，同时还有一个可与箱壁(2)固定连接在一起的支座(5)，该支座具有一个圆筒状的空隙(6)和一个带有第一和第二槽侧壁(8，9)的向所述圆筒状空隙开通的槽(7)，所述密封环(4)被夹持在两个槽侧壁之间，其中在槽(7)中保留有一个环绕密封环(4)且可充满油的腔室(12)，该密封环(4)至少包含一条通道(19)，通过这一通道来自腔室(12)的油可流到朝向轴(3)的密封面(20)，其特征在于，密封环(4)在所述通道(19)与直接朝向第一槽侧壁(8)的侧面(26)之间包含一与密封面(20)相连的排出管(30)及一收集室(31)，在此收集室(31)可收集由排出管(30)排出的油。

4.按照权利要求3所述的装置，其中所述密封环(4)在密封面(20)上具有一第二环槽(29)，排出管(30)与该环槽相连通。

5.按照权利要求3或4所述的装置，其具有一个可与收集室(31)连接的排油口(34)。

6.按照上述任一项权利要求所述的装置，其中所述密封环(4)在密封面(20)上有第一环槽(21)，通道(19)与该环槽相连通。

7.按照权利要求6所述的装置，其中所述密封面(20)在环槽(21)与紧邻第一槽侧壁(8)的密封环侧壁(26)之间有一环绕该密封面(20)的螺纹线状沟槽(28)。

8.按照上述任一项权利要求所述的装置，其中所述密封环(4)在紧邻第一槽侧壁(8)的侧壁(26)上有一延长了密封面(20)的环肩(27)。

9.按照上述任一项权利要求所述的装置，其中所述第二槽侧壁(9)上有一可充入油的环槽(17)。

10.按照上述任一项权利要求所述的装置，其中所述第一槽侧壁(8)上有一环槽(15)，一用于从径向间隙(10)排出油的排油通道(22)可与该环槽连通。

11.按照上述任一项权利要求所述的装置，其可装设在一个电机(2)，尤其是一个充满氢气的涡轮发电机(2)的密封系统中(2，3，4，5，13，17，22，34)。

12.按照权利要求11所述的装置，其中所述密封系统(2，3，4，5，13，17，22，34)具有唯一一个油回路(13，18，19，22，23，24，30，32，33，34)。

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