CN112166269A - 零排放机械密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气体润滑的机械密封装置(1)，其包括第一机械密封件(2)，第一机械密封件具有在滑动表面(21a、22a)之间限定第一密封间隙(23)的第一旋转滑环(21)和第一静止滑环(22)，其中：第一静止滑环(22)具有用于向第一密封间隙(23)供给隔离流体的通道(25)；该通道(25)从第一静止滑环(22)的背面(22b)通向滑动表面(22a)；并且在第一旋转滑环(21)上配置有用于密封的第一辅助密封件(4)和用于使第一旋转滑环(21)对中的第二辅助密封件(5)。

Description

零排放机械密封装置
技术领域
本发明涉及一种气体润滑的机械密封装置和零排放压缩机，该机械密封装置能够完全防止待密封的介质逸出。
背景技术
从现有技术中已知各种构造的机械密封装置。例如，DE 10 2015 226 444A1公开了一种用于有毒介质的机械密封装置，其能够显著减少隔离流体向产品侧的泄漏。在滑动表面中，设置了具有供给凹部的周向槽，这在制造中非常复杂。此外，例如使用机械密封装置用于在输送气态甲烷或天然气或另一种含有甲烷的气体的压缩机或增压器的轴上密封。甲烷不是有毒介质，但甲烷是一种与二氧化碳相比以指数方式增加温室效应的气体。因此，如果可能，应防止甲烷通过机械密封装置泄漏。此外，含有甲烷的气体是从偏远地区输送的，特别是经由非常长的管道。沿着管道配置有许多所谓的压缩机站，每个压缩机站均具有压缩机或增压器等，必须使用机械密封装置密封压缩机或增压器的驱动轴。由于此类压缩机站的可访问性差，因此必须确保机械密封装置基本上无需维护，并且不会有甲烷经由机械密封装置泄漏到大气中。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有简单设计的机械密封装置和压缩机，其易于制造且成本低廉，从而最大程度地防止待密封的介质逸出到大气中。
该目的将通过具有方案1的特征的机械密封装置和具有方案12的特征的压缩机来解决。本发明的优选实施方式将在从属方案中示出。
具有方案1的特征的根据本发明的气体润滑的机械密封装置能够最大程度地防止待密封的产品、特别是含甲烷的气体进入大气。然而，该机械密封装置具有相对简单且低成本的设计。根据本发明，这将会实现的原因在于机械密封装置包括第一机械密封件，第一机械密封件具有第一旋转滑环和第一静止滑环，并在它们之间限定有第一密封间隙。第一静止滑环包括用于供给隔离流体的优选为孔口形式的通道。通道从第一静止滑环的背面延伸到第一静止滑环的滑动表面。此外，在第一旋转滑环上分别配置有用于密封的第一辅助密封件和用于使第一旋转滑环对中的对中设备。因此，通过使用两个分开的部件，在旋转滑环上实现了第一旋转滑环的密封功能和对中功能的分离。第一旋转滑环可以没有凹部等。
优选地，机械密封装置包括第二机械密封件，第二机械密封件具有第二旋转滑环和第二静止滑环，并在它们之间限定有第二密封间隙。因此，第二机械密封件是在第一机械密封件失效的情况下防止产品逸出到大气中的安全密封件。因此，机械密封装置是包括串联配置的两个机械密封件的所谓纵列装置。
优选地，用于使第一旋转滑环对中的第二对中设备配置在第一旋转滑环的径向内表面和/或第一旋转滑环的径向外表面上。
优选地，第一辅助密封件配置在用于密封的第一旋转滑环的背面上。优选地，第一辅助密封件配置在用于旋转滑环的滑环载置件的槽中。
进一步优选地，第二辅助密封件和第三辅助密封件配置在第一静止滑环的背面上。朝向第一静止滑环中的通道延伸的流体路径位于第二辅助密封件和第三辅助密封件之间。这意味着隔离流体在第二辅助密封件和第三辅助密封件之间的区域中从第一静止滑环的背面流入通道中，并从那里流向密封间隙。
特别优选的是，第一辅助密封件的第一半径在第三辅助密封件的第二半径与第四辅助密封件的第三半径之间。从机械密封装置的中心轴线开始确定半径。换句话说，将满足不等式R2＜R1＜R3。这确保了避免第一静止机械滑环相对于第二静止机械滑环的倾斜。
特别优选地，第一半径R1是第二半径R2和第三半径R3的平均值，即R1＝(R2+R3)/2。
进一步优选地，机械密封装置还包括氮气源(N2源)。优选地，氮气源是氮气罐。优选地，机械密封装置还包括氮气生成器。这允许从周围空气中产生氮气并将其暂时存储在氮气罐中。然后，能够将氮气作为用于机械密封装置的气态隔离流体从氮气罐供给到第一静止机械密封件上的通道。
优选地，机械密封装置还包括流量计以及控制单元和压差控制阀，该流量计配置在用于将隔离流体供给到通道的供给管线中，该压差控制阀配置在供给管线中。此外，在产品室处配置有压力传感器，以使实际产品压力与控制单元连通。安装控制单元以控制压差控制阀，特别是基于产品压力控制压差控制阀。
进一步优选地，机械密封装置还包括监视设备，该监视设备配置在从第一机械密封件和第二机械密封件之间的区域延伸的返回管线中，并且在机械密封件失效的情况下将故障信号传送到例如控制站等。
附图说明
下面将参照附图详细说明本发明的优选示例实施方式，其中：
图1是根据本发明的第一优选示例实施方式的机械密封装置的示意性截面图，以及
图2是根据本发明的第二优选示例实施方式的机械密封装置的示意性截面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的第一示例实施方式的气体润滑的机械密封装置1的示意性截面图。
机械密封装置1包括第一机械密封件2和第二机械密封件3，这两个机械密封件串联配置在轴8上并且使产品室40从大气区域41密封开来。这是第一机械密封件2和第二机械密封件3串联配置的所谓纵列配置。
第一机械密封件2包括第一旋转滑环21和第一静止滑环22，在它们的滑动表面之间限定了第一密封间隙23。第一旋转滑环21包括滑动表面21a，并且第一静止滑环22包括滑动表面22a。此外，第一机械密封件2包括第一施力构件24，其沿机械密封装置的中心轴线X-X的方向对第一静止滑环22施力。第一静止滑环22被固定到壳体9。
第二机械密封件3包括第二旋转滑环31和第二静止滑环32，在它们的滑动表面之间限定了第二密封间隙33。第二旋转滑环31通过第二滑环载置件36固定到轴8。第二施力构件34沿第二旋转滑环31的方向对第二静止滑环32施力。
机械密封装置1是气体润滑的机械密封装置，其包括氮气形式的隔离流体。为此目的，机械密封装置1包括经由供给管线11将氮气供给至第一机械密封件2的氮气源13。
如图1所示，第一静止滑环22设置有从第一静止滑环22的背面22b延伸到滑动表面22a的通道25。通道25是直的并且平行于中心轴线X-X。
附图标记14表示氮气生成器，其利用来自空气的氮气以将其供给至例如氮气罐的氮气源13。
在图1中，用箭头示出了隔离流体的流动路径，该流动路径从氮气源13经由供给管线11到达通道25。隔离流体的压力略高于待密封在产品室40中的介质的压力，使得甚至少量的氮气流到产品室40作为泄漏L。由于此处的产品是含甲烷的气体，所以待被氮气密封的该产品的污染能够忽略不计，特别是涉及的数量非常小的情况下。
隔离流体的主要部分在第一密封间隙23处在第一机械密封件2的径向内侧离开，然后流向第二机械密封件3并从那里流入到返回管线12。然后隔离流体能够从该返回管线12排出到大气。
如从图1能够看到的，在第一旋转滑环21上配置有第一辅助密封件4和对中设备5。第一辅助密封件4位于第一旋转滑环21的背面21b。这里，通过第一滑环载置件26将第一旋转滑环21安装到轴8。在第一滑环载置件26中设置有槽27，第一辅助密封件4配置在该槽27中。在该示例实施方式中，第一辅助密封件4是具有圆形截面的O形环，其仅用于密封在第一旋转滑环21的背面21b上。
对中设备5是环形的施力弹簧。对中设备5配置在第一旋转滑环21的径向内表面21c上。对中设备5用于使第一旋转滑环21对中。因此，对中设备5不具有密封功能，而仅具有对中功能。当通过对中设备5对第一旋转滑环进行对中时，就其在背面21b上的密封功能而言，可以最佳地设计第一辅助密封件4。
第二辅助密封件6和第三辅助密封件7配置在第一静止滑环22的背面22b上。如从图1能够看出的，保持环18设置在背面22b上，其包括用于容纳第二辅助密封件6和第三辅助密封件7的槽。第二辅助密封件和第三辅助密封件配置成使得隔离流体的流体路径在第二辅助密封件6和第三辅助密封件7之间延伸。在保持环中还设置有通孔18a。
如图1所示，第一辅助密封件4具有从机械密封装置的中心轴线X-X测量的第一半径R1。第二辅助密封件6具有第二半径R2，并且第三辅助密封件7具有第三半径R3。如从图1能够看出的，第一半径R1在第二半径R2和第三半径R3之间。因此，满足不等式R2＜R1＜R3。这特别地能够防止第一机械密封件2的滑环相对彼此倾斜。因此，第一密封间隙23能够在操作期间被恒定地保持并且具有小尺寸，从而能够使隔离流体向产品中的泄漏L最小化。
机械密封装置1还包括在供给管线11中的压差控制阀17和控制单元10，以及在供给管线11中的流量传感器15，流量传感器15测量通过供给管线11的流率。压力传感器19位于使产品压力与控制单元10连通的产品室40处，其配置成基于产品室40中的压力来设置第一机械密封件2前方的第一室50中的压力水平。这自动导致第一机械密封件2和第二机械密封件3之间的第二室60中的压力低于第一室50中的压力。控制单元10能够控制压差控制阀17的打开或关闭的程度。基于产品压力来确定压差控制阀17的打开和关闭的程度。第一室50中的压力通过可调节压差控制阀17设定，使得第一室50中的压力总是高于产品室40中的产品压力。由于限制了隔离流体的路径，所以第一室50中的压力也总是高于第二室60中的压力。
因此，确保了产品从产品室40到大气41的零排放。因此，气体润滑的纵列机械密封装置允许特别地密封天然气或含甲烷的气体。由于机械密封装置1的简单而坚固的设计，实现了免维护的操作。在第一机械密封件2损坏或者由于其它原因失效的情况下，第二机械密封件3用作安全密封件。因此，尽管轴8仍在旋转，第二机械密封件3仍能够确保相对大气41密封。
另外，在返回管线12中配置有监视设备16，该监视设备监视机械密封装置的功能，在机械密封装置发生故障或损坏的情况下，将相应的干扰信号发送至例如控制站。这确保了在第一机械密封件2发生故障的情况下最大程度地快速修复第一机械密封件2。例如，监视设备16能够基于返回管线12中的压力水平和/或隔离流体的流率来确定对第一机械密封件2的损坏。此外，根据本发明的机械密封装置能够省去中间密封件，例如在第一机械密封件2和第二机械密封件3之间的迷宫密封件形式的中间密封件。这能够进一步简化生产，特别是降低制造成本。机械密封装置1的另一优点是其紧凑的设计。这使得机械密封装置1特别适合于替换已经安装在适当位置(例如在管道的压缩机站中)的机械密封装置。根据本发明的机械密封装置1特别适合于高至约160×105MPa的非常高的压力。
图2示出了根据本发明的第二示例实施方式的气体润滑的机械密封装置1，其中，相同或操作相同的部件像第一示例实施方式中那样标示。
与第一示例实施方式相反，在第二示例实施方式中，对中设备5配置在第一旋转滑环21的径向外表面21d上。在第一滑环载置件26中设置有槽20，该槽20容纳对中设备5。在本示例实施方式中，还能够在没有干扰和昂贵的凹部或凹陷等的情况下构造第一旋转滑环21。
现在参照上述两个示例实施方式，应注意的是，还能够在第一滑环21上设置两个对中设备5，即在第一示例实施方式中看到的径向内表面21c上的第一对中设备和在第二示例实施方式中看到的径向外表面21d上的第二对中设备5。
现在参照示例实施方式，还应注意，代替环形施力弹簧、环形圆周施力带也可以用作对中设备，或者可替代地可以使用O形环，然而，由于第一机械密封件21处的密封是由第一辅助密封件4提供的，因此不必在密封性能方面进行优化。
除了本发明的以上文字说明，在此将明确参照用于本发明的补充公开的附图中的本发明的图形表示。
附图标记说明
1 机械密封装置
2 第一机械密封件
3 第二机械密封件
4 第一辅助密封件
5 对中设备
6 第二辅助密封件
7 第三辅助密封件
8 轴
9 壳体
10 控制单元
11 供给管线
12 返回管线
13 氮气源
14 氮气生成器
15 流量传感器
16 监视设备
17 压差控制阀
18 保持环
18a 通孔
19 压力传感器
20 槽
21 第一旋转滑环
21a 滑动表面
21b 背面
21c 径向内表面
21d 径向外表面
22 第一静止滑环
22a 滑动表面
22b 背面
23 第一密封间隙
24 第一施力构件
25 通道
26 第一滑环载置件
27 槽
31 第二旋转滑环
32 第二静止滑环
33 第二密封间隙
34 第二施力构件
36 第二滑环载置件
40 产品室
41 大气
50 第一室
60 第二室
L 泄漏
R1 第一半径
R2 第二半径
R3 第三半径
X-X 中心轴线

Claims (12)

1.一种气体润滑的机械密封装置(1)，其包括：
第一机械密封件(2)，其具有在滑动表面(21a、22a)之间限定第一密封间隙(23)的第一旋转滑环(21)和第一静止滑环(22)，其中，
所述第一静止滑环(22)包括用于向所述第一密封间隙(23)供给隔离流体的通道(25)，所述通道(25)从所述第一静止滑环(22)的背面(22b)延伸到滑动表面(22a)，并且
在所述第一旋转滑环(21)上配置有用于密封的第一辅助密封件(4)和用于使所述第一旋转滑环(21)对中的对中设备(5)。
2.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，还包括第二机械密封件(3)，所述第二机械密封件(3)具有在滑动表面之间限定第二密封间隙(33)的第二旋转滑环(31)和第二静止滑环(32)。
3.根据前述权利要求中的一项所述的机械密封装置，其特征在于，所述对中设备(5)布置在所述第一旋转滑环(21)的径向内表面(21c)和/或所述第一旋转滑环(21)的径向外表面(21d)上。
4.根据前述权利要求中的一项所述的机械密封装置，其特征在于，所述第一辅助密封件(4)布置在所述第一旋转滑环(21)的背面(21b)上。
5.根据前述权利要求中的一项所述的机械密封装置，其特征在于，第二辅助密封件(6)和第三辅助密封件(7)布置在所述第一静止滑环(22)的背面(22b)上，其中，所述隔离流体到达所述第一静止滑环(22)中的所述通道(25)的流体路径在所述第二辅助密封件和所述第三辅助密封件之间延伸。
6.根据权利要求5所述的机械密封装置，其特征在于，所述第一辅助密封件(4)的第一半径(R1)在所述第二辅助密封件(6)的第二半径(R2)与所述第三辅助密封件(7)的第三半径(R3)之间的范围内。
7.根据前述权利要求中的一项所述的机械密封装置，其特征在于，所述对中设备(5)是圆周施力弹簧或圆周施力带或O形环。
8.根据前述权利要求中的一项所述的机械密封装置，其特征在于，所述隔离流体是氮气，并且所述机械密封装置还包括氮气源(13)。
9.根据权利要求8所述的机械密封装置，其特征在于，还包括氮气生成器(14)。
10.根据前述权利要求中的一项所述的机械密封装置，其特征在于，还包括控制单元(10)、在所述供应管线(11)中的压差控制阀(17)以及用于确定产品室(40)中的产品压力的压力传感器(19)，其中，所述控制单元(10)适于基于所述产品压力来控制所述压差控制阀(17)。
11.根据前述权利要求中的一项所述的机械密封装置，其特征在于，还包括布置在返回管线(12)中的监视设备(16)。
12.一种用于气态介质的压缩机或增压器，其包括根据前述权利要求中的一项所述的机械密封装置。
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