CN112923061A - 一种多端面自调控启用的汽轮机轴端密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多端面自调控启用的汽轮机轴端密封装置，包括外壳、转轴、动环座以及压力调节器，所述外壳和所述转轴之间设有介质流体腔，所述外壳包括机壳和静环座，所述静环座上设有与所述转轴同轴设置的柔性静环一、柔性静环二、柔性静环三，所述柔性静环一、柔性静环二、柔性静环三的直径依次减小，所述动环座固定套设在所述转轴上，所述动环座上固定设有与所述柔性静环一、柔性静环二、柔性静环三相对应的动环一、动环二、动环三，各柔性静环包括和对应动环接触密封的摩擦部以及压力腔，所述压力调节器内设有调压腔一、调压腔二、调压腔三。本发明的轴端密封装置具有高可靠性，可自调控密封，且扭矩低、功率损耗小，密封性好。

Description

一种多端面自调控启用的汽轮机轴端密封装置

技术领域

本发明属于机械密封技术领域，尤其是涉及一种多端面自调控启用的汽轮机轴端密封装置。

背景技术

相对转动的密封流体设备例如汽轮机、离心压缩机包括转子和定子，定子一般为壳体，转子和壳体一旋转一静止，壳体内设有介质流体，旋转和静止的部件需要密封，保证腔体里面的流体压力，其轴端的常用密封方式为机械密封(机械端面密封)。机械密封装置包括动环和静环。动环是固定安装在轴套或轴上，随轴旋转，静环是安装在静环座上，静环座安装在设备壳体上，静环和动环通过弹簧压紧，以实现旋转和静止的两个部件之间的密封。旋转设备介质流体的泄漏常发生在静环和动环之间的端面间隙处；另外，由于动环和静环的磨损，将导致密封失效。为减少旋转设备轴端的介质流体泄漏，需对轴端密封装置进行优化设计。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题，提供一种多端面自调控启用的汽轮机轴端密封装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多端面自调控启用的汽轮机轴端密封装置，包括外壳、转轴、动环座以及压力调节器，所述外壳和所述转轴之间设有介质流体腔，所述外壳包括机壳和静环座，所述静环座上设有与所述转轴同轴设置的柔性静环一、柔性静环二、柔性静环三，所述柔性静环一、柔性静环二、柔性静环三的直径依次减小，所述动环座固定套设在所述转轴上，所述动环座上固定设有与所述柔性静环一、柔性静环二、柔性静环三相对应的动环一、动环二、动环三，各柔性静环包括和对应动环接触密封的摩擦部以及压力腔，所述压力调节器内设有调压腔一、调压腔二、调压腔三，所述调压腔一与柔性静环一外周的介质流体腔连通，所述调压腔一与柔性静环一的压力腔连通，所述调压腔一内设有弹簧一和柱塞一，所述弹簧一抵接在所述柱塞一的一端，使得所述柱塞一封堵调压腔一与柔性静环一外周介质流体腔的连通口，所述调压腔二与所述柔性静环二和柔性静环一之间的腔体连通，所述调压腔二与柔性静环二的压力腔连通，所述调压腔二内设有弹簧二和柱塞二，所述弹簧二抵接在所述柱塞二的一端，使得所述柱塞二封堵调压腔二与所述柔性静环二和柔性静环一之间腔体的连通口，所述调压腔三与所述柔性静环三和柔性静环二之间的腔体连通，所述调压腔三与柔性静环三的压力腔连通，所述调压腔三内设有弹簧三和柱塞三，所述弹簧三抵接在所述柱塞三的一端，使得所述柱塞三封堵调压腔三与所述柔性静环三和柔性静环二之间腔体的连通口。

作为优选，所述柔性静环一、柔性静环二、柔性静环三均包括外胎层和内胎层，所述摩擦部固定设置在所述外胎层的端面上，所述内胎层设置在所述外胎层内，所述内胎层的内部腔体为所述压力腔。

作为优选，所述内胎层上设有若干连通所述压力腔与所述外胎层和内胎层之间腔体的通孔。

作为优选，所述摩擦部的摩擦面上设有若干同轴设置的摩擦环，所述摩擦环的截面呈半圆形。

作为优选，所述摩擦环的高度不一致。

作为优选，所述摩擦环的高度由外至内逐渐减小。

作为优选，所述柔性静环一、柔性柔性静环二、柔性静环三还包括安装座，所述外胎层和内胎层安装在所述安装座内，所述外胎层包括卡接部，所述外胎层通过卡接部卡接在所述安装座内。

作为优选，所述外壳还包括端盖，所述端盖与所述静环座固定连接，所述端盖与所述转轴相配合，所述端盖在与所述转轴配合的内表面上设有若干个依次排列的截面为三角形的密封齿。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：

密封装置的左侧为封气侧及高压介质侧，右侧为大气侧及低压侧，高压流体通过柔性静环一外周的介质流体腔到达柔性静环一和动环一的第一级密封。柔性静环一是能够向内部的压力腔注气、注压力的结构，向柔性静环一压力腔注气、注压力使得柔性静环一和动环一压紧。向柔性静环一注送的压力是利用介质流体腔的流体介质压力，本发明中，即通过汽轮机内的蒸汽蒸汽压力调节。由于介质流体腔的流体介质压力较大，而柔性静环一内不需要如此大的压力，故设计了压力调节器调节进入柔性静环一压力腔的流体压力。压力调节器的原理是通过柱塞一封堵调压腔一与介质流体腔的连通口，当压力达到一定程度时，柱塞一被推开，连通口释放流体压力进入柔性静环一的压力腔，使得柔性静环一膨胀，柔性静环一与动环一压紧。

柔性静环二和动环二的第二级密封一开始是不启用的，只有柔性静环二和柔性静环一之间的腔体有流体泄漏产生压力时，柔性静环二才会与动环二压紧形成一个用于密封的摩擦副。当第一级密封失效时，流体泄漏至柔性静环二和柔性静环一之间的腔体，柱塞二被推开，连通口释放流体压力进入柔性静环二的压力腔，使得柔性静环二膨胀，柔性静环二与动环二压紧。上述结构一方面是降低密封产生的摩擦扭矩，以降低功耗，另一方面当第一级密封发生损坏时，第二级密封自动膨胀密封，使得汽轮机整体可靠性得到了提高，密封装置的使用寿命也会得到提升。

柔性静环三和动环三的第三级密封一开始是不启用的，只有柔性静环三和柔性静环二之间的腔体有流体泄漏产生压力时，柔性静环三才会与动环三压紧形成一个用于密封的摩擦副。当第二级密封失效时，流体泄漏至柔性静环三和柔性静环二之间的腔体，柱塞三被推开，连通口释放流体压力进入柔性静环三的压力腔，使得柔性静环三膨胀，柔性静环三与动环三压紧。上述结构一方面是降低密封产生的摩擦扭矩，以降低功耗，另一方面当第二级密封发生损坏时，第三级密封自动膨胀密封，使得汽轮机整体可靠性得到了提高，密封装置的使用寿命也会得到提升。

端盖和转轴之间还设置了迷宫密封结构，用于防止第一级密封失效后，介质流体直接冲向大气侧。迷宫密封结构是在端盖与转轴配合的内表面上设置若干个依次排列的环行密封齿，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。

综上，本轴端密封装置具有高可靠性，可自调控密封，且扭矩低、功率损耗小，密封性好。

附图说明

图1为本发明的一种多端面自调控启用的汽轮机轴端密封装置的结构示意图；

图2为本发明中柔性静环的结构示意图，此时柔性静环处于未膨胀状态；

图3为本发明中柔性静环的结构示意图，此时柔性静环膨胀并与动环接触；

图4为本发明中柔性静环的结构示意图，此时柔性静环在无阻挡时完全膨胀；

图5为图1中A处的局部放大图；

图中：

1-转轴；2-机壳；201-密封圈安装槽一；202-密封圈一；3-静环座；301-静环一安装槽；302-静环二安装槽；303-静环三安装槽；4-端盖；401-密封齿；5-动环座；7-柔性静环一；8-柔性静环二；9-柔性静环三；11-动环一；12-动环二；13-动环三；15-防转销；16-摩擦部；17-压力腔；18-压力调节器；1801-调压腔一；1802-调压腔二；1803-调压腔三；19-弹簧一；20-柱塞一；21-弹簧二；22-柱塞二；23-外胎层；2301-卡接部；24-内胎层；2401-通孔；25-安装座；26-弹簧三；27-柱塞三。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

如图1-5所示，一种多端面自调控启用的汽轮机轴端密封装置，包括外壳、转轴1、动环座5以及压力调节器18。所述外壳和所述转轴1之间设有介质流体腔，对于汽轮机来说，介质流体腔内的介质流体为蒸汽。

为便于表述各部件的结构关系，本发明对轴端密封装置的左右进行了区分。

所述外壳包括依次连接的机壳2、静环座3和端盖4。所述静环座3的左侧端面通过螺钉与所述机壳2固定连接，所述静环座3的右侧端面通过螺钉与所述端盖4固定连接。所述机壳2与所述静环座3的接触面上设有密封圈安装槽一201，所述密封圈安装槽一201内设有密封圈一202。轴端密封装置的左侧为封气侧即高压介质侧，右侧为大气侧即低压侧。

所述静环座3的左侧端面上设有静环一安装槽301、静环二安装槽302和静环三安装槽303，所述静环一安装槽301内设有柔性静环一7，所述静环二安装槽302内设有柔性静环二8，所述静环三安装槽303内设有柔性静环三9。所述柔性静环一7、柔性静环二8、柔性静环三9的直径依次减小，柔性静环一7、柔性静环二8、柔性静环三9与所述转轴1同轴设置。

所述动环座5通过紧定螺钉固定设置在所述转轴1上，所述动环座5上固定设有与所述柔性静环一7、柔性静环二8、柔性静环三9相对应的动环一11、动环二12、动环三13。

各柔性静环包括和对应动环接触密封的摩擦部16以及压力腔17。所述柔性静环一7、柔性静环二8、柔性静环三9均包括外胎层23和内胎层24，所述摩擦部16固定设置在所述外胎层23的端面上，所述内胎层24设置在所述外胎层23内，所述内胎层24的内部腔体为所述压力腔17。

所述压力调节器18内设有调压腔一1801、调压腔二1802、调压腔三1803，所述调压腔一1801与柔性静环一7外周的介质流体腔连通，所述调压腔一1801与柔性静环一7的压力腔17连通，所述调压腔一1801内设有弹簧一19和柱塞一20，所述弹簧一19抵接在所述柱塞一20的一端，使得所述柱塞一20封堵调压腔一1801与柔性静环一7外周介质流体腔的连通口；所述调压腔二1802与所述柔性静环二8和柔性静环一7之间的腔体连通，所述调压腔二1802与柔性静环二8的压力腔17连通，所述调压腔二1802内设有弹簧二21和柱塞二22，所述弹簧二21抵接在所述柱塞二22的一端，使得所述柱塞二22封堵调压腔二1802与所述柔性静环8二和柔性静环一7之间腔体的连通口；所述调压腔三1803与所述柔性静环三9和柔性静环二8之间的腔体连通，所述调压腔三1803与柔性静环三9的压力腔连通，所述调压腔三1803内设有弹簧三26和柱塞三27，所述弹簧三26抵接在所述柱塞三27的一端，使得所述柱塞三27封堵调压腔三1803与所述柔性静环三9和柔性静环二8之间腔体的连通口。

所述摩擦部16呈凸环状。摩擦部16为碳化硅、石墨材料，外胎层23和内胎层24为橡胶材料。所述内胎层24上设有若干连通所述压力腔17与所述外胎层23和内胎层24之间腔体的通孔2401，压力腔17内注压时，气体通过通孔2401进入外胎层23和内胎层24之间腔体。外胎层23和内胎层24的两层内结构起到一定缓冲作用，避免摩擦部16撞碎。

所述柔性静环一7、柔性柔性静环二8、柔性静环三9还包括安装座25，所述外胎层23和内胎层24安装在所述安装座25内，所述外胎层23包括卡接部2301，所述外胎层23通过卡接部2301卡接在所述安装座25内，以避免压力腔17注气的反冲力使得外胎层23和内胎层24脱落。所述内胎层24的右侧端面固定连接在所述外胎层23内表面的右侧面上。

所述摩擦部16的摩擦面上设有若干同轴设置的摩擦环1601。所述摩擦环1601的截面呈半圆形。接触磨损的磨屑可以进入摩擦环1601之间的沟槽内，避免磨屑加快动环端面或者柔性静环摩擦部16的磨损。此外，多个摩擦环1601形成多点密封，端面比压大，密封效果好。

所述摩擦环1601可以做成高度不一致，即波峰不一样高。最高的摩擦环1601波峰磨损后，次高的摩擦环1601波峰在与动环接触。增加了柔性静环的使用寿命。摩擦环1601波峰高度差为0-100微米。进一步的，所述摩擦环1601的高度可设置为由外至内逐渐减小。

所述端盖4与所述转轴1相配合，所述端盖4在与所述转轴1配合的内表面上设有若干个依次排列的截面为三角形的密封齿401。

工作原理：密封装置的左侧为封气侧及高压介质侧，右侧为大气侧及低压侧，高压流体通过柔性静环一7外周的介质流体腔到达柔性静环一7和动环一11的第一级密封。

柔性静环一7是能够向内部的压力腔17注气、注压力的结构，向柔性静环一7压力腔17注气、注压力使得柔性静环一7和动环一11压紧。向柔性静环一7注送的压力是利用介质流体腔的流体介质压力，本发明中，即通过汽轮机内的蒸汽蒸汽压力调节。由于介质流体腔的流体介质压力较大，而柔性静环一7内不需要如此大的压力，故设计了压力调节器18调节进入柔性静环一7压力腔17的流体压力。压力调节器18的原理是通过柱塞一20封堵调压腔一1801与介质流体腔的连通口，当压力达到一定程度时，柱塞一20被推开，连通口释放流体压力进入柔性静环一7的压力腔17，使得柔性静环一7膨胀，柔性静环一7与动环一11压紧。

柔性静环二8和动环二12的第二级密封一开始是不启用的，只有柔性静环二8和柔性静环一7之间的腔体有流体泄漏产生压力时，柔性静环二8才会与动环二12压紧形成一个用于密封的摩擦副。当第一级密封失效时，流体泄漏至柔性静环二8和柔性静环一7之间的腔体，柱塞二22被推开，连通口释放流体压力进入柔性静环二8的压力腔17，使得柔性静环二8膨胀，柔性静环二8与动环二12压紧。上述结构一方面是降低密封产生的摩擦扭矩，以降低功耗，另一方面当第一级密封发生损坏时，第二级密封自动膨胀密封，使得汽轮机整体可靠性得到了提高，密封装置的使用寿命也会得到提升。

柔性静环三9和动环三13的第三级密封一开始是不启用的，只有柔性静环三9和柔性静环二8之间的腔体有流体泄漏产生压力时，柔性静环三9才会与动环三13压紧形成一个用于密封的摩擦副。当第二级密封失效时，流体泄漏至柔性静环三9和柔性静环二8之间的腔体，柱塞三27被推开，连通口释放流体压力进入柔性静环三9的压力腔17，使得柔性静环三9膨胀，柔性静环三9与动环三13压紧。上述结构一方面是降低密封产生的摩擦扭矩，以降低功耗，另一方面当第二级密封发生损坏时，第三级密封自动膨胀密封，使得汽轮机整体可靠性得到了提高，密封装置的使用寿命也会得到提升。

端盖4和转轴1之间还设置了迷宫密封结构，用于防止第一级密封失效后，介质流体直接冲向大气侧。迷宫密封结构是在端盖4与转轴1配合的内表面上设置若干个依次排列的环行密封齿401，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。

除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (8)

1.一种多端面自调控启用的汽轮机轴端密封结构，其特征在于，包括外壳、转轴、动环座以及压力调节器，所述外壳和所述转轴之间设有介质流体腔，所述外壳包括依次连接的机壳和静环座，所述静环座上设有与所述转轴同轴设置的柔性静环一、柔性静环二、柔性静环三，所述柔性静环一、柔性静环二、柔性静环三的直径依次减小，所述动环座固定套设在所述转轴上，所述动环座上固定设有与所述柔性静环一、柔性静环二、柔性静环三相对应的动环一、动环二、动环三，各柔性静环包括和对应动环接触密封的摩擦部以及压力腔，所述压力调节器内设有调压腔一、调压腔二、调压腔三，所述调压腔一与柔性静环一外周的介质流体腔连通，所述调压腔一与柔性静环一的压力腔连通，所述调压腔一内设有弹簧一和柱塞一，所述弹簧一抵接在所述柱塞一的一端，使得所述柱塞一封堵调压腔一与柔性静环一外周介质流体腔的连通口，所述调压腔二与所述柔性静环二和柔性静环一之间的腔体连通，所述调压腔二与柔性静环二的压力腔连通，所述调压腔二内设有弹簧二和柱塞二，所述弹簧二抵接在所述柱塞二的一端，使得所述柱塞二封堵调压腔二与所述柔性静环二和柔性静环一之间腔体的连通口，所述调压腔三与所述柔性静环三和柔性静环二之间的腔体连通，所述调压腔三与柔性静环三的压力腔连通，所述调压腔三内设有弹簧三和柱塞三，所述弹簧三抵接在所述柱塞三的一端，使得所述柱塞三封堵调压腔三与所述柔性静环三和柔性静环二之间腔体的连通口。

2.如权利要求1所述的多端面自调控启用的汽轮机轴端密封结构，其特征在于，所述柔性静环一、柔性静环二、柔性静环三均包括外胎层和内胎层，所述摩擦部固定设置在所述外胎层的端面上，所述内胎层设置在所述外胎层内，所述内胎层的内部腔体为所述压力腔。

3.如权利要求2所述的多端面自调控启用的汽轮机轴端密封结构，其特征在于，所述内胎层上设有若干连通所述压力腔与所述外胎层和内胎层之间腔体的通孔。

4.如权利要求2或3所述的多端面自调控启用的汽轮机轴端密封结构，其特征在于，所述摩擦部的摩擦面上设有若干同轴设置的摩擦环，所述摩擦环的截面呈半圆形。

5.如权利要求4所述的多端面自调控启用的汽轮机轴端密封结构，其特征在于，所述摩擦环的高度不一致。

6.如权利要求5所述的多端面自调控启用的汽轮机轴端密封结构，其特征在于，所述摩擦环的高度由外至内逐渐减小。

7.如权利要求2所述的多端面自调控启用的汽轮机轴端密封结构，其特征在于，所述柔性静环一、柔性柔性静环二、柔性静环三还包括安装座，所述外胎层和内胎层安装在所述安装座内，所述外胎层包括卡接部，所述外胎层通过卡接部卡接在所述安装座内。

8.如权利要求1所述的多端面自调控启用的汽轮机轴端密封结构，其特征在于，所述外壳还包括端盖，所述端盖与所述静环座固定连接，所述端盖与所述转轴相配合，所述端盖在与所述转轴配合的内表面上设有若干个依次排列的截面为三角形的密封齿。

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