CN113316695A - 迷宫式密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种装置，所述装置被构造成密封能够围绕纵向轴线互相旋转的第一涡轮机部件与第二涡轮机部件之间的周向间隙。所述装置设置有连接到所述第一涡轮机部件的第一密封元件和具有内部部分的第二密封元件，所述内部部分设置有朝向所述第二机器部件延伸的多个突出部，以在所述涡轮机的高压区域与低压区域之间限定迷宫式密封件的齿状物。所述第二密封元件的外部部分通过弹性元件连接到所述第一密封元件。位于所述第一密封元件与所述第二密封元件之间的一个或多个压力室与所述涡轮机的处理流体流体连通，以获得在间隙闭合的方向上作用于所述第二密封元件的所述外部部分上的力。

Description

迷宫式密封装置

说明书

背景技术

本文所公开的主题的实施方案整体涉及涡轮机，并且更具体地，涉及用于改善涡轮机的性能和转子动力学的装置和方法。通常使用迷宫式密封件以便在涡轮机诸如泵、离心式压缩机和涡轮中以不同的压力密封两个区域。迷宫式密封件包括多个沟槽或齿状物，这些沟槽或齿状物在涡轮机的固定部分或“定子”与旋转部分或“转子”之间形成曲折路径或“迷宫”。迷宫式密封件可以是定子式的，其中齿状物形成在定子上，也可以是转子式的，其中齿状物形成在转子上。迷宫式密封件的沟槽或齿状物和相对表面阻止流体从高压区域通过迷宫式密封件流到低压区域。然而，迷宫式沟槽或齿状物与相对表面之间的空间或空隙是必要的，以允许转子的旋转。因此，虽然迷宫式密封件阻止流体流动，但由于迷宫式密封件上的压差，该空隙允许高压流体从高压区域通过空隙渗漏到低压区域。迷宫式密封件一般被设计成容纳这种渗漏。

通过迷宫式密封件的渗漏流可通过减小空隙来减少。为此，已经开发出可研磨的迷宫式密封件。定子迷宫式密封件是定子式的迷宫式密封件，其中定子齿状物由较软的材料诸如铝形成，以便在接触的情况下保持转子。然而，这会损坏齿状物并因此增加空隙，随后丧失性能。

出于这些原因，在标准解决方案中，空隙被设计成足够大以避免接触，尤其是在临界速度(即转子经历最大振动时的共振速度)的交叉期间。然而，当涡轮机处于具有满负载的操作条件下时，这导致高渗漏，通常操作速度远离临界速度。

为了克服这一缺点，离心式压缩机设计的现有技术是使用替代材料如热塑性塑料，以便吸收转子的冲击而不损坏密封件的齿状物。在设计阶段，空隙可保持较低，因为齿状物的弹性变形允许在接触之后返回到初始空隙。

然而，为了避免与转子接触，这并非迷宫式密封件的唯一要求。在各种工作条件(即速度和压力)下也要保证最佳空隙。

US 8002285中公开的光环密封件允许根据压力设定可变空隙，特别是通过使用弹簧元件随压力减小密封空隙。然而，这些密封件很昂贵，具有如上所述的任何金属密封件典型的转子接触问题，并且由于它们的小轴向尺寸，仅在堆叠时才能在高压应用中起作用，从而使所得的结构复杂化并显著增加成本。

因此，需要一种能够在各种工作条件下调节空隙的顺应性密封件，该顺应性密封件便宜且易于制造。

发明内容

根据第一示例性实施方案，描述了被构造成密封第一涡轮机部件与可相对于第一涡轮机部件围绕纵向轴线旋转的第二涡轮机部件之间的周向间隙的装置。该装置包括两个密封元件：连接到第一涡轮机部件的第一密封元件，以及第二密封元件。第二密封元件继而具有内部部分和外部部分。第二密封元件的内部部分设置有朝向第二机器部件延伸的多个突出部，以在涡轮机的高压区域与低压区域之间限定迷宫式密封件的齿状物。第二密封元件的外部部分通过弹性元件连接到第一密封元件，以允许第一密封元件与第二密封元件之间的距离根据作用于涡轮机部件上的流体动力而变化。该装置可包括一个或多个压力室，所述一个或多个压力室位于第一密封元件与第二密封元件之间并且被构造成与涡轮机的处理流体流体连通，以从这种流体连通获得在间隙闭合方向上作用于第二密封元件的外部部分上的力，从而使空隙自动地适应于各种操作条件。

在一个实施方案中，装置的至少一个压力室通过第一密封元件和/或第二密封元件中的一个或多个通路与涡轮机的处理流体连通，具体地，第二密封元件包括限定通道的周向狭槽，该通道使装置的至少一个压力室与涡轮机的处理流体流体连通。

在一个实施方案中，狭槽至少部分地位于涡轮机的高压区域中。在另一个实施方案中，至少一个通路位于迷宫式密封件的一对连续齿状物之间，以收集具有介于涡轮机的高压区与低压区之间的中间压力的流体。这允许调节作用于密封件上的力，以最佳地适应各种工作条件。

在一个示例中，更多通路可被设置成与连续压力室流体连通，以收集具有不同压力的流体，从而获得作用于第二密封元件的外部部分上的强度从涡轮机的高压区到低压区减小的力。

在一个实施方案中，提供至少一个止动元件以限制第二密封元件远离第一密封元件朝向第二涡轮机部件的移动，从而设定间隙闭合的阈值。更加沿轴向间隔开的止动元件可有利地用于改进锁定动作。这允许使用刚性较小的材料或设计，从而使得密封件对低压更具反应性。

对于第二密封元件的内部部分和外部部分之间没有压差的情况，通过有利地将第二密封元件构造成与第一密封元件间隔开以限定初始间隙来确保足够的空隙，该初始间隙随着压差的增加而逐渐减小，直到达到阈值。

在一个实施方案中，第二密封元件是铰接在第一密封元件处的可弹性变形的元件，第一密封元件与第二密封元件之间的可变距离取决于第二密封元件相对于第一密封元件的变形。

附图说明

通过下面结合附图考虑的示例性实施方案的描述，本发明的各方面将变得更加显而易见，其中：

图1是汇总各种参数对不同工作条件下迷宫式密封件中的空隙间隙的影响的表；

图2、图3和图4示出了根据本文的实施方案的迷宫式密封件的示意图；

图5示出了根据本文的实施方案的装置中的密封件变形对比压差的行为；

图6示出了根据本文的实施方案的迷宫式密封件的剖视图；

图7示出了与图6相同的视图，其中密封元件处于其最大变形状态；

图8示出了根据采用一种单一材料的实施方案的迷宫式密封件的一部分的透视图；并且

图9和图10示出了根据采用双材料的实施方案的迷宫式密封件的一部分的透视图。

示例性实施方案的以下描述参照附图。不同附图中的相同参考标号标识相同或类似的元件。以下具体实施方式不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。

具体实施方式

涡轮机包括相对于彼此旋转的部分和部件，其中接口区域保持在极为不同的操作压力下。因此，使用有效的密封件对于避免工艺流体的渗漏、性能损失和对涡轮机的各部分的损坏至关重要。迷宫式密封件是一种机械密封件，其提供曲折路径以帮助防止渗漏，并且通常用于密封涡轮机的旋转部件。本文所述的实施方案提供了一种迷宫式密封装置，该迷宫式密封装置被构造成密封(或可密封)可相互旋转的涡轮机部件之间的周向间隙。该装置包括两个密封元件：可连接到第一涡轮机部件的第一密封元件，以及第二密封元件。第二密封元件继而具有内部部分和外部部分。内部部分设置有多个突出部，所述多个突出部朝向第二机器部件延伸以限定迷宫式密封件的齿状物。外部部分通过弹性元件连接到第一密封元件，以允许第一密封元件与第二密封元件之间的距离根据作用于涡轮机部件上的流体动力而变化，从而允许更大的使用效率和灵活性。

通过查看图1的表可认识到，迷宫式密封件与转子之间的空隙间隙受若干参数的影响。其中，转子速度(离心力)、转子振动和温度/压力起到关键作用。因此，适当的设计将需要考虑密封件的以下要求：

1.耐受意料不到的振动和偏离设计的状态；

2.在无压力情况下(诸如在第1临界速度交叉处)具有正间隙；

3.在工厂接受测试情况下具有最小间隙；

4.在正常压力情况(现场条件)下具有最小间隙。

根据本文的实施方案的密封装置允许以小于1巴的压差到达操作间隙并保持其被控制直到最大压力。

在这种程度上，通过刚度较低的材料和刚度较低的设计在部件中引入弹性。图2以示例性方式示出了以字母A至F3标注的可能的替代方案：

A-迷宫式密封件，其中弹性介质位于齿状物与用作减震器的外壳之间。弹性介质应当与外壳和密封件完全密封；

B-具有多个弹簧的迷宫式密封件。环形弹簧状设计是可能的，例如，通过焊接或钎焊或通过增材制造来接合不同的部件。弹性系统的形状可以是“V形”、“C形”、“S形”或能够在系统中引入弹性的任何形状；

C-类似于B，仅具有一个弹簧。弹性元件的数目应当适合于所期望的刚度，并且可相应地有变化；

D-类似于B，其中添加了将高压区(p2)连接到中间室的通道以便通过压力控制间隙闭合。中间室需要彼此密封和隔离；

E-类似于D，有可能在较高压力(p2-δΔp1)下将密封件的中间室与给定的中间迷宫式间隙连接；

F-具有弹性壁的迷宫式密封件；

F1-类似于F，其中中间室可用如E中的中间压力加压；

F2-类似于F，其中中间室可用高压(p2)或低压(p1)通过竖直壁上的孔加压。这些孔可被适当地成形以便在壁中引入一些弹性；

F3-单壁型式，以具有更大的灵活性。

同样限定中间室的弹性元件的数目是设计参数以及压力连接点。

图3示出了具有分别与高压p2和p2-δΔp1连接的两个中间室的更复杂的构造。

参考该图所示的实施方案，密封件1是包括连接到第一涡轮机部件2(例如定子)的第一密封元件101和与第二涡轮机部件3(例如转子)联接的第二密封元件201的装置。第二密封元件201具有内部部分301和外部部分401。第二密封元件201的内部部分301具有朝向第二机器部件2延伸的多个突出部501，以在涡轮机的分别用p2和p1指示的高压区域与低压区域之间限定迷宫式密封件的齿状物。在该实施方案中，第二密封元件201的外部部分401通过限定两个压力室701、701’的三个弹性元件601、601’、601”与第一密封元件101联接，以允许第一密封元件101与第二密封元件201之间的距离根据作用于涡轮机部件上的流体动力而变化。位于第一密封元件101与第二密封元件201之间的压力室701、701’与涡轮机的处理流体流体连通，以获得在间隙闭合的方向上(如图3中的箭头所示)作用于第二密封元件201的外部部分401的力，从而使密封件与转子之间的空隙d自动地适应于各种操作条件。

根据设计约束，弹性元件和中间室可为任何数目，并且可呈现如例如图2所示的那些的任何形状。这意味着弹性元件可为具有或不具有中间室的壁、弹簧或它们的组合的形式，所述中间室可通过壁和/或密封元件中的孔触及，从而获得用于需要如此的那些实施方案的最适当的中间压力。

回到图1的表，应当注意，最佳密封件需要满足在第1临界速度下具有大间隙、在非常低的压力下具有小间隙以及在高压下也具有小间隙的要求。这得到柔性密封件(以在低压下适当工作)，但也得到刚性密封件(以在全压下适当工作)。这些对比需求通过使用机械止动件801来平衡，以便如在图4所示的实施方案中那样包含给定压力以上的变形。

机械止动件将密封件变形锁定到给定值，如图5所示。在该图的曲线图中，X轴是沿间隙闭合的方向作用于第二密封元件上的压差DP，而Y轴是密封件的变形，即密封件与转子之间的空隙间隙。通过调节止动件的初始间隙来设定DP＝0处的值，曲线的悬垂度由根据熟知的胡克定律的材料的弹性来确定，而大于锁定压力的DP值的饱和度归因于止动件的动作，该动作提供变形的阈值。

因此，最大允许间隙由机械止动件的设计控制，而锁定压力由系统刚度(弹性常数)和内部锁定系统中的初始间隙控制。

在有利的构型中，锁定压力也可通过使用室中的适当压力来控制，所述适当压力通过使用与中间压力连接的一个或多个通道以不同的纵向距离从迷宫式密封件溢出流体来实现，如上文参考图3所述。该图所示的值Δp1、Δp2、Δp3表示处理流体在从涡轮机的高压侧(p2)移动到低压侧(p1)时遇到的压降。

通过作用于中间室的压力，可以在不同的锁定压力下达到锁定状态，从而提供强大的细调机构。

在一个实施方案中，参见图6至图10，第二密封元件是铰接在第一密封元件处的可弹性变形的元件，并且第一密封元件与第二密封元件之间的可变距离取决于第二密封元件相对于第一密封元件的变形。因此，被构造成允许第一密封元件与第二密封元件之间的距离根据作用于涡轮机部件上的流体动力而变化的弹性元件分布在密封件的几乎整个长度上。

现在参见图8、图9和图10，根据本公开的实施方案的密封装置1旨在形成两个相对旋转的部件(即，固定的定子2和旋转的转子3)之间的周向间隙的密封。该装置可在其中高压区域与低压区域之间存在连接的任何类型的涡轮机中实现。例如，装置1可在离心式压缩机、膨胀器、涡轮、泵等中实现。

装置1包括由径向切口901周向间隔开的至少一个但优选地多个相邻的迷宫式密封件201(在本文中也称为转子部分或第二密封元件)，所述径向切口位于沿转子3的外表面的非接触位置中。

形成迷宫式密封件的齿状物501的多个沟槽可被加工，或以特别有利的构型通过增材制造生长，使得形成于沟槽之间并由沟槽形成的具有较高高度的部分(也称为“齿状物”)具有符合装置应用的任何要求的轮廓。例如，齿状物轮廓可为正方形、梯形、三角形或可有益于装置的特定应用的任何其他形状。

迷宫式密封件201在一个末端4处铰接到涡轮机的定子部分101(在本公开中也称为第一密封元件)，以允许密封装置的弹性变形，如图6和图7最佳所示。

定子部分101具有用于接纳迷宫式密封件201的对应周向突起6的周向凹口5，周向凹口5和周向突起6具有对应的倾斜邻接表面7、8，从而限制凹口5中的突起6在径向方向上的偏移以形成第一止动件801。

第二止动件801’可以倾斜邻接表面的形式设置在与铰接末端4相对的定子部分101中，该倾斜邻接表面与迷宫式密封件201的对应倾斜部分联接，以进一步限制装置在高压下的变形，如图7最佳所示。

每个迷宫式密封件201可具有限定通道的周向狭槽9，该通道使密封件1的定子部分101和转子部分201之间的空间与涡轮机的处理流体流体连通。所述狭槽9可有利地仅在每个迷宫式密封件201的周向延伸部的一部分上周向延伸，以精细控制中间压力对密封装置变形的影响。

密封装置1的定子部分101和转子部分201可有利地具有相同的材料，特别是金属材料诸如铝、增强PEEK等，如图8所示。

另选地，密封装置的定子部分101和转子部分201可有利地具有不同的材料，如图9所示。

在另一个实施方案中，迷宫式密封件的定子部分101和外部部分301具有相同的材料，而迷宫式密封件501的齿状物具有不同的材料，如图10所示。齿状物可例如具有热塑性材料，而密封元件的其余部分可具有金属材料诸如铝、钢、镍合金等。例如，将齿状物插入金属卡座中并胶合。

在一些实施方案中，密封装置501的齿状物部可由可研磨材料制成，或者另选地，在一些其他实施方案中，齿状物可具有形成在其表面上的可研磨涂层，该可研磨涂层与转子相对设置并且与转子呈密封关系。

由例如金属的卡座和热塑性材料的齿状物构成的双材料密封解决方案是特别有利的，因为它们允许保持变形受控并且保护轴免于接触，特别是在高压下，从而最小化昂贵材料的体积。

在特别有利的构型中，密封元件或其部分通过增材制造工艺来实现。

术语“增材制造”是指一次生长一层三维物体的技术。每个连续层粘结到前一熔融或部分熔融的材料层。有可能使用不同的物质来分层材料，包括金属粉末、热塑性塑料、陶瓷、复合材料、玻璃以及甚至可食料如巧克力。

物体由用于创建.stl文件的计算机辅助设计(CAD)软件以数字方式定义，该.stl文件基本上将物体“切片”成超薄层。该信息引导喷嘴或打印头的路径，因为其将材料精确地沉积在前一层上。或者，激光或电子束在粉末材料床中选择性地熔融或部分熔融。在材料冷却或固化时，它们熔合在一起以形成三维物体。

由于增材制造技术，可获得特别是齿状物的任何几何形状，并且通常可获得密封装置的任何部分的几何形状，从而允许优化设计并包含总成本。

结果得到顺应性密封件，该顺应性密封件耐受摩擦和接触，并且由于在低压下(如在ASME PTC10 II型测试期间)而闭合间隙。事实上，可获得已从0.6巴的压差开始(在较高压力下具有强限制)的更紧密的间隙，以实现非常强大的装置，特别是当使用从各种迷宫式区域溢出的压力来精细控制锁定压力时。

本说明书通篇对“一个实施方案”或“实施方案”的提及意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在本说明书通篇多处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。

Claims (17)

1.一种装置(1)，所述装置被构造成密封第一涡轮机部件(2)与第二涡轮机部件(3)之间的周向间隙，所述第二涡轮机部件能够相对于所述第一涡轮机部件围绕纵向轴线旋转，所述装置包括：连接到所述第一涡轮机部件(2)的第一密封元件(101)，以及第二密封元件(201)，其中所述第二密封元件(201)具有内部部分(301)和外部部分(401)，所述第二密封元件(201)的所述内部部分(301)具有多个突出部，所述多个突出部朝向所述第二机器部件延伸以在所述涡轮机的高压区域(p2)与低压区域(p1)之间限定迷宫式密封件(501)的齿状物，所述第二密封元件(201)的所述外部部分(401)与所述第一密封元件(101)弹性联接，以允许所述第一密封元件(101)与所述第二密封元件(201)之间的距离根据作用于所述涡轮机部件上的流体动力而变化，其中

一个或多个压力室(701)位于所述第一密封元件(101)与所述第二密封元件(201)之间，并且被构造成与所述涡轮机的处理流体流体连通，以从这种流体连通获得在间隙闭合方向上作用于所述第二密封元件(201)的所述外部部分上的力。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置的至少一个压力室(701)通过所述第一密封元件和/或所述第二密封元件中的一个或多个通路(9,9’)与所述涡轮机的所述处理流体连通。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第二密封元件(201)包括限定通道的周向狭槽(9)，所述通道使所述密封件的至少一个压力室(701)与所述涡轮机的所述处理流体流体连通。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述狭槽(9)至少部分地位于所述涡轮机的所述高压区域中。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其中至少一个通路(9’)位于所述迷宫式密封件的一对连续齿状物之间，以收集具有介于所述涡轮机的所述高压区与所述低压区之间的中间压力的流体。

6.根据权利要求5所述的装置，其中更多通路(9,9’)被设置成与连续压力室(701,701’)流体连通，以收集具有不同压力的流体，从而获得作用于所述第二密封元件(201)的所述外部部分(401)上的强度从所述涡轮机的所述高压区到所述低压区减小的力。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括至少一个止动元件(801)以限制所述第二密封元件(201)远离所述第一密封元件(101)朝向所述第二涡轮机部件(3)的移动，从而设定间隙闭合的阈值。

8.根据权利要求7所述的装置，包括轴向间隔开的至少两个止动元件(801,801’)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，对于所述第二密封元件(201)的所述内部部分与所述外部部分之间没有压差的情况，所述第二密封元件(201)被构造成与所述第一密封元件(101)间隔开以限定初始间隙，所述初始间隙随着压差的增加而逐渐减小，直到达到所述阈值。

10.根据前述权利要求中一项或多项所述的装置，其中所述第二密封元件(201)是铰接在所述第一密封元件(101)处的可弹性变形的元件(4)，所述第一密封元件(101)与所述第二密封元件(201)之间的可变距离取决于所述第二密封元件相对于所述第一密封元件的变形。

11.根据前述权利要求中一项或多项所述的装置，其中所述第一密封元件(101)具有用于接纳所述第二密封元件(201)的对应周向突起(6)的周向凹口(5)，所述周向凹口和所述周向突起具有对应的倾斜邻接表面(7,8)，从而限制所述凹口(5)中的所述突起(6)在径向方向上的偏移。

12.根据前述权利要求中一项或多项所述的装置，其中所述第一密封元件(101)和所述第二密封元件(201)具有相同的材料，特别是金属材料诸如铝、钢、镍基合金或热塑性材料如增强PEEK。

13.根据前述权利要求中一项或多项所述的装置，其中所述第一密封元件(101)和所述第二密封元件(201)的外部部分(401)具有相同的材料，所述第二密封元件(201)的所述内部部分(301)、具体地所述迷宫式密封件(501)的所述齿状物具有不同的材料。

14.根据权利要求12所述的装置，其中所述齿状物具有热塑性材料，而所述密封元件的其余部分具有金属材料诸如铝、钢、镍合金。

15.根据前述权利要求中一项或多项所述的装置，其中所述密封元件或其部分通过增材制造工艺形成。

16.根据前述权利要求中一项或多项所述的装置，其特征在于包括由径向切口(901)周向隔开的多个相邻的第二密封元件(201)。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述多个第二密封元件中的每个第二密封元件具有限定通道的周向狭槽(9)，所述通道使所述装置的至少一个压力室与所述涡轮机的处理流体流体连通，所述狭槽(9)仅在所述第二密封元件的周向延伸部的一部分上周向延伸。

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