CN211715768U - 透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，该后置隔离密封装置设置在干气密封组件和轴承箱之间，包括碳环密封单元以及流体动压型密封单元，其中，碳环密封单元设置在干气密封组件和流体动压型密封单元之间，流体动压型密封单元包括旋转组件和静止组件，旋转组件套设在主轴外侧，并随着主轴高速旋转，静止组件环绕主轴布置，且和壳体固定，旋转组件的一个端面和静止组件的一个端面贴合并形成密封面，密封面与主轴轴向垂直，在旋转组件的端面上设有流体动压槽。与现有技术相比，本申请的密封装置应用在透平机械上，可以实现轴承侧润滑油向干气密封的零泄漏，且对隔离气损耗较小。

Description

透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置

技术领域

本实用新型涉及机械密封技术领域，具体涉及一种透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置。

背景技术

透平机械包括透平压缩机(如离心压缩机、轴流压缩机)与透平膨胀机，都是高速旋转设备，也是石油、化工等装置的核心关键设备。目前透平机械普遍采用干气密封，即干运转、气体润滑、非接触式机械密封，作为其轴端密封。不管是单端面干气密封、双端面干气密封、串联式干气密封、带中间迷宫的串联式干气密封，都需要采用后置隔离密封来隔离干气密封与轴承箱，防止轴承箱中润滑油因主轴的高速旋转而产生的润滑油气通过轴向扩散污染干气密封的外侧密封，导致干气密封失效。

目前后置隔离密封常用的密封形式为非接触的迷宫密封(或称梳齿密封)和分瓣碳环密封。迷宫密封是通过节流降压来实现密封的，其优点是非接触，工作间隙大，可靠性高；但缺点是隔离气消耗量大，封堵轴承润滑油气的效果较差。分瓣碳环密封也是一种节流降压型密封，有接触式分瓣碳环密封和非接触式分瓣碳环密封，由于碳环密封的工作间隙相对于迷宫密封更小，其隔离气消耗量更小，其封堵轴承润滑油气的效果更好。但接触式碳环密封，在投用初期有一段时间的跑合期，跑合期碳环会有一定的磨损，磨损量和隔离气氮气的露点有关，露点越低，氮气越干，其磨损量越大。有时跑合期磨损下来的碳石墨粉沫可能会导致干气密封外侧密封的失效。

非接触式碳环密封的静态泄漏量偏大，而且其隔离气的消耗量对碳环密封处的温度非常敏感。对于一些特殊的工况，如轴承离干气密封轴向距离太近；轴承排油口位置设计不合理；轴承进油压力过高；轴承箱回油口过小、回油流动不畅等，迷宫密封和碳环密封都可能存在隔离气短路现象，导致轴承润滑油或润滑油气进入干气密封的外侧密封，污染干气密封，引起干气密封的失效。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供密封效果好的透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置。

为了实现本实用新型之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，所述后置隔离密封装置位于所述透平机械中的干气密封组件和轴承箱之间，所述透平机械设有高速旋转的主轴，所述后置隔离密封装置包括碳环密封单元以及流体动压型密封单元，其中，所述碳环密封单元设置在干气密封组件和流体动压型密封单元之间，所述流体动压型密封单元包括旋转组件和静止组件，所述主轴上设有锁母，其中，所述旋转组件的两端分别被锁母以及干气密封组件的旋转部分夹持，且所述旋转组件套设在主轴外侧，并随着主轴高速旋转，所述静止组件环绕所述主轴布置，且和所述透平机械的壳体固定，所述旋转组件的一个端面和所述静止组件的一个端面贴合并形成密封面，所述密封面与主轴轴向垂直，在所述旋转组件的端面上设有流体动压槽。

在本申请中，当透平机高速旋转时，隔离气分成两股，一股进入碳环密封单元中隔离干气密封中外侧密封的泄漏，另一股进入流体动压型密封单元中，此时，所述旋转组件在锁母及干气密封组件的旋转部分夹持下，随着主轴一起高速旋转，由于所述旋转组件与所述静止组件接触的端面上设有流体动压槽，因此旋转组件高速旋转时，会在所述旋转组件和所述静止组件之间(即密封面)形成一层微米级的气膜，对密封面起着润滑和隔离的作用，实现密封的非接触运转。由于透平机械的转速非常高，密封面这层极薄的气膜刚度非常大，能有效地隔离轴承侧的润滑油气，即使隔离气的供气压力低于轴承侧的油气压力，也能保证轴承侧润滑油气向干气密封的零泄漏，从而保证干气密封长周期稳定运转。在本申请中描述的干气密封组件的旋转部分可以为干气密封组件的压紧套等部件，根据实际设备的不同可进行选择，均为现有技术。

在第一方面的一种优选方案中，所述旋转组件包括动环、轴套和压紧套，所述轴套、压紧套均呈环状且均套设在所述主轴外部，其中，所述轴套与压紧套通过内六角螺钉固定，所述轴套的尾端与锁母抵接，所述压紧套的前端与干气密封组件的旋转部分抵接，所述动环通过传动销与所述轴套固定并同步转动。

在第一方面的一种优选方案中，所述轴套包括同轴且一体化设置的第一环和第二环，所述第二环的尾端与锁母抵接，第二环的前端与第一环的尾端一体化连接，所述动环的尾端与第二环的前端贴合，通过所述传动销进行传动，通过密封圈密封，所述动环的内缘与所述第一环的外缘抵接。

在第一方面的一种优选方案中，所述压紧套的尾端且与主轴接触处设有一凹槽，所述第一环的前端插入凹槽中且与槽壁抵接，所述凹槽的槽底通过内六角螺钉与所述第一环的前端固定，所述压紧套的尾端与所述动环的前端抵接。

在第一方面的一种优选方案中，所述动环的内缘与所述第一环的外缘之间设有定心波纹带。由于动环在工作时处于高速旋转的状态，因此非常小的偏心都会造成附加的振动，从而影响整个设备的动力学性能。本申请在动环和第一环之间加入定心波纹带，可以消除两者之间的缝隙，从而保证动环与主轴同轴心，确保其运行稳定性。优选的，定心波纹带为市售的高合金材料公差带。

在第一方面的一种优选方案中，所述轴套与主轴之间设有O型圈。

在第一方面的一种优选方案中，所述动环前端的端面通过喷涂或堆焊的方式附着一层耐磨层，并在所述耐磨层内侧设置环状的流体动压槽，所述流体动压槽为单向旋转的槽型或双向旋转的槽型，所述单向旋转的槽型包括圆弧槽、螺旋槽等，所述双向旋转的槽型包括U型槽、T型槽等。旋转件基体材料优先推荐高强度的沉淀硬化不锈钢，对于转速不是很高的工况可以选用马氏体不锈钢或双相钢；耐磨层可以是超音速火焰喷涂的硬质合金，也可以是表面堆焊的硬质合金。

在第一方面的一种优选方案中，所述耐磨层的外侧为无槽的坝区。

在第一方面的一种优选方案中，所述流体动压槽的槽深为3～20μm。

在第一方面的一种优选方案中，位于外侧的所述坝区的径向宽度为所述密封面宽度的0.2～0.7。当坝区的宽度太小，流体动压槽形成的气膜过厚，隔离气容易越过坝区向外泄漏，从而降低密封的性能；当坝区宽度太大，意味着流体动压槽的径向宽度小，不易形成气膜，也会影响密封的使用寿命和性能。

在第一方面的一种优选方案中，所述静止组件包括弹簧座、弹簧、推环和静环，所述弹簧座通过内六角螺钉与壳体固定；所述静环尾端的端面与动环前端的端面贴合并并形成密封面，所述推环的前端与弹簧的后端贴合，所述弹簧的前端与所述弹簧座上的弹簧孔底部端面贴合。在所述推环、静环与弹簧座配合处设有密封圈。依靠弹簧的轴向压紧力和隔离气的气体压力来实现静环端面与动环端面的贴合。更优选的，静环的材料为优质浸树脂碳石墨或浸锑碳石墨。

在第一方面的一种优选方案中，所述弹簧座内设有隔离气通道，隔离气通过隔离通道进入所述静环的内径处。。弹簧座隔离气通道出来的隔离气被分成两股，其中一股进入静环内径与压紧套外径之间的腔室，然后进入流体动压槽中，利用流体动压槽产生的流体动压效应，将内径处的隔离气向外泵送，从而在密封面间形成一层微米量级的气膜，对密封面起着润滑和隔离的作用，实现密封的非接触运转。

在第一方面的一种优选方案中，所述弹簧座和推环之间设有销，并通过销防止弹簧座和推环之间发生转动。更优选的，推环在轴向具有限位结构，便于静止组件的安装，防止装配时推环和O型圈被弹簧推出弹簧座。

在第一方面的一种优选方案中，所述推环和静环之间设有销，并通过销防止推环和静环之间发生转动。该设置保证了在工作状态下，静环、推环都是保持静止的。

在第一方面的一种优选方案中，所述推环和静环与弹簧座的配合面设有O型圈。

在第一方面的一种优选方案中，所述弹簧座与壳体的配合面设有O型圈。

在第一方面的一种优选方案中，所述弹簧座的尾端呈喇叭口形状，该设置有利于润滑油的排除。

在第一方面的一种优选方案中，所述壳体上设有挡油环，所述锁母上设置甩油环，这两个设置能够防止或减少轴承侧润滑油向后置隔离密封处的扩散或喷溅。

在第一方面的一种优选方案中，所述碳环密封单元包括分瓣碳环和压盖，多个所述分瓣碳环外壁通过拉伸弹簧箍住并呈圆环状，所述分瓣碳环的内壁与所述压紧套配合，所述压盖通过内六角螺钉与弹簧座固定，且所述压盖与弹簧座之间设有O型圈，所述分瓣碳环前端的端面与压盖尾端的端面贴合，所述分瓣碳环尾端的端面与弹簧座端面轴向有一小间隙以保证分瓣碳环的浮动性，并通过销防止分瓣碳环和弹簧座发生转动。从弹簧座隔离气通道出来的隔离气被分成两股，其中一股通过分瓣碳环与压紧套之间的微小缝隙，进入干气密封的外侧密封泄漏腔，起到对干气密封外侧密封泄漏气的隔离作用。

更优选的，压紧套上与内侧分瓣碳环对应表面进行耐磨涂层喷涂处理，减少分瓣碳环的磨损，提高使用寿命。内侧碳环密封可增加轴向压缩弹簧，进一步提高碳环密封工作的稳定性，减小碳环密封的泄漏量。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)本申请在干气密封组件和轴承箱之间设置了碳环密封和流体动压型密封两种密封的组合形式，简化了纯流体动压型密封中静环和动环的结构，特别适用于径向空间比较较小的场合；

(2)由于静环和动环之间间隙极小，且密封压差低，故隔离气的消耗量非常小的，即通过该流体动压型的后置隔离密封装置，仅仅靠极低的隔离气消耗量，就能保证轴承侧润滑油气向透平机械干气密封的零泄漏；

(3)即使隔离气压力波动，甚至其压力低于轴承侧润滑油气的压力，该后置隔离密封装置也能正常工作，确保干气密封不会被油气污染而失效。

附图说明

图1为本申请中密封装置的结构示意图；

图2为本申请中动环前端设置的一种单向旋转的槽型流体动压槽的形状示意图；

图3为本申请中动环前端设置的另一种单向旋转的槽型流体动压槽的形状示意图；

图4为本申请中动环前端设置的双向旋转槽型的流体动压槽的形状示意图。

在附图中，1为轴套，2为传动销，3为动环，4为静环，5为弹簧座，6为弹簧，7为压紧套，8为O型圈，9为O型圈，10为定心波纹带，11为锁母，12为推环，13为O型圈，14为O型圈，15为销，16为销，17为内六角螺钉，18为拉伸弹簧，19为分瓣碳环，20为压盖，21为内六角螺钉，22为挡油环，23为内六角螺钉，24为垫圈，25为主轴，26为壳体，27为第一环，28为第二环，29为甩油环，30为流体动压槽，31为外侧坝区。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

以下将描述本实用新型的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本实用新型的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本实用新型的保护范围之内。

在本申请描述中，所有的前端均为图1中的介质侧，即干气密封组件所在的一侧，所有的尾端均为图1中的轴承侧，即轴承箱所在的一侧。

实施例

下面将对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，其结构如图1所示，该密封装置介于干气密封组件与轴承箱之间，包括碳环密封单元以及流体动压型密封单元，其中，流体动压型密封单元由旋转组件和静止组件两大部分组成。

旋转组件包括动环3、轴套1、压紧套7、定心波纹带10、若干O形圈、传动销2、若干内六角螺钉等，其中，压紧套7通过内六角螺钉17与轴套1连接成一体，具体来说，轴套1包括同轴且一体化设置的第一环27和第二环28，压紧套7的尾端且与主轴25接触处设有一凹槽，第一环27的前端插入凹槽中且与槽壁抵接，凹槽的槽底通过内六角螺钉17与第一环27的前端固定，第二环28的前端与第一环27的尾端一体化连接，动环3的尾端与第二环28的前端通过传动销2固定，动环3的内缘与所述第一环27的外缘抵接，并在两者之间设有定心波纹带10，第二环28的尾端与锁母11抵接，压紧套7的前端与干气密封组件的旋转部分抵接，并通过销16固定。通过干气密封组件和锁母11的轴向压紧，向轴套1及压紧套7传递扭矩，使轴套1、压紧套7与主轴25一起高速旋转。轴套1又通过传动销2来给动环3传递扭矩，使动环3与轴套1一起高速旋转。动环3由金属件制成，密封端面处喷涂或堆焊高硬度耐磨涂层，在涂层或堆焊层上用特殊加工方式加工出沿周向均匀分布的微米量级的流体动压槽30；在本实施例中，流体动压槽30是单向的螺旋槽，如图2或图3所示，流体动压槽30的外侧为无槽的外侧坝区31。另外，轴套1与主轴25之间设有O型圈8，动环3和第二环28之间设有O型圈9。

在其他实施例中，流体动压槽也可为双向旋转的槽型，如图4所示，为T型槽。

静止组件由碳石墨制成的静环4、推环12、弹簧6、若干O型圈、弹簧座5、若干销以及若干内六角螺钉构成，依靠弹簧6的轴向压紧力和隔离气的气体压力来实现静环4端面与动环3端面的贴合。具体来说，弹簧座5通过内六角螺钉与壳体26固定，并在两者之间设置O型圈。弹簧座5内设有推环12、弹簧6以及静环4，其中，推环12的前端与弹簧6的后端贴合，弹簧6的前端与弹簧座5内的弹簧孔底部贴合；推环12的尾端与静环4的前端抵接，同时，在推环12和静环4与弹簧座5的配合面上设有O型圈13静环4靠近主轴25轴心的一端(即静环的内径处)位于流体动压槽30的入口位置。静环4的尾端与动环3的前端贴合并形成密封面。

在本实施例中，碳环密封单元包括分瓣碳环19和压盖20，多个分瓣碳环19外壁通过拉伸弹簧18箍住并呈圆环状，分瓣碳环19的内壁与所述压紧套贴合，压盖20通过内六角螺钉21与弹簧座5固定，分瓣碳环19前端的端面与压盖20尾端的端面贴合，分瓣碳环19尾端的端面与弹簧座5端面轴向有一小间隙以保证分瓣碳环的浮动性。在本实施例中，分瓣碳环19、弹簧座5、推环12以及静环4通过销15限位，以防止相互之间发生转动。在压盖20和弹簧座5之间设有O型圈14。

另外，弹簧座5通过内六角螺钉23以及垫圈24与壳体26固定，在壳体26上设置挡油环22，在锁母11上设置甩油环29，且弹簧座5的尾端呈喇叭口形状，以防止或减少轴承侧润滑油向流体动压型密封单元处的扩散或喷溅，并能及时排出。

在透平机械工作时，动环高速旋转，隔离气经弹簧座内设置的隔离气通道，然后分成两股，分别进入碳环密封单元和流体动压型密封单元。进入碳环密封单元的那一股隔离气经过分瓣碳环与压紧套之间的微小间隙，进入干气密封的外侧密封泄漏腔，起到对干气密封外侧密封泄漏气的隔离作用。进入流体动压型密封单元的那一股隔离气，经过静环与压紧套之间的腔室进入流体动压槽中，利用流体动压槽产生的流体动压效应，将内径处的隔离气向外泵送，从而在密封端面间形成一层微米量级的气膜，对密封端面起着润滑和隔离的作用，实现密封的非接触运转。在图1中看，隔离气从A点进入弹簧座，在B点分成两股，一股经过分瓣碳环来到C点，通过碳环密封向内侧泄漏，与干气密封的外侧密封泄漏气混合，从E点排出进行高点放空；另一股经过D点来到进入流体动压槽，产生气膜，实现润滑及对润滑油气的隔离作用。由于透平机械的转速非常高，密封端面这层极薄的气膜刚度非常大，外侧槽区和坝区上的微米量级气膜，能有效地隔离轴承侧的润滑油气，即使隔离气的供气压力低于轴承侧的油气压力，也能保证轴承侧润滑油气向干气密封的零泄漏，从而保证干气密封长周期稳定运转。由于端面间隙极小，且密封压差低，故隔离气的消耗量非常小的，即通过该流体动压型的后置隔离密封装置，仅仅靠极低的隔离气消耗量，就能保证轴承侧润滑油气向他透平机械干气密封的零泄漏。即使隔离气压力波动，甚至其压力低于轴承侧润滑油气的压力，该后置隔离密封装置也能正常工作，确保干气密封不会被油气污染而失效。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (10)

1.一种透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，所述后置隔离密封装置设置在所述透平机械中的干气密封组件和轴承箱之间，所述透平机械设有高速旋转的主轴，其特征在于，所述后置隔离密封装置包括碳环密封单元以及流体动压型密封单元，其中，所述碳环密封单元设置在干气密封组件和流体动压型密封单元之间，所述流体动压型密封单元包括旋转组件和静止组件，所述主轴上设有锁母，其中，所述旋转组件的两端分别被锁母以及干气密封组件的旋转部分夹持，且所述旋转组件套设在主轴外侧，并随着主轴高速旋转，所述静止组件环绕所述主轴布置，且和所述透平机械的壳体固定，所述旋转组件的一个端面和所述静止组件的一个端面贴合并形成密封面，所述密封面与主轴轴向垂直，在所述旋转组件的端面上设有流体动压槽。

2.如权利要求1所述的透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，其特征在于，所述旋转组件包括动环、轴套和压紧套，所述轴套、压紧套均呈环状且均套设在所述主轴外部，其中，所述轴套与压紧套通过内六角螺钉固定，所述轴套的尾端与锁母抵接，所述压紧套的前端与干气密封组件的旋转部分抵接，所述动环通过传动销与所述轴套固定并同步转动。

3.如权利要求2所述的透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，其特征在于，所述轴套包括同轴且一体化设置的第一环和第二环，所述第二环的尾端与锁母抵接，第二环的前端与第一环的尾端一体化连接，所述动环的尾端与第二环的前端通过所述传动销固定，所述动环的内缘与所述第一环的外缘抵接；

所述压紧套的尾端且与主轴接触处设有一凹槽，所述第一环的前端插入凹槽中且与槽壁抵接，所述凹槽的槽底通过内六角螺钉与所述第一环的前端固定，所述压紧套的尾端与所述动环的前端抵接；

所述动环的内径与所述第一环的外缘之间设有定心波纹带；

所述轴套与主轴之间设有O型圈。

4.如权利要求3所述的透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，其特征在于，所述动环前端的端面通过喷涂或堆焊的方式附着一层耐磨层，并在所述耐磨层内侧设置环状的流体动压槽，所述流体动压槽为单向旋转的槽型或双向旋转的槽型；

所述耐磨层的外侧为无槽的坝区。

5.如权利要求4所述的透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，其特征在于，所述流体动压槽的槽深为3～20μm；

位于外侧的所述坝区的径向宽度为所述密封面宽度的0.2～0.7。

6.如权利要求4所述的透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，其特征在于，所述静止组件包括弹簧座、弹簧、推环和静环，所述弹簧座通过内六角螺钉与壳体固定；所述静环尾端的端面与动环前端的端面贴合并形成密封面，所述静环的前端与推环的尾端贴合，所述推环的前端与弹簧的后端贴合，所述弹簧座上设有弹簧孔，所述弹簧的前端与所述的弹簧孔底部端面贴合。

7.如权利要求6所述的透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，其特征在于，所述弹簧座内设有隔离气通道，隔离气通过所属隔离通道进入所述静环内径处。

8.如权利要求6所述的透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，其特征在于，所述弹簧座和推环之间设有销，并通过销防止弹簧座和推环之间发生转动；

所述推环和静环之间设有销，并通过销防止推环和静环之间发生转动；

所述推环和静环于弹簧座的配合面设有O型圈；

所述弹簧座与壳体的配合面设有O型圈。

9.如权利要求6所述的透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，其特征在于，所述弹簧座的尾端呈喇叭口形状；

所述壳体上设有挡油环，所述锁母上设置甩油环。

10.如权利要求6所述的透平机械干气密封用组合式流体动压型后置隔离密封装置，其特征在于，所述碳环密封单元包括分瓣碳环和压盖，多个所述分瓣碳环外壁通过拉伸弹簧箍住并呈圆环状，所述分瓣碳环的内壁与所述压紧套配合，所述压盖通过内六角螺钉与弹簧座固定，且所述压盖与弹簧座之间设有O型圈，所述分瓣碳环前端的端面与压盖尾端的端面贴合，所述分瓣碳环尾端的端面与弹簧座端面间轴向有一小间隙以保证分瓣碳环的浮动性，并通过销防止分瓣碳环与弹簧座之间发生转动。

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