干式气体密封装置的总体布局
技术领域
本实用新型属于流体机械中旋转轴密封装置的总体布局,特别是涉及一种用于各种型式压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜搅拌器等流体机械的旋转轴端部的干式气体密封装置的总体布局。
背景技术
目前公知的用于各种型式压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜搅拌器等流体机械的旋转轴端部的干式气体密封装置的总体布局,有多种型式。首先,请参阅图1和图2,图1和图2所示的是公知技术中最为典型的两种两级串联干式气体密封装置的总体布局。其中,在图1所示的总体布局中,它的工作原理是,经过过滤等净化处理的缓冲气(一般为压缩机出口的工艺气)由第一级端面密封I的进气腔B进入第一级端面密封,其压力PB应高于工艺气侧的压缩机迷宫IV平衡腔A的压力PA,该缓冲气绝大部分通过迷宫IV的右半部分IV-1进入压缩机的平衡腔A,很少一部分则通过第一级端面密封I进入到放火炬腔C;第一级端面密封I的进气腔B的压力PB必须大于放火炬腔C的压力PC,即PB>PC。由第一级端面密封I与第二级端面密封II之间的中性缓冲气进气腔D引进其压力PD大于放火炬腔C的压力PC的中性缓冲气体(一般为N2),该气体通过第二级端面密封II的动环II-1外圆处的迷宫L的节流后进入放火炬腔C,与第一级端面密封I泄漏出来的缓冲气(一般为工艺气)混合后进入放火炬腔C。由D腔引进的中性缓冲气通过第二级端面密封II少量地泄漏到放空腔E放空。由此可见,由第二级端面密封II泄漏到放空腔E的气体是基本上不含工艺气体的中性缓冲气(例如N2)。由后置的一组隔离气密封III的进气腔F引进的洁净隔离气体(一般为N2或净化空气)进入到后置的一组隔离气密封III的中间后,一部分通过左边的一个碳环密封III-1进入到放空腔E放空,另一部分则通过右边的碳环密封III-2进入到轴承侧的腔室放空,以防止轴承油进入第二级端面密封II。此种密封装置的总体布局有以下两个主要优点,第一,供给第一级端面密封I的缓冲气(一般为净化的工艺气)只能泄漏到放火炬腔C而不能泄漏到放空腔E,不污染环境;而供给第二级端面密封II的中性缓冲气(一般为N2)只能漏到放火炬腔C和放空腔E而不能漏到压缩机机内,不影响工艺气体的组分。第二,从安全性来说,如果第一级端面密封I失效了,第二级端面密封II还可以维持运行,工艺气不致于漏到厂房中去,安全性好。但是这种总体布局仍然存在不足之处:有些离心压缩机入口的气体压力很低,近似等于大气压力,即PA≈0MpaG,当其轴端的干式气体密封采用图1或者图2所示的总体布局时,为了保证第一级端面密封I的进气腔B的压力始终高于其背后的放火炬腔C的压力(该放火炬腔的压力有时甚至高达0.1MpaG左右),就必须通过调节阀将第一级端面密封I的进气腔B的压力提高。这样通过压缩机迷宫IV-1返回压缩机的气体流量就会很大,造成了第一级端面密封I的进气量的增加和能源的浪费;特别是当放火炬腔E的压力波动较大而调节系统动作滞后时,第一级端面密封就可能出现反压差,即PB<PC,其中PB为第一级端面密封I的进气腔B的压力,PC为放火炬腔C的压力。第一级端面密封I出现反压差的情况会导致该级密封的失效。为了保证第一级端面密封I的压差为正压差即PB>PC,同时又要保证PB>PA,其中PA为工艺气侧的压缩机迷宫IV平衡腔A的压力,进气腔B的压力PB必须通过调节阀来加以控制,使其同时满足上述两个不等式,而该调节阀的控制信号必须同时来源于反映ΔPB-A(=PB-PA)的差压变送器和反映ΔPB-C(=PB-PC)的差压变送器。这样控制的主要缺点有两个:第一,控制系统复杂,容易出现差错,如果一旦控制失灵,第一级端面密封I出现反压差,即ΔPB-C=PB-PC<0的情况,则第一级端面密封I就会失效;第二,当火炬腔C的压力PC较高时,为了保证ΔPB-C>0,进气腔B的压力必须调高,ΔPB-A=PB-PA则加大,通过压缩机迷宫IV-1漏回机内的缓冲气量加大,即压缩机的无效回流增大,效率降低。
图2表示的是公知技术中另一种两级串联式干式气体密封装置的总体布局。它与图1表示的总体布局有以下两点区别:第一,在第一级端面密封I与第二级端面密封II之间没有中性缓冲气(一般为N2)进气腔D,从第一级端面密封I泄漏出来的缓冲气(一般为经过净化的工艺气)除了从放火炬腔C排出之外,继续从第二级端面密封II向外泄漏,泄漏出来的缓冲气再通过放空腔E放空;第二,位于第二级端面密封II外侧即轴承侧的后置隔离气密封由图1中的碳环密封III改为迷宫密封III′。在该总体布局中,后置隔离气密封也可以是图1中所示的碳环密封,这里只不过是为了表示在公知技术中有两种常见的后置密封形式罢了。与图1所示总体布局相比,图2所示总体布局的优点是,减少了一个中性缓冲气进气腔D,结构简单一些,对于技术改造项目比较容易实现;但其缺点是,从第二级端面密封II泄漏出来的缓冲气(一般为工艺气)通过放空腔E放空,对环保很不利。
发明内容
本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种在公知技术(无论是单端面式、双端面式或两级串联式)的基础上,在公知的总体布局的内侧即其工艺气侧增加前置密封的干式气体密封装置的总体布局。增加的前置密封可以是单一的或组合的端面密封、迷宫密封、直筒密封、碳环密封等,其中每种密封的级数可以是一级也可以是多级。本实用新型的干式气体密封装置的总体布局特别适用于压缩机入口压力接近于大气压力的低压工况和(或)被密封的工艺气体比较脏的工况,可防止端面密封因反压差或因被工艺气污染而失效,从而提高密封装置的可靠性;并可降低缓冲气的无效回流,从而提高效率。
本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:
本实用新型包括公知的原有干式气体密封,该原有干式气体密封的总体布局包括单端面密封、双端面密封、两级串联端面密封以及在这些端面密封外侧即轴承侧的后置隔离气密封,该后置隔离气密封包括碳环密封和迷宫密封,其特征是:在公知的干式气体密封总体布局的基础上,在靠近被密封工艺介质的一侧,即在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加前置密封,该前置密封可以由单一型式的密封组成,也可以由两种或两种以上型式的密封组成,每种密封可以是一级或一级以上,其密封型式包括端面密封、碳环密封、迷宫密封、直筒密封。
本实用新型还可以采用如下技术措施来实现:
所述在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加前置密封,该前置密封是一级单端面密封V,它的具体结构是,在旋转轴的轴套上装有旋转环,在轴套与旋转环之间装有静密封圈,与旋转环端面相贴合的静止环通过副密封圈和推环以及弹簧装在静止环座上,在静止环座上装有静密封圈和防止静止环转动的防转销,在靠近防转销端头的静止环座上还装有卡环,静止环借助于弹簧、推环和副密封圈使其密封端面与旋转环的密封端面相贴合而形成一级新的单端面密封V。
所述在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加前置密封,该前置密封是一级单端面密封V,它与原有的第一级端面密封I共用一个旋转环I-1。
所述在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加前置密封,该前置密封是一级组合式密封,它是由一级端面密封和一级碳环密封所组成,即在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加一级单端面密封V和一级碳环密封VI,单端面密封V与原有的第一级端面密封I共用一个旋转环I-1;包括有碳环组件和弹簧的碳环密封VI位于新增的单端面密封V与原有的压缩机迷宫IV之间。
所述在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加前置密封,该前置密封是一级组合式密封,它是由一组迷宫密封IV和一级碳环密封VI所组成,即在原有的第一级端面密封I的旋转环I-1的外圆处增加含有零件的迷宫密封VII,在原有的第一级端面密封I与原有的压缩机迷宫IV之间增加一级包括有碳环组件和弹簧的碳环密封VI。
所述在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加前置密封,该前置密封是一级组合式密封,它是由一级直筒密封和一级碳环密封组成,即在原有的第一级端面密封I的旋转环I-1的外圆处增加一级含有零件的直筒密封VII’,在原有的第一级端面密封I与原有的压缩机迷宫IV之间增加由碳环组件和弹簧组成的一级碳环密封VI。
所述在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加前置密封,该前置密封是一级碳环密封VI。
所述在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加前置密封,该前置密封是两级碳环密封VI。
所述在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加前置密封,该前置密封是由两级以上的相同型式的密封组成,该前置密封的型式包括碳环密封、迷宫密封和直筒密封。
所述在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加前置密封,该前置密封是组合式密封,它是由两种以上型式的密封所组成,这些密封的型式包括端面密封、碳环密封、迷宫密封和直筒密封,其中每种密封的数量可以是一级,也可以是一级以上。
本实用新型具有的优点和积极效果是:与公知的干式气体密封装置的总体布局相比,在公知的总体布局基础之上,在靠近被密封工艺介质的一侧,即在原有的压缩机迷宫IV与原有的第一级端面密封I之间增加一级或一级以上的前置密封,使原来第一级主密封I的压力更容易控制,对于被密封腔压力与大气压力相近的低压工况,既能防止主密封腔与放火炬腔之间因负压差而造成密封失效,又能防止密封气通过压缩机迷宫大量回流到机内而造成浪费;对于被密封介质比较脏的工况,则可以更好地保护原来的主密封不因被污染而失效。这样密封装置的安全可靠性和运行经济性就可以大大提高。
附图说明
图1是公知的一种两级串联干式气密封的总体布局结构示意图;
图2是公知的另一种两级串联干式气密封的总体布局结构示意图;
图3是本实用新型实施例一的结构示意图;
图4是本实用新型实施例二的结构示意图;
图5是本实用新型实施例三的结构示意图;
图6是本实用新型实施例四的结构示意图;
图7是本实用新型实施例五的结构示意图;
图8是本实用新型实施例六的结构示意图;
图9是本实用新型实施例七的结构示意图;
图10是本实用新型实施例八的结构示意图;
图11是本实用新型实施例九的结构示意图;
图12是本实用新型实施例十的结构示意图。
在以上各附图中,属于公知技术的零件均未加剖面线,只是在本实用新型增加的零件上面才加上了剖面线,这些零件处于X-Y之间。各附图中的I为第一级端面密封,I’为双端面密封中的第一级端面密封,II为第二级端面密封,II’为双端面密封中的第二级端面密封,III或者III’为轴承侧后置隔离气密封(其中III为碳环密封,III’为迷宫密封),IV为压缩机迷宫,V为单端面密封,VI为前置的碳环密封,VII和VII’分别为前置的迷宫密封和直筒密封。各图中A-G各腔室的作用如下:A为压缩机迷宫的平衡腔,B为第一级缓冲气进气腔,C为放火炬腔,D为两级端面密封之间的中性缓冲气进气腔,E为放火炬腔,F为后置隔离气密封进气腔,G为面对面式双端面密封的主密封气进气腔。其它符号将在实施例中具体说明。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效,兹例举以下实施例,并配合附图详细说明如下:
本实用新型的布局方案应根据主机的工况、密封腔的尺寸等条件而灵活确定。
实施例一:请参见图3。
图3是通过在图1所示的公知技术的基础上实现的,按照本实用新型新增加的前置密封是一级单端面密封。它的总体布局是,在图1所示的总体布局的基础上,在其内侧即在工艺气侧,在压缩机迷宫IV与第一级端面密封I之间,即在X-Y线之间增加一级单端面密封V,第一级端面密封I与第二级端面密封II串联,在第一级端面密封I与第二级端面密封II之间设有迷宫密封L,第二级端面密封II与轴承侧的后置隔离气密封串联。该隔离气密封可以是碳环密封III或迷宫密封III′,本实施例采用的是碳环密封III。
本实用新型是由上述在X-Y线之间增加一级单端面密封V来实现的,单端面密封V的具体结构是,在旋转轴23的轴套22上装有旋转环1,在轴套22与旋转环1之间装有静密封圈10,与旋转环端面相贴合的静止环2通过副密封圈3和推环4以及弹簧6装在静止环座5上,在静止环座5上装有静密封圈9和防止静止环2转动的防转销7,在靠近防转销7端头的静止环座5上还装有卡环8,以防在安装过程中静止环2脱出。静止环2借助于弹簧6、推环4和副密封圈3使其密封端面与旋转环1的密封端面相贴合而形成一级新的单端面密封V。本实施例的总体布局是,在公知的原有总体布局(图1)的基础上,在其内侧即在工艺气侧增加了一级单端面密封V,并增加了一个新的腔室,即主密封进气腔G。由新增的旋转环1和静止环2等零件所构成的一级单端面密封V与原来公知技术中的第一级端面密封I一起构成了一级双动环的双端面式密封(面对面式)。因此,本实施例的总体布局既可以认为是在两级串联密封I和II的基础上,再加上一级单密封(V)所组成的密封,又可认为是一级双动环的双端面密封(V加I)再加上一级单端面密封(II)所组成的密封。
按照图3给出的本实用新型的实施例一,增加了一级单端面密封V,它与原有的第一级端面密封I一起构成一级面对面式双动环的双端面密封,由于在相同压差下单端面密封V的泄漏量远远小于压缩机迷宫IV-1的泄漏量,该双端面密封的缓冲气供气腔G的压力PG可以比压缩机迷宫的平衡腔A的压力PA和放火炬腔C的压力PC高出许多,例如:同时满足ΔPB.A≥0.2~0.5MPa和ΔPB-C≥0.2~0.5MPa。这样做的优点有三个:第一,由于单端面密封V的密封性能远较压缩机迷宫IV-1为高,压差ΔPB-A的显著提高不但不会增加由G腔引进的缓冲气向压缩机内的回流量,反而可以降低该流量,故可减少压缩机的无效回流而提高其工作效率;第二,由于ΔPB-C的显著提高,第一级端面密封I不会因反压差即ΔPB-C<0而造成其失效,提高了密封的安全可靠性;第三,由于ΔPB-C和ΔPB-A绝对值的加大和调整范围的加大,自动调节系统的操作裕度加大,密封整体上安全可靠性提高了。总之,本实用新型实施例一既能提高效率又能提高安全可靠性,其效能是十分显著的,特别对入口压力接近于大气压力的低压压缩机其效果更为显著。本实用新型也会带来一些不利之处:增加了X--Y之间的轴向长度。但是,这也可以通过减短压缩机迷宫IV的长度来加以弥补,尤其是对入口压力很低的低压压缩机来说,压缩机迷宫IV的长度特别是压缩机入口端迷宫的长度实际上可以大大减小而不会影响压缩机的性能。
实施例二:请参见图4。
在该图中属于公知技术的部分与图3中的相同。该图所示总体布局方案与图3所示布局方案的唯一区别仅在于:取消了图3中的旋转环1,利用公知技术中的第一级端面密封I的旋转环I-1的背部端面作为单端面密封V的旋转环端面,换句话说,在图3中由单端面密封V和第一级端面密封I组成的双旋转环的双端面式密封,变成了图4中的带有公用的单个旋转环的双端面式密封,新增的单端面密封V和原有的第一级端面密封I共用一个旋转环I-1。该实施例的优点显然是减小了X-Y之间的轴向长度,但其缺点是从逻辑上讲密封的可靠性有所降低。该实施例的其它功效同实施例一完全相同。
实施例三:请参照图5。
在该图中属于本实用新型所增加的部分与图4所示完全相同,其区别仅仅是在公知技术部分中,后置隔离气密封由图4中的碳环密封III改成了迷宫密封III’。该图只是为了表明:本实用新型的特征并不因公知技术的变化而改变。在下面由图6-图12中所表示的实施例中,后置隔离气密封都一律用碳环密封III表示而不再用迷宫密封III’表示,但它们都可以被换成迷宫密封。
实施例四:请参照图6。
在该图中属于本实用新型所增加的部分与图4完全相同,只是属于公知技术的部分有所不同:没有中间的迷宫密封L和中性缓冲气进气腔D。由于该图与图5的区别仅在于公知技术,其优缺点的分析从略。在下面图7~图9中,属于公知技术的部分既可以与图1相同(带迷宫密封L和中性缓冲气进气腔D),也可以与图2相同(不带迷宫密封L和中性缓冲气进气腔D),而本实用新型的本质特征不受公知技术的影响。
实施例五:请参照图7。
该图是在图6的基础上,按照本实用新型在新增的一级单端面密封V的前面即最靠近工艺气侧再增加一级碳环密封VI,该密封由弹簧13、碳环组件14、端盖15、静密封16和17组成。缓冲气(一般为经过净化的工艺气)由B腔引进,通过该级碳环密封VI进入机内。该级碳环密封能更有效地保护单端面密封V和第一级端面密封I不受机内较脏工艺气的污染。本实施例是在公知的两级串联密封的基础上,在其内侧即工艺气侧增加了由一级单端面密封V和一级碳环密封VI所组成的组合式前置密封。该实施例特别适用于压缩机入口压力很低和工艺气较脏的工况。
实施例六:请参照图8。
在该图中,取消了图7中的单端面密封V而保留了碳环密封VI,并在公知的两级串联密封的第一级端面密封I的旋转环I-1的外圆处增加了迷宫密封VII。缓冲气(一般为经过净化的工艺气)由B腔引入,先通过迷宫密封VII再通过碳环密封VI进入机内。该总体布局方案特别适用于工艺气较脏的工况,对两级端面密封I和II提供更有效的保护。
实施例七:请参照图9。
在该图中,按照本实用新型新增加的碳环密封VI仍然保留,但第一级端面密封I的旋转环I-1的外圆处的迷宫密封VII被改成了直筒密封VII’,以便在缓冲气流量相同的情况下减小机内工艺气体的反扩散。由B腔引入的缓冲气(可以是外引气源或者经过净化的工艺气)先经过直筒密封VII'再经过碳环密封VI进入机内。这一实施例特别适用于机内气体很脏且利用外引气源作缓冲气的工况。
实施例八:请参照图10。
在该图中,属于公知技术的部分为具有双旋转环的面对面式双端面密封的总体布局,从其中的进气腔G将主密封隔离气(一般为N2)引入。按照本实用新型增加的部分为X-Y之间的碳环密封VI,包括弹簧座12、弹簧13、碳环组件14、静密封圈15和17、端盖16。一般用经过净化的工艺气作为缓冲气从B腔引入。该实施例特别适用于机内工艺气较脏且允许少量N2漏入机内的工况。
实施例九:请参照图11。
在该图中,属于公知的部分与图10相近似,也是面对面式双端面密封,只不过是单旋转环式的。属于本实用新型的X-Y之间的部分包含两级串联的碳环密封VI-1和VI-2,具体零件包括:与端面密封公用的弹簧座12’、弹簧13、第一级碳环组件14、静密封圈15、弹簧座16、静密封圈17、弹簧18、第二级碳环组件19、静密封圈20和端盖21。以经过净化的工艺气作为缓冲气从B腔引入,先经过第一级碳环密封VI-1再经过第二级碳环密封VI-2进入机内。该实施例特别适用于工艺气很脏且允许少量N2漏入机内的工况。应该指出的是碳环密封的级数可以是三级或更多,视具体应用场合而定。
实施例十:请参照图12。
在该图中,属于公知部分的密封总体布局是为单端面式,它包括由旋转环I-1和静止环I-2等组成的一级端面密封I,由碳环III-1和碳环III-2等组成后置的碳环密封III。一般是以经过净化的工艺气作为缓冲气从B腔引入,绝大部分经过压缩机迷宫IV中的迷宫IV-1进入机内,很少一部分经过第一级端面密封I向外泄漏,经放火炬(或放空)腔E排出;后置的隔离气(一般为N2或净化空气)由F腔引入,一部分经过碳环III-1漏入放火炬(或放空)腔E排出;另一部分隔离气则通过碳环密封III-2漏入轴承侧排空,以便隔离轴承润滑油。属于本实用新型的部分位于X-Y之间,由位于旋转环I-1的外圆处的迷宫密封VII(含零件11)和一级碳环密封VI串联而成,碳环密封VI则由零件12-17组成,这些零件的名称如前所述。缓冲气由B腔引入,大部分先后经过迷宫密封VII和碳环密封VI进入机内,很少一部分经第一级端面密封I漏出后由E腔排出放火炬或放空。总之,本实施例是在公知的单端面密封的基础上,在其内侧,即工艺气侧增加了由迷宫密封VII和碳环密封VI所组成的组合式前置密封,以便更有效地保护第一级端面密封I不受较脏的工艺气体的污染,以提高密封的可靠性。
如上所述,图3~图12所示的实施例体现了本实用新型的精神,但本实用新型的实施并不限于这些实施例。例如,新增加的前置密封是三级或三级以上的,其型式可以是一种,也可以是两种、三种或三种以上的组合式的;此外,公知的原有干式气体密封的总体布局可以是任何一种,不限于图1一图12所给出的。符合本实用新型精神的干式气体密封装置的总体布局还可以有许多种,这里不能一一列举。