專利名稱：氣體密封組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及非接觸的氣體密封組件，該氣體密封組件用于限制圍繞延伸穿過外殼例如渦輪機或壓縮機的軸的液體并且特別是氣體在低壓和高壓下的泄漏。
旋轉(zhuǎn)液體薄膜密封也被稱為非接觸的面密封，通常應用到高速旋轉(zhuǎn)設備上，其中由于過多的熱生成和導致災難性故障的非?？斓哪p而不能應用普通的機械接觸的面密封。非接觸的氣體密封還被稱為干式氣體密封或更簡單地稱為氣體密封。
氣體密封的操作依賴在兩個密封面之間生成的氣體的薄膜；一個密封面旋轉(zhuǎn)并且另一個密封面固定。氣體薄膜通過在它們之間維持非常小的縫隙來保持兩個密封面分開，因此在操作過程中提供了密封約束并且避免了不希望的面接觸。同時，氣體薄膜對密封進行冷卻和潤滑。密封氣體可以是來自其上裝配了氣體密封的機器例如壓縮機或渦輪機的生產(chǎn)氣體，或者它可以由工廠安裝設施中其它處的外源供應。
有多種實現(xiàn)非接觸操作的方式。最常見的方式之一包括向面之一應用淺槽圖案以生成一些流體動力升力并且因此分開密封面。密封面通常是平而光滑的。密封面之間的端面面積通常被稱為密封接觸面或密封區(qū)域，并且兩個密封面之間生成并且維持用于非接觸操作的間隙被稱為密封縫隙或密封間隙。
分離是通過允許密封液體進入密封縫隙實現(xiàn)的。在使用螺旋槽時，這是通過槽在面旋轉(zhuǎn)時泵送氣體實現(xiàn)的。分離也可以單獨由于壓差而發(fā)生。當氣體進入約束中時，就會建立壓力。這會生成迫使兩個面分開的分離力。
對密封操作尤其關鍵的啟動和停止情形。在這些情形下，傳統(tǒng)螺旋槽中的密封縫隙最小并且密封面接觸的風險最大。因此很重要的一點就是在非常低的液體密封壓力和很低的旋轉(zhuǎn)速度下實現(xiàn)完全的密封面分離而又在特定的設計操作范圍內(nèi)的所有其它工作參數(shù)下維持強有力的非接觸操作。
已知向密封縫隙提供壓力氣體以通過氣體泄漏配置在低旋轉(zhuǎn)速度下維持密封面分離，其中氣體泄漏配置包括通向密封縫隙的節(jié)流通道。EP-0 961 059中教導了從外部增壓供給中供應密封氣體。
GB 2 375 148公開了一種如權(quán)利要求1的前序部分中所述的氣體密封組件。密封組件包括一對相互旋轉(zhuǎn)的密封構(gòu)件，每個密封構(gòu)件均具有鄰近縫隙的前表面，縫隙位于構(gòu)成通過密封組件的泄漏路徑的兩個構(gòu)件之間，構(gòu)件在使用中沿閉合縫隙的方向推動。配設了氣體泄漏配置來允許氣體從密封的高壓側(cè)泄漏進入縫隙從而施加趨于分開構(gòu)件的力。氣體泄漏配置包括在密封構(gòu)件之一的前表面和后表面之間延伸的孔、在密封構(gòu)件的后表面中形成的總體上徑向的槽和板，板覆蓋槽并因此在密封構(gòu)件的后表面和板之間界定了將孔連接到密封的高壓側(cè)的泄漏通道。
“總體上徑向”意味著槽應該具有徑向部件以將孔的后端連接到密封的高壓側(cè)上。因此槽可以是螺旋槽。
氣體密封組件的預定目的是防止氣體從密封的高壓側(cè)的不受控制的逃逸。因為非接觸操作在氣體密封中是通過自相矛盾地允許一些氣體泄漏以在兩個密封構(gòu)件之間維持縫隙，所以對于向縫隙供給氣體以保持密封構(gòu)件分開的泄漏通道而言，很重要的一點是大量地節(jié)流以允許受控量的泄漏。實際上，這需要泄漏通道具有非常小的橫截面，它的寬度通常僅僅為幾微米。
在GB2375148中，通過在密封構(gòu)件的后表面中形成一個或多個徑向槽并且使用分開的剛性板覆蓋后表面而生成泄漏通道。然而，如果槽將要控制受控的泄漏，很重要的是板和密封構(gòu)件的后表面之間的間隙要顯著地小于槽。將剛性板和密封構(gòu)件的后表面加工到這種高公差無論是在表面光潔度還是在平面度方面的實現(xiàn)都很難并且昂貴。
考慮到減輕上述問題，本發(fā)明中的板形成為墊片，所述墊片足夠柔韌以由氣體壓力偏轉(zhuǎn)與密封構(gòu)件的后表面配合接觸，從而將泄漏通道的氣流限制在徑向槽中。
墊片的靈活性消除了它和密封構(gòu)件的后表面完全平的需要，因為墊片可以偏轉(zhuǎn)以占據(jù)密封構(gòu)件的后表面的平面度中的所有誤差。
優(yōu)選將墊片彈性地推動到密封構(gòu)件的后表面上。金屬彈簧賦能聚合物或O形環(huán)可以為此置于開口槽中密封墊片之后。在低壓操作下，彈簧力足以維持板與密封構(gòu)件的后表面接觸。在高壓力下，生產(chǎn)氣體可以用于將兩個部件夾在一起，因此在所有運行狀況下維持泄漏通道的幾何形狀。
通常，為了實現(xiàn)泄漏氣體在密封縫隙上的均勻分配，氣體密封將包括幾個泄漏通道，每個泄漏通道均包括密封構(gòu)件的后表面中的軸向孔和徑向槽。氣體通過預定位置的一系列分配槽從軸向孔優(yōu)選地在密封縫隙上分配。
前分配槽幾何結(jié)構(gòu)可以包括一系列周期性的周向槽。或者，分配槽可以在給定直徑的連續(xù)周向槽中連接在一起。
密封設計就其操作性質(zhì)而言是流體靜力的。如果需要的話，附加的流體動力元件可以添加為一系列密封構(gòu)件之一的前表面中的徑向或有角度的槽。
現(xiàn)在將參照附圖以實例的形式進一步描述本發(fā)明，其中

圖1是通過本發(fā)明的氣體密封的剖面圖，圖2是圖1中的旋轉(zhuǎn)密封構(gòu)件的后表面的視圖。
圖3是圖1中的旋轉(zhuǎn)密封構(gòu)件的前表面的視圖，并且圖4是本發(fā)明的可選實施例的旋轉(zhuǎn)密封構(gòu)件的前表面的視圖。
圖1是通過氣體密封模塊的軸向剖面圖，氣體密封模塊設計成在泵、壓縮機或渦輪機外殼中密封一定壓力范圍的氣體，該壓力范圍從15到大約450巴。
附圖顯示出總體上以10指示的氣體密封模塊，氣體密封模塊10布置在壓縮機的軸12和外殼14之間。密封構(gòu)造為位于軸12的一個端部的組件以防止密封高壓側(cè)16上的氣體逃逸到可能低于大氣壓的低壓側(cè)18。附圖顯示了單個密封組件，但是將兩個這種密封組件布置成一個位于另一個的軸向后側(cè)以形成串連密封也并非是罕見的。
密封組件包括非旋轉(zhuǎn)密封構(gòu)件24和旋轉(zhuǎn)密封構(gòu)件36，它們在操作中分開很小的密封縫隙?？p隙確保密封構(gòu)件不會磨損但又足夠小以將氣體從高壓側(cè)16的逃逸限制為維持兩個密封構(gòu)件之間的縫隙所需的小泄漏。
兩個密封構(gòu)件24和36形成可以分別滑動到軸12上和滑動到外殼14的端部中的子組件或筒的部分。固定子組件包括通過密封22相對于外殼14密封的環(huán)形保持器20。和下面將提到的其它密封一樣，密封22優(yōu)選為金屬彈簧賦能聚合物(MSEP)密封，但是也可以使用O形環(huán)。
平衡直徑套筒44插入保持器20中并且通過密封46相對于它密封。套筒44支撐非旋轉(zhuǎn)密封構(gòu)件24而又允許它軸向移動。一組彈簧40經(jīng)由一對環(huán)42、43作用在密封構(gòu)件24上，環(huán)42、43用來圍繞密封構(gòu)件24的圓周均勻地分配彈簧力并且通過另一個密封48相對于平衡直徑套筒44密封。
密封構(gòu)件24中面向密封構(gòu)件36的前表面的面積大于其暴露至高氣體壓力的相對側(cè)上的面積。直徑中的這種不穩(wěn)定會生成凈力，該凈力會沿增加密封縫隙的寬度的方向推動密封構(gòu)件24。該力與彈簧40反向，彈簧40作用來減小縫隙。
另一方面，旋轉(zhuǎn)子組件包括套筒30，套筒30安裝在軸12上并且通過密封32相對于它密封。套筒具有沿徑向凸出的套環(huán)34，套環(huán)34支撐與軸12一起旋轉(zhuǎn)的密封構(gòu)件36。密封構(gòu)件36通過鎖定套筒50保持在支撐套環(huán)34上，鎖定套筒50軸向地固定到套筒30的端部上。鎖定套筒50與密封構(gòu)件36略微分開并且另一個密封54布置在它與套筒30之間。將在下文中更詳細描述的泄漏配置允許高壓側(cè)的氣體從密封構(gòu)件36的后表面泄漏到構(gòu)件24和36之間的密封縫隙中。
可以由GB 2 375 148獲知到目前為止所描述的氣體密封及其工作原理。來自高壓側(cè)的氣體作用來使用隨著縫隙增大而減小的力推動密封構(gòu)件24和36分離。同時，彈簧40作用來關閉縫隙并且力的平衡用來維持小的間隙，該間隙足以減少磨損但是可以有效地限制氣體從高壓側(cè)泄漏到環(huán)境中。
為了有效地操作，氣體密封需要泄漏配置，泄漏配置可以精確地控制到達密封構(gòu)件24和36之間的縫隙的氣流。在圖1到圖3中所示的本發(fā)明的實施例中，這是通過在密封構(gòu)件中形成三個軸向孔60實現(xiàn)的，這三個軸向孔60與密封構(gòu)件的前表面上的三個周向分配槽62(見圖3)和蝕刻到密封構(gòu)件36的后表面中的三個徑向槽64(見圖2)連通。柔性板66(在此還被稱作墊片)由MSEP密封68推動到密封構(gòu)件36的后表面上。另一個MSEP密封70密封在密封構(gòu)件36和套環(huán)34之間。墊片66足夠地柔韌以遵從密封構(gòu)件36的精確加工的后表面并且閉合槽。
刻蝕的槽64僅僅有幾微米深，因此充當有效的節(jié)氣門來限制流動到密封構(gòu)件之間縫隙的氣體的體積。
在低壓下，MSEP密封68的彈簧單獨就足以維持墊片66與密封構(gòu)件36的后表面密封接觸。該彈簧力由作用在墊片66上的氣體壓力補充，這樣它就在氣體壓力增大時緊密地保持在適當?shù)奈恢谩?br> 下列的尺寸已被發(fā)現(xiàn)是適合的并且作為實例給出。
泄漏槽64的有效深度4-20微米泄漏槽64的寬度2-10微米分配槽62的深度5-200微米分配槽62的徑向?qū)挾?.5-2毫米盡管容許將墊片66固定到旋轉(zhuǎn)密封構(gòu)件36上，但是實際上實現(xiàn)這一點并不簡單，因為密封環(huán)是由工程陶瓷或加特種元素的鋼制成的。因此墊片66優(yōu)選保持與密封構(gòu)件36分開。
分配槽62能夠保持不等的壓力并將密封環(huán)36分成扇區(qū)。槽62中的壓力反向地響應扇形上方的縫隙并且導致每個扇形的軸向分開力以反向的方式進行響應。這樣密封構(gòu)件36和24的任何傾斜就會引起恢復力矩。
圖1至圖3的密封設計僅僅依賴靜壓效應來維持密封構(gòu)件24和36之間的縫隙。如果需要的話，也可以流體動力地補充作用來分開密封構(gòu)件的力。在圖4中顯示了這樣操作的實施例。在圖4中，三個軸向孔60′通向連續(xù)的環(huán)形分配槽62′。
此外，通常由分配槽62′沿徑向朝內(nèi)延伸的槽61′用來提供流體動力升力。槽61′可以是螺旋形的，如圖所示，或者是徑向的。
上述密封在用于具有超過5厘米直徑的軸的壓縮機和燃氣輪機時具有特別的益處。密封的徑向設計為生產(chǎn)氣體位于密封縫隙的外徑并且大氣氣體位于密封縫隙的內(nèi)徑。當然，相反的情況也可以同樣地應用，即，生產(chǎn)氣體可以作用在內(nèi)徑上。
氣體密封在所有條件下維持密封縫隙的能力導致在全壓力停止和開始時極低的轉(zhuǎn)矩。這又會消除面鎖定和對密封零件的后續(xù)損壞。
權(quán)利要求
1.一種氣體密封組件(10)，包括一對可相互旋轉(zhuǎn)的密封構(gòu)件(24，36)，密封構(gòu)件(24，36)中的每一個均具有鄰近縫隙的前表面，所述縫隙位于構(gòu)成通過密封組件(10)的泄漏路徑的兩個構(gòu)件之間，所述構(gòu)件(24，36)在使用中沿閉合縫隙的方向被推動，和氣體泄漏配置(60，64)，用于允許氣體從密封的高壓側(cè)(16)泄漏到縫隙中，從而施加趨于分開構(gòu)件(24，36)的力，所述氣體泄漏配置包括在密封構(gòu)件(36)之一的前表面和后表面之間延伸的孔(60)，在密封構(gòu)件的后表面中形成的大致徑向的槽(64)，和板(66)，所述板(66)覆蓋后表面以蓋住槽(64)，并因此在密封構(gòu)件的后表面和板之間界定了將孔(60)連接到密封的高壓側(cè)(16)的泄漏通道，其特征在于，所述板(66)形成為一個墊片，所述墊片足夠柔韌，以由氣體壓力偏轉(zhuǎn)與密封構(gòu)件(36)的后表面配合接觸，從而將泄漏通道的氣流限制在徑向槽中。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體密封組件，其特征在于，密封構(gòu)件的后表面中的槽(64)通過蝕刻形成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氣體密封組件，其特征在于，所述板(66)與密封構(gòu)件(36)分開，并且借助于彈簧(68)和密封的壓力側(cè)上的氣體而被推動與密封構(gòu)件(36)的后表面配合接觸。
4.如上述任意一項權(quán)利要求中所述的氣體密封組件，其特征在于，形成有帶槽的后表面的所述密封構(gòu)件(36)與旋轉(zhuǎn)軸(12)相連，并且第二密封構(gòu)件(24)與固定殼體(14)相連。
5.如權(quán)利要求4所述的氣體密封組件，其特征在于，所述第二構(gòu)件(24)被彈簧(40)加載，以沿趨于閉合縫隙的方向推動它。
6.如權(quán)利要求4或5所述的氣體密封組件，還包括用于在所述第二構(gòu)件(24)和殼體(14)之間密封的密封環(huán)(46)。
7.如上述權(quán)利要求中的任一項所述的氣體密封組件，其特征在于，所述孔(60)與所述前表面中的構(gòu)造(62)配合，以在所述前表面上分配泄漏氣體。
8.如權(quán)利要求7所述的氣體密封組件，其特征在于，所述構(gòu)造(62)包括一個或多個位于所述前表面中的大致為弧形的或周向的槽。
9.如權(quán)利要求7或8所述的氣體密封組件，其特征在于，在所述前表面中的構(gòu)造(62′)包括用于生成流體動力升力的大體上徑向的槽(61′)。
全文摘要
氣體密封組件包括一對相互旋轉(zhuǎn)的密封構(gòu)件(24，36)，密封構(gòu)件(24，36)中的每一個具有鄰近縫隙的前表面，縫隙位于構(gòu)成通過密封組件的泄漏路徑的兩個構(gòu)件之間。兩個密封構(gòu)件在使用中沿閉合縫隙的方向被推動并且氣體泄漏配置配設用來允許氣體從密封的高壓側(cè)(16)泄漏到縫隙中，從而施加區(qū)域分開構(gòu)件的力。氣體泄漏配置包括在密封構(gòu)件(36)之一的前表面和后表面之間延伸的孔(60)，在密封構(gòu)件(36)的后表面中形成的總體上徑向的槽(64)和板(66)，板(66)覆蓋槽(64)并因此在密封構(gòu)件的后表面和板之間界定了將孔(66)連接到密封的高壓側(cè)的泄漏通道。在本發(fā)明中，板(66)形成為墊片，所述墊片足夠柔韌以由氣體壓力偏轉(zhuǎn)與密封構(gòu)件(36)的后表面配合接觸，從而將泄漏通道的氣流限制在徑向槽中。
文檔編號F16J15/34GK1965187SQ200580018555
公開日2007年5月16日 申請日期2005年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月30日
發(fā)明者J·O·里德, L·U·羅伯茨-哈里托諾夫 申請人:科拉克集團公開公司