专利名称：用于离心式压缩机的阻挡体密封系统的制作方法
技术领域：
所公开的实施例大体上涉及旋转机器，且尤其涉及用于转动部件 和静止部件之间的分界面的密封系统。
背景技术：
诸如离心式压缩机的旋转机器经常使用干气密封件(dry gas seal), 以便限制工艺气体沿着可旋转轴渗漏至大气中。提供给可旋转轴的一 个或多个径向轴承的润滑油经常趋于沿着转子轴通过毛细作用带走 而且污染干气密封件的尖端表面。阻挡体密封件(也称为"第三密封件") 设置在干气密封件和径向轴承之间，以便防止油朝向干气密封件的运 移。通常，阻挡体密封件(barrierseal)包括一对密封件，在该对密封件 之间设有气体流路。阻挡体密封件可包括迷宫式密封件、碳面密封件、 金属的刷密封件等。
然而，阻挡体密封件不能有效地防止在降低的緩冲气流时油的运 移。例如，如果密封件下方的流动与密封件的有效间隙相比相对较小， 则阻挡体密封件不能有效地防止油从轴承至干气密封件的运移。此 外，还提高了分离气体在该对密封件之间的耗损。
因此，存在着对于在机器的各种运行状况下有效地防止油从一个 或多个轴承运移至干气密封件的密封系统的需求。而且，还存在着对 于降低分离气体在该对密封件之间耗损的密封系统的需求。
发明内容
根据本发明的一个示范性实施例， 一种旋转机器包括机器转子、 连结至机器转子的轴承、机器定子以及设置在机器转子和机器定子之 间的密封装置。密封装置包括干气密封件和设置在干气密封件和轴寿义之间的第一刷密封件。第一刷密封件包括多个非金属的纤维。第二刷 密封件设置在第 一刷密封件和轴承之间的第二侧上。第二刷密封件包 括多个非金属的纤维。
根据本发明的另 一个示范性实施例， 一种旋转压缩机包括压缩机 转子、连结至压缩机转子的轴承、压缩机定子以及设置在压缩机转子 和压缩机定子之间的密封装置。密封装置包括干气密封件和设置在干 气密封件和轴承之间的压縮机侧上的第 一刷密封件。第 一刷密封件包 括多个非金属的纤维。第二刷密封件设置在第 一刷密封件和轴承之间 的轴承侧上。
根据本发明的又一个示范性实施例， 一种旋转压缩机包括压缩机 转子、连结至压缩机转子的轴承、压缩机定子以及设置在压缩机转子 和压缩机定子之间的密封装置。密封装置包括干气密封件和设置在干 气密封件和轴承之间的压缩机侧上的第一密封件。第二密封件设置在 第 一密封件和轴承之间的轴承侧上。第二密封件包括具有多个非金属 的纤维的刷密封件。
当参照附图理解下列详细说明时将会更好地明白本发明的这些 及其它的特征、方面和优点，在整个附图中同样的符号表示相同的元
件，在附图中
图1为根据本文中所公开的示范性实施例的具有密封装置的旋转 机器的图解表示；
图2为根据本文中所公开的另一个示范性实施例的刷密封装置的 图解表示；
图3为根据本文中所公开的另一个示范性实施例的具有至少两个 刷密封件的阻挡体密封装置的图解表示；
图4为根据本文中所公开的另 一个示范性实施例的具有至少两个 刷密封件的阻挡体密封装置的图解表示；和图5为根据本文中所公开的另一个示范性实施例的具有至少两个 刷密封件和迷宫式密封件的混合型阻挡体密封装置的图解表示。
元件清单
10旋转机器
12机器转子
14机器定子
15支牙、轴承
16密封装置
18主要干气密封件
20辅助千气密封件
22内部迷宫式密封件
24阻挡体密封件
25刷密封件
26第一刷密封件
28非金属的纤维
30夹持装置
32笫一板
34笫二板
36第一端
38第二端
40固定装置
42第二刷密封件
44第 一侧
46第二侧
48壳体圈
50夹紧圈
52隔离圈54第一静态刷密封件
55阻挡体密封件
56第二静态刷密封件
58隔离圈
60伸出端
62转子套管
63混合型阻挡体密封件
64第一迷宫式密封件
66第二迷宫式密封件
68分离气体供给路径
70專it助出口
具体实施例方式
就像下文中所详细论述的那样，本发明的实施例提供了在机器转 子和机器定子之间设置有密封装置的旋转机器。密封装置包括干气密 封件、设置在干气密封件和轴承之间的第一侧上向机器转子提供的笫 一密封件以及设置在第 一 密封件和轴承之间的第二侧上的第二密封 件。在一些示范性的实施例中，第一密封件包括含有非金属的纤维的 刷密封件。在一些示范性的实施例中，第二密封件包括刷密封件。在 一些示范性实施例中，第一密封件和第二密封件可包括各自含有多个
非金属的纤维的刷密封件。第一密封件和第二密封件都^L构造成用于 防止朝向千气密封件漏油。在某些实施例中，结合第一密封件和第二 密封件使用诸如迷宫式密封件或碳面密封件的其它密封件。非金属的 纤维的使用尤其是希望防止旋转机器在所有运行状况下的漏油。同时 降低了分离气体在密封件之间的耗损。在某些示例中，旋转机器可包 括离心式压缩机。下文中总体参照图1至图5对本发明的具体实施例 进行了论述。
参照图1，根据本发明的示范性实施例举例说明了示范性的旋转机器IO(例如离心式压缩机)。机器10包括设置在机器定子14(有时称 为"壳体，，)内部的机器转子12(例如压缩机轴)。机器转子12借助于 一个或多个支承轴承15而支承在机器定子14上。密封装置16设置 在机器转子12和机器定子14之间，并构造成用于降低流体在机器转 子12和机器定子14之间的渗漏。
在举例说明的示范性实施例中，密封装置16包括主要干气密封 件18、辅助干气密封件20、内部迷宫式密封22以及构造成用于降低 工艺气体渗漏的阻挡体密封件24。工艺气体可包括气体，例如二氧化 碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气或其组合。在某 些实施例中，可使用多于两个的干气密封件，在机器转子14的每端 各有一个。在某些其它的实施例中，可使用直接邻近于叶轮(未示出) 定位的单一干气密封件。各干气密封件通常包括匹配的流体密封定子 (不可转动的圈)和流体密封转子(可旋转的圏)。图1中没有说明干气密
封件的细节。在机器的运行期间，流体密封定子和流体密封转子中的 凹槽产生导致将流体密封定子从流体密封转子中分离的流体动力作 用力，从而在流体密封定子和流体密封转子之间生成"运转间隔"。 辅助干气密封件20充当主要干气密封件18的后备(back-up)。在此应 注意的是，举例说明的离心式压缩机仅仅是示范性的实施例，而根据 本发明实施例的千气密封件还可适用于需要密封装置以便防止工艺 气体渗漏的其它旋转机器。同时可注意的是，本发明的方面不局限于 旋转机器的关联物，而且可以与在机器运行期间经受干气密封件污染 的其它机器相关联。
外来材料进入流体密封定子和流体密封转子之间的运转间隔，可 影响密封性能从而导致过多的气体渗漏至出口路径。于是，增加了流 体密封定子和流体密封转子之间的剪切力。干气密封件18, 20可由 于诸如工艺气体、轴承润滑油等的种种因素而^L污染。内部迷宫式密 封22被构造成用于从干气密封件18, 20中分离出工艺气体。阻挡体 密封件24被构造成用于从压缩机轴承15中分离出主要气体密封件18和辅助气体密封件20。阻挡体密封件24可用空气或氮气进行緩沖。阻 挡体密封件24阻止轴承润滑油或油雾流入干气密封件18， 20中，并 参考后续附图进行了更为详细地解释。
参照图2，举例说明了示范性刷密封件25的局部放大视图。根据 本发明某些方面的刷密封件25包括多个非金属的纤维28，该纤维28 被构造成用于接触转子12，以便降低轴承润滑油的渗漏并同时降低密
封件-转子分界面处的温度。
刷密封件25包括可连结至机器定子的夹持装置30。夹持装置30 包括笫一板(前板)32和第二板(后板)34。在夹持装置30的第一板32 和第二板34之间设置有多个非金属的纤维28。通常，纤维28可以成 预定角度的倾斜。就像本领域技术人员所公知的那样，纤维28的倾 斜改善了密封件与转子12的一致性。纤维28的该种径向偏差有利地 保证"轻柔地搭接"在接触表面上以便防止纤维的结构变形。倾斜角 度取决于诸如例如纤维的结构稳定性以及纤维28与板32、 34的装配 筒易度之间的权衡关系。夹在板32、 34之间的纤维28充填得足够密 集，以便防止润滑油经由纤维渗漏至干气密封件内。用这样的一种方 法将纤维的充填密度保持在预定范围内，以便增强密封的有效性以及 避免摩擦力因纤维和接触表面之间的摩擦接触而产生的任何显著增 加。
各纤维28包括连结至夹持装置30的第一端36和紧邻转子12设 置的第二端38。在某些示范性的实施例中，纤维28的第二端38^皮构 造成用于接触转子12。在举例说明的实施例中，夹持装置30包括设 置在第一板32和第二板34之间的诸如环氧材料的固定装置40。固定 装置40被构造成用于将非金属的纤维28连结至夹持装置30。在某些 示范性的实施例中，第一板32和第二板34包括金属材料、复合材料 或其组合。纤维28被夹紧在第一板32和第二板34之间。各纤维28 的第一端36坤皮连结至固定装置40而第二端38从板32、 34伸向转子 12。
在某些其它的示范性实施例中，纤维28^皮加热焊接到板32、 34上。在某些其它的示范性实施例中，通过使用环形线和保持夹具(未示
出)将纤维28紧固到板32、 34上。
非金属的纤维可包括Kevlar(开夫拉)纤维、碳纤维、碳化物纤维 或其组合。在此应注意的是，该非金属的纤维清单并非穷举的，而是 还可设想到其它的非金属的纤维。纤维材料和直径根据诸如例如刚 度、抗蠕变性、耐磨性以及克服油的化学惰性的特性之间的权衡关系 而进行选择。在考虑到诸如结构稳定性和所需一致性的权-斷因素的同 时，选择纤维直径以便保证克服因工作流体而在其上施加空气动力的 结构稳定性。例如，非金属的纤维的较小直径导致密封件-旋转部件分 界面处的有效间隙减小并且还降低了刚度从而导致发热量的下降。
参照图3,根据本发明的另一个示范性实施例举例说明了具有第 一刷密封件26和第二刷密封件42的阻挡体密封件24。第一刷密封件 26设置在干气密封件和轴承之间的第一侧(也称为"压缩机侧")44上。 第二刷密封件42设置在第一密封件和轴承之间的第二侧(也称为"轴 承侧")46上。在一个示范性的实施例中，第一刷密封件26包括根据 图2中刷密封件25所描述类型的密封件。在此应注意的是，第二刷 密封件42与第 一刷密封件26相比可以是同样类型或者不同的类型。 在一个示范性的实施例中，刷密封件26、 42经由壳体圈48和夹紧圏 50被连结至定子壳体，而隔离圈52则设置在刷密封件26、 42之间。 在刷密封件26、 42之间设置了分离气体供给路径(未示出)，以便允许 分离气体在密封件26、 42之间流动。
惯常地，使用碳面密封件、迷宫式密封件和金属的刷密封件来防 止轴承润滑油运移至干气密封件中，而金属的刷密封件与轴承侧相比 较位于压縮机侧。由于与迷宫式密封件相关的较大的轴间隙，需要注 入的分离气体数量远高于成段的碳面密封件所需要的。碳面密封件并 不总是防止轴承润滑油运移至干气密封件中。在某些轴承已浸渍的状 况下，非常低的分离气流并不简单地足以"抑制"轴承润滑油运移至 干气密封件中。在这种情形中，干气密封件需要与趋于沿着转子轴12通过毛细作用带走的轴承润滑油脱离开，以便防止污染干气密封件的 4妄触表面。
根据本发明举例说明的示范性实施例，具有刷密封件26、 42的 阻挡体密封件24在旋转机器中提供了有效的阻挡体密封功能。尤其 是当刷密封件26、 42具有根椐图2所描述类型的非金属的纤维时， 期望密封装置有效地防止轴承润滑油在旋转机器包括启动状况和停 机状况的所有运行状况期间的运移。刷密封件26、 42之间的分离气 流朝向旋转部件和轴承而偏转非金属的纤维，使得纤维接触旋转部件 的表面和轴承，从而保持与之相反的密封件。非金属的刷密封件预计 对于防止轴承润滑油在降低分离气体压力差和流量时的运移尤其地 有用。由此也降低了分离气体的耗损。
参照图4,根据本发明的另一个示范性实施例举例说明了具有笫 一静态刷密封件54和第二静态刷密封件56的阻挡体密封件55。第一 静态刷密封件54设置在干气密封件和轴承之间的压缩机侧44上。第 二静态刷密封件56设置在第 一静态刷密封件54和轴承之间的轴承侧 46上。在此应注意的是，第二静态刷密封件56与笫一静态刷密封件 54相比可以是相同类型或不同类型的。隔离圈58设置在刷密封件54、 56之间。刷密封件54、 56的伸出端60定位成紧邻或接触套管，例如 旋转机器的转子套管62。套管62安装到机器的转子上并构造成用于 遏制在机器运行期间所遇到的离心力。套管62此外防止了转子冷却 剂经由转子滴入到转子和定子之间的空气间隔内从而引起所谓的"通 风损耗"。静态刷密封件的特点在于在密封表面之间或者在密封表面 和匹配表面之间缺少相对运动。根据本发明举例说明的示范性实施 例，具有静态刷密封件54、 56的阻挡体密封件55在旋转机器中提供 了有效的阻挡体密封功能，也就是说，具有非金属的纤维的刷密封件 54、 56有效地防止了轴承润滑油在旋转机器所有运行状况期间的运 移。
参照图5，根据另一个示范性实施例举例说明了混合型阻挡体密封件63。在举例说明的实施例中，混合型阻挡体密封件63包括第一 刷密封件26和第二刷密封件42，其中，第一刷密封件26设置在干气 密封件和轴承之间的压缩机侧44上而第二刷密封件42则设置在第一 刷密封件和轴承之间的轴承侧46上。举例说明的阻挡体密封件63包 括分别平行于第一刷密封件26和笫二刷密封件42而叠置的第一迷宫 式密封件64和第二迷宫式密封件66。尽管举例说明了两个迷宫式密 封件64、 66,但在备选的示范性实施例中也可以平行于刷密封件叠置 多于两个的迷宫式密封件。在某些其它的示范性实施例中，可平行于 第一刷密封件26和第二刷密封件42叠置一个或多个密封件，例如碳 面密封件、可磨损的迷宫式密封件、金属的刷密封件或其组合。
根据本发明某些方面的第一刷密封件26和第二刷密封件42，包 括构造成用于接触转子12以便降低轴承润滑油的渗漏以及密封件-转 子分界面处的温度的多个非金属的纤维28。分离气体供给路径68设 置在刷密封件26、 42之间以便允许分离气体(例如氮气)在密封件26、 42之间的流动。在阻挡体密封件24的运行状况期间，密封气体(例如 氮气的惰性气体)经由笫 一刷密封件26和第二刷密封件42之间的供给 路径68流动并经由辅助出口 70流出。气体的流动产生了用以朝向轴 承移动第二刷密封件42的开启力，从而防止轴承润滑油运移至干气 密封件中。在某些其它的示范性实施例中，迷宫式密封件64、 66可 平行于静态刷密封件叠置并被构造成用于接触旋转机器的转子套管。
尽管其中的实施例为阻挡体密封的两个密封件都包括含有非金 属的纤维的刷密封件，但本文中也可构思出其它的组合。例如，在常
规实施例中最靠近轴承的密封件并非刷密封件。可以预期的是，对于 该第二密封件使用任何类型的刷密封件都将是有益的，而且使用含有 非金属的纤维的刷密封件也将提供附加的改进。类似地，不管第二密 封件是否包括刷密封件，使最靠近压缩机的密封件(本文中通常称为 "第一密封件，，)包括含有非金属的纤维的刷密封件同样提供了以上论 述的优点。尽管在本文中仅举例说明和描述了本发明的某些特征，但对于本 领域技术人员总将想起许多修改和变动。因此应理解的是，所附权利 要求是用来涵盖所有的这些属于本发明真实精神的修改和变动。
权利要求
1. 一种旋转机器(IO),包括 机器转子C12);连结至所述机器转子(12)的轴承(15); ^L器定子(14);和设置在所迷机器转子(12)和所述机器定子(14)之间的密封装置 (16)，所述密封装置(16)包括 干气密封件(18， 20);设置在所述干气密封件(18, 20)和所述轴承(15)之间的第一刷密封 件(26)，其中，所述第一刷密封件(26)包括多个非金属的纤维(28);和设置在所述第 一刷密封件(26)和所述轴承(l 5)之间的第二刷密封 件(42),其中，所述第二刷密封件(42)包括多个非金属的纤维(28)。
2. 根据权利要求1所迷的机器(IO),其特征在于，所述非金属的 纤维(28)包括Kevlar纤维、碳纤维、碳化物纤维或其组合。
3. 根据权利要求1所述的机器(IO)，其特征在于，所述机器(IO) 还包括至少一个附加的密封件(22， 64, 66)，所述密封件(22， 64， 66) 平行于所述第 一刷密封件(26)或所述第二刷密封件(42)叠置。
4. 根据权利要求3所述的机器(IO),其特征在于，所述至少一个 附加的密封件包括一个或多个碳面密封件、迷宫式密封件、可磨损的 迷宫式密封件、金属的刷密封件或其组合。
5. —种旋转压缩机(IO)，包括 压缩机转子(12);连结至所述压缩机转子(12)的轴承(15); 压缩机定子(14);和设置在所述压缩机转子和所述压缩机定子之间的密封装置(16)， 所述密封装置(16)包括 干气密封件(18， 20);设置在所述干气密封件(18， 20)和所述轴承(15)之间的压缩机侧上 的第一刷密封件(26)，其中，所述第一刷密封件(26)包括多个非金属的 纤维(28);和设置在所述第 一刷密封件(26)和所述轴承(l5)之间的轴承侧上的 第二密封件(42)。
6. 根据权利要求5所述的压缩机(IO)，其特征在于，所述非金属 的纤维(28)包括Kevlar纤维、碳纤维、碳化物纤维或其组合。
7. 根据权利要求5所述的压缩机(IO)，其特征在于，所述第二密 封件(42)包括非金属的刷密封件、碳面密封件、迷宫式密封件、可磨 损的迷宫式密封件、金属的刷密封件或其组合。
8. —种旋转压缩4几(10),包括 压缩机转子C12);连结至所述压缩机转子(12)的轴承(15); 压缩^^定子C14);和设置在所述压缩机转子(12)和所述压缩机定子(14)之间的密封装 置(16),所述密封装置(16)包括 干气密封件(18, 20);设置在所述干气密封件(18， 20)和所述轴承(15)之间的压缩机侧上 的第一密封件(26);和设置在所述第 一密封件(26)和所述轴承(l5)之间的轴承侧上的第 二密封件(42);其中，所述第二密封件(42)包括刷密封件。
9. 根据权利要求8所述的压缩机(IO),其特征在于，所述第二密 封件(42)的所述刷密封件包括多个非金属的纤维(28)。
10. 根椐权利要求9所述的压缩机(10)，其特征在于，所述第二密 封件(42)包括非金属的刷密封件、碳面密封件、迷宫式密封件、可磨 损的迷宫式密封件、金属的刷密封件或其组合。
全文摘要
本发明公开一种用于离心式压缩机的阻挡体密封系统。其中，一种旋转机器(10)包括机器转子(12)、连结至机器转子(12)的轴承(15)、机器定子(14)以及设置在机器转子(12)和机器定子(14)之间的密封装置(16)。密封装置(16)包括干气密封件(18，20)和设置在干气密封件(18，20)和轴承(15)之间的第一密封件和第二密封件(26，42)。第一密封件和第二密封件(26，42)中的一个或两个都包括刷密封件，或更具体地说包括含有多个非金属的纤维(28)的刷密封件。
文档编号F04D17/10GK101311549SQ20081010786
公开日2008年11月26日 申请日期2008年5月23日 优先权日2007年5月24日
发明者C·E·沃尔夫, E·J·鲁吉罗, G·马里奥蒂, R·M·卢斯特德 申请人:通用电气公司