用于往复式压缩机的密封组件的制作方法

背景技术：

压缩机和其他往复泵通常具有活塞杆，该活塞杆移入和移出高(或低)压力系统。活塞杆跟随的路径为流体(气体或液体)进出气缸提供了自然的泄漏路径。通常，杆式密封件设计用于密封压缩机的高压腔室，但是由于这些密封系统的分段设计，会发生一些泄漏。

然而，当压缩机或泵不工作时，活塞杆静止或不移动。在某些实施例中，当压缩机、泵或阀门关闭但处于工作压力时，杆包装可能无法正确密封。流体，例如空气或天然气，可以通过杆包装的包装环泄漏到大气中。泄漏最多导致系统损失，必须更换，导致效率低下。在最坏的情况下，泄漏会导致政府机构监管的环境污染危害。

关闭后允许压缩机泄漏到大气中存在许多问题。一旦机器中的气体压力降至大气压，一个问题就是空气进入的可能性。在机器中没有压力的情况下，较小的泄漏路径可能允许空气进入压缩机内部并进入工艺流，从而在压缩机或压缩机下游产生潜在的爆炸性气氛。在关闭期间可能进入机器的水是另一个可能在工艺流程中产生污染物的问题。产品损失通常很小，但是另一个问题，特别是如果泄漏的气体是易燃的、腐蚀性的或者是排放到大气中的问题。通常，只有当气体是空气时才允许气体在关闭后从压缩机泄漏。

在关机期间具有可以防止泄漏到大气的某种密封的问题是要解决的更难的问题之一。通常防止工艺气体泄漏到大气中的包装在正常操作下会在一定程度上泄漏，因为它们由许多区段组成，这些区段允许在这些区段之间产生少量泄漏。它们由多个部分组成，在运行寿命期间可承受相当大的磨损。没有可以相对移动的区段，密封件在“磨损”之前可以承受的磨损量非常小。然而，为了完全阻止泄漏，密封件必须由单件制成，就像o形圈一样。但是这种配置会带来阻止在正常操作下通过包装泄漏的所有泄漏的问题，并且密封会很快磨损。

为了克服这些问题，一般的概念是防止关闭密封件接触轴直到轴停止移动，因此可以避免磨损。

在关闭期间防止压缩机轴泄漏的解决方案包括隔离压缩机并允许压力泄漏至零，并提供仅在系统关闭期间使用的一种密封。

静态密封组件描述于例如美国专利no.4,522,587、美国专利4,469,017和ep3330538a1中。

工业需要改进静态密封组件。

工业需要静态密封组件，这种组件简单且成本最小化，同时在压缩机关闭后提供密封密封。

发明概述

本公开涉及用于往复式压缩机的往复杆的密封组件、具有密封组件的往复式压缩机、和一种操作具有密封组件的往复式压缩机的方法。

如下概述本发明的若干方面。括号中设置的附图标记和表达是指下面参考附图进一步解释的示例实施例。然而，附图标记和表达仅是说明性的，并不将该方面限制于示例实施例的任何特定组件或特征。这些方面可以表述为权利要求，其中在括号中设置的附图标记和表达被省略或者在适当时由其他表示。

方面1.一种用于往复式压缩机的往复杆(20)的密封组件(10)，所述密封组件具有第一端(11)和第二端(12)，所述密封组件的第一端(11)朝向所述往复杆的圆柱端设置，所述密封组件的第二端(12)朝向所述往复杆(20)的曲轴箱端设置，所述往复杆(20)具有纵轴(21)，所述密封组件包括

一个或多个包装保持器(30)(a.k.a.“包装杯”)，所述一个或多个包装保持器(30)中的每一个包括被构造为与所述往复杆(20)接触的相应的包装(32)；

未分段的密封件(40)，被构造为与所述往复杆(20)形成密封界面，其中所述未分段的密封件(40)布置在相对于所述一个或多个包装保持器(30)的轴向位置更靠近所述密封组件的第二端(12)的轴向位置处，所述轴向位置相对于所述往复杆(20)的纵轴(21)限定；

具有第一端(51)和第二端(52)的流体通道(50)，所述第一端(51)位于所述未分段的密封件(40)和所述一个或多个包装保持器(30)的至少一个相应的包装(32)之间的轴向位置处，相对于所述往复杆(20)的纵轴(21)限定的流体通道(50)的第一端(51)的轴向位置，所述流体通道(50)可操作地构造为使流体泄漏通过至少一个相应的包装(32)；和

与所述流体通道(50)的第二端(52)流体连通的阀门(60)。

方面2.根据方面1的密封组件，其中未分段的密封件(40)的内径与所述往复杆(20)的外径相同。

方面3.根据方面1或方面2的密封组件，还包括通气构件(70)(a.k.a.“通气杯”)，其中所述流体通道(50)穿过所述通气构件(70)。

方面4.根据方面3的密封组件，其中通气构件(70)包含相应的包装(72)。

方面5.根据方面1至4中任一项的密封组件，其中一个或多个包装保持器(30)的每个中包含的包装(32)是分段包装。

方面6.根据方面1至4中任一项的密封组件，一个或多个包装保持器(30)的每个中包含的包装(32)是绳子包装。

方面7.根据方面1至6中任一项的密封组件，还包括：用于所述往复杆(20)的衬套(80)，所述衬套(80)处于有效减小所述未分段的密封件(40)上的压缩载荷的位置。

方面8.根据方面1至7中任一项的密封组件，还包括：密封载体(45)，与所述一个或多个包装保持器(30)固定间隔开，所述密封载体(45)用于保持所述未分段的密封件(40)。

方面9.根据方面8的密封组件，其中密封载体(45)被构造为允许所述未分段的密封件(40)径向移动(响应往复杆(20)的径向移动)。

方面10.根据方面1至9中任一项的密封组件，还包括：压力传感器(100)，可操作地设置成检测所述流体通道(50)的第二端(52)和阀门(60)之间的传输线中的压力。

方面11.往复式压缩机，包括：

往复杆(20)；和

根据方面1至10中任一项的密封组件(10)。

方面12.一种操作根据方面11的往复式压缩机的方法，其中其中当所述往复式压缩机运行时，任何通过至少一个相应包装(32)泄漏的流体通过阀门(60)排出；和其中当所述往复式压缩机停止时，阀门(60)关闭。

附图简述

图1示出了具有衬套和流体通道的密封组件，该密封组件具有用于排出泄漏气体的端口，其中端口构建在凸缘中。

图2示出了具有衬套和流体通道的密封组件，所述衬套和流体通道具有用于排出泄漏气体的端口，其中端口构建在通气杯中。

图3示出了具有密封载体的密封组件，该密封载体具有浮动式密封件和流体通道，该流体通道具有用于排出泄漏气体的端口，其中端口构建在通气杯中。

图4a示出了密封组件，其中未分段的密封件40是弹簧激励的u形杯密封件。

图4b示出了密封组件，其中未分段的密封件40是u形杯密封件，其不是弹簧激励的。

图5示出了密封组件，其中未分段的密封件40是两件式密封件，包括具有塑料盖40b的o形环40a。

发明详述

随后的详细描述仅提供了优选的示例性实施例，并且不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。而是，随后对优选示例性实施例的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本发明的优选示例性实施例的可行描述，应当理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

当应用于说明书和权利要求中描述的本发明的实施例中的任何特征时，这里使用的冠词“一”和“一个”表示一个或多个。除非特别说明这种限制，否则“一”和“一个”的使用不限制单个特征的含义。单数或复数名词或名词短语之前的冠词“该”表示特定的特定特征或特定的特定特征，并且取决于使用它的上下文可以具有单数或复数含义。

形容词“任何”意味着任意数量的一个、一些或全部。

在第一实体和第二实体之间放置的术语“和/或”包括(1)仅第一实体、(2)仅第二实体、以及(3)第一实体和第二实体的任何含义。在3个或更多个实体的列表的最后两个实体之间放置的术语“和/或”表示列表中的至少一个实体，包括该列表中的实体的任何特定组合。例如，“a、b和/或c”具有与“a和/或b和/或c”相同的含义，并且包括a、b和c的以下组合：(1)仅a、(2)仅b、(3)仅c、(4)a和b而不是c、(5)a和c而不是b、(6)b和c而不是a、和(7)a和b和c。

在特征或实体列表之前的短语“至少一个”表示实体列表中的一个或多个特征或实体，但不一定包括实体列表中明确列出的每个实体中的至少一个，不排除实体列表中实体的任何组合。例如，“a、b或c中的至少一个”(或等效地“a、b和c中的至少一个”或等效地“a、b和/或c中的至少一个”)与“a和/或b和/或c”具有相同的含义，并包括以下a、b和c的组合：(1)仅a，(2)仅b，(3)仅c，(4)a和b而不是c，(5)a和c而不是b，(6)b和c而不是a，和(7)a和b和c。

术语“多个”表示“两个或多于两个”。

本公开涉及用于往复式压缩机的往复杆的密封组件、具有该密封组件的往复式压缩机，以及利用该密封组件操作往复式压缩机的方法。

参考附图描述密封组件，其中相同的附图标记表示附图中的相同元件。

如图1-3所示，用于往复式压缩机的往复杆20的密封组件10具有第一端11和第二端12。密封组件的第一端11朝向往复杆的圆柱端设置，密封组件的第二端12朝向往复杆20的曲轴箱端设置。往复杆20具有纵轴21。

密封组件包括一个或多个包装保持器30，本领域技术人员称为“包装杯”。一个或多个包装保持器30中的每一个包含相应的包装32，该包装32构造成接触往复杆20并提供密封以防止流体泄漏。包含在一个或多个包装保持器30中的每一个中的包装32可以是分段包装、绳子包装或本领域已知的任何其他类型的包装。

包装保持器30安装在法兰110上。密封件可以通过o形密封圈90设置在包装保持器30和法兰之间。

相应的o形环密封件90可以在每个包装保持器30之间提供密封。

密封组件包括未分段的密封件40，其构造成与往复杆20形成连续密封界面。未分段的密封件40布置在相对于一个或多个包装保持器30的轴向位置更靠近密封组件的第二端12的轴向位置处。轴向位置相对于往复杆20的纵轴21限定。未分段的密封件40可以与往复杆20的外径相同。未分段的密封件是围绕往复杆20的圆周的连续密封件，不是由围绕圆周的多个区段形成的。

未分段的密封件40可以是u形杯密封件，其可以如图4a中所示弹簧通电，或者不是弹簧激励，如图4b所示。

未分段的密封件可以是o形密封圈。

未分段的密封件40可以是两件式密封件，其包括具有塑料帽40b的o形环40a，如图5所示。塑料帽改善了密封件的寿命。塑料盖40b靠着滑动表面(即往复杆20)定位，因此它是磨损的塑料盖40b，而不是o形环40a。

未分段的密封件40可以由任何期望的塑料或弹性体制成。塑料密封件更常见的是弹簧通电并且弹性密封件不能被弹簧激励。

可以选择塑料或弹性体以与压缩机中用于压缩的流体相容。

未分段的密封件40没有可提供泄漏路径的通道。

未分段的密封件40没有通道孔隙。

未分段的密封件40不是绳子包装。

密封组件包括具有第一端51和第二端52的流体通道50。第一端51位于未分段的密封件40与一个或多个包装保持器30的至少一个相应包装32之间的轴向位置。流体通道50的第一端51的轴向位置相对于往复杆20的纵轴21限定。流体通道50可操作地配置成使流体泄漏通过至少一个相应的包装32。

图1示出了在凸缘110内限定的流体通道50的第一端51处的端口。

密封组件包括与流体通道50的第二端52流体连通的阀门60。阀门60可操作地连接到流体通道50的第二端52，以允许或阻止流过流体通道50。

密封组件可包括通气构件70，所谓的“通气杯”，其中流体通道50穿过通气构件70。至少一部分流体通道限定在通气构件内。通气构件可包含相应的包装72。

图2和图3示出了限定在通气构件70内的流体通道50的第一端51处的端口。

通过使用流体通道50和阀门60，未分段的密封件40两侧的压力差很小。当往复杆20一直在未分段的密封件40上时，由于低压差，接触压力相对较低，并且由于非常低的接触压力，运动不会引起快速磨损。

除了主轴向之外，往复式压缩机上的往复杆20通常在径向方向上非常轻微地移动。该径向运动将倾向于优先在一侧压缩未分段的密封件40，由于增加的接触载荷可能导致未分段的密封件40上的磨损。

如图1和图2所示，密封组件可包括用于往复杆20的衬套80。衬套80(如果存在的话)处于有效减小未分段密封件40上的压缩载荷的位置。衬套80(如果存在的话)则将被定位在未分段的密封件40的旁边，以使往复杆20保持居中并防止未分段的密封件40上的过度压缩载荷。

密封组件可包括与一个或多个包装保持器30固定间隔开的密封载体45。密封载体45保持未分段的密封件40。密封载体45可固定地连接到安装凸缘110。

图3中所示的密封载体45构造成允许未分段的密封件40响应于往复杆20的径向移动而径向移动。未分段的密封件40可以保持在密封载体45中，使得未分段的密封件40随着往复杆20的径向移动而被允许径向移动。

密封组件可包括压力传感器100，压力传感器100可操作地设置成感测流体通道50的第二端52和阀门60之间的传输线中的压力。通过利用压力传感器100监测传输线中的压力，可以验证密封件的正确操作，并且可以监控通过包装的泄漏，从而当磨损时可以更换包装。

本发明还涉及一种具有如上所述的密封组件的往复式压缩机。往复式压缩机包括往复杆20和如上所述的密封组件10。往复式压缩机的其他部件可以是本领域已知的。

本公开还涉及一种利用上述密封组件操作往复式压缩机的方法。该方法包括当往复式压缩机运行时排出通过阀门60泄漏通过包装32的任何流体，并且当往复式压缩机停止时关闭阀门并保持阀门关闭。

实施例

密封件在其使用寿命期间会磨损，并且一旦过多的材料丢失，最终会开始泄漏。在操作期间损失的材料量是接触压力和密封件行进的总距离的函数。接触压力越高，总滑动距离越大，材料的总损失就越高。这种材料的损失最终导致密封“磨损”。滑动距离等于滑动速度乘以总时间，因此每单位时间运行期间损失的材料总量与接触压力(p)和速度(v)线性相关。pv越高，密封磨损越快。

为了增加密封件可以保持使用的时间量，可以降低速度，这对于给定的应用可能是不可能的，或者可以降低接触压力。接触压力主要是密封件上的压差的函数，因此压差越大，密封件磨损越快。

在本发明中，通过在密封件暴露于滑动时的正常操作期间提供最小的接触压力来增加未分段的密封件的寿命。

未分段的密封件类似于本公开中描述的密封件通常由耐磨材料制成并且可以在690kpa(100psi)差的压力下并且在正常速度下操作时持续大约1000小时。然而，690kpa(100psi)差的压力远低于考虑用于该密封组件的应用，例如用于压缩氢以进行氢燃料加注。

如果差动密封压力增加到6900kpa(1000psi)，则磨损寿命将减少10倍，从而使密封寿命约为100小时。

100小时的密封寿命太短，不适合实际使用。然而，通过消除密封件的压力差，仅由轴上的密封件拉伸引起的剩余密封压力非常低。密封件的接触压力在其上没有压差，并且仅由密封件在轴上拉伸引起的压力比已知密封件低5到10倍，因此密封件寿命将增加该量。

在操作期间移除的密封材料的速率与接触压力和滑动速度成线性比例。通过在操作期间基本上消除密封件上的压差来降低接触压力预期将密封件的使用寿命增加到5000到10,000小时之间。