一种透平机械干气密封用流体动压型后置隔离密封装置的制作方法

本发明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。

技术实现要素：

本发明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流体动压型后置隔离密封装置。

为了实现本发明之目的，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。

在本申请中，当透平机高速旋转时，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静止组件贴合的端面上设有流体动压槽，因此所述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，并通过所述传动销传动、通过密封圈密封，所述动环的内径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，所述动环的内径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，并在所述耐磨层上设置流体动压槽，所述流体动压槽包括中间环形槽、外侧动压槽和内侧动压槽，所述中间环形槽与所述动环同轴布置，所述外侧动压槽与内侧动压槽均与所述中间环形槽连通，所述外侧动压槽的根部与动环外缘之间为没有槽的外侧坝区，所述内侧动压槽的根部与动环轴心之间为没有槽的内侧坝区。更优选的，旋转组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；而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，所述中间环形槽的槽深为10～100μm，所述外侧动压槽和内侧动压槽的槽深为3～20μm。

在第一方面的一种优选方案中，所述外侧动压槽和内侧动压槽的槽型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或螺旋槽，所述双向旋转的槽型包括u型槽或t型槽。如果是单向槽，外侧动压槽和内侧动压槽的旋向是相反的(均为从内向外看)。

在第一方面的一种优选方案中，所述外侧坝区的径向宽度为所述密封面宽度的0.15～0.35，所述内侧坝区的径向宽度为0.1～0.3。当内侧坝区或外侧坝区的宽度太小，流体动压槽形成的膜厚过厚，容易越过内侧坝区或外侧坝区向内或向外泄露，从而降低密封的性能；当内侧坝区或外侧坝区的宽度太大，意味着流体动压槽的宽度小，不易形成气膜，也会影响密封使用寿命和性能。

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。更有选的，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、推环以及静环内设有贯通的隔离气通道，且静环内隔离气通道的出口位于东环前端端面的中间环形槽处。隔离气通过隔离气通道，首先进入中间环形槽中，然后利用外侧动压槽和内侧动压槽产生的流体动压效应，将中间环形槽区的隔离气分别向外和向内泵送，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。同时，一小部分隔离气通过内侧槽区和内侧坝区上的极小间隙向内径处泄漏，从内径处泄漏出来的隔离气通过弹簧与所述压紧套之间的环形通道与干气密封外侧密封的泄漏气一起去高点放空。

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处设有o型圈，该设置保证了隔离气只能在隔离气通道密封面通过，而不会向其他地方泄漏，从而保证了密封效果。

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。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)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他透平机械干气密封的零泄漏；

(2)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的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的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为弹簧座，2为轴套，3为传动销，4为动环，5为静环，6为弹簧座，7为弹簧，8为压紧套，9为o型圈，10为o型圈，11为定心波纹带，12为锁母，13为推环，14为o型圈，15为o型圈，16为销，17为销，18为内六角螺钉，19为内六角螺钉，20为o型圈，21为内六角螺钉，22为销，23为垫圈，24为主轴，25为壳体，26为第一环，27为第二环，28为挡油环，29为甩油环，30为中间环形槽，31为外侧动压槽，32为外侧坝区，33为内侧动压槽，34为内侧坝区。

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发明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。

以下将描述本发明的具体实施方式，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。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。

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

下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明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，但本发明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，由旋转组件和静止组件两大部分组成。

旋转组件包括动环4、轴套2、压紧套8、定心波纹带11、若干o形圈、传动销3、若干内六角螺钉等，其中，压紧套8通过内六角螺钉与轴套2连接成一体，具体来说，轴套2包括同轴且一体化设置的第一环26和第二环27，压紧套8的尾端且与主轴24接触处设有一凹槽，第一环26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19与第一环26的前端固定，第二环27的前端与第一环26的尾端一体化连接，动环4的尾端与第二环27的前端贴合，并通过传动销3传动，通过o形圈10密封，动环4的内缘与所述第一环26的外缘抵接，并在两者之间设有定心波纹带11，第二环27的尾端与锁母12抵接，压紧套8的前端与干气密封组件的旋转部分抵接并通过销17保持同步转动。通过干气密封组件和锁母12的轴向压紧，向轴套2及压紧套8传递扭矩，使轴套2、压紧套8与主轴24一起高速旋转。轴套2又通过传动销3来给动环4传递扭矩，使动环4与轴套2一起高速旋转。动环4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。槽区位于密封端面的中部，由三部分组成：中间环形槽30，外侧动压槽31，内侧动压槽33；外侧动压槽31的入口与环形槽相通，外侧动压槽31再向外是无槽的外侧坝区32；内侧动压槽33的入口与环形槽相通，内侧动压槽33再向内是无槽的内侧坝区34，流体动压槽的外侧动压槽和内侧动压槽可以为单向旋转槽型，如图2或图3所示的为螺旋槽，且如果是单向槽，外侧动压槽31和内侧动压槽33的旋向是相反的(均为从内向外看)。流体动压槽的外侧动压槽和内侧动压槽也可以为双向旋转槽型，如图4所示的t型槽。中间环形槽30、外侧动压槽31、内侧动压槽33的槽深均为μm量级；另外，轴套2与主轴24之间设有o型圈9，动环4和第二环27之间设有o型圈10。

静止组件由碳石墨制成的静环5、推环13、弹簧7、若干o型圈、弹簧座6、若干销以及若干内六角螺钉构成，依靠弹簧7的轴向压紧力和隔离气的气体压力来实现静环5端面与动环4端面的贴合。具体来说，弹簧座6通过内六角螺钉18与壳体25的后置密封腔体1固定，并在两者之间设置o型圈15及o型圈20。弹簧座6内设有推环13以及静环5，其中，推环13的前端与一组弹簧7的后端贴合，弹簧7的前端与弹簧座6内的弹簧孔底部贴合，同时，在推环13和弹簧座6之间设置销16，以防止推环13和弹簧座6之间发生转动；推环13的尾端与静环5的前端贴合，并通过销22以防止发生转动，同时，在推环13和静环5与弹簧座6的的配合面上设有o型圈14。静环5的尾端与动环4的前端贴合并形成密封面。

另外，弹簧座6唯一壳体25中的后置密封腔体1中，并通过内六角螺钉21以及垫圈23与壳体25固定，在弹簧座6上设置挡油环28，在锁母12上设置甩油环29，且弹簧座6的尾端呈喇叭口形状，以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，并能及时排出。

在透平机械工作时，动环4高速旋转，隔离气经弹簧座6、推环13及静环5等零部件上设置的隔离气通道，进入动环4端面的中间环形槽30区，分别利用外侧动压槽31和内侧动压槽33产生的流体动压效应，将中间环形槽30区的隔离气分别向外和向内泵送，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。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。同时，一小部分隔离气通过内侧动压槽和内侧坝区上的极小间隙向内径处泄漏，并通过弹簧座6与压紧套8间的环形间隙，与干气密封外侧密封的泄漏气一起去高点放空。从图1中看，隔离气从a点进入弹簧座6，依次通过b点和c点(b和c均位于隔离气通道内)到达中间环形槽所对应的位置，在静环和动环之间形成气膜，最后通过排气通道，从d点排出。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。