用于电机的密封环组件的制作方法

在本文中描述的装置一般地涉及用于电机(dynamoelectricmachine)的密封环并且更具体地涉及降低由轴电流导致的损害的密封结构。

背景技术：

由于氢的包括低密度和高比热的所希望的热物理性质，氢已经被广泛地用作在多种电机(例如，发电机或电动机)中的冷却剂。然而，使用氢的主要的缺点是氢纯度必须被维持在其爆炸极限(在空气中74%氢)之上。因此，用于确保氢冷却式电机的安全运行的主要的考虑是为此设计高度可靠的并且有效的氢密封系统。

在氢冷却式发电机中，氢密封件既用于密封在旋转的轴的界面处的高压氢，也用于阻止空气进入壳体并且与氢发展成爆炸性的混合物。在二十世纪八十年代早期之前，氢密封系统由布置在密封壳体中的四个分段的青铜环的对组成。较新的巴氏合金的钢密封环10各自都以如在图1中图示的两个180°的部段12,14制造。典型的氢密封系统在图2中示意性地示出。在该图例中，环状的密封壳体被部分地示出，该环状的密封壳体适合于以与转子/轴16的环绕和密封的关系安装到发电机端罩(未示出)。壳体以两个主要的部分形成，在下文称为半壳体(casinghalves)，每个围绕轴延伸了180°。为了描述的方便，上半壳体18和布置在其中的密封环部段12被图示并且将被详细地描述。然而应理解的是，在一种示例性的实施例中下半壳体具有相应的构造。上半壳体18具有两部分构造，包括密封壳体主体20和密封壳体盖部段22。密封壳体盖部段通常具有h形的横截面，形成了在径向地向内的方向上朝向轴16敞开的径向地向内定向的腔室24(或槽室24)以用于容纳径向地向内突出的密封环12，该密封环12继而接合轴。

每个密封壳体盖部段22利用将上径向凸缘部分28与下内部径向部分30以及外部径向部分32连接的轴向部分26形成。因而轴向部分26限定了用于腔室24的基底，而径向部分30和32形成了腔室24的两个轴向地间隔开的平行的侧边。轴向地相对的肩部34,36限定了面向转子轴16的开口。密封壳体盖部段22可通过半环状排列的螺钉38紧固到密封壳体主体20，该螺钉38穿过在盖的径向部分28中的孔并且可螺纹紧固地接收在主体20中。

在腔室或槽室24内部，就位有并排的密封环部段12对，每个围绕半壳体18延伸了近似180°。环10由螺旋弹簧40(仅仅其中一个在图2中示出)径向地保持在一起并且轴向地分离，每个在槽室或腔室内大体上延伸180°。弹簧就位在由在各自的环部段12上的锥形表面42创造的区域内。弹簧径向地向内对密封环12加偏压(bias)并且在轴向的相反的方向上对密封环12加偏压以抵靠腔室24的内部和外部径向的壁部分30,32的相反的面。

在使用中，密封油以高于在壳体内部的氢压力的压力引入到在密封环12之后或径向地在密封环12外部的腔室24的空腔中。然后，高压密封油在密封环之间朝向旋转的轴径向地流动，在轴处密封油流分开并且利用在轴和密封环之间的空隙蔓延。在密封环的氢侧48处，油在轴和内部密封环之间自始至终在密封环周围在轴和内部密封环的界面处均匀地流动并且因而密封氢免于泄漏并且保持密封环定中心在轴上。类似地，油均匀地在轴16和在密封件的空气侧50处的外部密封环10之间分布。氢由穿过到密封件的氢侧的油吸收。被吸收的氢的数量与氢流动速率以及氢在油中的溶解度成比例。通常，高的油流动速率产生高的氢消耗。

在机器运行期间，轴电流能够从轴16行进通过巴氏合金的钢环12到壳体18并且然后到地面。不适宜地，这些轴电流能够导致电剥蚀。另外，高温可导致在环12上的油由于过热而焦化，或可由于在长时间暴露于高温后钢环12的弱化而导致热腐蚀损害。

技术实现要素：

在本发明的一个方面中，用于转子轴的密封环组件包括限定了径向地向内定向的通道的密封壳体。密封环布置在密封壳体的径向地向内定向的通道中。密封环有弹性地围绕轴接合以形成密封件，并且密封环包含电绝缘材料或非金属材料。

在本发明的另一方面中，用于转子轴的密封环组件包括限定了第一径向地向内定向的通道的上密封壳体，以及限定了第二径向地向内定向的通道的下密封壳体。第一密封环和第二密封环每个分别布置在上密封壳体的第一径向地向内定向的通道和下密封壳体的第二径向地向内定向的通道中。第一密封环和第二密封环有弹性地围绕轴接合以形成大体上360°密封件。第一密封环和第二密封环由一个或多个弹簧径向地向内加偏压。第一密封环和第二密封环中的每个具有邻近的锥形表面，并且弹簧构造成抵靠邻近的锥形表面就位。第一密封环和第二密封环包含电绝缘或耗散材料或非金属材料。

在本发明的再另一个方面中，用于转子轴的密封环组件包括限定了第一径向地向内定向的通道的上密封壳体，以及限定了第二径向地向内定向的通道的下密封壳体。第一密封环和第二密封环每个分别布置在上密封壳体的第一径向地向内定向的通道和下密封壳体的第二径向地向内定向的通道中。第一密封环和第二密封环有弹性地围绕轴接合以形成大体上360°密封件。第一密封环和第二密封环由一个或多个弹簧径向地向内加偏压。第一密封环和第二密封环具有邻近的锥形表面，并且弹簧构造成抵靠邻近的锥形表面就位。第一密封环和第二密封环中的每个包括为聚醚醚酮(polyetheretherketone)的电绝缘材料。

技术方案1.一种用于转子轴(16)的密封环组件(300)，包含：

密封壳体(326)，该密封壳体限定了径向地向内定向的通道(324)；

密封环(312)，该密封环布置在所述密封壳体的径向地向内定向的通道中，所述密封环有弹性地围绕所述轴接合以形成密封件；并且

所述密封环(312)包含电绝缘或耗散材料(360)或非金属材料(360)。

技术方案2.根据技术方案1所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料(360)由有机热塑性聚合物组成。

技术方案3.根据技术方案1所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料(360)由聚醚醚酮组成。

技术方案4.根据技术方案1所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料(360)在与所述转子轴(16)直接相对的位置中设置在所述密封环(312)上。

技术方案5.根据技术方案1所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料(360)设置在所述密封环的径向地向内面向的表面上。

技术方案6.根据技术方案1所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料(360)设置在所述密封环的大体上所有的外部表面上。

技术方案7.根据技术方案1所述的密封环组件，所述密封环(612)大体上或完全地由所述电绝缘材料或所述非金属材料组成。

技术方案8.根据技术方案1所述的密封环组件，所述密封环(312)由一个或多个弹簧(340)径向地向内加偏压，所述密封环具有锥形表面(313)，所述一个或多个弹簧构造成抵靠所述锥形表面就位。

技术方案9.一种用于转子轴(16)的密封环组件(300)，包含：

上密封壳体(326)，该上密封壳体(326)限定了第一径向地向内定向的通道(324)；

下密封壳体(327)，该下密封壳体(327)限定了第二径向地向内定向的通道(325)；

第一密封环(312)和第二密封环(314)，每个分别布置在所述上密封壳体的第一径向地向内定向的通道和所述下密封壳体的第二径向地向内定向的通道中，所述第一密封环和所述第二密封环有弹性地围绕轴接合以形成大体上360°密封件，所述第一密封环和所述第二密封环由一个或多个弹簧(340)径向地向内加偏压，所述第一密封环和所述第二密封环中的每个具有邻近的锥形表面(313)，所述一个或多个弹簧构造成抵靠所述邻近的锥形表面就位；并且

所述第一密封环和所述第二密封环中的每个包含电绝缘材料(360)或非金属材料(360)。

技术方案10.根据技术方案9所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料(360)由有机热塑性聚合物组成。

技术方案11.根据技术方案9所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料(360)由聚醚醚酮组成。

技术方案12.根据技术方案10所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料(360)在与所述转子轴直接相对的位置中设置在所述第一密封环和所述第二密封环中的每个上。

技术方案13.根据技术方案10所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料(360)设置在所述第一密封环和所述第二密封环中的每个的径向地向内面向的表面上。

技术方案14.根据技术方案10所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料(360)设置在所述第一密封环和所述第二密封环的大体上所有的外部表面上。

技术方案15.根据技术方案10所述的密封环组件，所述第一密封环和所述第二密封环中的每个大体上或完全地由所述电绝缘材料或所述非金属材料(360)组成。

实施方案1.一种用于转子轴的密封环组件，包含：

密封壳体，该密封壳体限定了径向地向内定向的通道；

密封环，该密封环布置在所述密封壳体的径向地向内定向的通道中，所述密封环有弹性地围绕轴接合以形成密封件；并且

所述密封环包含电绝缘或耗散材料或非金属材料。

实施方案2.根据实施方案1所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料由有机热塑性聚合物组成。

实施方案3.根据实施方案1所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料由聚醚醚酮组成。

实施方案4.根据实施方案1所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料在与所述转子轴直接相对的位置中设置在所述密封环上。

实施方案5.根据实施方案1所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料设置在所述密封环的径向地向内面向的表面上。

实施方案6.根据实施方案1所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料设置在所述密封环的大体上所有的外部表面上。

实施方案7.根据实施方案1所述的密封环组件，所述密封环大体上或完全地由所述电绝缘材料或所述非金属材料组成。

实施方案8.根据实施方案1所述的密封环组件，所述密封环由一个或多个弹簧径向地向内加偏压，所述密封环具有锥形表面，所述一个或多个弹簧构造成抵靠所述锥形表面就位。

实施方案9.一种用于转子轴的密封环组件，包含：

上密封壳体，该上密封壳体限定了第一径向地向内定向的通道；

下密封壳体，该下密封壳体限定了第二径向地向内定向的通道；

第一密封环和第二密封环，每个分别布置在所述上密封壳体的第一径向地向内定向的通道和所述下密封壳体的第二径向地向内定向的通道中，所述第一密封环和所述第二密封环有弹性地围绕轴接合以形成大体上360°密封件，所述第一密封环和所述第二密封环由一个或多个弹簧径向地向内加偏压，所述第一密封环和所述第二密封环中的每个具有邻近的锥形表面，所述一个或多个弹簧构造成抵靠所述邻近的锥形表面就位；并且

所述第一密封环和所述第二密封环中的每个包含电绝缘材料或非金属材料。

实施方案10.根据实施方案9所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料由有机热塑性聚合物组成。

实施方案11.根据实施方案9所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料由聚醚醚酮组成。

实施方案12.根据实施方案10所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料在与所述转子轴直接相对的位置中设置在所述第一密封环和所述第二密封环中的每个上。

实施方案13.根据实施方案10所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料设置在所述第一密封环和所述第二密封环中的每个的径向地向内面向的表面上。

实施方案14.根据实施方案10所述的密封环组件，所述电绝缘材料或所述非金属材料设置在所述第一密封环和所述第二密封环的大体上所有的外部表面上。

实施方案15.根据实施方案10所述的密封环组件，所述第一密封环和所述第二密封环中的每个大体上或完全地由所述电绝缘材料或所述非金属材料组成。

实施方案16.一种用于转子轴的密封环组件，包含：

上密封壳体，该上密封壳体限定了第一径向地向内定向的通道；

下密封壳体，该下密封壳体限定了第二径向地向内定向的通道；

第一密封环和第二密封环，每个分别布置在所述上密封壳体的第一径向地向内定向的通道和所述下密封壳体的第二径向地向内定向的通道中，所述第一密封环和所述第二密封环有弹性地围绕轴接合以形成大体上360°密封件，所述第一密封环和所述第二密封环由一个或多个弹簧径向地向内加偏压，所述第一密封环和所述第二密封环中的每个具有邻近的锥形表面，所述一个或多个弹簧构造成抵靠所述邻近的锥形表面就位；并且

所述第一密封环和所述第二密封环中的每个包含为聚醚醚酮的电绝缘材料。

实施方案17.根据实施方案16所述的密封环组件，所述电绝缘材料在与所述转子轴直接相对的位置中设置在所述第一密封环和所述第二密封环中的每个上。

实施方案18.根据实施方案16所述的密封环组件，所述电绝缘材料设置在所述第一密封环和所述第二密封环中的每个的径向地向内面向的表面上。

实施方案19.根据实施方案16所述的密封环组件，所述电绝缘材料设置在所述第一密封环和所述第二密封环的大体上所有的外部表面上。

实施方案20.根据实施方案16所述的密封环组件，所述第一密封环和所述第二密封环中的每个大体上或完全地由聚醚醚酮组成。

附图说明

图1图示了示出了上密封环和下密封环的透视图。

图2图示了用于电机的密封系统的示意性的横截面视图。

图3图示了根据本发明的一个方面的用于电机的密封环组件的示意性的以及部分的横截面视图。

图4图示了根据本发明的一个方面的一个密封环的放大的横截面视图。

图5图示了根据本发明的一个方面的用于电机的密封环组件的示意性的以及部分的横截面视图。

图6图示了根据本发明的一个方面的用于电机的密封环组件的示意性的以及部分的横截面视图。

图7图示了根据本发明的一个方面的用于电机的密封环组件和电绝缘系统的示意性的以及部分的横截面视图。

图8图示了根据本发明的一个方面的用于电机的密封环组件和电绝缘系统的示意性的以及部分的横截面视图。

图9图示了根据本发明的一个方面的用于电机的密封环组件和电绝缘系统的示意性的以及部分的横截面视图。

图10图示了根据本发明的一个方面的用于发电机的密封环组件的示意性的以及部分的横截面视图。

参考符号列表

10密封环

12部段

14部段

16转子或轴

18上半壳体

20主体

22密封壳体盖部段

24径向地向内定向的腔室

26轴向部分

28上径向凸缘部分

30下内部径向部分

32下外部径向部分

34肩部

36肩部

38螺钉

40螺旋弹簧

42锥形表面

300密封环组件

312,312a,312b密封环

314a,314b密封环

313锥形表面

324径向地向内定向的通道

326密封壳体

340弹簧

360电绝缘或非金属材料

560电绝缘或非金属材料

612密封环

770端罩

780地面

890绝缘的安装环

995金属的安装环。

具体实施方式

下面将对本发明的一个或多个特定方面/实施例进行描述。为了致力于提供对这些方面/实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现方案的所有特征进行描述。应当理解，在开发任何这种实际实现方案时如在任何工程或设计项目中那样必须作出许多对实现方案而言特定的决定来实现开发者的特定目标例如符合与机器相关、与系统有关及与商业有关的约束，开发者的特定目标可根据不同的实现方案而改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但尽管如此对具有本公开的益处的普通技术人员来说这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。

当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一”、“一种”以及“该”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包含”、“包括”以及“具有”意图为包括性的，并且表示除了列出的元件之外可存在另外的元件。运行参数和/或环境条件的任何例子并非排除公开的实施例的其它的参数/条件。此外，应理解的是，对于本发明的“一种实施例”、“一种方面”或“一个实施例”或“一个方面”的参考不旨在认为是排除也结合了列举的特征的附加的实施例或方面的存在。

图3图示了用于电机的密封环组件300的示意性的以及部分的横截面视图。电机可为电动机、发电机、氢冷式发电机或需要公开的密封组件的任何其它的机器。密封环组件300周向地设置在转子轴16周围。密封壳体326限定了径向地向内定向的通道324。密封环312布置在密封壳体326的径向地向内定向的通道324中，并且每个密封环312有弹性地围绕转子轴16接合以形成密封件。上密封壳体和下密封壳体(未示出)布置在转子轴16的两侧上并且联合以形成大体上360度密封件。密封环312由一个或多个弹簧340径向地向内加偏压。密封环312包括电绝缘材料360或非金属材料360。电绝缘材料被广泛地限定以包括绝缘材料、耗散材料以及抗静电材料。材料360设置在密封环的径向地向内面向的表面上并且在与转子轴16直接相对的位置中。例如，材料360可为大约1mm到大约4mm厚的层，具有大约15kv/mm到大约40kv/mm的电介质强度以及大约1x10⁷欧姆英寸到大约1x10¹⁵欧姆英寸的体积电阻率。电阻率能够取决于需要的性质跨越从耗散到绝缘的范围。然而，在这些范围之上或之下的适当的数值，以及任何适当的非金属材料和/或电绝缘或耗散材料可如在具体的应用中期望的那样被使用。

图4图示了一个密封环312的放大的横截面视图。密封环312可包括钢或一些其它的适当的金属，并且包括锥形表面313。弹簧340构造成抵靠锥形表面313就位并且在径向地向内以及轴向的方向上对密封环312加偏压。具体参考图4，弹簧340将向下且向左推压密封环312。相邻的密封环(如在图3中示出的那样)也包括邻近的锥形表面，并且该密封环将被向下且向右推压。

电绝缘材料和/或非金属材料360可为有机热塑性聚合物、聚醚醚酮或任何其他的适当的材料。聚醚醚酮既是大体上电绝缘的又是非金属的，因此聚醚醚酮是用于在本发明中使用的适当的材料。优选地，材料360是足够降低或阻止转子轴电流通过密封环312和密封壳体326的电绝缘材料的层。如上面提到的那样，通过密封环和密封壳体的转子轴电流可导致密封环、密封壳体或二者的电剥蚀。过多的电剥蚀能够降低机器效率或甚至在极端的情形中机器停止运转。聚醚醚酮(以及其它的适当的有机热塑性聚合物)的优点是其能够在高温下运行同时保持尺寸上的稳定性。这些特征允许密封环抵抗由于多种原因引起的提高的氢密封油温度剧增(excursion)以及高密封环温度。聚醚醚酮也具有卓越的水解和化学抵抗力，当密封环是在氢环境中时该水解和化学抵抗力允许更大的能力以抵抗表面腐蚀。钢密封环典型地具有设置在密封环的径向内部部分处的含有锡铜锑的合金(巴氏合金)。在密封环/转子界面处的非金属材料将消除热腐蚀的影响，该热腐蚀是巴氏合金材料的弱化，在其中高的油的温度导致铜组份与在油中的化学物质反应致使巴氏合金铜耗尽。铜的损耗降低了巴氏合金的强度和熔点。

图5图示了用于电机的密封环组件300的示意性的以及部分的横截面视图。电绝缘材料和/或非金属材料560设置在密封环312的大体上所有的外部表面上。材料560的全部的施覆进一步增强了密封环的绝缘效果。材料560可通过任何适当的工艺在密封环312上施覆或沉积。备选地，材料560可通过使用粘合剂或机械的紧固件附接到密封环312。

图6图示了用于电机的密封环组件300的示意性的以及部分的横截面视图。密封环612大体上或完全地由电绝缘材料和/或非金属材料组成。如上面提到的那样材料可为有机热塑性聚合物，例如聚醚醚酮。利用完全地由电绝缘材料和/或非金属材料制成的密封环612可获得甚至更大的绝缘效果，因为没有密封环612的部分是导电的。

有机热塑性聚合物和聚醚醚酮材料提供了优于已知的钢巴氏合金的密封环的若干益处。适当的有机热塑性聚合物材料和聚醚醚酮是电绝缘的，展示了高温性能(例如，在高至大约500^of的温度下连续地使用)，展示了卓越的水解，低摩擦并且是自润滑的。这些后面的特征降低了在转子轴16上的磨损。相对于钢环尺寸上的稳定性被改善并且非金属材料展示了卓越的长期蠕变和疲劳性能。有机热塑性聚合物和聚醚醚酮材料优于钢的另一优点是非金属材料提供了完全地由有机热塑性聚合物或聚醚醚酮材料制成的密封环的重量降低。更轻的密封环准许使用更弱的弹簧340并且这使装配和拆卸变得容易。

图7图示了用于电机的密封环组件和电绝缘系统的示意性的以及部分的横截面视图。在非绝缘的布置中密封环组件300通过端罩770电地连接到地面780。在壳体和端罩770之间的直接的金属到金属的传导的接触典型地在发电机的涡轮端侧上被使用。相反发电机的集电器(collector)端通常是绝缘的。然而，通过至少在密封环312的径向内部表面上设置电绝缘材料和/或非金属材料360，密封环组件在发电机的涡轮端侧上提供了单绝缘布置。

图8图示了用于电机的密封环组件和电绝缘系统的示意性的以及部分的横截面视图。在单绝缘布置中密封环组件300通过绝缘的安装环890与端罩770电绝缘。非金属的安装环放置在密封壳体和端罩770之间以用作电绝缘屏障。然而，该布置不允许进行在线绝缘电阻测量除非轴16与支撑物/端罩770绝缘。然而，通过至少在密封环312的径向内部表面上设置电绝缘材料和/或非金属材料360，密封环组件现在提供了双绝缘布置。

图9图示了用于电机的密封环组件和电绝缘系统的示意性的以及部分的横截面视图。在双绝缘布置中密封环组件300通过两个绝缘的安装环890与端罩770电绝缘，这两个绝缘的安装环890以三明治结构夹在金属的安装环995之上。在未将转子轴16与支撑物/端罩770绝缘的情况下该布置允许进行在线绝缘电阻测量。然而，各种金属的和非金属的环添加了显著数量的成本和复杂性。至少在密封环312的径向内部表面上添加电绝缘材料和/或非金属材料360创造了三绝缘布置。该构造的优点是复杂的绝缘的安装环890-金属的安装环995-绝缘的安装环890三明治结构能够被简化到如在图8中示出的那样，因为三绝缘冗余典型地不是需要的或期望的。应理解的是图5和6的大体上全部地施覆的密封环或完全地非金属的密封环能够在在图7，8和9中示出的系统的任何一个或所有中使用。

图10图示了用于发电机的密封环组件300的示意性的以及部分的横截面视图。密封环组件300周向地设置在转子轴16周围。上密封壳体326和下密封壳体327布置在转子轴16的两侧上并且联合以形成大体上360度密封件。密封壳体326,327限定了径向地向内定向的通道324,325。密封环312a,312b和314a,314b布置在密封壳体的径向地向内定向的通道中，并且每个密封环有弹性地围绕转子轴16接合以形成密封件。密封环312a,312b和314a,314b由一个或多个弹簧340径向地向内加偏压。弹簧340抵靠在相对的密封环(例如，312a和312b，或314a和314b)上的邻近的锥形表面313(参看图4)就位。密封环包括电绝缘材料360和/或非金属材料360。材料360设置在密封环的径向地向内面向的表面上并且在与转子轴16直接相对的位置中。

总的来说，将非金属供应添加到在氢冷却式发电机中的氢密封环312有效地将另一层电绝缘引入到系统。这允许在不需要任何安装环的情况下标准的非绝缘的构造变成单绝缘的构造。其也允许在不需要复杂的多重安装环布置的情况下标准的单绝缘的系统变成双绝缘的系统。如陈述的那样，在电绝缘方面的三冗余是不需要的。因此，随着引入非金属密封环供应双绝缘的标准的方法变得过时。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。