专利名称：用于穿过壳体的轴的套管的密封装置及其工作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于穿过固定的壳体并有一条轴线的轴的套管的密封装置，其中壳体包封着一个可以供入一种流体的内腔，轴从该内腔中伸出。所述密封装置包含一个环绕着轴的、沿轴线方向在两侧面都有密封件相邻连接的蒸汽室，流体至少能穿过其中的一个密封件供入该与环境敞通的蒸汽室中。本发明还涉及一种运用这种密封装置的方法。
本发明尤其涉及一种用于蒸汽透平的密封装置，它用于密封从蒸汽透平的壳体中伸出的一个转动轴的套管。此时，从壳体沿轴穿过密封件的蒸汽被收集在一个蒸汽室中并被释放到周围的环境中。这部分蒸汽由于受到凝结而变成雾状，从而转变成可以在密封装置处看得见的“水雾”。这样就提供了一种对密封装置的功能控制的简便方法。对于输出功率通常在1MW-50MW的工业用蒸汽透平来说，这种简便的功能控制方法是极其令人感兴趣的并且也是人们非常希望的。特别是在这种蒸汽透平情况下，由于“水雾”对周围环境造成的负荷一般要限制在一个可以接受的极限值内。
在现有技术中已经公开了许多种形式的用于轴的套管的密封装置，对于密封装置的各个单独的部件，尤其是密封件本身来说尤其具有多种实施可能性。文献DE 26 43 484 A1和DE 33 33 530 A1给出了用在蒸汽透平上的密封装置，在该文献中也描述了密封装置的部件的各种实施可能性。文献EP 0 463 532 A1涉及到对从密封装置中泄漏出来的蒸汽的排出情况，其中这部分蒸汽要在一个所谓的“蒸汽冷凝器装置”中冷凝下来。本文献的主要注意力在于该蒸汽冷凝器本身的结构，它特别地设计成一种无压热交换器，这是指在该热交换器中，蒸发的蒸汽是大约在通常的大气压力下进行冷凝的。蒸汽没有被排放到环境中而是全部被冷凝。
文献GB-PS 1 267 548同样涉及一种用于文献EP 0 463 532 A1中所述类型的蒸汽透平上的密封装置。该密封装置不仅用于一个转动轴的套管，尤其是蒸汽透平的输出轴的套管，而且也用于一个沿其轴线可以移动但不一定必须能转动的阀杆的套管。在这种意义上，此处“轴”的概念应同等地包括可转动轴和可移动的轴杆。
上述种类的密封装置的密封件的功能和设计参见由柏林的Spr-inger出版社1977出版的作者为W.Traupel题为“热力透平机械”一书第1册第10章。书中尤其详细描述了迷宫式密封类型的密封件；其它密封件，例如填料式密封件，尤其是带碳环的填料密封件则只稍许提及了一下，并且认为它们不利于用在发电厂的蒸汽透平上。但是这种看法显然不涉及填料和/或碳环在工业用蒸汽透平的密封件中的应用情况；根据文献DE 26 43 484 A1和DE 33 33 530 A1，碳环式密封件在这种蒸汽透平中的应用是很普遍的。
如上所述，在本文开头所述的类型的密封装置中始终要使环境承受一定的蒸汽负荷，在某些情况下，人们可能必须采用保持空气净化的专门防护措施来处理这部分蒸汽。此外，按照“水雾”的变化情况来实现对功能控制的可靠性就受到限制，因为小的变化很难辨别。因此功能控制基本上局限在确定密封装置是否已经发生损坏或没有发生损坏，还不可能对轴的密封装置进行真正的诊断，以达到获得有关密封装置的功效的定量的结论和辨别出已经处于其开始阶段的损坏情况的目的。
因此，本发明的目的是，提供一种本文开头所述类型的密封装置，该密封装置不仅能限制环境所承受的负荷，而且能够进行可靠的诊断，即尤其是能可靠地确定损坏开始出现。此外也给出一种这种密封装置的工作方法。
上述目的由一种密封装置来实现，该密封装置用于对一个穿过一个固定壳体的具有一条轴线的轴的一个套管的密封。所述壳体包封着一个可充入一种流体的内腔，轴则从内腔中伸出。该密封装置有一个环绕着轴的、沿轴线在两侧都有密封件相邻连接的并且通过其中一密封件可以充入流体的蒸汽室，该蒸汽室通向周围环境中，其中蒸汽室还与一个抽吸装置相连。
利用该抽吸装置可以抽出蒸汽室中的一部分流体，由此减少周围环境的负荷。此外，通过适当的设计和调节抽吸装置，可以实现从供给蒸汽室的全部流体中抽吸一确定的近似恒定的流体部分，从而通过密封件流过的流体数量中的变化仅仅影响排放到周围环境中的残余流体，这样流入蒸汽室中的流体量中发生小的变化就可以导致排放到环境中的流体量产生大的变化，这种情况可以毫无问题地用最简单的手段检出，尤其是只要看一下就能够证实。这样就能够灵敏地控制流到蒸汽室的流体，由此灵敏地控制密封装置的密封作用。最好是使蒸汽室经一个抽气筒与环境连通，而抽吸装置连接到抽气筒上。这样就减少了抽吸装置对密封件中和蒸汽室中的流体的流动的反作用，从而改善了密封装置的工作方式。
作为抽吸装置，尤其考虑采用一种蒸汽喷射泵类型的辐射器，充入壳体中的流体作为该喷射泵中的工作介质并且该流体最好从壳体的内腔出来供到喷射泵中。这种结构性能的密封装置在很大程度上是自给自足地工作，不影响壳体和装在壳体中的部件，这也大大提高了它的工作安全性。
为了精细地调节由抽吸装置构成的流动平衡，最好在抽吸装置之前设置一个调节阀，由此可以调节抽吸作用。
此外，在密封装置中，最好在蒸汽室和内腔之间设置一个环绕着轴的、沿着轴线方向在两侧都有密封件相邻连接的密封室，经一个所属的供给管可向该密封室供给流体。在所述情况范围内，这样一个密封室可以实现多个功能它可以用于在蒸汽室前面设置与内腔中的状态无关的、确定的热力状态，尤其是确定的压力，以便保证通向蒸汽室的密封件承受在很大程度上与工作情况无关的作用。此外，必要时通过相应地调节密封室中的压力还可以保证空气不会渗透到内腔中，为此在密封室中调节到一个相应的过压。与密封室相配属的供给管最好连接到内腔上，尤其接到内腔中的具有适于密封室的压力的部分上。可以看到，在一个正在工作的蒸汽透平的壳体的内腔中始终存在一个压力梯度，它由沿着透平进行的蒸汽膨胀来限定。相应于各种预先规定，可以将供给管连接到蒸汽透平的入口、出口或一个抽气口上。
尤其在具有上述密封室情况下，最好在蒸汽室和内腔之间设置一个环绕着轴的、沿着轴线方向在两侧都有密封件相邻连接的泄漏室，流体可以经一个相配属的排出管从泄漏室中排出。该排出管尤其可以连接到一个泄漏冷凝器上，排出的流体在该冷凝器中冷凝。该冷凝器最好设计用于冷凝位于大约相应于通常大气压力下的流体。泄漏室可以用来构成一个沿着密封装置的确定的压力梯度，其方式是在泄漏室中维持一个预定的、符合要求的压力。此外，通过调节泄漏室中的压力还可以影响进入蒸汽室中的流体的流动。这一点在密封装置受到来自壳体内腔的极高压力的作用时尤其重要，例如在蒸汽透平的入流部位中就可能是这种情况。
一个特别的优点是密封装置设计成同时密封两个套管，其中每个套管具有一个与抽吸装置相连接的蒸汽室。这样，可以通过简单的手段保证在每个套管处实现极好的密封效果。最好在每个蒸汽室和抽吸装置之间都有一个各自的调节阀，以便能够为每个蒸汽室单独地调节抽吸效果，这样尤其能够补偿自内腔施加到套管上的负荷的差异，而且也能补偿加工上产生的某些功能差异。较大的功能差异最好借助于相应的密封室和/或泄漏室来补偿。
在壳体中充入流体并至少经一个密封件使流体流入蒸汽室的情况下，各种结构的密封装置的工作，按照本发明是这样进行的，即将蒸汽室中的流体抽出，直到还剩下一残余部分，该残余部分则排到周围环境中。此时有利的方式是从流入蒸汽室的全部流体中抽出一个预先确定的恒定的流体部分，从而在供到蒸汽室中的流体流量的变化主要地表现在排放到环境中的残余部分的变化上，由此表现在水雾的变化上。这个残余部分在密封装置中发生变化时会产生很大的波动，并且能采用很简单的检测措施来检测，由此提供了一种极好的功能控制的可能性。而且在数量上该残余部分也受到限制，因此它对环境造成的负担可能是极小的。
各种结构的密封装置尤其适用于这种情况，即流体是蒸汽，最好是水蒸汽的情况。首先在流体是水蒸汽的情况下，从密封装置出来的残余部分以雾状的云的形式出现，称之为“水雾”。该“水雾”可以直接由人眼监测到，水雾大小的改变则是密封装置内出现一种变化、可能是不好的变化的一种直接的标记。
尤其重要的是将每种结构的密封装置应用于一种由一个壳体包封住的并使轴转动的蒸汽透平上。特别对工业用的蒸汽透平，其轴能达到极高的转动频率，因此对承受相应的很高负荷的密封装置进行临监测就具有很重要的意义。就这一点而言，也具有重要意义的是本发明的密封装置的装置费用极低，尤其是没有用于诊断目的的昂贵装置，因此本发明满足与工业用途的蒸汽透平有关的通常的价格水平。
附图
中示出了本发明的一个实施例。
该唯一的附图示意示出了一个安装在一个壳体4的内腔5中的蒸汽透平16，蒸汽经蒸汽供给管21供到该蒸汽透平16，在该蒸汽透平16中膨胀后的蒸汽经一个废汽管22排出。通过蒸汽膨胀，蒸汽透平16使轴3围绕其轴线2转动。轴3从两个套管1处伸出壳体4。现在就这两个套管1一起而言说明一些特征。每个套管1中都包含有一个蒸汽室7，它环绕着轴3并沿着轴线2与两个密封件6相邻接。蒸汽沿着轴3流到这个蒸汽室7并经抽汽筒9排出。蒸汽从抽汽筒9出来后进入周围环境中并凝结，成为能为人看见的雾状，即所谓的“水雾”。每个抽汽筒9上接有一个抽吸管17，该抽吸管17通到一个抽吸装置8，亦即一个辐射器。利用该辐射器8从抽汽筒9中抽出一部分蒸汽，这样，除了减少环境的负荷外，由此还构成一个用于指示套管状态的很敏感的指示器，因为流到蒸汽室7的蒸汽中即使有很小的变化，也可以直接看到水雾有显著的大小变化。因此可以及早发现密封件6的功能故障，可能对在密封件发展到真正损坏之前发现故障。在每个抽吸管17中装有一调节阀10，以便能够精确调节从抽汽筒9中抽吸过来的那部分蒸汽的量。为了简化结构，尤其是在对密封装置和它的监控性要求不是很高时，可以用一个固定调节后的节流器例如一个遮挡板代替调节阀10。
在每个蒸汽室7和内腔5之间有一个与套管1成一体的泄漏室13，该泄漏室同样环绕轴3并沿该轴而与密封件6相邻接。沿着轴3穿过该密封件6进入泄漏室13的蒸汽的一部分由一个相配的排汽管14排出并输送到一个泄漏冷凝器15。通过选择泄漏冷凝器15中的蒸汽压力可以确定泄漏室13中的蒸汽压力，由此尤其是能够调节向蒸汽室7的蒸汽流动。但是并不是总是需要泄漏室13和泄漏冷凝器15，尤其是在壳体4中的的蒸汽压力比较低时，此时可以不设置泄漏冷凝器15，必要时可以将蒸汽从一个有选择地设置的泄漏室13经排汽管22排出。
左侧的套管1在蒸汽供给管21的附近处连接到壳体4上，从而该套管1中将会充入来自内腔5的具有极高压力的蒸汽。为了至少部分地补偿这个压力，从内腔5开始，在一个密封件6的后面设置一个环绕轴3的密封室11，它经导管12与排汽管22相连，从而与内腔5的一个压力较低的区域相连。由此减小左套管1的其它部件的负荷，即泄漏室13和蒸汽室7，并至少部分地补偿作用在右套管1的部件上的负荷，这些部件在排汽管22附近处连接到壳体4上，相应地所受到的负荷很小。由于此原因，在右套管1处没有设置密封室。
经抽吸管17从抽汽筒9中抽取蒸汽的辐射器8由蒸汽来驱动，这部分蒸汽是经一部分废汽管22和导管12取自内腔5。这种情况在所示的实施例中是假设蒸汽透平16是一种所谓的反压透平，蒸汽在一个较高的压力下从该反压透平中释放出来。这种反压透平在工业上经常应用。根据蒸汽透平16的设计情况，如果在另一种情况下，废汽管22中的压力不是足够高，那么可以在另一个部位，尤其是经蒸汽透平16的一个入口或者一个抽汽口来抽取用于辐射器8的蒸汽。作为工作介质的蒸汽经一个工作介质管18和调节阀19到达辐射器8，该辐射器8收集从抽汽筒9抽吸的蒸汽，并从此处经一个排出管20将蒸汽排出。该排出管20在所示情况下通向泄漏冷凝器15。
上述密封装置可以很方便地对轴的套管实现功能控制，此外还能明显减小其周围环境的负荷。它尤其适用于蒸汽透平，尤其是用在一种其输出功率在大约1MW～40MW之间的工业蒸汽透平上。
权利要求
1.密封装置，它用于密封一个穿过一个固定壳体(4)并具有一条轴线(2)的轴(3)的一个套管(1)，所述壳体包封着一个能够充入一种流体的内腔(5)，轴(3)则从该内腔伸出，所述密封装置包含一个蒸汽室(7)，该蒸汽室(7)环绕轴(3)，在沿着轴线(2)的方向上其两侧均有相邻连接的密封件(6)，并至少能通过其中的一个密封件充入一种流体，所述蒸汽室(7)朝着周围环境方向是敞开的，其特征在于，蒸汽室(7)此外还与一个抽吸装置(8)相连。
2.按权利要求1所述的密封装置，其中蒸汽室(7)经一个抽汽筒(9)与周围环境相连通，抽吸装置(8)连接到抽汽筒(9)上。
3.按权利要求1或2所述的密封装置，其中抽吸装置(8)是一个辐射器(8)，它与内腔(5)相连通，用于供给作为工作介质的流体。
4.按上述任一权利要求所述的密封装置，其中在抽吸装置(8)和蒸汽室(7)之间设置了一个调节阀(10)。
5.按上述任一权利要求所述的密封装置，其中在蒸汽室(7)和内腔(5)之间设置了一个环绕轴(3)的、沿轴线(2)在两侧都有密封件(6)相邻接的密封室(11)，经一个相配属的供给管(12)可以向该密封室供给流体。
6.按权利要求5所述的密封装置，其中供给管(12)连接到内腔(5)上。
7.按上述任一权利要求所述的密封装置，其中在蒸汽室(7)和内腔(5)之间设置了一个环绕轴(3)的、沿轴线(2)在两侧都有密封件(6)相邻接的泄漏室(13)，从该泄漏室可以经一个相属配的排出管(14)将流体排出。
8.按权利要求7所述的密封装置，其中，排出管(14)连接到一个泄漏冷凝器(15)上。
9.按上述任一权利要求所述的密封装置，其中，轴(3)有两个穿过壳体(4)的套管(1)，每个套管都有一个与抽吸装置(8)相连的蒸汽室(7)。
10.按权利要求9所述的密封装置，其中在抽吸装置(8)之前，每个蒸汽室(7)的前面都串接了一个调节阀(10)。
11.按上述任一权利要求所述的密封装置，其中壳体(4)包封着一个蒸汽透平(16)，该蒸汽透平可使轴(3)转动。
12.用于密封穿过一个固定壳体(4)的、具有一条轴线(2)的轴(3)的一个套管的密封装置的工作方法，其中壳体包封着一个可以充入一种流体的内腔(5)，轴(3)则从该内腔伸出，所述密封装置包含一个环绕轴(3)的、沿轴线(2)在两侧都有密封件(6)相邻接的、并且至少能经其中的一个密封件(6)充入流体的蒸汽室(7)，该蒸汽室朝着周围环境方向是敞开的并附加地与一个抽吸装置(8)相连接，其特征在于，利用所述的抽吸装置(8)将蒸汽室(7)中的流体抽出，直到剩留一残余部分，该残余部分排到周围环境中。
13.按权利要求12所述的方法，其中流体是蒸汽，最好是水蒸汽。
14.按权利要求12或13所述的方法，其中轴(3)是转动的。
全文摘要
本发明涉及一种密封装置，它用于一个穿过一个固定壳体(4)的、具有一条轴线(2)的轴(3)的一个套管(1)，壳体包封着一个可充入一种流体的内腔(5)，轴(3)从该内腔(5)中伸出。本发明还涉该密封装置的工作方法。该密封装置有一个环绕轴(3)的、沿轴线(2)在两侧都有密封件(6)相邻接的并且至少能经其中的一个密封件(6)充入流体的蒸汽室(7)，该蒸汽室(7)通向周围环境。该蒸汽室(7)此外还与一个抽吸装置(8)连接。按照本发明，进入蒸汽室(7)中的流体被抽出，直到剩下一定的残余部分，该残余部分则排向周围环境。由此可以显著减少周围环境的负荷，并且通过监测排到周围环境中的残余部分可以实现有效的功能控制。该密封装置尤其适用于蒸汽透平(16)的轴(3)的一个套管(1)处。
文档编号F01D11/00GK1121740SQ94191910
公开日1996年5月1日 申请日期1994年4月15日 优先权日1993年4月27日
发明者沃尔夫冈·莱曼, 德特莱夫·弗里比 申请人:西门子公司