带有改进的平衡活塞密封件的流体机械的制作方法

专利名称：带有改进的平衡活塞密封件的流体机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的带有改进的平衡活塞密封件 (Ausgleichskolbendichtung)的流体机械，例如涡轮机或压缩机。
现有技术尤其在高压压缩机中通过轴密封件实现相对于环境的密封，该轴密封件通常构造 为所谓的干式气体密封件(Trockengasdichtung)。该轴密封件在压缩机的两个轴向侧上相 对于环境密封输入压力。附加地设置有平衡活塞密封件，该平衡活塞密封件在压缩机的压 力侧上相对于输入压力密封输出压力，以使得减少机械的推力并且在轴处在干式气体密封 件前在两侧保证输入压力。该密封件通常具有中空定子，该定子包围转子，其中，转子、定子或两个元件在表 面上具有凹口。在运行中，即当轴旋转时，在转子和定子的相对表面之间产生动态阻力，该 动态阻力抵制流体在轴向上运动通过密封间隙。平衡活塞密封件的设计对于流体机械的功能性有重大意义，因为通过该密封件通 常密封较大的压力差并且因此在转子和定子之间出现更大的动态力。该动态力此外影响运 行状况的稳定性。在该密封件的正确的设计下例如可显著地改进涡轮压缩机的转子动态 (rotordynami sch)稳定性。作为平衡活塞密封件的特殊的结构，尤其地已知所谓的孔模式(HP)密封件 (Hol印attern-Dichtung)，在该孔模式密封件中，在定子内表面上设置的凹口具有基本上 圆形孔洞的形状。此外，还已知所谓的蜂窝式(HC)密封件，在该蜂窝式密封件中，在定子内 表面上设置的凹口具有蜂窝形状，即具有网状构造的六角形孔洞的形状。在定子的内表面 和转子的外表面之间存在间隙，从而在两个密封面之间不存在接触。为了保证孔模式密封件的积极效用，理解或控制运行中密封间隙的几何形状具有 关键意义。这至今在传统结构下是困难的并且一定程度上是不可能的。因此，带有孔模式 密封件的压缩机在过去由于转子动态的不稳定性而经常是不成功的。下面借助于实例对该 问题进行说明。图3显示了公司内部已知的压缩机100。在外部罩壳102中装入所谓的热压罩盖 (Autoklavdeckel) 104，内部罩壳106支承在该热压罩盖104处。罩壳通过闭合罩盖108闭 合。轴110通过轴承112和112’支承在轴承罩壳114和114’中，该轴承罩壳114和114’ 自身固定在热压罩盖104和闭合罩盖108处。在工作空间116(该工作空间116由热压 罩盖104、内部罩壳106、闭合罩盖108以及轴110限定)中，存在带有其构件的压缩机级 (Kompressorstufe)(未进一步不出)。在工作空间的两侧上布置有轴密封件124，124’，该轴密封件124，124’相 对于环境压力密封压缩机输入压力。在该两个密封件的压缩机内侧分别存在着输入 压力，从而得轴密封件124，124’利用输入压力和环境压力之间的压力差被按压分开 (auseinanderdrilcken)。对此在两个轴密封件124，124’的压缩机内侧处密封空间通过平衡导管(未示出)相互关联。附加地，在密封空间和实际工作空间之间在输出侧(在图3中左侧)上设置有平 衡活塞密封件122，该平衡活塞密封件122基本上包括内部罩壳106的端部区段106a和在 其中装入的密封衬套120并且相对于输入压力密封输出压力在图4中详细地显示了该平衡活塞密封件122的区域。图4是通过图3中的点划 圈“IV”标记的细节的放大示图。如在图4中所示，带有其构件的工作空间116在输出压力 侧上由内部罩壳106的径向和轴向内表面以及轴110的外表面限定。在此，径向向内突出 的内部罩壳106的端部区段106a环形地包围轴110的密封区段IlOa并且在轴向上形成工 作空间116的边界。在端部区段106a的内表面处布置有密封元件120，该密封元件120包 含前述凹口(未示出)并且将端部区段106a内表面和密封区段IlOa外表面之间的间隙减 小至预设值并且限定了间隙的几何形状。内部罩壳以两部分的方式由上半部和下半部装配而成，使得转子的插入成为可 能。构造为密封衬套的密封元件同样在径向上分为上半部和下半部。该两个半环被旋入 (eindrehen)内部罩壳的相应的槽中。然而，前述密封件布置具有一些缺点。在尺寸上和运行中的主要的困难在图5A至 5C中示出。图5A至5C基本上相应于在图4中的截段，但基本上认为为示意性的。只显示 了罩壳102、热压罩盖104、带有其端部区段106a的内部罩壳106 (该端部区段106a与密封 元件120 —起形成平衡活塞密封件122)、轴110以及工作空间116的区段。在密封元件120 和轴110之间的密封间隙以140表示。图5A显示了几何形状，如其制造的那样并且其示出 了设计状态(Auslegungszustand)。图5B显示了外部罩壳和内部罩壳之间的较大的、大多 数情况为短暂的温度差对于密封件布置的几何形状的影响，该温度差此外依据以下情况， 艮口，内部罩壳在机械起动时比外部罩壳明显更快地变热，并且图5C显示了在平衡活塞密封 件122上的较大的压力差的影响。在图5B和5C中以虚线示出了图5A的完成的未受负荷 的几何形状。如在图5A中所示，在孔模式或蜂窝式密封件中密封间隙140在设计状态下以向外 伸延的(zulaufend)方式(即在假定的流出方向或渗漏方向)渐缩(konvergent)。在大的 温度差的影响下，内部罩壳106膨胀，端部区段106a向内伸展并且密封间隙140变得更窄 (参照图5B)。除此之外，端部区段106a的膨胀在热压罩盖104的肩部104b处被阻挡，由 此整个端部区段106a绕着该肩部104b转动。除了变窄之外，密封间隙140也因此变得较 渐扩(divergenter)。在在密封件上的输出和输入压力之间的较大的压力差的影响下，端部 区段106a向外弯曲，这同样导致，密封间隙140变得较渐扩。结果使得间隙几何形状很难 被控制。这在极端情况下导致这样的渐扩的间隙，即，该间隙引起转子动态的不稳定性。密 封间隙140的几何形状变化可呈现间隙高度自身的数量级(Grfjfienordniing)。

发明内容
本发明的目的在于，在流体机械的平衡活塞密封件方面改进流体机械。该目的通过权利要求1的特征得以实现。本发明的有利的改进方案形成从属权利 要求的对象。根据本发明的流体机械具有外部罩壳，该外部罩壳带有布置在其中的内部罩壳和放置在其中的叶轮轴；至少一个罩盖，该罩盖固定、尤其装入在外部罩壳处，并且尤其借 助于轴密封件将在外部罩壳内部中的输入压力与外部罩壳外部的环境压力分开；以及用于 相对于输入压力密封输出压力的平衡活塞密封件，该平衡活塞密封件安装在罩盖处。流体 机械可例如为压缩机，尤其是高压压缩机。如果流体机械是压缩机，则工作空间为压缩空 间。
流体机械的罩盖(该罩盖例如可为热压罩盖或闭合罩盖)通常比内部罩壳明显更 硬，该内部罩壳在其端部区段经常构造为相对薄的壳体。因此，这种罩盖相对于温度和/或 压力的变化比内部罩壳具有更高的形状稳定性和尺寸稳定性。如果根据本发明平衡活塞密 封件固定在罩盖处而不是内部罩壳处，则内部罩壳的变形可不再影响密封件的位置。因此， 几何形状的状况和由此密封件的特性可更好地可控制。有利地，流体机械具有至少一个内 部罩盖和至少一个外部罩盖。流体机械的工作空间可在轴向端部处基本上通过罩盖的内壁限定。由此，可在工 作空间中不仅对于罩盖而且对于流体引导元件实现更高的造型自由度。罩盖同样为比内部 罩壳明显更硬的结构元件并且在大的压力和温度差下变形较小。由此，工作空间的几何形 状也可更好地限定并且工作空间中的流体状况可更好地可控制。第一轴密封件(该第一轴密封件相对于环境压力密封输入压力)可布置在流体机 械的与工作空间相对的侧边上、尤其布置在罩盖中。在该第一轴密封件和平衡活塞密封件 之间的密封空间可与这样的密封空间相关联，即，该密封空间构造在第二轴密封件的压缩 机内侧上，该第二轴密封件在与第一轴密封件的相对的侧边上相对于环境密封工作空间。平衡活塞密封件可具有基本上为空心圆柱体的配合套筒(PasshUlse)或活塞衬 套，该配合套筒或活塞衬套优选地形状配合地和/或摩擦配合地固定在由叶轮轴穿过的罩 盖的通孔的至少一区段内并且无接触地包围叶轮轴。通过套筒或衬套的装入，密封件可在 不改变承载的构件的情况下相对简单地更换。同样可更简单的是，对于相对简便的构件采 用高精确的成型处理工艺、加工处理工艺以及表面处理工艺。套筒或衬套可具有第一环形区段，该第一环形区段在指向工作空间的轴向端部处 径向向外突出并且贴靠在罩盖(尤其是突出的固定区段的)的指向工作空间的壁处。利用 该布置套筒或衬套可容易地由工作空间的侧边装入到罩盖中，其中，套筒或衬套在来自工 作空间侧的压力加载下附加地固定在其轴向位置中。套筒或衬套可具有第二环形区段，该第二环形区段自第一环形区段的径向外缘起 在轴向上突出并且容纳在罩盖(尤其为突出的固定区段)的壁中的相应构造的凹口中。以 这种方式可实现密封件径向位置的简单且精确的对心和固定。在叶轮轴和平衡活塞密封件之间优选地构造有带有预设几何形状的环形间隙。由 此，以有利且简单的方式可能的是，实现无接触的轴密封并且与在运行中出现的压力、温度 及流体状况相匹配。通过在至少一个区段中的间隙的渐缩和/或渐扩的构造可实现间隙中 的限定的压力变化并且如此调整或优化密封特性。平衡活塞密封件可在其指向叶轮轴的面的至少一区段中具有凹口，该凹口在截面 中可基本上例如为圆形或多边形，尤其为六边形。通过凹口在轴运行时产生流体阻力，该流 体阻力可有助于工作空间的密封并且可改进转子的稳定性特性。为了适应不同类型的流体机械中的情况，平衡活塞密封件可设计成用于相对于工作空间中的高压进行密封，该高压达到大于50bar，尤其大于lOObar，优选地大于500bar。


本发明的其它的优点和特征由以下结合附图对实施例的描述中得出。对此，以部 分图示化的方式图1在纵向截面中显示了根据本发明的实施方案的流体机械的整体视图；
图2显示了在图1中通过带有“II”符号的点划圈表示的细节的详细视图；图3在纵向截面中显示了根据现有技术的流体机械的整体视图；图4显示了在图3中通过带有“IV”符号的点划圈表示的细节的详细视图；并且图5A至5C显示了在不同运行状态下的图4的密封件布置。
具体实施例方式本发明的实施例在图1和图2中示出。图1显示了作为流体机械的实例的高压压 缩机1。在外部罩壳2中装入了所谓的热压罩盖4，该热压罩盖4为权利要求1意义下的 罩盖，并且内部罩壳6支承在该热压罩盖4处。外部罩壳2在与热压罩盖4的相对侧上通 过闭合罩盖8闭合，该闭合罩盖8在另一个未示出的实施方案中同样可为权利要求1意义 下的罩盖。叶轮轴10通过轴承12和12’支承在轴承罩壳14和14’中，该轴承罩壳14和 14’自身固定在热压罩盖4和闭合罩盖8处。在工作空间16 (该工作空间16由热压罩盖4、内部罩壳6、闭合罩盖8以及轴10 限定)中，存在带有其构件26，28，30的压缩机级。在此，内部罩壳6承载压缩机级的构件 26，轴10承载压缩机级的叶轮28。在热压罩盖4和闭合罩盖8中的轴密封件24，24’相对 于环境密封压缩机内部。在外部罩壳2外存在环境压力pu，工作空间16中在输出或压力侧(在图1中左 侧)上存在着输出压力P2，在输入或吸入侧(相应地在图1中右侧)存在输入压力pl，从 而在图1中右侧的闭合罩盖8中的轴密封件24’加载有在输入压力和环境压力之间的压力差。附加地，根据本发明，在图1中左侧的热压罩盖4中的轴密封件24和输出侧的工 作空间16之间布置有平衡活塞密封件20，该平衡活塞密封件20相对于在轴密封件24和平 衡活塞密封件20之间构造的密封空间密封工作空间16的输出侧上的输出压力2，在该密封 空间中还存在输入压力pl。为此，该密封空间与在闭合罩盖8中的轴密封件24’和工作空 间16之间的压缩机的输入侧或吸入侧上的相应的密封空间相关联。以这种方式，在图1中左侧的热压罩盖4中的轴密封件24同样只加载有输入压力 和环境压力之间的压力差，同时平衡活塞密封件20相对于输入压力密封输出压力。以这种 方式降低了机械的推力。如在图2中所示，带有其构件的工作空间16在压力侧上由内部罩壳6和热压罩盖 4的内表面以及轴10的外表面限定。热压罩盖4具有在工作空间16方向上突出的突出部4a，该突出部4a因此在轴向 上在较高的压力侧上限制了工作空间16并且环形包围轴10的密封区段10a。在突出部4a的内表面上布置有衬套20，该衬套20将该突出部4a的内表面和密封区段IOa的外表面之 间的、带有限定的几何形状的间隙减小至预设值。因此，突出部4a(轴承衬套20布置或固 定在该突出部4a处)在本发明意义下为固定区段。衬套20具有第一环形区段20a，该第一环形区段20a自其处于工作空间16侧上的 轴向端部起径向向外突出并且贴靠在突出部4a的指向工作空间16的侧边处。区段20a借 助于螺栓32固定在突出部4a的指向工作空间16的侧边处。区段20a还具有第二环形区 段20b，该第二环形区段20b自第一环形区段20a起轴向上在热压罩盖4的方向上延伸并且 作用在突出部4a的表面中的相应的配对槽中。此外，衬套20在其内表面上具有环形凹口 20c。这些凹口以已知的方式用于，在机 械运行中调整流体动态的阻断作用并且相对于输入压力密封输出压力。 虽然在图中未进一步示出，然而根据要求可能的是，以不同的方式构造凹口 20c。 优选地，凹口 20c构造为环形凹口，该凹口基本上垂直地(即在径向上)以预设的深度进入 衬套20的内表面中。然而，凹口 20c也可在周缘方向上在轴10的旋转方向上或与轴10的 旋转方向相反地倾斜，以产生期望形态(Auspragung)下的涡流。凹口 20c的截面可在深度 方向上缩小。环形构造的凹口 20c对于专业人士来说作为孔模式密封件而已知。如上所描述，与之前所述技术背景不同的是，衬套20未固定在内部罩壳6处，而是 固定在相对硬的热压罩盖4处。由此，实现了明显更硬的设计，并且避免了，在其它情况下 内部罩壳6的大的变形影响轴承衬套20。通过将构造为突出部4a的固定区段构造成用于 轴承衬套20，还可提高在该区段中的刚性。因此，密封件布置的变形变小了数个数量级并且 间隙几何形状即使在温度和压力差的作用下也尽可能地获得保持。因此，密封件布置的尺 寸简化且可更好地被控制。此外，在优选的实施方案中可能的是，单件式地制造衬套20，这 进一步改进了密封间隙的形状可靠性(Formtreue)。虽然上述实施例基本上涉及孔模式密封件，但是本发明同样可适用于其它形式的 环形间隙密封件，在其中对环形间隙的几何形状的准确的认识是有意义的，如蜂窝式密封 件、槽式密封件、迷宫式密封件或类似者。在所谓的蜂窝式密封件中，基本上六角形截面的 凹口构造在轴承衬套的内表面中，该凹口通过网状结构相互分开。上文借助于高压压缩机1解释了本发明，在该高压压缩机1的热压罩盖4处布置 有平衡活塞密封件20。如已阐述的那样，流体机械的侧边或闭合罩盖和热压罩盖当然也可互换。
权利要求
一种流体机械(1)，尤其为压缩机，尤其为高压压缩机，带有外部罩壳(2)，该外部罩壳(2)带有布置在所述外部罩壳(2)中的内部罩壳(6)、尤其为导叶承载件，和放置在所述外部罩壳(2)中的叶轮轴(10)；罩盖(4；8)，所述罩盖(4；8)固定在所述外部罩壳(2)处并且将在所述外部罩壳(2)内部的输入压力(p1)与所述外部罩壳外部的环境压力(pu)分开；以及平衡活塞密封件(22)，该平衡活塞密封件(22)用于相对于所述输入压力(p1)无接触地密封在所述叶轮轴(10)和所述内部罩壳(6)之间限定的工作空间、尤其为压缩空间(16)中的输出压力(p2)；其特征在于，所述平衡活塞密封件(22)固定在所述罩盖(4；8)处。
2.根据权利要求1所述的流体机械(1)，其特征在于，所述工作空间(16)在较高的压 力侧上在轴向端部处部分地通过所述罩盖(4 ；8)的内壁限定。
3.根据权利要求1或2所述的流体机械(1)，其特征在于，所述罩盖(4;8)具有轴向上 在所述工作空间(16)的方向上突出的固定区段(4a)以用于所述平衡活塞密封件(22)的固定。
4.根据上述权利要求中任一项所述的流体机械，其特征在于，所述平衡活塞密封件 (22)具有基本上为空心圆柱体的套筒或活塞衬套(20)，所述套筒或活塞衬套(20)优选地 形状配合地和/或摩擦配合地固定在由所述叶轮轴(10)穿过的所述罩盖(4;8)的通孔的 至少一区段内并且无接触地包围所述叶轮轴。
5.根据权利要求4所述的流体机械(1)，其特征在于，所述套筒或活塞衬套(20)具有 第一环形区段(20a)，所述第一环形区段(20a)在指向所述工作空间(16)的所述平衡活塞 密封件的轴向端部处径向向外突出并且贴靠在指向所述工作空间(16)的所述罩盖(4;8) 的壁处。
6.根据权利要求4或5所述的流体机械(1)，其特征在于，所述套筒或衬套(20)借助 于至少一个连接元件(32)、尤其是销或螺栓而固定在所述罩盖处。
7.根据权利要求5或6所述的流体机械(1)，其特征在于，所述套筒或衬套(20)具有 第二环形区段(20b)，所述第二环形区段(20b)自所述第一环形区段(20a)的径向外缘起轴 向上在所述罩盖(4)的方向延伸并且容纳在所述罩盖(4;8)的壁中相应构造的凹口中。
8.根据上述权利要求中任一项所述的流体机械(1)，其特征在于，在所述叶轮轴(10) 和所述平衡活塞密封件(22)之间构造有环形间隙，所述间隙具有预设的几何形状。
9.根据权利要求8所述的流体机械(1)，其特征在于，在所述叶轮轴(10)和所述平衡 活塞密封件(22)之间构造的间隙在至少一区段中渐缩。
10.根据权利要求8或9所述的流体机械(1)，其特征在于，在所述叶轮轴(10)和所述 平衡活塞密封件(22)之间构造的间隙在至少一区段中渐扩。
11.根据上述权利要求中任一项所述的流体机械(1)，其特征在于，在叶轮轴外周缘面 和指向所述叶轮轴(10)的所述平衡活塞密封件(22)的面中的至少一个中至少部分区段地 构造有凹口(20c)，所述凹口(20c)在截面上基本为圆形或基本为多边形，尤其为六边形。
12.根据上述权利要求中任一项所述的流体机械(1)，其特征在于，所述平衡活塞密封 件(22)设计成，相对于工作空间中的高压进行密封，所述高压达到大于50bar，尤其大于lOObar，优选地大于500bar。
全文摘要
一种流体机械，具有外部罩壳(2)，该外部罩壳(2)带有布置在其中的内部罩壳(6)、尤其为导叶承载件，和放置在其中的叶轮轴(10)；罩盖(4；8)，该罩盖(4；8)固定在外部罩壳(2)处并且将外部罩壳(2)内部中的输入压力(p1)与外部罩壳外部的环境压力(pu)分开；以及平衡活塞密封件(22)，该平衡活塞密封件(22)用于相对于输入压力(p1)无接触地密封在叶轮轴(10)和内部罩壳(6)之间限定的工作空间、尤其是压缩空间(16)中的输出压力(p2)，其中，平衡活塞密封件(22)固定在罩盖(4；8)处。
文档编号F04D29/42GK101970882SQ200880128098
公开日2011年2月9日 申请日期2008年11月3日 优先权日2008年3月10日
发明者A·马克沃尔德, G·克莱恩汉斯, U·鲍曼 申请人:曼柴油机和涡轮机欧洲股份公司