用于磁力控制的干燥气体密封的设备和方法与流程

相关申请的交叉引用

本专利申请涉及题目为"用于磁力控制的干燥气体密封的设备和方法"且在2015年08月10日提交的u.s.在线专利申请no.62/203074，通过参考将其公开的内容全部并入本发明。

背景技术：

发明领域

本发明涉及一种旋转机械，并且更特别涉及减少干燥气体密封失败的发生。

相关现有技术说明

本部分意在介绍现有技术的多个方面，其可能与本发明公开的内容相关。这种讨论意在提供方便更好的理解本发明公开内容特殊方面的框架。因此，应当理解的是本部分可以在这一指引下阅读并且没有必要引入现有技术。

干燥气体密封在油气工业压缩机上的用途广泛；然而尽管有十几年的经验和技术进步，干燥气体密封的失败连续消耗了时间和金钱。一些失败可能的确归因于增加压力的需要，更困难的气体组成以及功能需要。这些失败中最大的比例是由缓冲气体供给系统的操作难度导致的，该系统用液体、水、固体、反向增压等污染了缓冲气体。这些污染物中断密封界面之间的薄膜并且导致界面接触，这会引入由于摩擦导致的快速加热以及由于失败模式的重复导致的产物材料缺陷。操作原因上的实例包括过载的过滤器、由于缓冲气体加热器缺陷导致的冷凝、误操作、调整系统性能以改变气体条件的失败等。

干燥气体密封(dgs)失败最主要的原因之一在于旋转和静态密封界面之间动态气体薄膜的缺失。由于密封气体中液体形成和/或进入，或者由于密封气体的反向增压导致这种失败发生。当dgs失败发生时，密封界面以高的机械旋转速度接触并且温度上的升高会导致旋转环磨损和/或破裂。

具有在dgs静态和旋转密封界面之间保持最小间隙的能力允许在其中动态气体薄膜损失而机器仍然运转的条件下进行密封操作。没有这种间隙，密封界面将逐渐接触并且潜在使存在出现故障。

发明概述

一方面，本发明公开了一种控制干燥气体密封的旋转环和静态环之间轴向分离的方法。该干燥气体密封限制了气体或其它流体到或从旋转设备的泄漏。检测气体或其它流体的至少一种性质。检测旋转环和静态环之间的轴向分离以及轴向分离变化的时间速率中的至少一个。预测旋转环和静态环之间薄膜的刚度。基于检测到的轴向分离、检测到的分离的变化的时间速率以及预测的薄膜刚度中的至少两个调整至少一个磁力设备的场强度。调整旋转环和静态环之间的轴向分离。

另一方面，本发明公开了一种控制环绕旋转轴配置的干燥气体密封的系统。环绕轴周围配置至少一个传感器。该至少一个传感器配置为测量气体或其它流体的至少一种性质，该至少一个传感器进一步配置为测量以下性质中的至少一个：旋转环和静态环之间的轴向分离，以及轴向分离的变化的时间速率。控制器与至少一个传感器相连且配置为接收来自至少一个传感器的信号。与控制器相连的功率放大器。功率放大器放大通过控制器产生的控制信号。至少一个电磁体接收来自功率放大器的放大的控制信号。控制信号配置为调整至少一个电磁体以控制干燥气体密封的旋转环和静态环之间的轴向分离。

另一方面，本发明还公开了一种控制干燥气体密封的旋转环和静态环之间的轴向分离的方法。该干燥气体密封限制了气体或其它流体到或从旋转设备的泄漏。至少一个检测设备用于检测(i)旋转环和静态环之间的轴向分离，以及(ii)轴向分离的变化的时间速率。检测到的轴向分离和检测到的轴向分离的变化的时间速率用于调整至少一个磁力设备的场强度。调整至少一个磁力设备的场强度调整了旋转环和静态环之间的轴向分离。

附图概述

本发明的这些和其它特征、方面和优点都将由以下说明、所附权利要求书以及附图而是显而易见的，其概述如下。

图1是根据本发明公开内容一个方面的干燥气体密封系统的示意图。

图2是根据本发明公开内容一个方面的干燥气体密封系统的示意图。

图3是根据本发明公开内容一个方面的干燥气体密封系统的示意图。

图4是根据本发明公开内容一个方面的干燥气体密封系统的示意图。

图5是显示根据本发明公开方面的方法的流程图。

图6是根据本发明公开方面的方法的流程图。

发明详述

现在讲描述本发明的各种具体实施方案以及版本，包括本发明采用的优选实施方案以及定义。虽然以下详细描述给出了特别优选的实施方案，但是本领域技术人员将认识到这些实施方案仅是示例性的，并且本发明可以采用其它方式实践。任何涉及的"发明"都指的是权利要求限定的实施方案中的一个或多个，但并不必然是全部。标题仅用于方便的目的并且其并不限制本发明的范围。基于清楚和简要的目的，多个附图中相同的参考数字表示相同的项目、步骤或结构并且并不在每个附图中进行详细的描述。

为了促进理解本发明公开内容的原理，现在将对附图中说明的特征使用参考内容并且将使用特殊的语言描述相同的特征。尽管如此，仍然应当理解的是由此并不意在限制本发明的范围。根据本发明所述的任何替代方案、其它改进形式以及本发明公开原则的其它申请都预期通常会在与本申请公开内容相关的本领域技术人员处发生。基于简要的目的，一些与本发明并不相关的特征并不显示在附图中。

为了方便参考，首先陈述在本申请中使用的某些术语以及其在本发明上下文中使用的含义。在一定程度上本发明中使用的术语并不仅限于以下，应当给出其在相关现有技术中已经给出的最广义的定义，该术语反应在至少一种印刷出版物或公开的专利中。此外，本发明的技术并不受以下所示术语的用法及其所有的等价形式、同义词、新的发展的限制，并且基于相同或类似目的的术语或技术都认为其在本发明权利要求的范围内。

正如本领域技术人员显而易见的，不同的人可以通过不同的姓名指代相同的特征或组成。本文献并不意在在组分或特征上区分仅在名称上不同的词语。附图并不必然在该范围内。本发明的某些特征和组成部分可以显示在扩大的范围内或者以示意图的形式显示，且为了清楚和简要常规部件的一些细节并没有显示出来。当本发明参考附图进行描述时，一些参考数字可以在多个附图中引用以便简化。在以下说明和权利要求中，术语"包括"和"包含"用于开放式，并且由此应当理解为其表示"包括但不限于"。

冠词"该"、"一"和"一个"并不必然限制仅表示一个，而是包含和开放以至于其任选包括多个这种要素。

正如本发明中适用的，术语"大致"、"大约"、"实质上"以及类似术语意在具有与普通含义一致的且其中这种公开内容的主题物质符合被现有技术中所属领域的技术人员接受的习惯性用法。本领域技术人员应当理解的是回顾本发明公开的内容，这些术语意在允许某些所述且要求的特征的描述而并不将这些特征的范围限制到提供的准确数字的范围内。因此，这些属于应当解释为指示非实质性的或不合逻辑的所述事物的变形方式或替代方式并且认为其在本发明公开的范围内。

在本发明公开的一个方面中，磁体用作控制干燥气体密封的工具。一个或多个传感器可以环绕旋转轴或其它旋转机器周围配置。控制器/计算机可以与传感器相连并且提供表示多种检测到的性质的信号。一个或多个功率放大器可以与控制器/计算机的输出相连。一个或多个电磁体可以环绕轴周围配置而用于任何干燥气体密封构型以便操作干燥气体密封环。可以通过来自控制器/计算机且通过一个或多个放大器放大的信号控制电磁体，并且由此调整干燥气体密封的静态环和旋转环之间的间隙或缝隙。因此所述设备可以外部供能或者使用能量收集方案，衍生或产生动力。在此方面，用于常规dgs初级环保持器组件中的弹簧可以除去。控制器/计算机可以接受其它输入来影响dgs环。控制器/计算机可以输出可以对监测/控制有利的信号。

另一方面，在其中磁体可以用于控制干燥气体密封的情形中，一个或多个无源磁体可以自调整用于任何干燥气体密封构型的干燥气体密封环的位置，以保持干燥气体密封组件的静态环和旋转环之间的间隙。因此所述的这种设备在使用时可以除去用于常规dgs初级环保持器组件中的弹簧。

另一方面，在其中磁体可以用作控制干燥气体密封的工具的情形中，固定一个或多个无源磁体，由此保持用于任何干燥气体密封构型中的干燥气体密封环的静态环和旋转环之间的最小间隙。

图1是根据本发明一个方面的干燥气体密封(dgs)系统10的示意图。机器部件，例如轴12，环绕旋转轴与线a-a共线或平行而旋转。该机器部件可以是涡轮、泵或类似设备的一部分。旋转环14配置为与轴12一起旋转。初级环16可以配置在凹槽18中并且可以以使得在两个环之间保持缝隙g的方式配置为面对旋转环14。初级环可以安装在环支架20上，其由铁磁性或其它磁性反应性材料制成或包括这种材料。初级环16和环支架20配置为并不环绕旋转轴旋转，但是其可以在实质上与旋转轴平行的方向上移动以至于缝隙g的尺寸可以根据本发明公开的原理改变。

初级环16的轴向定位可以通过弹簧22和一个或多个可控制的磁体的联合来控制，所述磁体在图1中通过电磁体24表示，其环绕轴12周围配置。位于凹槽18和环支架20之间的弹簧22朝向旋转环14方向偏离初级环16以减小缝隙g。电磁体24产生在推动磁性反应性环支架20和初级环16在背离旋转环14方向上的磁场26，以便由此增大缝隙g。磁场可以使用控制器28变化，其对来自一个或多个传感器的信号做出响应，其在图1中表示为传感器30。温度传感器是可以单独使用或与所述方面一起使用的传感器的实例。其它类型的传感器可以包括能够检测与dgs系统相关的气体或其它流体其它性质的那些。这些性质可以包括压力、组成、粘度、密度、流体速度以及流体蒸发分率。这些检测到的性质可以用于预测缝隙g中气体或流体薄膜(未显示)的刚度。缝隙g的尺寸可以基于检测到的温度、预测的薄膜刚度以及冷却所需的量进行控制。另一种类型的传感器是位置、间隙或缝隙传感器，其允许基于旋转环14和初级环16之间所需间隙的最小量控制缝隙g间隙的尺寸。仍然另一种类型的传感器是检测位置变化的时间速率、间隙或缝隙的传感器。这种类型的传感器允许对缝隙g的控制增加缓冲，因为缓冲是一种与dgs系统10的部件的速度或相对速度相关的力。获得变化时间速率测量值的一种方法可以包括获得位置、间隙或缝隙传感器信号的时间导数。另一种方法可以是使用直接对dgs系统10的组件的速度或相对速度敏感的传感器。还有另一种方法可以是对安装在dgs系统10的一个或多个部件上的加速敏感传感器(例如，加速度计)的信号进行积分。控制器28可以接受任何输入以便影响dgs系统10，和/或可以输出信号，例如监测信号，其可以对监测/控制有利。在图1中分别用参考数字32和34表示这些输入和输出。

基于来自一个或多个传感器30(以及任选的输入32)的信号，控制器28发送控制信号36，使用功率放大器38放大以改变通过电磁体24产生的磁场26。当磁场26产生了等于弹簧22的偏差的力量时，初级环16并不相对于旋转环14轴向移动。当磁场26产生的力小于或大于弹簧22的偏差时，初级环16朝向或背离旋转环14轴向移动。通过控制初级环相对于旋转环的相对位置，缝隙g的尺寸可以根据期望进行控制。

可能的是电磁体24可以产生可逆磁场26，其足够强到选择性地移动初级环16朝向和背离旋转环14。在这种情况中，弹簧22的偏差对于使初级环朝向旋转环移动可能不是必要的，并且因此可以从dgs系统10中除去弹簧。图2是根据本发明公开内容另一个方面的dgs系统40的示意图，其实质上与图1公开的方面相同，且类似的参考数字表示类似的部件。dgs系统40余dgs系统10的区别在于去掉了dgs系统10的弹簧22。电磁体42可以配置为产生可逆磁场44以实现初级环16在双方向上的轴向移动。选择性的，电磁体可以包括一个或多个电磁部件，其中一些电磁部件的极性与另一些电磁部件的极性相反。取决于初级环16要移动的方向，控制器28驱动所选择的电磁部件中的一个。

用于为控制器28、放大器38、一个或多个传感器30和/或电磁体24供能所需的一些或全部动力可以使用能量收集策略或设备产生。这种能量收集可以通过利用轴12或其它旋转机器部件的旋转移动、环或其它轴向移动零件的轴向移动或机器或dgs系统的一个零件或多个零件的旋转和轴向移动的联合而实现。此外，能量收集可以使用热量、压力、流动和/或机器或dgs系统的一个或多个零件的电磁通量变化实现。

图3是根据本发明公开另一个方面的dgs系统50的示意图。dgs系统50包括前述附图所示的旋转环52，非旋转初级环54，凹槽56和环支架58。然而，dgs系统50的磁力并不通过一个或多个可控电磁体提供，取而代之的是通过环绕排列在轴62或其它旋转部件周围的一个或多个无源磁体60提供。该无源磁体提供了恒定的磁场64以便抵消弹簧66的相反偏差。如果正确选择无源磁体60的强度，弹簧和无源磁体之间的相互作用提供了保持旋转环52和初级环54之间的缝隙g的自调节。由于无源磁体设计为不受控制，图3所示的方面不包含控制器、传感器或功率放大器。

图4仍然是根据本发明公开的另一方面的dgs系统70的示意图，其与图3所示的系统类似。然而，在dgs系统70中除去了图3的弹簧66。通过无源磁体60单独控制缝隙g。无源磁体可以定向，其使得磁体具有反转的极性。在这个方面，一些无源磁体的磁场使环支架58和初级环54在实质上与线a-a平行的方向上背离旋转环52移动，并且其余无源磁体的磁场阻止了环支架58与无源磁体接触过近。这种排列保持了所期望的缝隙g。

使用一个或多个磁体控制干燥气体密封中环之间的缝隙或间隙对改进干燥气体密封的设计和操作提供了其它的可能。例如，公开的dgs系统可以用于运行/冲击/脉冲控制情形中的dgs，例如在设备启动前。公开的dgs系统可以用于在相关设备关闭并且可以减压之后保持dgs开启。公开的dgs系统可以根据需要用于释放dgs动态密封部件"暂停"。当与污染物一起抓取时，公开的dgs系统可以用于释放dgs密封界面。公开的dgs系统可以用于最优化部件的平行性以补偿设计或装配公差。此外，如果环单独或一起面对轴向"摇晃/轴心差"(即保持环的界面与轴垂直)时，公开的dgs系统可以用于保持密封部件在每一次旋转中都轴向移动。公开的dgs系统还用于以不均匀的方式改进密封界面缝间隙以补偿液体集中或污染物的其它影响(即密封界面彼此之间不平行)。并且，公开的dgs系统可以用于在缝隙中形成摆动偏差并且在静态和旋转环之间产生泵送作用。

图5是根据本发明公开的方面控制干燥气体密封的旋转环和静态环之间轴向分离方法的流程图500，其中该干燥气体密封限制了气体或其它流体到或从旋转设备的泄漏。在块502处检测气体或其它流体的至少一种性质。在块504处测量(i)旋转环和静态环之间的轴向分离，以及(ii)轴向分离的变化的时间速率中的至少一个。在块506处，预测旋转环和静态环之间的薄膜刚度。该薄膜包含气体或其它流体。在块508处，基于检测到的轴向分离，检测到的轴向分离的变化的时间速率以及预测的薄膜刚度中的至少两个性质调整至少一个磁力设备的场强度。调整至少一个磁力设备的场强度调整并控制了旋转环和静态环之间的轴向分离。

图6是控制干燥气体密封旋转环和静态环之间的轴向分离方法的流程图600，其中根据本发明公开的方面，该干燥气体密封限制了气体或其它流体流向旋转设备或由其流出的泄漏。在块602处，至少一个检测设备用于检测(i)旋转环和静态环之间的轴向分离，以及(ii)轴向分离的变化的时间速率。在块604处，使用检测到的轴向分离和轴向分离的变化的时间速率调整至少一个磁力设备的场强度。调整至少一个磁力设备的场强度调整和控制了旋转环和静态环之间的轴向分离。

提供图5和6所述的步骤仅用于说明的目的并且特殊的步骤并不要求其执行本发明公开的方法学。此外，图5和6并不能说明可以进行的所有步骤。权利要求书，并且仅用权利要求书限定公开的系统和方法学。

本发明的实施方案可以包括以下编号段落所显示的方法和系统的任意联合。这并不认为其完全列出了所有可能的实施方案，因为任何数量的变形方式都可由以上的描述想象出来。

1.一种控制干燥气体密封的旋转环和静态环之间轴向分离的方法，其中该干燥气体密封限制了气体或其它流体到或从旋转设备的泄漏，该方法包括：

a)检测气体或其它流体的至少一种性质；

b)用至少一种检测设备检测以下性质中的至少一种：

i.旋转环和静态环之间的轴向分离，以及

ii.轴向分离的变化的时间速率；

c)预测旋转环和静态环之间的薄膜刚度，其中该薄膜包括气体或其它流体；

d)基于检测到的轴向分离、检测到的分离的变化的时间速率以及预测的薄膜刚度中的至少两个调整至少一个磁力设备的场强度，其中调整至少一个磁力设备的场强度调整旋转环和静态环之间的轴向分离。

2.段落1的方法，其中气体或流体的至少一种性质选自压力、温度、组成、粘度、密度、速度、露点以及蒸发的分率。

3.段落1的方法，其中气体或流体的温度小于气体或其它流体的露点。

4.段落1的方法，其中气体或其它流体的温度大于或等于气体或其它流体的露点。

5.段落1-4中任一项的方法，其中至少一个磁力设备是至少一个电磁体。

6.段落5的方法，进一步包括由外部源为至少一个电磁体供能。

7.段落5的方法，进一步包括由产生动力的能量收获系统为至少一个电磁体供能。

8.段落1的方法，其中至少一个磁力设备是至少一个无源磁力设备。

9.段落1-8中任一项的方法，其中至少一个磁力设备包括第一、第二和第三磁力设备，并且进一步包括环绕在旋转设备的旋转部件周围配置该第一、第二和第三磁力设备。

10.段落9的方法，其中第一、第二和第三磁力设备中的每一个都是可独立控制的电磁设备，并且进一步包括独立地调整第一、第二和第三磁力设备中的至少一个以便在多于一个角位置控制旋转环和静态环之间的轴向分离。

11.段落1-10中任一项的方法，其中至少一个检测设备包括第一、第二和第三检测设备。

12.段落1-11中任一项的方法，其中调整场强度包括以摆动的方式调整场强度使得旋转环和静态环之间的轴向分离环绕密封部件周围是可变化的。

13.一种控制环绕旋转轴配置的干燥气体密封的系统，包括：

环绕轴周围配置的至少一个传感器，该至少一个传感器配置为

测量气体或其它流体的至少一种性质，并且

测量以下性质中的至少一个：

旋转环和静态环之间的轴向分离，以及

轴向分离的变化的时间速率；

与至少一个传感器相连且配置为接收来自至少一个传感器的信号的控制器；

与放大通过控制器产生的控制信号的控制器相连的功率放大器；

至少一个电磁体，其接收来自功率放大器的放大的控制信号；控制信号配置为调整至少一个电磁体以控制干燥气体密封的旋转环和静态环之间的轴向分离。

14.段落13的系统，其中至少一个传感器是压力传感器、温度传感器、组成传感器、粘度传感器、密度传感器、速度传感器、露点传感器以及气体蒸发分率传感器中的一种。

15.段落13或段落14的系统，其中至少一个传感器是检测旋转环和静态环之间间隙的位置传感器。

16.段落13-15中任一项的系统，进一步包括为控制器、所述至少一个传感器、功率放大器以及电磁体中至少一个供能的外部电源。

17.段落13-16中任一项的系统，进一步包括配置为控制器、所述至少一个传感器、功率放大器和电磁体中至少一个产生动力的一个或多个能量收集设备。

18.段落13-17中任一项的系统，进一步包括通过控制器产生的输出监控信号。

19.一种控制干燥气体密封的旋转环和静态环之间轴向分离的方法，其中该干燥气体密封限制了气体或其它流体到或从旋转设备的泄漏，该方法包括：

a)用至少一个检测设备检测：

i.旋转环和静态环之间的轴向分离，以及

ii.轴向分离的变化的时间速率；

b)使用检测到的轴向分离和检测到的轴向分离的变化的时间速率调整至少一个磁力设备的场强度，其中调整至少一个磁力设备的场强度调整旋转环和静态环之间的轴向分离。

应当理解的是可以产生签署公开内容的多种变化、改进形式以及替代方式并不背离本发明公开的范围。因此，前述说明书并不意味着限制本发明公开的范围。而是，本发明公开的范围仅通过所附权利要求书和它们的等价形式进行限定。还应当考虑的是本发明实施例的结构和特征可以相互之间替换、重排、代替、删除、复制、合并或添加。