專利名稱：用于密封箱壁與軸之間套狀間隙的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于密封套狀間隙的裝置，所述套狀間隙位于箱壁與穿過該箱壁且相對于箱壁可產生旋轉運動的軸之間。這種裝置具有一被所述軸穿過的密封環，以及一個可與箱壁固定連接在一起的支座，該支座具有一個圓筒狀的空隙和一個開口通入該空隙的槽，該槽具有第一槽壁和第二槽壁，密封環被夾持在這兩個槽側壁之間，其中一個環繞該密封環且可充滿油的腔室保留在該槽中。
這樣一種裝置例如可應用在一個充滿氫氣的電機上，在該電機中，氫氣特別用于冷卻的目的。在此該裝置作為密封系統的一部分，為了密封旋轉軸穿過機器固定殼體時形成的通孔并防止氫氣泄漏到機器的周圍環境中。該裝置對于應用在大型的，只用氫氣或用氫氣和水進行冷卻的渦輪發電機上具有特別重要的意義。這種渦輪發電機的輸出功率通常為500兆瓦或更多；它具有一密封的殼體，其中的氫氣位于105帕至106帕的壓力下。
本文前言所述類型的裝置由DE3723729A1和GB0760781A可知。在這些文獻中也表明了對這種結構進一步完善的可能性。在第一篇文獻中所涉及的密封環裝置位于箱體上，其中所述密封環相對于箱壁來說是不能轉動的，然而出于定心的目的能夠做輕微的移動。密封環不是裝在一個腔室內，而是通過固定銷釘保持在箱壁和固定板之間。多根輸油管穿過箱壁，為這些輸油管分別配置有通入密封環中的傳輸連續管。每根輸油續管通入該密封環中一個相應的與受密封的軸相匹配的環槽中。此外在密封環與箱壁之間以及在密封環與固定板之間至少會產生一個在限定量內的泄漏油流。通過一種密封機構，一種唇形密封圈，可以防止大量的油從發電機箱壁和密封環之間的縫隙中流出。發電機內部的壓力以及油壓加在密封環上，將其壓緊在固定板上。為了達到平衡以及減少在密封環與固定板之間縫隙中的摩擦，在固定板上設有一卸載用油環槽，油可以被輸入槽里。在第二篇文獻中特別介紹了一種為了密封和／或潤滑的目的，把油或其它液體輸入密封環、箱壁與軸之間的縫隙內的可行方案。
在DE3712943A1中描述了一種用于由氫氣冷卻的渦輪發電機的軸封。這種軸封具有一個在腔室內可徑向活動的，帶有兩個環繞軸的密封環的密封裝置，兩個密封環中至少有一個可軸向移動。通過徑向輸入通道將來自腔室的密封油引至被密封軸，這個徑向輸入通道要么通過密封環，要么通過兩個密封環之間。至少在第二個密封環上具有一徑向通道，通過這樣的通道與位于槽室壁上的集液室或盲孔連接起來。由此使密封油流的一部分分流并返回到發電機箱體內部。
CH-PS626694涉及到一種尤其用于大型壓縮機軸的軸封。在被密封軸和密封活塞之間保留一環形間隙。通過這一環形間隙的流體應盡可能的少并受到節流，為此采用在密封活塞的活塞內壁上加工出螺紋線狀溝槽的方式。由此形成一迷宮式密封，當軸旋轉時與迷宮式密封共同產生一種泵效應，可避免密封油滲入壓縮機內部。
在設計新的渦輪發電機考慮采用較大直徑軸時，會出現這樣的問題，間隙的大小會隨著軸的直徑增大，而這一間隙有可能導致氫氣沿軸從渦輪發電機箱體泄漏出來。隨著對渦輪發電機密封要求的提高，產生了改善本文前言所述類型裝置的密封效果的要求。相應的裝置因此經常被設計成這樣的結構形式，它具有兩個沿著軸前后相互布置的密封油回路，其中朝向箱體內部的回路應最大限度地接收可能產生的氫氣泄漏，而朝向箱體外面的回路則應保證，空氣不可能滲透到箱體里面。為運行這樣一種結構的裝置所必需的費用是非常高的，由此提出一個相應的要求，即對本文前言所述類型的裝置進行設計改進，使之僅采用一個密封油回路就可正常運行。
與美國專利5233862相一致的EP0542751B1給出了一種用于密封位于箱壁與穿過該箱壁且相對箱壁可旋轉運動的軸之間的套狀間隙的裝置。在此裝置中，可對一個在轉動軸上滑動而不一起轉動的密封環的工作性能實現監控。為此要測量出旋轉軸施加在密封環上的轉矩。如果這一轉矩超過了一個確定的界限，則必然是因為不能保障在軸上滑動的密封環的完好潤滑所引起的問題。
可以預見，今后對市場所能接收價格而日益增長的壓力要求簡化大型電動機并降低其價格，在此，出自環境保護和安全的觀點，運行充氫電動機械所允許的氫泄漏將益發不能為公眾忍受。因此提出這樣的希望，在上面所述形式的密封系統中，將油與氫氣接觸時必然會產生的油對氫氣的吸收降至最低程度。滲入油里的氫氣不能夠或不能廉價地回收并返回到電機中，至少部分氫氣的損失無論如何是不可避免的。
可以肯定，在上述的具有兩個油密封回路的密封系統中，始終要考慮將大量的氫氣輸入其中至少一個回路中。出于前一段文章的考慮，希望在將來放棄這樣的密封系統，而在密封系統中只采用一個油回路就夠用了。
基于上面這些觀點，本發明的目的在于，提供一種用于密封位于箱壁與穿過該箱壁且相對箱壁可旋轉運動的軸之間的套狀間隙的裝置，其中盡可能地避免氫氣從充滿氫氣的殼體中進入流經該裝置的油中。
為實現本發明的目的，提供了一種用于密封位于箱壁與穿過該箱壁且相對箱壁可旋轉運動的軸之間的套狀間隙的裝置，這種裝置具有一密封環，軸可穿過該環，同時還有一個可與箱壁固定連接在一起的支座，該支座具有一個圓筒狀的空隙和一個帶有第一槽側壁和第二槽側壁向該圓筒狀空隙開通的槽，在這兩個槽側壁之間夾持著所述密封環，其中在槽中保留有一個環繞該密封環，充滿油的腔室，該密封環至少包括一條通道，通過該通道腔室內的油可被導至朝向軸的密封表面，此外設有一環狀密封，這個環狀密封被夾持在嵌入第一槽側壁的環槽里，環槽通過一槽出口與所述腔室連接。該密封最好由具有很低摩擦系數的材料，例如聚四氟乙烯制成。
這樣一種裝置被這樣裝在電機的密封系統里，即第一槽側壁朝向箱體內部，使與箱體外部隔離的氫氣位于該第一槽側壁。所述腔室內注入密封用油。油滲入已有的在支座與密封環之間的徑向間隙內。徑向間隙通過第一槽側壁上的防止油流出的環狀密封被封鎖，由此徑向間隙中的油不能再擴散到箱體內部且因此與氫氣飽和，這一點與在按照現有技術理論所設計的裝置中是一樣的。環狀密封將通過油被擠壓在密封環上，在此，來自腔室的油通過出口和環槽作用于環狀密封。由此使流入到發電機中的油量明顯減少，從而使器械費用保持在足夠低的水平，且僅需在密封環附近采取一些結構措施。
按照本發明，在如權利要求3前序部分所述的裝置中，所述密封環在通道與直接朝向第一槽側壁的側壁之間的密封面上包含有一個排出通道以及一個收集室，在此該收集室可從第二環槽中加載油。所述收集室此外最好與一個將該收集室內產生的油排出的出口相連。在這樣一種結構空間里，由于在密封環與旋轉軸之間的摩擦而加熱的油進入到收集室并且加熱密封環。因此比起沒有這樣一種布置結構的情況來說，對密封環可以產生一個明顯更加均勻的加熱。這樣首先可以避免在密封環上產生熱應力；主要通過這樣一種方式，即密封環本身也可產生膨脹來跟上由于受熱而使軸同樣出現的膨脹。位于密封環與軸之間的間隙因而不僅在冷態而且在運轉熱態中也可以保持相對較小；對于密封環這樣的設計就不再是必要的了，即一方面在其冷態時保持有對運轉熱態軸的間隙，這意味著，位于密封環與軸之間的間隙在冷態時必須相當大以及為了密封而要求有很大的流通油量。由此達到明顯的減少流入發電機里的密封油量。
在油流通經過通道時，位于軸與密封環之間的間隙可以被油完全充滿，該間隙在密封環側面為所述密封面限定，由此來可靠地阻止氫氣流過。具有優點的是，通道通入密封環的密封面里的環槽中，由此保證油均勻地分布在密封面上。同樣具有優點的是，位于軸與密封環之間的油通過密封環里的第二環槽被排出，該環槽與排出通道連接。
為了在所述裝置的上述布置結構中，限制油沿著密封環的密封面，朝著第一槽側壁的方向流出，在所述環槽與緊挨著槽側壁的密封環側面之間的密封面上具有一螺紋線狀的環繞密封面的溝槽。該溝槽的走向相宜地應使溝槽內的油從旋轉軸被送到環槽。在這種情況下旋轉軸擠壓溝槽內的油成為一流向環槽的定向脈沖，由此阻止過量的油離開環槽流入第一槽側壁。
同樣具有優點的是，密封環在緊鄰第一槽側壁的一側壁上帶有一加長所述密封面的環肩。通過這一密封面的延長也使得環槽與密封環所述側壁之間的間隙也被延長。這使得流經間隙的油流的阻力被提高，同樣限制了沿密封面的排油流。
進一步的優點是，第二槽側壁，也就是當本裝置裝在一個充滿氫氣的電機中時朝向箱體外部的另一槽側壁具有一個可加入油的環槽。在本裝置運行時，這個環槽被加入油，槽內的油具有一高壓，該高壓向密封環加力，這根據通常的實踐，箱體內部的位于高壓下的氫氣施力于密封環。由此使密封環基本上處于不受力(力平衡)狀態，這一點對于密封環的運行和工作性能是有利的。
本裝置另一特別優選的結構的特征在于，在第一槽側壁上設有一環槽，一用于將油從相應的徑向間隙排出的出口與該環槽相連。由此產生一個通過槽側壁處徑向間隙的油流，然而這一油流始終不會流到軸處并因而進入箱體內部，而是在此之前先被排出。因此這些油在其大部分流域內不能吸附氫氣，用這種方法也可以解決所提出的任務。相對于可能會提高的設備費用，產生了一個絕對有利可圖的優點，即有可能能夠影響密封環的運行并能控制油從第一槽側壁處的徑向間隙中被排出。
上述任一種結構的裝置最好裝入一個電機，尤其是充有氫氣的渦輪發電機的一個密封系統中。本裝置能限制氫氣進入到油里面，因為該密封裝置至少在油流入密封的機器內部不是絕對必要的一個位置處阻止油流過。由此避免氫氣泄漏到重要的區域，使得更容易滿足相關的運行規章。
所述密封系統最好僅包含唯一一個油回路。
下面借助附圖對本發明的實施例以及與現有技術的不同之處詳細說明。這些附圖并非合理比例的圖示。實現實施例的補充注釋可從相關的現有技術中獲取。所示的圖例均為各實施形式沿著軸的軸線的縱截面圖，穿過箱體的軸孔應當被密封。
圖1為本裝置的第一種實施形式；圖2為現有技術的實施形式；圖3為本裝置的第二實施形式；圖4，5，6為結合第一實施形式示出的本發明的其它改進結構。
在所有附圖中，相互對應的零部件和特征具有相同的附圖標記。或多或少的共同特征在下面將借助圖1來闡述，這樣的闡述同樣適用于所有其它附圖。
圖1示出一種用于密封位于箱壁2與穿過該箱壁且相對箱壁可旋轉運動的軸3之間的套狀間隙的裝置。這種裝置包括一密封環4，軸3可穿過該環，同時還有一個可與箱壁2固定連接在一起的支座5，該支座5具有一個圓筒狀的可穿過軸3的空隙6和一個向空隙6開通的槽7。這個槽沿著軸3從一個槽側壁8到另一槽側壁9，在兩個槽側壁8，9之間夾持著所述密封環4，該密封環與各槽側壁之間分別保留有徑向間隙10或11，兩個徑向間隙不是按比例而是被放大示出的。在槽7中里保留有一環繞密封環4的空腔室12，該腔室可通過一相應的注入口13用油充滿，為使示圖清楚起見，僅用一箭頭表示，為了密封套狀間隙，這些油一直擴散進到套狀間隙1中。箱壁2屬于充滿氫氣的渦輪發電機的機殼，該裝置應防止氫氣通過套狀間隙1排出。這就要借助密封環4以及在本裝置所保留的間隙中應充滿的油。如同已闡述過的那樣，這些油中的一部分總是會積聚氫氣，氫氣又必須從油中去除。這意味著，相應的設備費用必需得花，同時也意味著，必須考慮到氫氣有一定損失。解決這個問題，取決于限制油流向箱壁2，在那兒油可能積聚氫氣，這可理解為維持密封環4的工作性能。
來自腔室12的油尤其容易滲入到徑向間隙10和11中，其中油通過第一槽側壁8處的徑向間隙10流向箱壁2并且可能與氫氣接觸。為了避免這一點，徑向間隙10被封鎖以防止油從腔室12中流出。按照所述實施形式，這一點是這樣來實現的，即在徑向間隙10中有一環繞軸3的環狀密封14。該環狀密封14例如由聚四氟乙烯或耐油彈性橡膠制成。環狀密封14位于支座5的一個環槽15里，該環槽通過出口16與腔室12連接。在腔室12內的壓力油向環狀密封14施加一壓力，使環狀密封14壓緊在密封環4上并可靠地密封環形間隙10。
在朝向箱體外部，亦即大氣的第二槽側壁9中同樣有一環槽17。通過輸入口18同樣可向環槽17中輸入油，為了附圖清晰起見，該輸入口也用箭頭表示出。這些油的用途是，用來平衡壓力下的氫氣沿著軸3作用于密封環4上的力，使密封環4在不受力(力平衡)的狀況下被夾持在支座5里面。這樣使密封環4對槽側壁8，9的摩擦降至最小，并使密封環4的工作性能得以保證。
密封環4上有一通道19，通過這個通道，腔室12內的油可以進入到軸3所對著的密封環4上的密封面20。由此在密封面20與軸3之間形成了兩個相互反向流動的油流(用箭頭表示)，從而可靠地避免氫氣或空氣滲透到密封環4與軸3之間。為了使油均勻分布，在密封面上有一環槽21，通道19與其相通。
圖2給出了根據現有技術為人們所熟悉的用于密封套狀間隙1的裝置。如同已明確表示的，在這種裝置中，來自腔室12的油可以不受阻礙地流過徑向間隙10，與在軸3與支座5之間沿著密封面20流動的油一起到達同一側，這一側位于受密封的箱體內部的外面并因此遭受氫氣，由此產生大量的富氫油。由于該裝置只有唯一一個油回路，富氫油最終與流向支座5另一側的富含空氣的油一起流出。通過油的脫氣可獲得空氣與氫氣的混合物，如果要重新獲取氫氣，則必須耗費較大地對該混合氣進行分離。作為另一種選擇方案，必須將燃氣混合氣作為廢氣排掉，然而在某些情況下，這會對遵守有關的規章制度造成困難。當然也可以在油回路中另外設置導引和排出富氫油中氣體的管路，然而這將使回路相當復雜，卻只部分的解決了現有問題，因為不付出特別多的費用，油中的氫氣不能夠被萃取到可接受的純度。
圖3給出了本發明的另一實施例。在這個示例中，在第一槽側壁8處的徑向間隙10是這樣來防止來自腔室12的油流出的，在第一槽側壁8上有一與徑向間隙10連通的環槽15a連接到用于排油的排出口22上。如同在圖1中已闡述過的，在環槽15中有一附加的環狀密封14。為了清晰示出，排出口22也用箭頭來表示。一個與環槽15a連接的通道23通往排出口22，并且在通道23上接上一控制閥24。該控制閥24上有一調節器25，該調節器根據在密封殼體內部測得的壓力控制在環槽15a內的壓力。用這種方法可保證將滲入到徑向間隙10中的油排出。
圖4又給出了本裝置的另一改進結構，除了圖1所示的在第一槽側壁8上的環槽15內有一環狀密封14的結構之外。同樣有一來自腔室12的分支通道16連接到環槽15。如圖所示，該分支通道16可以安設在支座5中；對此要求有三個孔，其中的兩個從支座5上引出且必須用螺栓(圖中未示出)封閉。支座5被設計成兩部分，這對其加工是有利的。
圖4所示結構的特殊點在于，在與第一槽側壁8緊鄰的密封環側面26上有一環肩27，該環肩使密封環4與軸3之間的密封面延長。這樣就限制了油沿密封面20排出，進而減少富氫油量。
作為另一特殊點是在環槽21與側面26之間的密封面上有一環繞密封面20的螺紋狀溝槽28。通過旋轉的軸3使得在溝槽28內的油受到一沿軸3的定向脈沖，這個定向脈沖在相應的定向溝槽28中是指向環槽21的，與此相應地同樣可限制油沿密封面20被排出。
圖5示出了一種實施形式，其中同樣在第一槽側壁8與密封環4之間有一環密封14被安裝在一個環槽15中并且受到由分支通道16傳來的腔室12內的壓力。密封環4在其朝向軸3的密封面20上同樣有一環槽21，該環槽經通道19被腔室12內的油加載。在密封面20上另外有一個環槽29，該槽位于第一環槽21與密封環4朝向第一槽側壁8的側面26之間。油從環槽21沿密封面20可流動引入該第二環槽29內，油從第二環槽29又可流進密封環4上的一個最好為環狀的收集室31內。此外一通道32從收集室31穿過腔室12通過一控制閥33到一排出口34，該排出口施加給收集室一定的負壓，以保證一個所期望的油流從密封面20進到收集室31。流進收集室31的油在密封面20處已被劇烈加熱。這一熱量通過收集室31又傳給密封環4。由此使密封環4膨脹以匹配由于熱應力而改變了的軸3的直徑。這就意味著，允許密封環4以一個目前還難以實現的精度去匹配因熱應力而膨脹的軸3，在此一個重要優點是，密封環4能夠以比目前所能實現的間隙還小的間隙去匹配軸3，因為密封環可以與軸3同步膨脹。圖5所示裝置的另一優點在于，密封環4可以比目前更為均勻地被加熱，因此密封環產生比以前少的，由于不同的熱膨脹而形成的機械應力，這對于實現其長壽命是有利的。由于已經在軸3與密封環4之間形成了一個很小的間隙，流向箱壁2的油流也保持在很小，從而可視要求取消對徑向間隙10的閉鎖。
圖6給出了圖5所示實施例的全貌。在這里通過套狀間隙1，支座5以及箱壁2構成了一個前室35，由密封環4流出的可能富集了氫氣的油流出進入該前室內。這些油與進到收集室31里的油一起流進脫氣裝置36。在此凈化了的油通過回流管37返回到一個沒有示出的油罐里，從那里通過入口13油又被輸入密封環4。通過位于凈化裝置36與收集室31之間的控制閥33可調節分配一個流往前室35方向的油分量。
在所示出的所有裝置中2，3，4，5，13，17，22，34在密封系統中是確定的部件，而13，18，19，22，23，24，30，33，34只在單一的油回路中出現。這個回路可以存在分支，例如在輸入口13和18，但作為整體來對油進行處理。
權利要求
1．一種用于密封位于箱壁(2)與穿過該箱壁且相對箱壁可旋轉運動的軸(3)的套狀間隙(1)的裝置，該裝置具有一密封環(4)，軸(3)可穿過該環，同時還有一個可與箱壁(2)固定連接在一起的支座(5)，該支座具有一個圓筒狀的空隙(6)和一個帶有第一和第二槽側壁(8，9)的向該圓筒狀空隙開通的槽(7)，所述密封環(4)被夾持于兩個槽側壁之間，其中在槽(7)中保留有一個環繞密封環(4)且可充滿油的腔室(12)，所述密封環(4)至少包含一條通道(19)，通過這一通道來自槽室(12)的油可流到朝向軸(3)的密封面(20)，其特征在于，設有一個環狀密封(14)，該密封被夾持在嵌在第一槽側壁(8)內的一環槽(15)里，該環槽(15)通過分支通道(16)與腔室(12)相連。
2．按照權利要求1所述的裝置，其中的環狀密封(14)由具有較小摩擦系數的材料，特別是聚四氟乙烯材料制成。
3．一種用于密封位于箱壁(2)與穿過該箱壁且相對箱壁可旋轉運動的軸(3)之間的套狀間隙(1)的裝置，該裝置具有一密封環(4)，軸(3)可穿過該環，同時還有一個可與箱壁(2)固定連接在一起的支座(5)，該支座具有一個圓筒狀的空隙(6)和一個帶有第一和第二槽側壁(8，9)的向所述圓筒狀空隙開通的槽(7)，所述密封環(4)被夾持在兩個槽側壁之間，其中在槽(7)中保留有一個環繞密封環(4)且可充滿油的腔室(12)，該密封環(4)至少包含一條通道(19)，通過這一通道來自腔室(12)的油可流到朝向軸(3)的密封面(20)，其特征在于，密封環(4)在所述通道(19)與直接朝向第一槽側壁(8)的側面(26)之間包含一與密封面(20)相連的排出管(30)及一收集室(31)，在此收集室(31)可收集由排出管(30)排出的油。
4．按照權利要求3所述的裝置，其中所述密封環(4)在密封面(20)上具有一第二環槽(29)，排出管(30)與該環槽相連通。
5．按照權利要求3或4所述的裝置，其具有一個可與收集室(31)連接的排油口(34)。
6．按照上述任一項權利要求所述的裝置，其中所述密封環(4)在密封面(20)上有第一環槽(21)，通道(19)與該環槽相連通。
7．按照權利要求6所述的裝置，其中所述密封面(20)在環槽(21)與緊鄰第一槽側壁(8)的密封環側壁(26)之間有一環繞該密封面(20)的螺紋線狀溝槽(28)。
8．按照上述任一項權利要求所述的裝置，其中所述密封環(4)在緊鄰第一槽側壁(8)的側壁(26)上有一延長了密封面(20)的環肩(27)。
9．按照上述任一項權利要求所述的裝置，其中所述第二槽側壁(9)上有一可充入油的環槽(17)。
10．按照上述任一項權利要求所述的裝置，其中所述第一槽側壁(8)上有一環槽(15)，一用于從徑向間隙(10)排出油的排油通道(22)可與該環槽連通。
11．按照上述任一項權利要求所述的裝置，其可裝設在一個電機(2)，尤其是一個充滿氫氣的渦輪發電機(2)的密封系統中(2，3，4，5，13，17，22，34)。
12．按照權利要求11所述的裝置，其中所述密封系統(2，3，4，5，13，17，22，34)具有唯一一個油回路(13，18，19，22，23，24，30，32，33，34)。
全文摘要
一種用于密封位于箱壁(2)與穿過該箱壁且相對箱壁可旋轉運動的軸(3)之間的套狀間隙(1)的裝置。該裝置具有一密封環(4),軸(3)可穿過該環,同時還有一個可與箱壁(2)固定連接在一起的支座(5),該支座具有一個圓筒狀的空隙(6)和一個帶有第一和第二槽側壁(8,9)的向該圓筒狀空隙開通的槽(7),所述密封環(4)被夾持在兩個槽側壁之間且分別與這兩個槽側壁之間留有徑向間隙(10,11),并形成一個環繞所述密封環(4)且可充滿油的腔室(12)。位于第一槽側壁(8)處的徑向間隙(10)被閉鎖,以防止腔室(12)內的油流出。本裝置可應用于一個充滿氫氣的電機,尤其是渦輪發電機的密封系統中。
文檔編號F16J15/44GK1204386SQ96198874
公開日1999年1月6日 申請日期1996年11月25日 優先權日1995年12月8日
發明者亞力山大·朗格里 申請人:西門子公司