CN100513835C - 可变比压机械密封装置 - Google Patents
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Abstract
可变比压械密封装置，动密封组件：阶梯动环支撑套上固定曲面挡套，曲面挡套右端设副叶片，曲面挡套与动环支撑套间形成右开口环状腔体，右开口环状腔体内动环支撑套上外套动环座，动环装嵌在动环座右端止口中，动环座左端设滑动槽，动环座右端为锥面法兰盘，动环座套筒外装主弹簧座，主弹簧座内侧设与滑动槽配合的传动销，主弹簧座左侧设与阶梯动环支撑套阶梯垂直面的销孔相配合的传动销，主弹簧座左侧与阶梯动环支撑套阶梯垂直面间设辅助弹簧，主弹簧座上设钢球孔，钢球孔内置钢球，主弹簧座右侧与动环座法兰背面间设主弹簧，静密封组件：静环装于外套内侧的止口内，台阶孔外套与动环和静环接触部位对应处设冷却冲洗水通孔。
Description
技术领域
本技术发明为一种新型的机械密封密封副端面比压变化可控技术，适用于输送各种介质离心泵(水、油、泥浆泵等)和釜(搅拌、反应釜等)的轴端密封。特别适用于高转速、高压力的机、泵、釜的机械轴端密封。
背景技术
随着现代化工业技术的进步，在工业装置系统中广泛而大量地使用的各式各样流体机械正朝着高参数，大型化，节能环保等方面迅速发展。在这些流体机械中，转轴与定子端体间的轴端泄漏问题也引起了设计工程师们的高度关注。自1908年英国在汽轮机上首次使用端面密封技术到今天使用的各式机械密封，一百年来机械密封的技术进步和推广使用越来越受到人们的重视。由于它是治漏，环保，节能，保安的先进轴封形式，因此设计生产和使用更合理的机械密封已成为解决跑，冒，滴，漏，改善环境，提高机器效率和降低生产成本的有效途径。
机械密封虽然只是机器设备中的一个零部件，但它却能决定设备的安全性，可靠性和耐久性。日本曾对某企业发生的786件事故调查中发现42％是于设备泄漏而造成。更有甚者，美国挑战者号航天飞机也是因密封事故而坠落。通过国内外电力、石化企业的综合调查都表明了我们日常使用机、泵、釜等设备维修中，机械密封的维修工作量几乎占50％，也有资料显示离心泵的维修费用大约70％用于了密封故障的修复。
目前机械密封技术主要分为接触式密封和非接触式密封两大类，由于采用表面改型技术的非接触式机械密封出现于二十世纪后期，其密封设计理论和表面改型加工工艺(如采用激光加工)均处于研发阶段，故还未达到真正的实用化要求而被推广应用。现如今设备上使用的绝大多数为接触式机械密封，使用寿命短的缺陷却至今仍未能得到很好的解决。我们知道影响机械密封寿命的因素是多方面的，从目前国内外很少的几个关于机械密封故障统计文献中不难得出这样的结论：占据密封失效现象第一位的是密封副损坏。原因则是接触式机械密封大多数是在混合摩擦状态下工作的，摩擦表面即存在流体膜，同时又存在分子膜与表面微凸体的接触摩擦。以往机械密封设计时因要考虑被密封介质压力作用于密封副表面的开启力而不得不将密封端面比压值提高，这样密封副在高转速、高端面比压(即高PV值)下运转其产生的摩擦热使密封端面迅速温升，于是流体膜处于似气相状态，造成了密封面磨损速度快、热裂以及运行不稳定等问题的出现。
机械密封可变比压技术采用独特而先进的设计理念，很好地解决了上述的缺点和不足，大幅度地延长了机械密封使用年限，降低设备的维修费用，提高机器的整体综合效率，因而必将在机械密封实用推广方面发挥其巨大作用。
发明内容
众所周知我们在计算密封副端面比压PC时的公式：(以内装内流式为例)
Pc＝Psp+(B-Km)Ps (MPa) (A)
式中：Psp—弹簧比压(比载荷) (MPa)
B—平衡比(D22—DB2)/(D22—D12)
Km—膜压系数
Ps—密封介质压力 (MPa)
在以往的研究和设计中，中外的工程师们对公式中的平衡比B和膜压系数Km进行了大量的分析研究和计算，为争取到较满意的PV值已取得了可信赖的结果且作为机械密封的设计基础。而弹簧比压Psp和密封介质压力Ps却一直当成为是定量而没有得到足够的重视和研究。随着社会的进步与发展，高速乃至超高速的流体机械越来越多的应用于生产实践中，为能满足接触式机械密封在高转速下可靠长寿的工作，经多年的实践证明，以往的设计理念和方法都已突显出它们的缺陷与不足。机械密封可变比压技术的设计与研究工作就是从怎样在不同的运行状态下有效的控制弹簧比压Psp和密封介质压力Ps两方面设计理念人手，设计出的新型的机械密封。从而解决高速机械的机械密封使用寿命短的问题，同时也为高速机械密封设计时选取合理的PV值提供了切实可行的方法。本发明从密封介质压力Ps和弹簧比压Psp两方面设计出性能更优的可变比压机械密封装置。
本发明是这样实现的，可变比压机械密封装置，由动密封组件和静密封组件构成，其特征在于：动密封组件的构成是：阶梯动环支撑套(1)，阶梯动环支撑套(1)上固定曲面挡套(2)，曲面挡套(2)右端设置副叶片(3)，曲面挡套(2)与动环支撑套(1)之间形成右开口环状腔体，在右开口环状腔体内的动环支撑套(1)上外套动环座(4)，动环(6—1)装嵌在动环座(4)右端的止口中，动环座(4)左端设置滑动槽(4—1)，动环座(4)右端为一锥面法兰盘，动环座(4)套筒部分外部装有主弹簧座(7)，主弹簧座(7)内侧设置与滑动槽(4—1)配合的传动销(7—1)，主弹簧座(7)左侧设置与阶梯动环支撑套(1)的阶梯垂直面的销孔相配合的传动销(7—2)，主弹簧座(7)左侧与阶梯动环支撑套(1)的阶梯垂直面之间设置辅助弹簧(9—2)，主弹簧座(7)上设置钢球孔，钢球孔内置入钢球(8)，主弹簧座(7)右侧与动环座(4)的法兰背面之间设置主弹簧(9—1)，静密封组件的构成是：静环(6—2)安装于台阶孔外套(10)内侧的止口内，台阶孔外套(10)与动环(6—1)和静环(6—2)接触部位对应处设置冷却冲洗水通孔(10—1)。
上述可变比压机械密封装置，其特征在于：动环支撑套(1)与动环座(4)之间由密封圈(5—1)密封，动环座(4)与动环(6—1)之间由密封圈(5—2)密封。
上述可变比压机械密封装置，其特征在于：台阶孔外套(10)与静环(6—2)之间由密封圈(5—3)密封。
上述可变比压机械密封装置，副叶片(3)可以设置在曲面挡套(2)侧端。
上述可变比压机械密封装置，其特征在于：曲面挡套(2)的曲面是锥型面。
本发明具有如下积极效果
(1).在密封副外环腔室处加装副叶轮
利用冷却冲洗水系统加上副叶轮使机械密封在机器运转工作状态下，给密封副外环腔室处营造出一个合理的低压区(即低PS值)，该环形腔室处的压力可根据实际需要由冷却冲沈水进口调压阀控制。副叶轮为开式叶轮，叶片设置在曲面挡套2端部或外径处，曲面挡套和紧固于转轴上的动环支撑套1同速旋转。冷却冲洗水进口安置在密封副外环腔室处。
环形腔室处的压力得到控制与降低，实际上代表了公式(A)中PS值的受控。运行中的低PS值为机械密封安全工作展现出三个有利前提：
(a)首先是减小了密封副的开启力Fm。我们知道
Fm＝Pm×fm＝Km×Ps×fm (N) (B)
式中：Pm＿液膜压力
Km一膜压系数
fm＿动静环摩擦面积
从公式(B)中可知，由于PS值的降低，开启力也随之减小。为设计时选取合理较低的弹簧比压值提供了有利条件。
(b)由于被密封介质在此处的压力降低，减小了密封副在高压工作环境影响下的变形。
(c)可解决因被密封介质压力过高而无法安装使用机械密封的问题。
(2).弹簧座采用离心式滑套结构
附图说明
图1是剖视结构示意图；
图2是装配示意图。
如图1、图2，可变比压机械密封装置由动密封组件和静密封组件构成，动密封组件的构成是：阶梯动环支撑套1，阶梯动环支撑套1上固定曲面挡套2，曲面挡套2右端设置副叶片3，曲面挡套2与动环支撑套1之间形成右开口环状腔体，在右开口环状腔体内的动环支撑套1上外套动环座4，动环支撑套1与动环座4之间由密封圈5—1密封，动环6—1装嵌在动环座4右端的止口中，动环座4与动环6—1之间由密封圈5—2密封，动环座4左端设置滑动槽4—1，动环座4右端为一锥面法兰盘，动环座4套筒部分外部装有主弹簧座7，主弹簧座7内侧设置与滑动槽4—1配合的传动销7—1，主弹簧座7左侧设置与阶梯动环支撑套1的阶梯垂直面的销孔相配合的传动销7—2，主弹簧座7左侧与阶梯动环支撑套1的阶梯垂直面之间设置辅助弹簧9—2，主弹簧座7上设置钢球孔，钢球孔内置入钢球8，主弹簧座7右侧与动环座4的法兰背面之间设置主弹簧9—1，静密封组件的构成是：静环6—2安装于台阶孔外套10内侧的止口内。台阶孔外套10与静环6—2之间由密封圈5—3密封，台阶孔外套10与动环6—1和静环6—2接触部位对应处设置冷却冲洗水通孔10—1。
由图1、图2可以看出，当机械密封处于运行状态时，在离心力的作用下，与轴同速旋转的坐落在主弹簧座7中的钢球8向外甩动，给曲面挡套2的内曲面一作用力，迫使主弹簧座在动环座4上向左运动的同时压缩辅助弹簧9—2，此时密封端面比压中的弹簧比压实际为主弹簧9-1的比载荷。显而易见在转速的变化过程当中，不同的离心力必将会对曲面挡套内曲面施加不同的载荷力且钢球沿曲面向外移动不同距离，由于曲面挡套固定在动环支撑套上，迫使钢球带动主弹簧座向左移动，导致主弹簧作用于密封端面的载荷力也随之减小。当机器停机时，钢球8返回主弹簧座7的球孔内，在辅助弹簧9-2的作用下主弹簧座7右移压紧动环座4，此时密封端面比压中的弹簧比压PSP为辅助弹簧9-2的比载荷。由于设计计算时选取的辅助弹簧力大于主弹簧力，再加之副叶片停止工作后密封副外环腔室变回为介质压力而升高，从而实现了停机时密封副端面比压值为最大，运行时端面比压随转速增高而减小的目的。在这里需要说明的是我们本次设计首选的是离心飞球原理加之主辅双簧来实现密封副端面比压值的可控手段，至于其他使动、静环弹簧座移动的方式(如配重飞铁离心、气控滑阀等)也可实现变比压的目的，总之其原理是一样的。
本发明可以说是离心停泵密封中，采用其间增加主弹簧微弱的弹力，保持动静密封环接触，克服离心停泵密封启动和停止时的冒、漏缺陷，所以，虽然有些零部件与本发明的权利要求有所不同，但有关离心停泵密封其间增加主弹簧微弱的弹力，保持动静密封环接触的方式，都是本发明的范围。
Claims (5)
1、可变比压机械密封装置，由动密封组件和静密封组件构成，其特征在于：动密封组件的构成是：阶梯动环支撑套(1)，阶梯动环支撑套(1)上固定曲面挡套(2)，曲面挡套(2)右端设置副叶片(3)，曲面挡套(2)与动环支撑套(1)之间形成右开口环状腔体，在右开口环状腔体内的动环支撑套(1)上外套动环座(4)，动环(6-1)装嵌在动环座(4)右端的止口中，动环座(4)左端设置滑动槽(4—1)，动环座(4)右端为一锥面法兰盘，动环座(4)套筒部分外部装有主弹簧座(7)，主弹簧座(7)内侧设置与滑动槽(4—1)配合的传动销(7-1)，主弹簧座(7)左侧设置与阶梯动环支撑套(1)的阶梯垂直面的销孔相配合的传动销(7—2)，主弹簧座(7)左侧与阶梯动环支撑套(1)的阶梯垂直面之间设置辅助弹簧(9—2)，主弹簧座(7)上设置钢球孔，钢球孔内置入钢球(8)，主弹簧座(7)右侧与动环座(4)的法兰背面之间设置主弹簧(9-1)，静密封组件的构成是：静环(6-2)安装于台阶孔外套(10)内侧的止口内，台阶孔外套(10)与动环(6-1)和静环(6-2)接触部位对应处设置冷却冲洗水通孔(10-1)。
2、如权利要求1所述的可变比压机械密封装置，其特征在于：动环支撑套(1)与动环座(4)之间由密封圈(5—1)密封，动环座(4)与动环(6—1)之间由密封圈(5-2)密封。
3、如权利要求2所述的可变比压机械密封装置，其特征在于：台阶孔外套(10)与静环(6—2)之间由密封圈(5—3)密封。
4、如权利要求3所述的可变比压机械密封装置，其特征在于：副叶片(3)设置在曲面挡套(2)侧端。
5、如权利要求3所述的可变比压机械密封装置，其特征在于：曲面挡套(2)的曲面是锥型面。
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