CN101430006B - 一种海水压力平衡补偿式旋转轴动密封 - Google Patents

一种海水压力平衡补偿式旋转轴动密封 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种海水压力平衡补偿式旋转轴动密封。它包括安装在水下作业装置的端盖上的密封基座，通过键与装置输出轴连接的密封输出轴，安装在密封基座上的前端盖，密封基座上安装有静密封环，密封输出轴上通过连接键连接离心叶轮和动密封环，动密封环与离心叶轮固连，离心叶轮的背面设有背部垫圈，密封基座上开有进口、出口和水路，密封基座与水下作业装置的端盖之间、静密封环与密封基座之间、动密封环与密封输出轴之间均设置有O形圈。本发明可以安装在水下切割器、打磨器、钻孔器等工具及深水推进器等装置中。具有海水压力平衡补偿功能的旋转轴动密封实现了海水下任意深度的作业，应用在高速旋转轴上，不受海水压力的影响。

Description

一种海水压力平衡补偿式旋转轴动密封
(一)技术领域
本发明涉及的是一种密封结构，特别是一种适合于深水高速旋转轴的密封的密封结构。
(二)背景技术
深水高速旋转轴是指海水深度1000米～4000米、旋转速度3000～10000r/min的装置输出轴，它的密封与陆上不同点是海水的压力随作业深度的改变而改变，因而，对这种轴的密封的设计需要特殊考虑压力变化对密封状况的影响。
对于水下动密封技术主要有四种方式，即：O形圈密封、O形圈与聚四氟乙烯滑环的组合密封、机械密封、磁流体密封。用于旋转动密封时，它们的应用范围如下：
●一般橡胶O形圈，密封压力不能超过1.5MPa，旋转的线速度在3.5m/s以内为宜；
●组合密封，密封压力0～70MPa，旋转的线速度6m/s以内；
●磁流体密封，单级密封能力最大可为120kPa～180kPa，整个密封能力很难超越1.5MP；
●机械密封，压力可以达到45MPa，温度为200℃～450″C，旋转线速度高达150m/s。
深水高速旋转轴的密封压力一般为10～40MPa，旋转线速度6～30m/s，一般采用机械密封的方式，普通的机械密封在水下应用时需要考虑密封腔承压及密封面冲洗问题，即密封腔壳体厚度满足水压力的强度要求，密封面的冲洗采取闭式溶液循环，这样，普通的机械密封在水下应用的缺点是：机械密封外壳壁厚较厚，自循环冲洗方式使得机械密封的辅助元件如密封管道、循环泵、控制阀等增加，机械密封的尺寸较大。
《机械密封实用技术》，机械工业出版社，2001.08；给出了现在通用的机械密封的结构；《机械工程师》，2006/01，公开的“水下机器人动密封技术”中给出了水下动密封技术的主要形式；《机器人》1993/3，公开的“机械密封在水下机器人中的应用”中给出了机械密封在水下机器人中的应用；《润滑与密封》，2007/6，公开的“排沙潜水泵机械密封失效的分析与改进”，给出了排沙潜水泵机械密封失效的分析与改进方法。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种不受海水深度的影响，能形成有效的密封的一种海水压力平衡补偿式旋转轴动密封一种海水压力平衡补偿式旋转轴动密封。
本发明的目的是这样实现的：
它包括安装在水下作业装置的端盖上的密封基座，通过键与装置输出轴连接的密封输出轴，安装在密封基座上的前端盖，密封基座上安装有静密封环，密封输出轴上通过连接键连接离心叶轮和动密封环，动密封环与离心叶轮固连，离心叶轮的背面设有背部垫圈，密封基座上开有进口、出口和水路，密封基座与水下作业装置的端盖之间、静密封环与密封基座之间、动密封环与密封输出轴之间均设置有O形圈。
在前端盖与离心叶轮设置有补偿弹簧。
本发明的工作原理为：将此密封组件套装在水下作业装置的输出轴7上，此时，需要进行的密封有三处，即动密封环12与静密封环14之间动密封接合面处的径向动密封、动环O形圈13处密封输出轴1轴向静密封、静环O形圈15处密封基座10端面径向静密封。将装置输出轴7上原旋转轴动密封移到动密封环12与静密封环14的密封接合面处变为径向动密封，可允许较高的转速。此密封引入海水进行冲洗，主要作用原理如下：
1)用海水做冲洗液在密封腔内的流动方式
离心叶轮4将密封腔分为A、B两腔，当轴旋转时，海水经过过滤器通过b口进入密封B腔，经水路a进入密封A腔，进入离心叶轮心部，在叶片旋转离心作用下由c口甩出，形成海水在密封腔内的流动。同时，使得密封内外腔压力相等，即密封壳体按常压设计，壁厚减薄。
2)海水压力的平衡补偿
在离心叶轮4的背面设有背部垫圈6，垫圈6与离心叶轮4背面存在间隙，由c口离心甩出的高于入口压力的海水有一部分沿垫圈与叶轮背面的间隙流向B腔，这样，在垫圈6与离心叶轮4背面之间存在背压，与离心叶轮4入口压力存在压差，此压差为离心叶轮4的扬程，产生向左的推力。由于该密封浸入海水中，离心叶轮4的进口与出口压力在静止时是相同的，旋转时只产生扬程，即压差是相等的，即压差不随海水深度的改变而改变，这样，补偿了海水压力的变化，使得B、A腔压力的差值恒定，这样，密封不受海水深度的影响，保证动密封环12与静密封环14的密封接合面一定的端面比压，形成有效的密封。
本发明的一端直接套装在普通未密封水下作业装置的输出轴上，另一端以该输出轴相同的形式输出，与陆上通常机械密封及相关文献的不同之处有：
●直接将海水引入到动、静密封接合面处作为冲洗液，通过安装在轴上离心叶轮的旋转运动引起海水在密封腔的流动；
●由离心叶轮旋转运动引起输出端高压向低压(附图1向左)的轴向力平衡海水压力产生向右的动环推力，从而，保证一定的动、静密封接合面处液膜压力。
它可以安装在水下切割器、打磨器、钻孔器等工具及深水推进器等装置中。本发明的具有海水压力平衡补偿功能的旋转轴动密封实现了海水下任意深度的作业，应用在高速旋转轴上，不受海水压力的影响。
(四)附图说明
附图是本发明的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
一种海水压力平衡补偿式旋转轴动密封由密封输出轴1、前端盖2、补偿弹簧3、离心叶轮4、叶轮固定螺丝5、背部垫圈6、装置输出轴7、水下作业装置8、前端盖固定螺丝9、密封基座10、离心叶轮键11、动密封环12、动环O形圈13、静密封环14、静环O形圈15、密封基座固定螺丝16、端盖O形圈17、装置输出轴键18组成。
密封基座10通过密封基座固定螺丝17安装在水下作业装置8端盖上，由端盖O形圈17实现海水与水下作业装置端盖之间的径向静密封。静密封环14与静环O形圈15安装在密封基座10上，静环O形圈15实现与密封基座10内端面之间的径向静密封，防止海水由此处浸入到装置输出轴7中。密封输出轴1右侧为开有键槽的轴孔，它直接安装到装置输出轴7上的轴键18处，将装置输出轴7的运动等速传出。动密封环12安装在密封输出轴1上，通过离心叶轮键11的带动随密封输出轴1一起转动，与静密封环14形成动密封接合面，实现海水浸入装置输出轴7中的径向动密封。动密封环12内壁开有沟槽安装动环O形圈13实现密封腔A、B沿密封输出轴1向装置输出轴7轴向泄漏的静密封。离心叶轮4通过叶轮固定螺丝5固定在动密封环12上，由离心叶轮键11带动与动密封环12一起转动，补偿弹簧3安装在离心叶轮4左端，提供给动密封环12与与静密封环14之间动密封接合面一定的预压力。背部垫圈6安装在密封基座10内靠近离心叶轮4背侧，在离心叶轮4旋转时可形成一定的背压。前端盖固定螺丝9将前端盖2与密封基座10、补偿弹簧3、密封输出轴1固定形成一个独立密封组件。
对于此设计实施例，被密封的水下装置输出轴7直径：φ40，长L1＝100mm，转速：4500r/min；水下装置输出轴端面外径φ150mm；此旋转轴动密封的规格取：密封输出轴1直径：φ40，长L1＝100mm；密封输出轴1后轴孔取φ40+0.018mm，长L2＝105mm；密封输出轴1密封处直径：φ50mm；动环密封12内径：φ50mm，静密封环14的外径：φ60mm，离心叶轮4内径：φ50mm、外径：φ70mm，弹簧自由深长：50mm，预压力：3-5N/s2；整个密封尺寸(外径φd×长度L)：φ80×140mm。

Claims (1)

1.一种海水压力平衡补偿式旋转轴动密封，包括密封输出轴(1)、前端盖(2)、补偿弹簧(3)、离心叶轮(4)、叶轮固定螺丝(5)、背部垫圈(6)、装置输出轴(7)、水下作业装置(8)、前端盖固定螺丝(9)、密封基座(10)、离心叶轮键(11)、动密封环(12)、动环O形圈(13)、静密封环(14)、静环O形圈(15)、密封基座固定螺丝(16)、端盖O形圈(17)、装置输出轴键(18)；其特征是：密封基座(10)通过密封基座固定螺丝(17)安装在水下作业装置(8)端盖上，由端盖O形圈(17)实现海水与水下作业装置端盖之间的径向静密封；静密封环(14)与静环O形圈(15)安装在密封基座(10)上，静环O形圈(15)实现与密封基座(10)内端面之间的径向静密封；密封输出轴(1)右侧为开有键槽的轴孔，它直接安装到装置输出轴(7)上的轴键(18)处，将装置输出轴(7)的运动等速传出；动密封环(12)安装在密封输出轴(1)上，通过离心叶轮键(11)的带动随密封输出轴(1)一起转动，与静密封环(14)形成动密封接合面，实现海水浸入装置输出轴(7)中的径向动密封；动密封环(12)内壁开有沟槽安装动环O形圈(13)实现密封腔A、B沿密封输出轴(1)向装置输出轴(7)轴向泄漏的静密封；离心叶轮(4)通过叶轮固定螺丝(5)固定在动密封环(12)上，由离心叶轮键(11)带动与动密封环(12)一起转动，补偿弹簧(3)安装在离心叶轮(4)左端，提供给动密封环(12)与与静密封环(14)之间动密封接合面一定的预压力；背部垫圈(6)安装在密封基座(10)内靠近离心叶轮(4)背侧，在离心叶轮(4)旋转时可形成一定的背压；前端盖固定螺丝(9)将前端盖(2)与密封基座(10)、补偿弹簧(3)、密封输出轴(1)固定形成一个独立密封组件。
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