CN101769379B - 有源型自适应控制机械密封装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对可控性机械密封反馈参数的测量操作性差、反馈执行机构复杂或者安全可靠性低等问题，提出一种结构简单、利用系统介质及其压力差作为控制源的自适应控制机械密封装置及控制方法。其结构包括套装在轴上的、形成摩擦副的静环和动环，静环上安装的能够感受静环温度的、内部充注有气液混合介质的空心波纹管，用于把被密封设备的高压输出端的流体引出、对密封腔内的空心波纹管和/或摩擦副进行冲洗冷却随后送入到被密封设备的低压吸入端的流体输送管路，以及在密封腔与低压吸入端之间的流体输送管路上串联可以调节流体流量的调节阀。利用被密封设备的高压输出端和低压吸入端之间的压差，将少量输送流体引入到摩擦副间进行冲洗或静环空心波纹管外进行冷却，冷却流体的流量通过空心波纹管传送入到调节阀气箱中的气液混合介质的压力控制调节阀的开度来调节。

Description

有源型自适应控制机械密封装置及控制方法

技术领域

本发明涉及机械密封技术领域，尤其是一种利用系统介质及其压力差作为控制源，改变静环后空心波纹管内介质气、液组分含量，调节端面比载荷与端面温度，进而实现低泄漏量和长寿命的自适应控制机械密封装置。

背景技术

机械密封是机械动设备防止泄漏、节约能源、控制环境污染的重要功能元件，结构如图1所示。在轴1-1上套装有轴套1-2，轴套与轴之间采用螺纹连接，限制轴套的周向和轴向自由度。动环座1-10通过飞耳与轴套右端凸缘上周向均布的两个凹槽配合(或通过周向均布在其上的3只内六角螺栓紧固于轴套上)，动环座上设置动环1-7。静环压盖1-4通过螺栓1-3固定在被密封设备1-11的壳体上。静环1-6设置在静环压盖的内孔内。轴1-1穿过静环，静环与动环通过端面接触形成在摩擦副。在动环与动环座之间设置有在常态时使得动环与静环接触的弹性元件1-9。在动环座右端的内孔与轴之间放置O形圈1-12，实现动环座和轴之间的密封。在动环座左端与动环之间放置动环O形圈1-8。在静环压盖与静环之间放置静环O形圈1-5。通过被密封设备、静环压盖、静环、动环、动环座、轴围成一个密封腔1-11。工作过程中，机械密封的静环依附在机器壳体上，与壳体保持相对静止，通过静环O形圈1-5实现静环和壳体间的密封。动环随轴一同运转，与轴保持相对静止，同样通过动环O形圈1-8实现动环和轴之间的密封。动环与静环之间具有相对运动，存在摩擦磨损；动环和静环之间的磨损由动环后的弹性元件1-9提供的轴向力推动动环前移实现补偿；动环和静环之间的间隙是密封介质泄漏的通道。

由于结构简单和性能稳定，机械密封被广泛应用于电力、船舶、航空航天、石油化工等领域的装置上。工业发达的国家里，机械密封的用量占全部旋转机械的密封使用量的90％以上。然而，普通机械密封一股只能在设计点稳定运行。这种无源控制型密封结构较为简单，没有任何外部的辅助支持装置或反馈系统，本身具有一定的适应工况条件变化的能力，但调节程度受限于无源控制的特性。当工作条件或环境状况发生变化时，如密封处于极限工作状态或者在运转时远离设计考虑范围，将造成膜厚变化很大，密封不能正常稳定地工作，或者严重磨损、喷射式泄漏而导致密封失效。这类失效造成的停产、环境污染等方面的损失，往往是密封本身价格的几倍、几十倍，甚至上百倍。特别是对一些工作在像石油化工和核能等领域中的关键设备，由于工况条件恶劣，其机械密封失效造成的损失更是无法估量的。因此，进行有源型可控性机械密封研究，提高机械密封工作寿命和可靠性，保证生产装备安全运行，一直为各国所关注。

早在上个世纪80年代中期，Doust和Parmar就开始了机械密封可控性初步研究，并指出机械密封的端面温度是影响其密封性能的重要因素，端面磨损的结果使得端面温度升高，温度的升高速度反映了机械密封端面的磨损水平。1990年，Etsion利用传感器测得浮动静环的端面温度，并将端面温度作为反馈信息，输入控制系统，改变浮动静环背部的流体压力，以控制静环和动环端面间膜厚，研究设计出闭合力可控机械密封。同年，Millor等研制出基于预程序化受控方式的机械密封装置自适应控制系统，解决了密封面之间的收敛度控制问题。1994年，Salant等进行了可控机械密封设计、分析和稳定状态试验研究。利用端面温度作为反馈信号，研制出由动环、带温度传感器的静环以及静环后设置的促动器组成的可控机械密封装置。促动器用压电材料制成，当从外部供给电压时，沿轴向膨胀，迫使静环表面变形，在密封表面之间形成收敛间隙。输入电压愈高，获得的收敛度愈大，密封面之间的液膜愈厚；反之亦然；最终达到调节膜厚，保证密封性能和提高密封寿命的目的。1998年，Lambert在分析密封失效因素后，提出了基于密封腔体温度、压力、密封端面温度和气膜或液膜厚度的机械密封条件监控系统。2002年，Anderson等采用超声波在密封件和端面液膜中的反射率不同，开展了流体润滑密封的监控系统研究。2004年，Fan总结了最近40年来机械密封发展状况后，指出机械密封失效仍很普遍，需要条件监控来预测失效防止额外损失。2006年，Reddyhoff等采用超声波、光干涉和电容法对不同速度和载荷下工作的机械密封进行端面液膜厚度的测量与比较，结果表明超声波测量可靠，是条件监控的有力工具。

与此同时，国内学者在机械密封可控性研究方面也做了大量的工作。石油大学彭旭东、顾永泉等通过对端面温度的在线监测，采用直角限流阀调节冲洗量，控制密封间流体的相态，即控制端面间流体膜压(静压)的径向分布，研制出机械密封相态监控系统。毛绍贝等以温度，孙见君等以端面摩擦扭矩作为反馈信号对机械密封的可控性分别进行了研究。

经过几十年的探索，机械密封可控性研究取得了一定的进展，并在某些机器设备上得到了应用，但就其占有的比例来看，远未达到普及的水平。这并不是因为人们对机械密封可控性系统在生产装置中的地位认识不够，而是因为现有可控性系统要么结构复杂，要么结构简洁但可靠性差，导致密封装置难以稳定安全运行。具体表现为：

①反馈参数的选择不尽合理与测量操作性差。采用易于测量的端面温度作为可控性机械密封控制系统的反馈信号，能较为准确地反映端面摩擦状态，但需要在静环上距离端面不同深度埋设4个以上的热电偶以准确外推密封端面温度，使得静环变得较为复杂，安装调试极为不便；同时泄漏介质对温度信号传输也有很大的影响，在环境较差的现场装置上，这种控制系统很难达到令人满意的效果。采用涡流传感器测得的端面膜厚作为可控性机械密封控制系统的反馈信号，能准确反映机械密封性能和寿命，但由于工作过程中机械密封的膜厚处于10^-7-10^-5m的数量级，与装置设备运转时引起的机械密封振动幅值相当，甚至小于振动幅值，因而存在被过大噪声淹没的危险。采用端面摩擦转矩作为反馈信号参数，反馈直接，但实际工况下的机泵，摩擦转矩常用串联在机泵与电动机主轴间的转矩传感器来测量，由于机泵工作负荷转矩大，密封端面摩擦转矩相对较小，因而在目前传感器水平较低的情况下，这种方法很难测量出机械密封端面摩擦转矩的变化。

②反馈执行机构复杂或者安全可靠性差。反馈执行机构是可控机械密封正常可靠运行的保证。执行元件通常有压电晶片、电磁铁、调节阀和液压缸等。以压电晶片制作的执行元件，其特点是在其两端加上电压，使晶体本身产生膨胀。建立一个端面温度和输入晶体两端的电压关系以及膨胀率和压力之间的关系，是实现控制功能的关键。压电元件在介质中的绝缘性能要求是其工业化推广的主要障碍。电磁铁作执行元件，其特点是以通电线圈代替弹簧提供闭合力。由于温度的输出和线圈的输入都是电压量，因而可以方便地控制机械密封端面比载荷或膜厚，安装要求也不高。问题在于不同工况介质和不同泄漏量下，磁损耗不同，线圈输入电压量与闭合力之间的关系求取不易。以调节阀作执行元件，可有效地控制流量的大小，改善密封面的工作状况。但系统的温度场分布比较复杂，建立端面温度与流量的关系比较困难。为了实现动态下对端面比载荷的控制，在静环座之后，设计安装液压油缸作为执行元件，通过油泵工作，可以控制油缸的前进和后退，进而控制机械密封的端面比载荷或膜厚，但控制油路和油缸所占空间大又限制了其应用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对可控性机械密封反馈参数的测量操作性差、反馈执行机构复杂或者安全可靠性低等问题，提出一种结构简单、利用系统介质及其压力差作为控制源、以一种预程序化受控方式对密封的工作条件的变化作出积极快速反应的自适应控制机械密封装置。

本发明的有源型自适应控制机械密封装置，包括套装在轴上的、形成摩擦副的静环和动环，动环设置在轴上，静环设置在被密封设备上；在静环上安装能够感受静环温度的、内部充注有气液混合介质的空心波纹管；它还包括用于把被密封设备的高压输出端的流体引出、对密封腔内的空心波纹管和/或摩擦副进行冲洗冷却随后送入到被密封设备的低压吸入端的流体输送管路；在密封腔与低压吸入端之间的流体输送管路上串联可以调节流体流量的调节阀；气液混合介质通过压力管通入调节阀的执行机构。

本发明的有益效果：在普通机械密封静环上安装能够感受静环温升的内部充注有一定压力的气液混合介质的空心波纹管，并用压力管(如毛细管)将由于静环温升引起的波纹管内介质的压力变化，直接送入调节阀，用以控制调节阀的开度，调节(冷却)流体的流量，省去了温度传感器、密封端面液膜测厚传感器及其安装过程，改善了控制装置的可操作性和控制过程的稳定性。

本发明的有源型自适应控制机械密封装置的控制源为动、静环摩擦生成热以及冷却流体(工作介质)冲洗引起的波纹管内的介质压力变化，降低了能量消耗；冲洗用冷却流体来自被密封设备的高压输出端，冲洗后的流体流回到低压吸入端，依靠被密封设备输出、输入端的压差，实现冲洗冷却流体的流动，没有外加循环输送设备，简化了控制系统。

本发明采用将密封腔中介质引入被密封设备的吸入口，一定程度上降低了设备的工作效率，但由于密封腔中介质的引出，使得其中的压力有所降低，减小了密封两侧的压差，增加了被密封设备的密封可靠性。

众所周知，对于机械密封而言，无论是普通机械密封，还是有源型自适应控制机械密封，都作用着闭合力(使动静环贴合的静环座反力F_t(作用在静环上)，弹簧力p_spA_a和介质压力在轴向方向上的合力βp_sA_a(作用在动环上))和开启力(促使动、静环分离的密封端面间的液膜反力λp_sA_a和微凸体支反力p_cA_a在轴向方向上的合力)。如图2所示。图2中，a为高黏度介质的膜压系数曲线；b中等黏度介质的膜压系数曲线；c低黏度介质的膜压系数曲线。

稳定工作状态下的机械密封，开启力等于闭合力，即

F_t＝p_cA_a+λp_sA_a＝p_spA_a+βp_sA_a    (1)

式中p_c为微凸体接触形成的端面比压，导致密封端面轴向开启；p_sp为弹簧比压，弹簧力形成的轴向载荷使得密封面贴合；β为平衡系数，λ为密封端面膜压系数，p_s为介质压力；βp_s为介质压力引起的轴向闭合比压；λp_s为膜压引起的轴向开启比压；A_a为密封面名义面积，m²。

由(1)式可知，对于工作在一定介质压力下、结构一定(β一定)的机械密封，当其安装就位即弹簧力确定后，闭合力及开启力便均随之确定。在一定的开启力下，液膜压力的增大将导致端面比压减小，而液膜压力减小将促使端面比压增大，即液膜压力与端面比压的和在一定的介质压力和弹簧力下是恒定的。液膜压力与端面比压相互转化的过程中，端面摩擦扭矩是不断变化的。当端面比压占开启力的主要成分时，摩擦扭矩大，磨损严重，泄漏量小；液膜压力占开启力的主要成分时，摩擦扭矩小，磨损轻微，泄漏量大。处于严重磨损状况下工作的机械密封，很容易失效。

由于密封端面存在粗糙度、波度，使得端面接触只是微凸体之间的接触，微凸体接触点的周围便是空穴。因而，端面摩擦扭矩实际上由微凸体之间的摩擦及空穴中液膜层之间的摩擦所形成，可用下式描述：

式中M_c，M_f分别为微凸体接触、以及液膜之间的摩擦扭矩，N·m；r₁、r₂为密封面的内、外半径，m；η为动力粘度，Pa·s；V为动、静环相对滑动速度，m/s；f_c为接触摩擦系数，无因次量；由(2)式可以看出，摩擦扭矩与端面比压、密封面间介质的黏度、端面间隙有关。

端面摩擦扭矩作用的结果使得摩擦副及其间隙中的介质温度升高。Mayer在仅考虑密封环端面摩擦热沿轴向导出的情况下，给出了动、静环端面密封间隙中介质平均温度与被密封介质温度的差

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2\mathrm{MVb}}{(r_1+r_2)A_a{C}_w({\mathrm{\λ}}_r+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{st}})}=\frac{{\mathrm{fp}}_g\mathrm{Vb}}{C_w({\mathrm{\λ}}_r+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{st}})}---\left(3\right)$

式中Δθ为密封端面间隙中介质平均温度与被密封介质温度的差，K；b为密封面宽度，m；λ_r、λ_st分别为动、静环材料的导热系数，W/(m·K)；C_w为散热系数，根据冷却液体和工作条件不同，一股取0.2～0.9；A_a为密封面名义面积，m²；p_g端面比载荷，Pa；f为密封端面间摩擦系数

f＝F/F_g＝f_c+f_f         (4)

式中F为密封面总摩擦力，包括流体粘性剪切摩擦力F_f和微凸体接触摩擦力F_c，N；F_g为密封端面上法向总载荷，N；f_c为接触摩擦系数，无因次量；f_f为液体摩擦系数，无因次量。

流体粘性剪切摩擦力

式中h为密封端面间液膜厚度，m。

微凸体接触摩擦力F_c＝W_cf_c＝(W-λp_sA_a)f_c＝(F_g-λp_sA_a)f_c       (6)

密封端面间的介质的粘度受端面温度升高的影响。在临界温度下，液体介质的粘度可用下式计算

$\mathrm{\η}=\mathrm{\ξ}{e}^{\frac{E}{\mathrm{k\θ}}}---\left(7\right)$

式中ξ为实验常数，在不同温度下实验求得，Pa·s；k为波耳茨曼常数，8.314×10^-3J/mol·K；θ为端面间介质的绝对温度，K；E为粘流活化能，J/mol。

机械密封性能主要包括泄漏率和端面摩擦特性。由雷诺方程可求得密封端面间的泄漏率

$q=\frac{\mathrm{\π}}{6}\frac{h^3(p_2-p_1)}{\ln (r_2/r_1)}---\left(8\right)$

式中q为泄漏率，m³/s；h为动、静环之间的间隙，m；p₁、p₂为密封面两侧的介质压力，MPa。

由端面摩擦过程中的相似准则可知，表征端面摩擦特性软质密封环的磨损速率与端面比载荷相关

$V_F=\frac{K_v{p}_{g}V}{H}---\left(9\right)$

式中V_F为磨损速率，m/s；K_v为材料磨损系数，无因次量；V为滑动速度，m/s。

从以上分析可以看出，摩擦扭矩使得密封端面温度升高，导致液膜黏度降低；液膜黏度的降低，使得膜压系数减小，微凸体接触摩擦力增大，从而引起更大的摩擦扭矩，形成更高的端面温度，导致端面摩擦磨损加剧，破坏密封面，造成泄漏率超标。通过调整端面比载荷，或者采用冲洗降低密封面温度避免其中的介质黏度大幅减小，可以实现机械密封在低泄漏工况下长寿命稳定运行。

调节阀又名控制阀，一股由执行机构和阀门组成。如果按其所配执行机构使用的动力，调节阀可以分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀三种，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质(如油等)压力为动力的液动调节阀。调节阀通过接受控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。

对于上述的机械密封装置，所述调节阀包括阀体、设置在阀体内的感应薄膜，感应薄膜的一侧是气箱，感应薄膜的另一侧连接着传动杆，传动杆的另一端连接阀针；阀针的密封面与阀座相对应；气箱即是执行机构。该调节阀即为现有的液动调节阀，其结构简单，动作可靠。

对于上述的机械密封装置，空心波纹管一端固定在被密封设备上，静环沿轴向可滑动地设置在被密封设备上。空心波纹管具有一定的轴向伸缩能力，这样的结构可以推动静环沿轴向移动，使得静环与动环保持接触。空心波纹管作为补偿元件，可以代替动环之后的补偿元件(弹性元件)，减少了旋转部件的质量和动不平衡对密封效果的影响；简化了有源型自适应控制机械密封装置的结构。

对于上述的机械密封装置，在轴上设置动环座，动环设置在动环座上，在动环与动环座之间设置有在常态时使得动环与静环接触的弹性元件。

对于上述的机械密封装置，在空心波纹管上设置有用于向空心波纹管内注入气液混合介质的介质充注接管。由于空心波纹管设计有介质充注接管(充液接口)，波纹管内充注气液混合介质的压力可以根据密封工作状况来确定，因而可保证不同工况条件下机械密封可控性对波纹管内充注气液混合介质的压力的要求，扩大了有源型自适应控制机械密封装置的应用范围。

本发明同时提供了一种有源型自适应控制机械密封装置的控制方法，所述机械密封装置包括形成摩擦副的静环、动环，动环设置在轴上，静环设置在被密封设备上；在静环上安装的能够感受静环温度的、内部充注有气液混合介质的空心波纹管；所述控制方法是：在被密封设备的高压输出端与密封腔之间设置冷却流体输入管路，在密封腔与被密封设备的低压吸入端之间设置冷却流体输出管路；冷却流体输出管路上串联可以调节流体流量的调节阀；以空心波纹管传送来的气液混合介质的压力控制调节阀的开度；来自被密封设备的高压输出端的流体经冷却流体输入管路对密封腔内的空心波纹管和/或摩擦副进行冲洗冷却，然后经调节阀流回到被密封设备的低压吸入端。

附图说明

图1是安装于被密封设备的普通机械密封的剖视图。

图2是机械密封受力分析图。

图3是安装于被密封设备的本发明实施例1的机械密封装置的剖视图。

图4是调节阀结构示意图。

图5是安装于被密封设备的本发明实施例2的机械密封装置的剖视图。

具体实施方式

实施例1

图3表示本发明实施例1的有源型自适应控制机械密封装置，它包括一套普通机械密封(静环，动环、弹簧及动环座)和一套有源型控制系统。动环12、补偿弹簧14及动环座16组成的动环组件。安装时，将套装在轴1或轴套23上的带有空心波纹管9的静环11(本实施例中，静环套装在轴套上)，动环组件，置于端面压盖6和被密封设备的流体做功元件20之间。在轴1上套装有轴套23，轴套与轴之间采用键32连接，限制轴套的周向自由度。用周向均布在动环座16上的3只内六角螺栓将动环座16紧固于轴套23上。动环座上设置动环12。在轴套右端的内孔中及轴之间放置O形圈22，并用外带螺纹内带轴孔的压盖21旋入轴套右端的内孔，压紧O形圈22，实现轴套和轴之间的密封。轴套的轴向自由度由轴肩和通过螺纹连接在轴上的流体做功元件20限制。端面压盖6通过螺栓固定在被密封设备的壳体17上。端面压盖6与壳体17之间设置有O形圈25。

空心波纹管9两端分别与封闭板2、金属静环11的左端面焊接。封闭板2与固定在端面压盖6上的静环座5之间设置O形密封圈4。封闭板2上连接有与空心波纹管内部相通的毛细管27和介质充注接管3。静环11的外周上连接有防转销10，防转销10在平行于轴的轴线方向上与端面压盖的成滑动连接。

轴1或轴套23穿过静环，静环11与动环12通过端面紧密接触形成在摩擦副。在动环与动环座之间设置有在常态时使得动环与静环紧密接触的补偿弹簧(弹性元件)14。动环座支撑补偿弹簧14、并保证动环随同轴一同运转。在轴套左端与动环之间放置O形密封圈13。

通过被密封设备壳体、端面压盖、静环座、封闭板、空心波纹管、静环、动环、轴套、轴围成一个密封腔28。密封腔内具有工作介质。当流体做功元件20在轴的带动下转动，通过低压吸入端18吸入工作介质，流体做功元件对工作介质做功，使得工作介质压力升高，经高压输出端15排出。

在端面压盖上开设有沿着空心波纹管的径向方向延伸的冷却流体流入通道7、冷却流体流出通道26，且冷却流体流入通道的出口29、冷却流体流出通道的进口30靠近空心波纹管的外周面。高压冷却流体管路8把被密封设备的高压输出端15与冷却流体流入通道7相连通，低压冷却流体管19把冷却流体流出通道26与被密封设备的低压吸入端18相连通，它们(高压冷却流体管路8、冷却流体流入通道7、冷却流体流出通道26、低压冷却流体管19)构成了把被密封设备的高压输出端的流体引出、对密封腔内空心波纹管进行冲洗冷却、冲洗冷却后流入到被密封设备的低压吸入端的流体输送管路。其中高压冷却流体管路8和冷却流体流入通道7组成了冷却流体输入管路；冷却流体流出通道26和低压冷却流体管19组成了冷却流体输出管路。

静环座5内孔处的2个径向C形开口，分别对准空心波纹管端面上的通往调节阀24的毛细管27和介质充注接管3。使用时，在介质充注接管连接一带压力指示器的截止阀，截止阀的另一接口连接真空泵或气液混合介质源。通过介质充注接管可以将气液混合介质充注到空心波纹管内。充注介质前，先将空心波纹管抽真空，再进行介质充注操作；当波纹管内充注压力达到设定压力时，关闭截止阀，用封口钳夹紧介质充注接管后，用气焊方法封口。

调节阀24主要由阀体4-4、气箱盖4-6、感应薄膜4-7、传动杆4-8、阀针4-2、阀座4-3、阀杆4-10、调节弹簧4-12、弹簧压盖4-13、帽盖4-14、入口接管4-9、出口接管4-1等部件组成，如图4所示。感应薄膜4-7与气箱盖4-6之间形成了气箱，气箱内有感应薄膜，感应薄膜的另一侧连接着传动杆4-8，传动杆的另一端连接阀针4-2；阀针的密封面与阀座相对应。阀针另一端与阀杆4-10相连，阀杆上穿套有调节弹簧4-12，弹簧两端分别作用于阀针密封面的背面和调节压盖4-13上。弹簧压盖4-13穿套在阀杆上，与阀体采用螺纹连接。旋转弹簧压盖可以改变调节弹簧4-12的弹力。阀杆顶端装有帽盖。气箱盖4-6上开有气箱接口4-5，与毛细管27相通。

调节阀串联于低压冷却流体管19上。调节阀的入口接管与冷却流体流出通道26相连，调节阀的出口接管与被密封设备的低压吸入端18相连。空心波纹管作为感温元件安装在静环后面，空心波纹管通过毛细管27与调节阀的气箱接口4-5相连接，以传递静环端面因摩擦产生的过热温度信号。毛细管将空心波纹管内气液混合介质压力传递给调节阀的气箱。

该机械密封装置工作时，跟随轴一起运转的动环，在密封面上与静环发生摩擦，产生的摩擦热通过静环和周围介质传递给空心波纹管，加热空心波纹管内气液混合介质，造成气液混合介质中气相组分增大，压力升高，这一压力通过空心波纹管端部的毛细管传递给调节阀中薄膜的上部。感温元件(空心波纹管)感受到的静环端面温度相对应的饱和压力p_f，它作用在波纹膜片(感应薄膜)上，使波纹膜片产生一个向下的推力，而在波纹膜片下面受到泵送介质压力p₀和调节弹簧压力p_n的作用。当静环端面温度处在某一工况下，调节阀处于某一开度时，p_f、p₀和p_n处于平衡状态，即p_f＝p₀+p_n。如果静环端面温度升高，则波纹管内气液混合介质感应温度上升，内液相介质气化以及气相压力提高，相应的感应压力p_f也增大，这时p_f＞p₀+p_n，波纹膜片向下移动，推动传动杆轴向向下移动使调节阀的阀孔开度增大，密封腔内的工作介质在介质压差的作用下，经调节阀流向低压吸入端(工作介质输送设备的入口)18。此时，密封腔压力下降，高压输出端(泵出口)15的高压工作介质在压差的作用下经过高压冷却流体管路8、冷却流体流入通道7流向密封腔，冷却波纹管或冲洗静环，静环端面温度在较小的端面比载荷或冲洗条件下相应地降下来。当端面摩擦产生的热量传递给波纹管内气液混合介质的那部分，与调节阀因波纹管内气液混合介质温升提高压力而增大阀孔开度流入的冷却工作介质从波纹管内介质带走的热量相等时，波纹管内气液混合介质温度和压力均处于相对平衡状态，调节阀开度不变，端面比载荷不变；泄漏率和端面材料磨损率保持相对稳定。相反，如果静环端面温度降低，则波纹管内气液混合介质感应温度下降，相应的感应压力p_f也减小，这时，p_f＜p₀+p_n，波纹膜片上移，传动杆也上移，调节阀的阀孔开度减小，冷却工作介质流量减小，静环端面温度相应地升高。

实施例2

图5表示本发明实施例2的有源型自适应控制机械密封装置，除下述与实施例1的不同外，其它与实施例1相同，不再赘述。实施例2与实施例1相比，实施例2中的被密封设备壳体上还开设了密封面冲洗流入通道31。密封面冲洗流入通道31沿着动环的径向延伸，且其轴线对准动环与静环的密封面(摩擦副)上。密封面冲洗流体流入通道31、冷却流体流入通道7并联接在高压冷却流体管路8上。另外，实施例2与实施例1相比，实施例2中没有实施例1中的补偿弹簧(弹性元件)14。

对于实施例2来说，也可将冷却流体流入通道7去除，只保留密封面冲洗流体流入通道31。也就是说，对于本发明，流向密封腔的工作介质流入通道(冷却流体流入通道7和密封面冲洗流入通道31)可按三种方案布置，①对准空心波纹管；②对准摩擦副；③同时对准空心波纹管和摩擦副。

若采用本发明的有源型自适应控制机械密封装置，在普通机械密封静环后安装能够感受静环温升的内部充注有一定压力的气液混合介质的空心波纹管，并用毛细管将由于静环温升引起的波纹管内气液混合介质的压力变化，直接送入调节阀，用以控制调节阀的开度，调节冷却流体的流量，省去了温度传感器、密封端面液膜测厚传感器及其安装过程，改善了控制装置的可操作性和控制过程的稳定性。

由于空心波纹管设计有介质充注接管(充液接口)3，波纹管内充注气液混合介质的压力可以根据密封工作状况来确定，因而可保证不同工况条件下机械密封可控性对波纹管内充注气液混合介质的压力的要求，扩大了有源型自适应控制机械密封装置的应用范围。

本发明的实施例1的有源型自适应控制机械密封装置的控制源为动、静环摩擦生成热以及冷却流体(工作介质)冲洗引起的波纹管内的气液混合介质压力变化，降低了能量消耗；冲洗用冷却流体来自被密封设备的高压输出端，冲洗后的流体流回到低压吸入端，依靠被密封设备输出、输入端的压差，实现冲洗冷却流体的流动，没有外加循环输送设备，简化了控制系统。

本发明采用将密封腔中工作介质引入被密封设备的吸入口(低压吸入端)，一定程度上降低了设备的工作效率，但由于密封腔中工作介质的引出，使得其中的压力有所降低，减小了密封两侧的压差，增加了被密封设备的密封可靠性。

实施例2的有源型自适应控制机械密封装置中，被密封的设备主体的高压输出端与正对着空心波纹管的冷却流体流入通道7相连，或与正对动静环摩擦面的密封面冲洗流入通道31相连，或同时与这两个工作介质流入通道相连。

若采用本发明的实施例2的有源型自适应控制机械密封装置，用内部充注气液混合介质的空心波纹管放在静环之后作为补偿元件，代替实施例1中的动环之后的补偿元件(补偿弹簧14)，减少了旋转部件的质量和动不平衡对密封效果的影响；简化了有源型自适应控制机械密封装置结构。其他效果如同实施例1的有源型自适应控制机械密封装置。

Claims (6)

1.有源型自适应控制机械密封装置的控制方法，所述机械密封装置包括形成摩擦副的静环和动环，动环设置在轴上，静环设置在被密封设备上；其特征是：所述机械密封装置还包括在静环上安装的能够感受静环温度的、内部充注有气液混合介质的空心波纹管；所述控制方法是：在被密封设备的高压输出端与密封腔之间设置冷却流体输入管路，在密封腔与被密封设备的低压吸入端之间设置冷却流体输出管路；冷却流体输出管路上串联可以调节流体流量的调节阀；以空心波纹管传送来的气液混合介质的压力控制调节阀的开度；来自被密封设备的高压输出端的流体经冷却流体输入管路对密封腔内的空心波纹管和/或摩擦副进行冲洗冷却，然后经调节阀流回到被密封设备的低压吸入端。

2.有源型自适应控制机械密封装置，包括套装在轴上的、形成摩擦副的静环和动环，动环设置在轴上，静环设置在被密封设备上；其特征是：在静环上安装能够感受静环温度的、内部充注有气液混合介质的空心波纹管；所述机械密封装置还包括用于把被密封设备的高压输出端的流体引出、对密封腔内的空心波纹管和/或摩擦副进行冲洗冷却随后送入到被密封设备的低压吸入端的流体输送管路；在密封腔与低压吸入端之间的流体输送管路上串联可以调节流体流量的调节阀；气液混合介质通过压力管通入调节阀的执行机构。

3.如权利要求2所述的机械密封装置，其特征是：所述调节阀包括阀体、设置在阀体内的感应薄膜，感应薄膜的一侧是气箱，感应薄膜的另一侧连接着传动杆，传动杆的另一端连接阀针；阀针的密封面与阀座相对应；气箱即是执行机构。

4.如权利要求2或3所述的机械密封装置，其特征是：空心波纹管一端固定在被密封设备上，静环沿轴向可滑动地设置在被密封设备上。

5.如权利要求2或3所述的机械密封装置，其特征是：在轴上设置动环座，动环设置在动环座上，在动环与动环座之间设置有在常态时使得动环与静环接触的弹性元件。

6.如权利要求2或3所述的机械密封装置，其特征是：在空心波纹管上设置有用于向空心波纹管内注入气液混合介质的介质充注接管。

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