CN101776152A - 外加压式动静压气体润滑密封装置 - Google Patents

Abstract

一种外加压式动静压气体润滑密封装置，包括固定于动环座(1)上并随转轴旋转的动环(5)，固定于密封腔体(2)和密封端盖(12)上的密封静环(11)；在密封静环(11)内开有从外界引入外加压气体的通道(9)，通道(9)以一定数量沿周向均匀分布在密封静环(11)内；通道(9)中设置有节流装置(8)，在通道(9)的出口设置有一定深度的均压槽(7)；动环(5)或密封静环(11)的端面上形成动压效应的多种动压槽(6)，均压槽(7)的内侧和外侧均设有与其不连通的密封坝；通过调节外加压气体的压力实现在线监控。加压式动静压气体润滑密封大大降低了阻力矩，减小功耗，改进了传统的端面密封磨损严重的现象。

Description

外加压式动静压气体润滑密封装置

技术领域

本发明涉及到一种外加压式动静压气体润滑密封装置，适用于搅拌釜、压缩机、离心泵等旋转式流体机械的密封气体(或液体)的轴端密封，可应用于化工、食品、医药、航天、航空等行业。适用的转速范围很大，不仅可用于高达每分钟几万转的情况，也适用于转速很小或接近静止的情况，可用于双向运转。其适用的压力范围较大，也适用于压力波动的场合。适用于高低温各种工况。

背景技术

长期以来，密封装置被认为是旋转流体机械最大的难点，是其发生故障的主要原因。这就引起了对旋转密封装置的广泛研究，进而出现了各种各样的密封形式，其重要的一种密封型式是微槽面气体动压密封即干气密封，并得到了广泛的应用。干气密封具有较多的优点：运行稳定、可靠、易操作，辅助系统少，大大降低了操作人员维护的工作量；密封消耗的只是气体，既节能又环保，泄漏量少、磨损小、能耗低，被密封的流体不受油污染。干气密封是一种径向流体动压式机械密封，是非接触式机械密封中一种新发展起来的密封装置。它是在机械密封的动环或静环的密封端面上开有微槽，当动环高速旋转时，被密封气体在微槽和围堰的作用下在动静环之间形成几微米的气膜。该气膜具有一定刚度，将动静环推开，使两密封端面不接触，也阻止密封气体的外漏。气体润滑密封的一大特点就是需要动环高速旋转才能产生所需要的开启力，这一特点一直制约着气体润滑密封的广泛使用。在一些生产过程中，特别是食品、医药行业，流体机械的工况总是在不停地变化，变工况对密封的影响是很大的。当干气密封装置在非设计工况下工作时，会引起密封状态的变化，使得普通干气密封从全气体润滑密封过渡为边界润滑密封，甚至无润滑介质密封状态，而且旋转流体机械开停机阶段，转速也比较低，密封动静环之间形成的动压力也很低，动、静环往往是接触摩擦状态，所以采用干气密封的旋转机械，不能低速下长期运转。

静压密封仅利用密封的静压效应来形成液膜或气膜，主要有自加压静压密封和外加压静压密封。自加压静压密封主要用于流体自身的压力，外加压静压密封需要外部液压源或气压源。静压密封仅利用流体的静压力而未利用旋转的动压力，其在泄漏量的控制和密封的稳定性上还有些问题需要解决。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种外加压式动静压气体润滑密封装置，以更好地解决单一的静压或动压密封存在的问题，实现流体动静压密封优势的互补。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种外加压式动静压气体润滑密封装置，包括固定于动环座上并随转轴旋转的动环，固定于密封腔体和密封端盖的密封静环；在密封静环内开有从外界引入外加压气体的通道，通道以一定数量均匀分布在密封静环内；通道中设置有节流装置，在通道的出口设置有一定深度的均压槽；动环或密封静环的端面上形成动压效应的多种动压槽，均压槽的内侧和外侧均设有与其不连通的密封坝；通过调节外加压气体的压力实现在线监控。

前述的外加压气体的压力高于被密封介质的压力0.15～0.45MPa。

前述的密封静环如不能轴向补偿，通过密封腔体与密封静环外径和两个O形密封圈形成的环形空间将外加气体引入到密封端面间；如密封静环具有轴向补偿能力时，通过柔性管道或螺旋环管将外加压气体引入到密封端面间。

前述的密封静环内开有一定数量沿周向均布的通道，通道中设置的节流装置为节流孔。

在密封静环端面外加压气体出口处开有一定宽度和深度的环形均压槽。

前述的动环或密封静环密封端面上开有动压槽，动压槽以一定数量沿周向均匀分布在密封环端面上。

前述的动压槽形状可以是螺旋槽、圆弧槽、燕尾槽、T型槽。

前述的动压槽的位置如下：在密封静环或动环的最外侧和最内侧同时布置或仅在最外侧或最内侧布置；与环形均压槽内侧和外侧同时布置或单侧布置，并与环形均压槽连通。

前述的环形均压槽内侧或外侧都有与外径或内径不相通的密封坝。

前述的在线监控，可采用信号控制，也可采用比例控制阀根据密封介质压力控制。

本发明一种外加压式动静压气体润滑密封装置，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

外加压式动静压气体混合润滑密封是一种同时利用气体静压和动压效应的非接触密封，以其特有的高低速度适应性、可双向旋转以及在线可调控能力，克服了单纯的静压气体润滑或动压气体润滑密封的一些不足。本发明的外加压式动静压气体润滑密封，包括常用的旋转端面密封的动环和静环，采取在动静环上设置引入外加压气体的带有节流装置的通道，通过出口设置均压槽，及在密封环端面加工微槽的方式实现动静压的结合，提高密封能力，减小摩擦磨损，扩大密封使用范围。

通常情况下，密封环外侧的流体是高压区，内侧为低压区，在压力的作用下在密封动静环密封端面间形成一层气膜，以减小密封动静环之间的摩擦和磨损，该气膜对于旋转密封的密封能力是有很大影响的。前人通过很多例如改进结构、开槽等方式来改善该气膜以提高密封能力。本发明在两个相对旋转的动静密封环端面间引入高于被密封气体的外加压气体，如空气或氮气。为了达到减小泄漏控制气体流量的目的，外加压气体经过节流装置，如小孔节流，进入到密封的动静环端面间的均压槽内。均压槽为几十到几百微米左右的环向槽，其作用在于使小孔后的压力在密封端面间均匀分布，同时均压槽也起到节流，减小泄漏的作用。经小孔节流后，外加压气体的压力下降，通过均压槽向密封介质侧和大气侧流动。同时密封端面的均压槽两侧上设置微米级动压槽，动压槽起到改变端面开启力和密封泄漏特性。这样在密封动、静环两端面就依靠流体静压和动压效应形成了一层微米级的气膜，将密封动静环隔开，形成非接触密封。密封的开启力由这层气膜提供，闭合力由弹簧力和被密封介质压力提供。外加压式动静压气体润滑密封大大降低了阻力矩，减小功耗，改进了传统的端面密封磨损严重的现象。

外加压式动静压气体润滑密封，需要把外加压气体引入到密封端面之间，外加压气体的压力高于被密封介质的压力0.15～0.45MPa。若被密封介质压力不波动，则可采用固定外加压力源的方法；若被密封介质压力波动或经常变化，可以根据被密封介质压力手动调节外加压气体的压力或采用比例调节阀根据被密封介质压力自动设定外加压气体的压力。

附图说明

图1是补偿机构旋转的外加压式动静压气体润滑密封中动环和静环端面示意图；

图2是补偿机构静止的外加压式动静压气体润滑密封中动环和静环端面的示意图；

图3是密封环端面双吸入式结构示意图；

图4是密封环端面双泵出式结构示意图；

图5是密封环端面外侧吸入式结构示意图；

图6是密封环端面外侧泵出式结构示意图；

图7是密封环端面内侧吸入式结构示意图；

图8是密封环端面内侧泵出式结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施的具体实施方式，对本发明内容再做进一步的详细说明。

请参阅图1、图2所示，将外加压气体引入到密封端面间的方式可为图1所示，密封静环不能轴向补偿，静止不动的情况下通过密封腔体2与密封静环11外径和两个O形密封圈10形成的环形空间引入到密封端面间。当静环具有轴向补偿能力时，即弹簧3静止不旋转，可通过柔性管道15或螺旋环管引入到密封端面间，如图2所示。

在静环中引入外加压气体的流体通道上设置节流装置，如小孔节流。节流孔数对泄漏量的影响较大，但对开启力的影响较小。这是因为均压槽的存在，使压力分布较均匀，节流孔数量变化时，压力分布变化不明显，所以节流孔数对开启力的影响较小；但更多的节流孔提供更多的气体流入密封端面间地通道，所以泄漏量增加较多。因此，为了控制加工成本，静压气体密封可以采用较少地节流孔，达到所需要的开启力，保持较小地泄漏量并具有较大地刚度，节流孔数量一般4～12个为佳。

同时，本发明密封装置在密封静环外加压气体引入通道出口设置均压槽。均压槽的主要作用是沿周向均匀地分布通道出口的压力，并起到二次节流的作用。无均压槽的静压气体密封泄漏量比有均压槽的泄漏量要大，膜厚增加时，两种结构泄漏量的差值更大，说明均压槽具有再次节流的作用，可以有效地降低泄漏量，这对静压气体密封是相当有利的。

在动环5或是密封静环11密封端面上开有微米级动压槽6，动压槽形状可以是螺旋槽、圆弧槽、燕尾槽、T型槽等不同的槽形。动压槽的主要作用是利用旋转轴的旋转动能来产生动压效应。通过设置不同的动压槽形式，密封可以达到不同的效果，以控制泄漏，增加密封稳定性，如图3为双吸入式，可减少外加压气体的泄漏量；图4为双泵出式，可增加外加压的泄漏量，方便测量和控制，同时增加密封的开启力；图5为外侧吸入式，可减少外加压气体向被密封介质的泄漏量；图6为外侧泵出式，可增加外加压气体向被密封介质的泄漏量，减少被密封介质向外侧泄漏的可能性，同时开启力有增加；图7为内侧吸入式，可减少空气侧的总泄漏量；图8为内侧泵出式，可增加向大气侧的泄漏量，同时开启力有增加；

密封端面上均压槽内侧或外侧都有与内径和外径不相通的密封坝。这样可保证密封工作时泄漏量小，密封坝起到节流的作用；同时密封静止状态下，若外加压气体压力为零时，保证被密封介质不泄漏到大气中。

通过在线监测密封状态，调节外加压气体的压力以达到更好的动静压润滑密封效果。在线可调控。可采用信号控制，也可采用比例控制阀根据密封介质压力控制如图1所示为补偿机械旋转的外加压动静压压气体混合润滑密封装置的结构，包括采用两个O形密封圈10固连于腔体2和密封压盖12的密封静环11，和经O形密封圈4与旋转轴或轴套等旋转体单元1连接而随之转动的动环5，轴套与轴之间采用O形密封圈13密封，并用顶丝14传动，弹簧3安装于轴套1和密封动环5之间，用于产生部分闭合力。在静环11的径向内外两侧密封面上，设置有不同形式的流体动压槽6；在静环11中间部分的密封面上，设置有流体均压槽7和节流孔8。

图2所示的是补偿机构静止的外加压动静压气体混合润滑密封装置的结构，包括有经柔性接管15和O形密封圈4固连于密封压盖12和密封腔体2的静环11和，经O形密封圈10与旋转轴套1连接而能随之转动的动环5。轴套与旋转轴之间采用O形密封圈13密封，采用顶丝14传动。静环11后侧安装有弹簧3，与密封压盖之间采用O形密封圈4密封。在静环11的径向内外两侧密封面上，设置有不同形式的流体动压槽6，在静环11中间部分的密封面上，设置有流体均压槽7和节流孔8，内部设置引入外加压气体的通道9。

图3～图8所示的是多种密封端面的结构形式，分别为图3为双吸入式、图4为双泵出式、图5为外侧吸入式、图6为外侧泵出式、图7为内侧吸入式、图8为内侧泵出式等。均压槽7的位置设置在密封端面中间附近，宽度为1～4mm可根据密封面宽度进行选择，深度为5μm～800μm选择，太浅加工困难，太深对密封的高速动态性影响较坏。静环上的节流孔8数量一般为4～12个，节流孔直径一般在0.1～0.6mm范围内选择，长度为1～5mm左右，位置在密封端面的中间附近。动压槽6的个数为8～20个左右，布置的方式除了图3～图8所给出的方式外，为了不同的目的还可以由图4～图7组合而成，动压槽深度为3～9μm左右。动压槽6不应直接连通均压槽7和密封环的内径或外径，之间应有不连通的密封坝16。在正常工作状态下，动、静环端面间要保持合适的液膜厚度2～10μm。

Claims (10)

1.一种外加压式动静压气体润滑密封装置，包括固定于动环座(1)上并随转轴旋转的动环(5)，固定于密封腔体(2)和密封端盖(12)上的密封静环(11)；其特征在于：在所述的密封静环(11)内开有从外界引入外加压气体的通道(9)，所述的通道(9)以一定数量沿周向均匀分布在密封静环(11)内；所述的通道(9)中设置有节流装置(8)，在通道(9)的出口设置有一定深度的均压槽(7)；

所述的动环(5)或密封静环(11)的端面上形成动压效应的多种动压槽(6)，均压槽(7)的内侧和外侧均设有与其不连通的密封坝；

通过调节外加压气体的压力实现在线监控。

2.根据权利要求1所述的外加压式动静压气体润滑密封装置，其特征在于：所述的外加压气体的压力高于被密封介质的压力0.15～0.45MPa。

3.根据权利要求1或2所述的外加压式动静压气体润滑密封装置，其特征在于：所述的密封静环(11)如不能轴向补偿，通过密封腔体(2)与密封静环(11)外径和两个O形密封圈(10)形成的环形空间将外加气体引入到密封端面间；如密封静环(11)具有轴向补偿能力时，通过柔性管道(15)或螺旋环管将外加压气体引入到密封端面间。

4.根据权利要求1所述的外加压式动静压气体润滑密封装置，其特征在于：在所述密封静环(11)内开有一定数量的通道(9)，通道中设置节流孔(8)。

5.根据权利要求1所述的外加压式动静压气体润滑密封装置，其特征在于：在密封静环(11)端面外加压气体出口处开有一定宽度和深度的环形均压槽(7)。

6.根据权利要求1所述的外加压式动静压气体润滑密封装置，其特征在于：在所述动环(5)或密封静环(11)密封端面上开有动压槽(6)，动压槽以一定数量沿周向均匀分布在密封环端面上。

7.根据权利要求1或6所述的外加压式动静压气体润滑密封装置，其特征在于：所述的动压槽形状可以是螺旋槽、圆弧槽、燕尾槽、T型槽。

8.根据权利要求1或6所述的外加压式动静压气体润滑密封装置，其特征在于：所述的动压槽(6)的位置如下：在密封静环(11)或动环(5)的最外侧和最内侧同时布置或仅在最外侧或最内侧布置；与环形均压槽(7)内侧和外侧同时布置或单侧布置，并与环形均压槽(7)连通。

9.根据权利要求1或6所述的外加压式动静压气体润滑密封装置，其特征在于：所述的环形均压槽(7)内侧或外侧都有与外径或内径不相通的密封坝。

10.根据权利要求1或2所述的外加压式动静压气体润滑密封装置，其特征在于：所述的在线监控，可采用信号控制，也可采用比例控制阀根据密封介质压力控制。

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