CN102174963A

CN102174963A - 球面机械密封装置

Info

Publication number: CN102174963A
Application number: CN2011100457899A
Authority: CN
Inventors: 王和顺; 董霖; 朱维兵; 王强
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2011-09-07

Abstract

本发明涉及一种球面机械密封装置，其特征是：机械密封静止环(1)上有球面a，旋转环(2)上有球面b，球面a和球面b配对形成密封面，该密封面可以是球面a和球面b直接接触，也可以是球面a和球面b以一微小间隙分离。其优点是：与传统机械密封相比，球面机械密封装置具有更好的抗变形能力，特别是抗轴剖面扭转变形和机组主轴弯曲变形的能力。本发明适用于各种旋转机械的轴端密封。

Description

球面机械密封装置

技术领域

本发明属于旋转机器的轴端密封，特别涉及一种球面机械密封装置，此球面机械密封装置可用于各种型式的压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜等旋转类机器的轴端密封。

背景技术

机械密封广泛应用于众多的旋转机械轴端，因其工作状况的复杂性，对机械密封的深入研究将是一个长期、艰巨而又必须不断推进的过程，特别是密封配对表面形状及其性能的研究，一直是密封技术研究的重点和难点问题。旋转机械轴端动密封的研究和发展主要经历了两个过程：

1.径向密封

早期的旋转机械主轴密封，采用迷宫密封，迷宫密封泄漏量较大，且只能适应压力较低的场合，通常需要复杂的辅助系统来处理大量的密封泄漏气。第二代旋转机械主轴密封是油膜润滑的浮环密封。在典型的浮环密封中，有两组密封面，压力较被密封介质压力稍高的油液被注入到密封系统中，阻止被密封介质的泄漏，同时冷却密封元件。直至今日，仍有少量浮环密封在旋转机组上运行。浮环密封存在阻封流体消耗量大，封油系统复杂，投资多，占地面积大，运行维护费用高等缺点。

迷宫密封和浮环密封都属于径向密封，是对主轴和静止密封面间的径向空间进行密封。因为要保证足够的间隙，以防止主轴和静止密封面间发生接触，从而限制了此类密封所能达到的技术水平和使用寿命。

2.端面密封

1950年，研究人员开发出了接触式机械密封，并应用于致冷行业，防止昂贵的冷却液沿轴向泄漏。该接触式机械密封属于端面密封，跟径向密封不同，其实际密封面是垂直于旋转机械主轴的两表面(平面)，这样的结构允许动、静密封件在工件过程中直接接触，从而大幅度提高密封性能。

早期的机械密封为接触式机械密封，以湿式密封为主，随后，在接触式机械密封的基础上，技术人员研究开发出了非接触式机械密封，特别是干运转式气体端面密封(干气密封)，在以压缩机为代表的旋转机械轴端密封中取得了非常成功的应用。

目前的机械密封属于端面密封，其实际密封面是垂直于旋转机械主轴的两表面(平面)，其特点是：

1)对密封面的磨损不敏感。接触式密封表面磨损后，浮动环在闭合力的作用下会对磨损量自动补偿，而非接触式密封基本无表面磨损。

2)对轴向窜动具有良好的追随性。

以上两点归纳起来，其实都展示了端面密封沿旋转轴线方向抗移动、磨损等因素的优越性能，但当密封端面发生沿轴剖面的扭转变形，或动环所在的机组主轴发生弯曲变形时，会使两密封端面间接触程度局部变强或变弱，导致两密封面间局部接触压力增大，摩擦磨损加剧，而对于非接触式密封则可能导致端面流体膜压力周向脉动，密封面局部可能发生直接接触，严重影响密封使用寿命。而对于以上这些问题，球面机械密封则具有更强的适应性。

综上所述，设计出一种球面机械密封装置，该球面机械密封装置具有更好的抗轴剖面扭转变形和机组主轴弯曲变形的能力，从而进一步拓宽机械密封的适用范围，提升机组密封的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种球面机械密封装置，该球面机械密封装置具有更好的抗轴剖面扭转变形和机组主轴弯曲变形的能力。

本发明的目的是这样实现的：一种球面机械密封装置，由带有球面a的静止环1、带有球面b的旋转环2和其它相关零件组成，静止环1上的球面a与旋转环2上的球面b呈面对面安装，形成密封面，该密封面可以是球面a和球面b直接接触，也可以是球面a和球面b以一微小间隙分离。其特征是：密封面呈球面状。

本发明主要采用以下技术措施来实现：

所述球面机械密封装置的球面a和球面b既可以是凸面也可以是凹面，但当球面a为凸面(凹面)时，球面b必须为凹面(凸面)。

所述球面机械密封装置的凸面半径小于或等于凹面半径。

所述球面机械密封装置的球面a和球面b的半径可以相等，也可以不相等。

所述球面机械密封装置的球面a和球面b中，可在一个或同时在两个球面上设置流体动压槽，或两个球面都不设置流体动压槽。

所述球面机械密封装置，其球面上设置的流体动压槽可以是深槽也可以是浅槽，其槽深范围在0.01微米～3毫米之间。

所述球面机械密封装置，其密封的布置可以是只有一组密封面的单级密封，也可以是由两组以上密封面组成的串联式密封或双端面密封。

所述球面机械密封装置，在多级密封布置中，可以是球面机械密封跟其它形式动密封形成的组合密封。

本发明具有以下特点：

1)密封端面为球面；

2)具有更好的抗轴剖面扭转变形和机组主轴弯曲变形的能力。

附图说明

图1是本发明球面机械密封装置中两密封面直接接触的一种接触式密封结构示意图。

图2是本发明球面接触式机械密封装置中静环上球形密封面结构示意图。

图3是本发明球面接触式机械密封装置中动环上球形密封面结构示意图。

图4是本发明球面机械密封装置中两密封面以一个微小间隙分离的一种非接触式密封结构示意图。

图5是本发明球面机械密封装置中，动环上密封面刻有均匀分布的流体动压浅槽的一种非接触式密封结构示意图。

图6是本发明球面非接触式机械密封装置中动环球形密封面上端面浅槽结构示意图。

附图中符号含义如下：

SR₁——凸密封面球面半径。

SR₂——凹密封面球面半径。

R₃——轴套外径。

R₄——密封面浅槽内径。

R₅——密封面浅槽外径。

a——静止环上球面。

b——旋转环上球面。

c——密封面浅槽结构。

ω₁——旋转环旋转角速度。

h₀——非接触式球面机械密封端面轴向间隙。

H——上游(高压侧)。

L——下游(低压侧)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行分析。

本发明具体实施种类繁多，在此根据该球面机械密封接触方式、密封面是否开设动压槽的不同举例分析说明。

实施例1：参阅图1、图2、图3

图1是本发明实施例1的结构示意图。该球面机械密封装置包括带有球面a的静止环1、带有球面b的旋转环2、静环座3、轴套4、“O”形圈5、公差环6、压紧套7、推环8、弹簧9、防转销10等。本实施例的特点是：两密封面(即：球面a和球面b)直接接触。

根据图1、图2、图3，静止环1上的球面a为凹面，其半径为SR₁，旋转环2上的球面b为凸面，其半径为SR₂，两球面半径关系为：SR₁≥SR₂。静止环1与旋转环2呈面对面同轴线安装，形成球形密封面，该密封面为球面a和球面b直接接触，属接触式机械密封装置。

密封环的外径侧为上游侧H，内径侧为下游侧L，介质泄漏的流动方向为由外径侧(上游侧)向内径侧(下游侧)泄漏，而球形密封面的作用就是阻止介质的泄漏流动。

实施例2：参阅图4

图4是本发明实施例2的结构示意图。该球面机械密封装置包括带有球面a的静止环1、带有球面b的旋转环2、静环座3、轴套4、“O”形圈5、公差环6、压紧套7、推环8、弹簧9、防转销10等。本实施例的特点是：两密封面(即：球面a和球面b)以一微小间隙h0分离。

根据图4，静止环1上的球面a为凹面，其半径为SR₁，旋转环2上的球面b为凸面，其半径为SR₂，静止环1与旋转环2呈面对面同轴线安装，并以一个微小间隙h₀分离，形成球形非接触式密封面，属非接触式机械密封装置。

密封环的外径侧为上游侧H，内径侧为下游侧L，介质泄漏的流动方向为由外径侧(上游侧)向内径侧(下游侧)泄漏，而球形非接触式密封面的作用就是阻止介质的泄漏流动。

实施例3：参阅图5、图6

图5、图6是本发明实施例3的结构示意图。该球面机械密封装置包括带有球面a的静止环1、带有球面b的旋转环2、静环座3、轴套4、“O”形圈5、公差环6、压紧套7、推环8、弹簧9、防转销10等。本实施例的特点是：在动环球形密封面b上开设流体动压槽c。

根据图5，静止环1上的球面a为凹面，其半径为SR₁，旋转环2上的球面b为凸面，其半径为SR₂，两球面半径关系为：SR₁＞SR₂。静止环1与旋转环2呈面对面同轴线安装，两密封面在浅槽c流体动压力的作用下，以一个微小间隙h₀分离，形成球形非接触式密封面，属非接触式机械密封装置。

在以上实施例中，重点体现了球面机械密封接触方式、密封面是否开设动压槽。为了更清楚地描述核心问题，以上实施例中均只涉及单级密封结构，而在实际使用过程中，密封总体布局根据需要可有多种型式如：单端面密封、双端面密封、串联式密封(两级以上)、串联带中间迷宫(两级以上)，还可跟浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封型式组成组合式密封。

Claims

1.一种球面机械密封装置，由带有球面a的静止环(1)、带有球面b的旋转环(2)和其它相关零件组成，静止环(1)上的球面a与旋转环(2)上的球面b呈面对面安装，形成密封面，该密封面可以是球面a和球面b直接接触，也可以是球面a和球面b以一微小间隙分离，其特征是：密封面呈球面状。

2.根据权利要求1所述的球面机械密封装置，其特征是：球面a和球面b既可以是凸面也可以是凹面，但当球面a为凸面(凹面)时，球面b必须为凹面(凸面)。

3.根据权利要求1或2所述的球面机械密封装置，其特征是：凹密封面球面半径SR₁与凸密封面球面半径SR₂可以相等，也可以不相等。

4.根据权利要求1所述的球面机械密封装置，其特征是：球面a和球面b中，可在一个或同时在两个球面上设置流体动压槽，或两个球面都不设置流体动压槽。

5.根据权利要求1或4所述的球面机械密封装置，其特征是：球面上设置的流体动压槽可以是深槽也可以是浅槽，其槽深范围在0.01微米～3毫米之间。

6.根据权利要求1所述的球面机械密封装置，其特征是：密封的布置可以是只有一组密封面的单级密封，也可以是由两组以上密封面组成的串联式密封或双端面密封。

7.根据权利要求1或6所述的球面机械密封装置，其特征是：多级密封布置中，可以是球面机械密封跟其它形式动密封形成的组合密封。