CN102278482A - 压力自适应机械密封装置 - Google Patents

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张秋翔
蔡纪宁
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Abstract

本发明公开了一种压力自适应机械密封装置，涉及机械密封装置领域，包括固连于密封静止部位的静环组件和可以随轴旋转的动环组件，该密封装置在密封静环端面的外径侧加工周向均布的不连续腔体，每个腔体的下表面开有通孔，通孔和低压区连通，不连续腔体由密封圈密封，根据不同的密封工况，所述的不连续腔体可以采取不同的结构形式，以达到最优的密封效果。该密封装置很好地解决了密封压力波动导致密封端面磨损失效的问题，其显著特点是能够适应较宽压力范围的密封工况，随着被密封流体压力的增大，密封的承载能力会随之增强，具有自适应性。

Description

压力自适应机械密封装置
技术领域
本发明涉及机械密封装置技术领域，适用于反应釜、泵等流体机械的旋转轴的密封装置，特别是大型立式设备旋转轴的端面密封。
背景技术
传统的机械密封无论是接触式密封还是非接触式密封，一般都是设计在一定的工况下，如果当被密封流体压力增大时，密封会因为不能承受过高的压力而失效。然而在许多场合，密封所能承受的压力要求有较宽的范围，例如某核电站主泵的密封系统是由三级不同的密封组成，配置在一个密封壳体内，第一级密封为主密封，为流体静压式，正常工作状态下，可以使压力从15.51MPa降到0.21MPa。第二级密封具有双重任务：其一，在正常工况下，密封从一级泄漏过来的冷却水，工作状态稳定，维持在很低的泄漏率；其二，在第一级密封失效的情况下，作为第一级密封的备用密封，在一定时间内(8小时左右)承担全部压力(15.51MPa)，并保证合理的泄漏率，为停车更换密封争取宝贵的时间。第三级承担密封少量从二级泄漏过来的冷却水。因此要求第二级密封必须适应较宽的压力范围，在第一级密封正常或者失效的情况下都能实现密封功能。
除此之外，在许多高压工况下，密封一般会设置两级或者两级以上，正常工况下第一级密封承受比较高的压力，第二级密封承受较低的压力。在工程实际中第一级密封失效后，如果第二级密封不能承受过高的压力，密封就会失效。
基于此种情况，就必须寻求一种宽压力适用范围的机械密封装置，以解决因为压力增高而导致密封失效的问题。
另一方面，作为目前公知的流体密封技术，一般都是特定形式的密封：接触式密封或非接触式密封，很少涉及到因为工况改变而自适应调整密封的形式，例如低压下为接触式密封，高压下自适应的调整为非接触式密封，从而在不同工况下都能正常工作。
为进一步提高端面密封结构的适用范围，从而延长密封的使用寿命，提高可靠性，这些问题都有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种压力自适应机械密封装置，该装置突破了传统特定形式的接触式密封和非接触式密封，当被密封流体压力改变时，密封能够自适应的调整形式，从而适应较宽的压力工况。
本发明的压力自适应机械密封装置，是在包括有可固连于密封静止部位的静环结构和可以随轴旋转的动环结构的基本结构基础上，在所说的密封静环端面的外径侧，距离密封端面L处加工有轴向高度为H，径向深度为T，数量为n的周向均布的不连续腔体，所采用的技术方案如下：
压力自适应机械密封装置，包括与转轴14一起旋转的密封动环13和静止的密封静环10，密封动环13安装在动环环座15上且被动环压盖17压紧，动环环座15和动环压盖17之间通过螺钉16连接，转轴14和动环环座15之间安装有传动销5；密封静环10安装在静环环座8上且被静环压盖19压紧，密封静环10与静环环座8之间安装有防转销9，静环环座8和静环压盖19之间通过螺钉18连接，静环环座8安装在静环支撑环6里面，两者之间安装有防转销1和补偿弹簧7，整个密封结构置于密封腔体22里面，静环支撑环6和密封腔体22之间安装有防转销21，静环的轴向极限位置由静环限位螺钉20确定，静环限位螺钉20安装在静环支撑环6的外侧，所述的密封静环10的外侧加工周向均布的不连续腔体4，每个不连续腔体4的下表面开有通孔3，在静环环座8上与每个通孔3相对的位置处开有通孔2，通孔2和通孔3同轴且和低压区连通，不连续腔体4由密封圈11和密封圈12密封，以隔离高压区和低压区。
所述的不连续腔体4的横截面形状为矩形、圆弧形或三角形。
所述的不连续腔体4的轴向高度为H，径向深度为T，数量为n，其中径向深度T与密封端面宽度D的比值为0.3～0.95，不连续腔体4的轴向高度H为等高或渐变，不连续腔体4的数量为n＝4～20个，其中T＝ro-l，D＝ro-ri，ri为密封静环10端面的内径，ro为密封静环10端面的外径，l为不连续腔体4距密封静环中心的径向距离。
通常，上述密封装置密封环端面的外径处为流体高压区，内径处为低压区，以使密封流体能进入密封端面。
本发明可以应用于此场合：被密封流体压力较低时，具有周期性不连续腔体的密封静环端面不会产生变形，用作普通平行平面机械密封，密封为接触式，此时密封提供的密封能力和普通密封一样，密封泄漏率小；被密封流体压力较高时，由于腔体内部和低压区连通，在被密封流体压力的作用下，这些不连续腔体会导致密封静环端面形成周期性的波度变形，如图8所示，变形呈现周向波度，径向收敛锥度的特点，周向波度的波数和不连续结构的个数一致。由于在高压工况下，密封端面会产生上述的变形特点，周向波度提供动压承载，径向收敛锥度提供静压承载，这样密封的承载能力会得到增强，使端面开启，成为非接触动压密封，密封不会因为压力增大而失效。
另外，本发明的压力自适应机械密封装置，其显著特点是具有压力自适应性。对于波度密封，随着波幅的增大密封的开启力也随之增加，从而密封的承载能力得到增强。本发明的压力自适应机械密封装置，密封端面在较高压力工况下形成周期性的波度变形，其波幅和变形量有关，变形量越大波幅越大，密封端面的变形量又和被密封流体压力有关，压力越大变形量越大。就是说，密封端面产生波度变形的波幅随着压力的增加而增加，波幅增大又增强了密封的承载能力，所以随着密封流体压力的增大，密封的承载能力会随之增强，具有自适应性。
本发明的压力自适应机械密封装置，解决了密封流体压力增高导致密封失效的问题，能够自适应的应用于宽压力范围的密封工况。密封具有结构简单、故障率低以及容易制造等优点。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图2是图1中一种密封静环端面的结构示意图，不连续腔体的截面形状为矩形；
图3是图2的A-A向剖视图；
图4是图1中一种密封静环端面的结构示意图，不连续腔体的截面形状为圆弧形；
图5是图4的A-A向剖视图；
图6是图1中一种密封静环端面的结构示意图，不连续腔体的截面形状为三角形；
图7是图6的A-A向剖视图；
图8是本发明中密封静环在高压工况下产生波度变形示意图。
图中：1，9，21-防转销；2，3-通孔；4-不连续腔体；5-传动销；6-静环支撑环；7-补偿弹簧；8-静环环座；10-密封静环；11，12-密封圈；13-密封动环；14-转轴；15-动环环座；16，18-螺钉；17-动环压盖；19-静环压盖；20-静环限位螺钉；22-密封腔体。
具体实施方式
以下结合附图所示的具体实施方式，对本发明的上述内容再做进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅局限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
如图1所示，本发明的一种压力自适应机械密封装置，包括与转轴14一起旋转的密封动环组件，以及与动环组件配对的密封静环组件。密封动环组件结构为：密封动环13安装在动环环座15上且被动环压盖17压紧，动环环座15和动环压盖17之间通过螺钉16连接，转轴14和动环环座15之间安装有传动销5；密封静环组件结构为：密封静环10安装在静环环座8上且被静环压盖19压紧，密封静环10与静环环座8之间安装有防转销9，静环环座8和静环压盖19之间通过螺钉18连接，密封静环10端面外侧的周向均布的不连续腔体4由密封圈11和密封圈12密封。静环环座8安装在静环支撑环6里面，两者之间安装有防转销1和补偿弹簧7，整个密封结构置于密封腔体22里面，静环支撑环6和密封腔体22之间安装有防转销21，静环组件的轴向极限位置由静环限位螺钉20确定，静环限位螺钉20安装在静环支撑环6的外侧。
图2、图4或图6所示为图1中密封静环10的密封端面结构示意图，图3，图5与图7分别为他们的A-A向剖视图，在密封静环10端面的外侧，距离密封端面L处加工有轴向高度为H，径向深度为T，数量为n的周向均布的不连续腔体4，每个不连续腔体的下表面开有通孔3，其中图2和图3中所示不连续腔体4的截面形状为矩形、图4和图5中所示不连续腔体4的截面形状为圆弧形，图6和图7中所示不连续腔体4的截面形状为三角形。
在工程实际应用中，针对不同的密封工况、密封环材料以及密封尺寸等，密封静环端面的外径侧加工的周向均布的不连续腔体的数量可以为n＝4～20个，不连续腔体的形式可以为矩形腔体、圆弧形腔体和三角形腔体。密封静环端面的外径侧加工的周向均布的不连续腔体的径向深度T(T＝ro-l)与密封端面宽度D(D＝ro-ri)的比值可以在0.3～0.95之间选择，不连续腔体的轴向高度H可以是等高也可以是渐变的，其中T＝ro-l，D＝ro-ri，ri为密封静环10端面的内径，ro为密封静环10端面的外径，l为不连续腔体4距密封静环中心的径向距离。
图1只是本发明的一种结构形式，本发明不仅可以应用于立式设备旋转轴的端面密封，而且可以应用卧式设备旋转轴的端面密封。图2、图4或图6中密封静环端面结构可以应用于任何形式的机械密封，例如单端面机械密封、双端面机械密封等，补偿机构可以是单弹簧、多弹簧和波纹管等。

Claims (3)

1.压力自适应机械密封装置，包括与转轴(14)一起旋转的密封动环(13)和静止的密封静环(10)，密封动环(13)安装在动环环座(15)上且被动环压盖(17)压紧，动环环座(15)和动环压盖(17)之间通过螺钉(16)连接，转轴(14)和动环环座(15)之间安装有传动销(5)；密封静环(10)安装在静环环座(8)上且被静环压盖(19)压紧，密封静环(10)与静环环座(8)之间安装有防转销(9)，静环环座(8)和静环压盖(19)之间通过螺钉(18)连接，静环环座(8)安装在静环支撑环(6)里面，两者之间安装有防转销(1)和补偿弹簧(7)，整个密封结构置于密封腔体(22)里面，静环支撑环(6)和密封腔体(22)之间安装有防转销(21)，静环的轴向极限位置由静环限位螺钉(20)确定，静环限位螺钉(20)安装在静环支撑环(6)的外侧，其特征在于：所述的密封静环(10)的外侧加工周向均布的不连续腔体(4)，每个不连续腔体(4)的下表面开有通孔(3)，在静环环座(8)上与每个通孔(3)相对的位置处开有通孔(2)，通孔(2)和通孔(3)同轴且和低压区连通，不连续腔体(4)由密封圈(11)和密封圈(12)密封，以隔离高压区和低压区。
2.根据权利要求1所述的压力自适应机械密封装置，其特征在于：所述的不连续腔体(4)的横截面形状为矩形、圆弧形或三角形。
3.根据权利要求1或2所述的压力自适应机械密封装置，其特征在于：所述的不连续腔体(4)的轴向高度为H，径向深度为T，数量为n，其中径向深度T与密封端面宽度D的比值为0.3～0.95，不连续腔体(4)的轴向高度H为等高或渐变，不连续腔体(4)的数量为n＝4～20个，其中T＝ro-l，D＝ro-ri，ri为密封静环(10)端面的内径，ro为密封静环(10)端面的外径，l为不连续腔体(4)距密封静环中心的径向距离。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20111214