CN102829183A - 一种大直径高压机械密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大直径高压机械密封装置。该装置采用了双重密封结构，其中，第二密封结构包括套设在旋转主轴(1)上的转动环(5)、静止环(4)、转动环安装座(2)、静止环安装座(3)以及压力补偿装置；转动环(5)和静止环(4)的接触端面通过压力补偿装置紧密贴合；在转动环(5)的外侧设置第一密封结构，该第一密封结构与静止环安装座(3)的接触端面紧密贴合；旋转主轴(1)带动转动环安装座(2)转动，同时带动转动环(5)和第一密封结构一起转动。本发明的大直径高压机械密封装置达到了耐高压、耐腐蚀、寿命长、直径大、零泄漏的效果，可用于大潜深的海水中。

Description

一种大直径高压机械密封装置

技术领域

本发明属于动密封技术领域，具体涉及一种大直径高压机械密封装置，其主要功能是保证机械密封装置在高压状态下不渗漏，可应用于大潜深的海水中。

背景技术

动密封技术是一项在机械领域应用较广的密封技术，它的主要功能是保证机械在液体中转动时不发生泄露，确保装备或人员水下工作的绝对安全，主要应用在水下转动并承受一定压力的机械设备上，如潜水电泵、水下机器人、螺旋浆等。

动密封技术可分为旋转式动密封和往复式动密封两种基本形式，而旋转式动密封又可分为圆周密封和端面密封两种形式，其中，端面密封又称为机械密封，是在所有动密封技术中技术含量最高、技术难度最大、密封效果最好的一种密封形式。

但是，现有的动密封技术大都采用较为普遍的圆周密封，特别是当密封直径大于100毫米以上时更是如此。这种密封形式的优点是：结构简单、安装方便，但存在的问题是：1)寿命短，大约3～5个月就要维修、更换；2)密封效果差，泄漏量大于10毫升/小时；3)耐压低，小于1MPa，比如填料函密封、轴封密封等都属于该密封形式。

另一方面，机械密封又分为接触式机械密封和非接触式机械密封两种结构形式，它们的区别是：接触式机械密封的密封端面采用的是两个密封面直接接触运转的密封形式，而非接触式机械密封的密封端面采用的是气膜或液膜密封的形式。一般情况下，非接触式机械密封有特定的环境及工况要求，主要用在高温介质泵、特殊用风机、反应釜等设备上，它的密封效果虽然优于接触式机械密封，但是，它允许的密封直径都比较小，同时，它还存在制造、加工精度高，安装难度大等情况。而目前现有的接触式密封技术存在如下问题：1)密封效果不可靠，存在一定的泄漏量；2)密封面易磨损，造成使用寿命短；3)密封工作状态不稳定，容易造成失效；4)辅助密封系统复杂，效果不好；5)当密封直径大、承受压力高时，很容易造成泄漏和失效。现行的机械密封行业标准JB4127.1-1999《机械密封技术条件》也只规定了机械密封应用在压力为0～1.6MPa、直径为50～100毫米的范围内，并且寿命只有6～12个月，允许有3～5毫升/小时的泄漏量。

随着装备发展的需要，必须研制一种可以耐高水压、寿命长、直径大、无渗漏的机械密封装置，它具有大直径(230毫米)、耐高水压(6MPa)、抗腐蚀、长寿命(10年)等优点。而现有技术却无法满足这种需要，必须发明一种突破性的机械密封技术。

发明内容

为了满足上述要求，弥补现有技术的不足，本发明提出了一种大直径高压机械密封装置，具体为：

一种大直径高压机械密封装置，具有第一密封结构和第二密封结构；其中，所述第二密封结构包括套设在旋转主轴上的转动环、套设在所述旋转主轴上的静止环、套设在所述旋转主轴上并将所述转动环限位其内的转动环安装座、套设在所述旋转主轴上并将所述静止环限位其内的静止环安装座，以及压力补偿装置；所述转动环和所述静止环的接触端面通过所述压力补偿装置紧密贴合；所述第一密封结构设置在所述转动环的外侧，且其与所述静止环安装座的接触端面紧密贴合；所述旋转主轴带动所述转动环安装座转动，同时带动所述转动环和所述第一密封结构一起转动；所述第一密封结构和所述第二密封结构之间形成第一腔体；所述转动环、所述静止环、所述静止环安装座、所述转动环安装座之间形成第二腔体。

进一步的，所述压力补偿装置为多个压力补偿弹簧。

进一步的，所述压力补偿装置为18个压力补偿弹簧，安放在所述静止环安装座的底部孔中。

进一步的，所述第一密封结构包括套设在所述旋转主轴上的辅助密封环和辅助密封圈。

进一步的，所述辅助密封环和辅助密封圈被限位在所述转动环安装座中；所述辅助密封环和辅助密封圈的内径大于所述转动环的外径，并与所述转动环同心设置。

进一步的，所述第二密封结构还包括套设在所述旋转主轴上的第一转动环静密封圈、第二转动环静密封圈和静止环静密封圈，所述第一转动环静密封圈安放在所述转动环安装座和所述转动环底面之间；所述第二转动环静密封圈从所述转动环的侧面径向嵌入所述转动环和所述转动环安装座之间；所述静止环静密封圈安放在所述静止环的密封槽中，并与所述静止环安装座紧密贴合。

进一步的，所述第二密封结构还包括嵌在所述转动环安装座和旋转主轴之间的主轴端面静密封圈。

进一步的，在静止环安装座的内部具有排水通道，所述排水通道与所述第二腔体相通。

进一步的，所述转动环安装座上具有润滑油脂添充口，所述添充口与所述第一腔体相通，所述添充口上安装有排气口堵头和注油孔堵头。

进一步的，所述静止环采用了浸锑的改性石墨，所述转动环采用了硬质合金材料。

本发明的大直径高压机械密封装置与现有的机械密封技术相比，其特点在于：

1)采用了独特的设计构思：一般的机械密封都是一道密封，液体的作用力直接作用到动、静环表面。而本发明的机械密封设计了双重密封结构，其中，第一道密封为辅助式密封，它的作用是减缓外部压力，防止液体中的杂质进入机械密封系统，同时，又有一部分液体进入到动、静环表面，对其形成润滑和散热；第二道密封为阻断式密封，也就是大直径高压机械密封的核心设计内容，它确保液体不得进入被密封部位，其设计原理是，由一对紧密贴合的旋转体转动环和静止环相配合，两个配合面的表面平面度达到了0.0006mm，为了保证这两个配合面紧密贴合，在静止环的底部装有18个压力补偿弹簧，该18个压力补偿弹簧是通过计算设计出来的，其目的是既保证这两个配合面紧密贴合，又不能过紧造成磨损加大。

另外，本发明的大直径高压机械密封装置还在机械密封内部设计了一个专门的排水通道，这在所有的机械密封设计中还是独创，其设计思路是，当出现意外情况，液体进入到密封系统内部(第二腔体)后，在与静止环底面相邻的底平面上，设计一个排水孔，该排水孔利用被密封件本身的结构特点，通过内部钻孔形成的通道将液体排出设备外，它不需要另外安装管路，从结构设计上来说更加合理。

2)采用了特殊的密封材料：为了达到密封的可靠性，在设计中选择了经过特殊处理的密封材料，首先，静止环采用的是浸锑的改性石墨，它具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀、机械强度高等特点；转动环采用的是高强度、耐腐蚀的硬质合金材料，一软一硬两种材料的结合，保证了密封性能的提高。

本发明的大直径高压机械密封装置达到了非接触式机械密封的效果，具有寿命长(10年)、耐压高(6MPa)、直径大(φ230)、零泄漏等效果，这已在实际使用中得到验证，其实际效果和各项指标远远高于国家机械密封行业颁布的标准和国际上对该尺寸机械密封允许泄水量的要求。

附图说明

图1为本发明大直径高压机械密封装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1所示，其中，1为旋转主轴，2为转动环安装座，3为静止环安装座，4为静止环，5为转动环，6、7为辅助密封环和辅助密封圈，8、10为转动环内的静密封圈，9为排气口堵头，11为主轴端面静密封圈，12为静止环内的静密封圈，13为注油孔堵头，14为转动环座调整垫片(图中未示出)，15为转动环固定销，16为压力补偿弹簧，17为排水通道。

图1所示的大直径高压机械密封装置的安装步骤为：第一步，首先在静止环安装座4的底部孔中放入18个压力补偿弹簧16，同时在静止环4本身的密封槽中放入密封圈12，然后一起用工装装入到压力补偿弹簧16的上面，用防转螺固定好，静止环4和其基座表面做工艺处理后待装配；第二步，进行转动环5的装配，首先将密封圈10放入转动环安装座2底面的密封槽里，然后用工装将转动环5放入其基座中固定，在转动环5的径向压入密封圈8并固定；第三步，在转动环安装座2的外面是第一道辅助密封，将辅助密封环6和辅助密封圈7放入转动环安装座2中，同时对转动环5和辅助密封环6的表面进行工艺处理，通过转动环座调整垫片14调整好转动环安装座2和静止环安装座3之间的间隙，此时还要利用工装对转动环5和静止环4的表面进行人工研磨，确保两个面的紧密贴合；第四步，用螺栓将转动轴安装座固定在转动轴上，并在密封腔体(第一腔体)中注入润滑油脂，然后装上堵头9和13，整个安装步骤完成。

工作原理：旋转主轴1带动转动环安装座2转动，同时带动辅助密封环6和辅助密封圈7(构成辅助密封，即双重密封结构中的第一密封结构)以及转动环5跟随一起转动。辅助密封的作用在于减压、阻挡液体中的杂质进入。当减压后的液体进入到辅助密封和机械密封之间的腔体部位(第一腔体)后，转动环5和静止环4构成的旋转密封端面阻断了液体的进入。18个压力补偿弹簧16支撑在静止环4的底部，它是根据计算端面比压设计出来的压力补偿装置，其作用是确保两个密封端面在任何情况下都能紧密结合，但又不能过大或过小，补偿力大了，会加重密封端面的磨损，降低寿命；补偿力小了，又会影响密封效果。序号8、10、11、12是机械密封中的静密封圈，它们的作用是保证液体不会从结合部流入设备内部。序号9和13是润滑油脂添充口的堵头，共有两个口，其中一个口充油脂，另一个口排气，利用该添充口，将专用润滑油脂打入密封腔体内。在机械密封腔体中填充润滑油脂，这也是一个新的构思，它的作用是让润滑油脂与腔体中的液体混合，充当密封端面的润滑剂和冷却剂，其效果要比单独靠液体润滑和冷却好的多。

由于在设计思路上的创新，材料选择上的配套，加上制定了严格的工艺程序，本发明大直径高压机械密封装置达到了耐高压、不漏水、长寿命的效果，利用简单机械密封的结构设计，达到了复杂机械密封的功能，经过长期的实际考验，证明其密封性能良好，达到设计发明的效果。

Claims (10)

1.一种大直径高压机械密封装置，其特征在于，所述装置具有第一密封结构和第二密封结构；其中，所述第二密封结构包括套设在旋转主轴(1)上的转动环(5)、套设在所述旋转主轴(1)上的静止环(4)、套设在所述旋转主轴(1)上并将所述转动环(5)限位其内的转动环安装座(2)、套设在所述旋转主轴(1)上并将所述静止环(4)限位其内的静止环安装座(3)，以及压力补偿装置；所述转动环(5)和所述静止环(4)的接触端面通过所述压力补偿装置紧密贴合；所述第一密封结构设置在所述转动环(5)的外侧，且其与所述静止环安装座(3)的接触端面紧密贴合；所述旋转主轴(1)带动所述转动环安装座(2)转动，同时带动所述转动环(5)和所述第一密封结构一起转动；所述第一密封结构和所述第二密封结构之间形成第一腔体；所述转动环(5)、所述静止环(4)、所述静止环安装座(2)、所述转动环安装座(2)之间形成第二腔体。

2.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述压力补偿装置为多个压力补偿弹簧(16)。

3.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述压力补偿装置为18个压力补偿弹簧(16)，安放在所述静止环安装座的底部孔中。

4.如权利要求1-3之一所述的机械密封装置，其特征在于，所述第一密封结构包括套设在所述旋转主轴(1)上的辅助密封环(6)和辅助密封圈(7)。

5.如权利要求4所述的机械密封装置，其特征在于，所述辅助密封环(6)和辅助密封圈(7)被限位在所述转动环安装座(2)中；所述辅助密封环(6)和辅助密封圈(7)的内径大于所述转动环(5)的外径，并与所述转动环(5)同心设置。

6.如权利要求1-5之一所述的机械密封装置，其特征在于，所述第二密封结构还包括套设在所述旋转主轴(1)上的第一转动环静密封圈(10)、第二转动环静密封圈(8)和静止环静密封圈(12)，所述第一转动环静密封圈(10)安放在所述转动环安装座(2)和所述转动环(2)底面之间；所述第二转动环静密封圈(8)从所述转动环(5)的侧面径向嵌入所述转动环(5)和所述转动环安装座(2)之间；所述静止环静密封圈(12)安放在所述静止环(4)的密封槽中，并与所述静止环安装座(3)紧密贴合。

7.如权利要求1-6之一所述的机械密封装置，其特征在于，所述第二密封结构还包括嵌在所述转动环安装座(2)和旋转主轴(1)之间的主轴端面静密封圈(11)。

8.如权利要求1-7之一所述的机械密封装置，其特征在于，在静止环安装座(3)的内部具有排水通道(17)，所述排水通道(17)与所述第二腔体相通。

9.如权利要求1-8之一所述的机械密封装置，其特征在于，所述转动环安装座(2)上具有润滑油脂添充口，所述添充口与所述第一腔体相通，所述添充口上安装有排气口堵头(9)和注油孔堵头(13)。

10.如权利要求1-9之一所述的机械密封装置，其特征在于，所述静止环(4)采用了浸锑的改性石墨，所述转动环(5)采用了硬质合金材料。

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