CN103267131B - 非接触式机械密封装置 - Google Patents

Abstract

非接触式机械密封装置，同轴设置有旋转密封环和静止密封环，并以其轴向端面实现密封。第一密封单元中的密封环结构体包括可作轴向位移且两轴向端面均为密封面的一个密封环及铁磁材料或永磁材料结构；第二密封单元中包括有同轴设置在第一密封单元的密封环结构体轴向两端的各一个密封环结构体，其上以保持有密封间隙的方式各设有一个分别与第一密封单元中的密封环轴相对的密封环及相应的电磁铁结构；两密封单元二者之一中的密封环为旋转密封环时，另一个密封单元中的密封环则为静止密封环；在以密封间隙相对的两密封结构体中的至少一侧设有检测其密封间隙间距的传感结构，各电磁铁结构的电磁线圈和传感结构分别与通电控制结构联接。该装置以磁悬浮方式可实现对密封间隙的主动调控，使密封具有良好的动态性能，且运行可靠稳定，易维修，寿命长，适用范围广。

Description

非接触式机械密封装置

技术领域

本发明涉及一种非接触式机械密封装置，更具体是涉及一种以磁悬浮方式工作的非接触式机械密封装置。

背景技术

流体膜非接触式机械密封是目前常用的一种轴端密封方式，由以相对的端面为密封面同轴设置的旋转密封环和静止密封环实现密封。旋转密封环可随旋转轴转动，静止密封环与机座上的相应固定结构定位连接，通过机组运行时在流体摩擦状态下，利用密封端面间充满一层完整的流体膜使旋转环和静止环彼此分离并实现动态密封。当今非接触式机械密封研究的主要方向之一，是提升密封运行的稳定性和可靠性，延长使用寿命。传统的流体膜非接触式机械密封存在两个问题：其一是无法主动调整密封端面间隙。因受密封系统本身及外界干扰，如密封环端面划痕、轴向窜动、力（热）变形、端面磨损、压力波动、操作不当等导致工况发生波动时，由于无法对密封间隙进行主动控制，密封稳定性可能会受到影响。其二是密封间隙大小及端面间流体膜稳定性严重依赖于机组工况及介质条件，特别是机组转速。密封面间较高的相对转速有利于获得更大的流体膜承载力和刚度，但给定机组的转速往往是不可改变或只能在一定范围内变化的，这就极大限制了高性能端面流体膜的形成，导致机械密封的性能和适用范围受到了限制。例如，在反应釜等低转速机器中，过低转速状态下该端面间流体膜的开启力和刚度无法使密封面正常分离，从而导致密封失效。这些问题都是现有非接触式机械密封技术亟待进一步解决和完善的。

随着生产技术的提高，各种旋转机械正朝着高性能化方向发展。石化、原子能、电力、核工业、宇航等领域向着无污染、长周期、低能耗、高效益的方向发展，使得机械密封技术及其应用环境变得更加复杂化，对于密封的可控性、可靠性、稳定性等都会提出更高的要求。但是传统的非接触式机械密封尚难以达到上述要求，必须研究开发新型的机械密封装置以满足工业生产和特殊情况的需要。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种采用磁悬浮方式的非接触式机械密封装置，可以满意地解决上述问题。

本发明的非接触式机械密封装置，基本结构中同样具有可随旋转轴转动的旋转密封环和与机座的固定结构相互定位的静止密封环，旋转密封环与静止密封环同轴设置，并以其轴向相对的端面为实现密封的密封面，其中：

a.密封环结构体分别设置于第一密封单元和第二密封单元中，第一密封单元中的密封环结构体中包括有可作轴向位移且两轴向端面均为密封面的单一密封环及铁磁材料或永磁材料结构；

b.第二密封单元中包括有同轴设置在第一密封单元的密封环结构体轴向两端的各一个密封环结构体，各密封环结构体中以保持有密封间隙的方式各设有一个分别与第一密封单元中的密封环轴相对的密封环及相应的电磁铁结构，各电磁铁结构分别以间隙方式与第一密封单元中密封环结构体的铁磁材料或永磁材料结构轴向相对，各电磁铁结构的电磁线圈分别与通电控制结构联接；

c.当第一和第二密封单元之一中密封环结构体的密封环为旋转密封环时，另一个密封单元中密封环结构体的密封环则为静止密封环；

d.在各密封间隙两侧的密封环结构体或密封面中的至少一侧上，设置有用于检测该密封间隙间距的对应传感结构，各传感结构分别也与所说电磁线圈的通电控制结构联接。所说的传感结构，可以选择和采用目前任何一种可以检测位移的传感器件，包括但不限于如目前已有报道和/使用的电容式位移传感器、电涡流式传感器、激光位移传感器、CCD成像传感器等。其中可作为优选的是电容式位移传感器和电涡流式传感器。

本发明上述结构中所说的密封环结构体的含义，是指其既可以直接为密封环的环体结构，也可以是在密封环的基体结构上以嵌置方式固定有密封环环体的组合结构体。所说的铁磁材料，可包括但不限于目前常用的硅钢或铁镍合金等材料；所说的永磁材料，包括但不限于目前已有广泛使用的钕铁硼材料或铁氧体等磁性材料。

在本发明上述机械密封装置中，对所说第一密封单元中的铁磁材料结构或永磁材料结构的设置方式，可以根据需要有多种不同的选择。例如，可以使所说该第一密封单元的密封环结构体直接采用为铁磁材料或永磁材料的密封环环体，或是采用在密封环的环体中嵌置有铁磁材料或永磁材料结构体等形式。

在以嵌置方式在第一密封单元的密封环结构体中设置所说的铁磁材料或永磁材料结构体时，对铁磁材料结构或永磁材料结构的具体设置，还可以根据需要有不同的选择。例如，可以使嵌置于密封环中的铁磁材料或永磁材料的结构体，以贯通密封环环体轴向两端面方式设置，或是采用在密封环环体的轴向两端以非贯通方式分别独立设置等方式。

除此以外，第一密封单元中的密封环结构体及所说的铁磁材料或永磁材料结构还可以采用的另一种方式，是使该密封环结构体密封环和所说的铁磁材料或永磁材料结构，分别嵌置并固定于同一密封环基体结构上的形式。

如上述，本发明该机械密封装置中所说第一密封单元中的密封环结构体，无论是与旋转轴或轴套等旋转结构之间（为旋转密封环时），或是与机座相互定位的固定结构之间（为静止密封环时），都应为可作适度的轴向位移。为此，一种优选的简单方式是，使第一密封单元的密封环结构体与旋转结构或固定结构间，经可相互配合的销和带有轴向位移间隙的槽进行周向固定。

对本发明上述密封装置中第二密封单元中所说两密封环结构体的设置方式也可以有多种不同的选择。例如，第二密封单元的两密封环结构体，可以直接采用为纯铁、硅钢或铁镍合金等材料制成的环体，通过与通电控制结构联接的相应电磁线圈而使该密封环结构体成为所说的电磁铁结构。其中，对所说电磁线圈的设置，可以采用分别缠附于两密封环的外周面上，或分别设置于在两密封环的周面部或内部开设的环形沟槽内，还可以采用分别嵌置于该两密封环的密封面部位处等不同方式。

此外，第二密封单元中所说的两密封环结构体中，该两密封环及对应的电磁铁结构，也可以采用分别嵌置并固定于第二密封单元中的对应密封环基体结构上的形式。

如上述，当第一密封单元和第二密封单元二者之一中的密封环结构体的密封环为旋转密封环时，另一个密封单元中的密封环结构体的密封环则为静止密封环。例如，作为一种可选择的方式，是使所说第一密封单元的密封环结构体中的密封环为旋转密封环，该密封环结构体可经销、键等方式与旋转轴或轴套传动连接；此时，第二密封单元的两密封环结构体中的密封环则均为静止密封环，可分别通过其对应的密封环结构体与固定连接在机座上的静止环座和端盖连接。

另一种可选择的方式，是使所说第一密封单元的密封环结构体中的密封环，为通过其密封环结构体的外圆柱面与固定于机座的端盖（或其它固定结构的）内孔面定位配合的静止密封环；此时，第二密封单元的两密封环结构体中的密封环则均为旋转密封环，分别通过其对应的密封环结构体与旋转轴或轴套传动连接。

本发明上述非接触式机械密封装置工作时，由通电控制结构向第二密封单元中与两密封环结构体分别对应的电磁铁结构的电磁线圈输入相应的偏置电流，使电磁铁对处于其两密封环结构体之间的第一密封单元中的该密封环结构体产生电磁作用力，该电磁作用力与密封面间介质流体压力综合后形成对第一密封单元中的该密封环结构体大小相等方向相反的吸引或排斥作用力，从而使第一密封单元中的密封环结构体以其密封环的两密封端面保持有所设定的密封间隙方式，悬浮于第二密封单元两密封环结构体之间的平衡位置，实现密封环间非接触式的机械密封。运行过程中，当因各种原因出现的扰动，导致了第一密封单元该密封环结构体发生轴向位移偏离了设计的平衡位置，即其密封环结构体两侧的密封间隙发生了增大/减小的改变，在各密封间隙部位处设置的传感结构即可将相应的位置偏移量信号反馈到其所联接的通电控制结构，与预设值范围进行比较运算和放大等处理后，转换为相应增大或减小的控制电流，分别加载到第二密封单元中两密封环结构体中的对应电磁线圈上，改变其两侧电磁铁对第一密封单元该密封环结构体的磁性作用力，通过两侧电磁铁的合力使第一密封单元的密封环结构体重新回复到设定的平衡位置。

本发明上述非接触式机械密封装置，利用磁悬浮技术原理，通过可控的电磁作用力，使静止密封环和旋转密封环能始终以非接触相对旋转的方式形成密封，而且其密封端面间的密封间隙可根据设计要求由控制系统决定，实现了可实时根据运行状态进行主动可控可调，使密封的稳定性不再与机组转速直接相关和受其约束、影响，因此能适用于转速更加广泛的场合且都能具有良好的动态性能，增强了装置运行的可靠性和稳定性。由于本发明上述的密封装置能够达到完全无摩擦、无磨损的效果，运动阻力小、转速适应范围广、精度高、功耗低，因而也更能适用于真空技术、超净、腐蚀性和酸碱性介质和高温、低温等特殊环境下的机械密封。此外，本发明上述密封装置的另一显著特点是，可根据实际情况或需要，通过对上述装置所说密封间隙的调节，例如通过调整或控制第一密封单元中的密封环两侧的密封间隙，达到控制或调整其实际的密封类型或效果，从而可以分别实现采用单端面或者双端面进行的机械密封。本发明上述装置中，除传感结构等元器件需定期更换外，其它结构部件的寿命都很长，保障了装置能长时间的运行，降低了维修费用。

以下结合以附图所示实施例的具体方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。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。

附图说明

图1为本发明的一种非接触式机械密封装置的结构示意图。

图2为与图1所示装置相配合的一种通电控制结构及原理的示意图。

图3为本发明另一种非接触式机械密封装置的局部结构示意图。

图4为本发明又一种非接触式机械密封装置的局部结构示意图。

图5为本发明另一种非接触式机械密封装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，该非接触式机械密封装置的结构中，包括有密封环1和密封环12、线圈2、密封环3、传感器4、静止环座5、垫圈6、螺钉7、端盖8、密封圈9、螺钉10、静密封圈11、动密封圈13、传动销14等结构。图1中的密封环3为设置在第一密封单元中的旋转密封环；密封环1和密封环12为分别设置在第二密封单元中的静止密封环。

采用硅钢或铁镍合金等常用铁磁材料制成的密封环3，用销14和带有设计允许的轴向位移间隙的槽，直接与机组旋转轴15进行周向固定的传动连接，使密封环3在工作时能随转轴15转动，也可实现在密封环1和密封环12之间的轴向移动。密封环3内孔面与机组转轴15外圆柱面之间设置有动密封圈13。

密封环1和密封环12分别置于密封环3轴向两侧，且密封环3的左侧端面与密封环1的右侧端面以间隙h1呈面对面安装，形成一组密封面；密封环3的右侧端面与密封环12的左侧端面以间隙h2呈面对面安装，形成另一组密封面。

密封环1直接放置于静止环座5的腔体内，通过其外圆柱面和左侧端面分别与静止环座5的腔体内孔面和腔体台阶环形面配合/接触，实现密封环1的径向定位和轴向定位。密封环1与静止环座5之间经螺钉等联接件10进行固定。密封环12外圆柱面和右侧端面分别与端盖8腔体的内孔面和台阶环形面配合/接触，实现密封环12的径向定位和轴向定位，密封环12与端盖8之间也经螺钉等联接件10进行固定，端盖8则通过螺钉等联接件7固定于静止环座5上。密封环1与静止环座5的接触面之间，以及密封环12与端盖8接触面之间，分别设置有静密封圈11。端盖8与静止环座5配合面之间设置有密封圈9。

在密封环1和密封环12中分别开有一相同的环形槽，槽内缠绕面积相等并分别与通电控制结构联接的电磁线圈2，使两密封环1，12在其电磁线圈2通电时能构成为分别与密封环3以密封面相对并独立施加电磁作用力的电磁铁结构。密封环1和密封环12由螺钉10分别联接在与固定在机座上的静止环座5和端盖8上，防止密封环1和密封环12受电磁作用而轴向移动。静止环座5和端盖8由螺钉7联接在一起，并经垫圈6辅助调整轴向间隙。

在分别以各密封间隙h1，h2相对的密封环1和密封环12的边缘分别各装有一个HN808电涡流传感器或其它适当形式的位移传感结构4，用于检测因密封环3偏移导致密封间隙h1，h2的变化量。传感器4在密封环1和密封12上至少分别设置一个，根据检测精度及实际的需要，可适当增加传感器4的数量。传感器4安装时其探头要置于密封端面侧，沿径向传感器4可放置于密封环体的内侧、外侧或中间任一位置处。

与上述装置中第二密封单元的两静止密封环1，12中电磁线圈2相配合的一种通电控制结构及基本工作原理可如图2所示。密封装置工作时，密封环3随旋转轴15转动，给密封环1和密封环12的线圈2分别通电，使密封环1和密封环12对旋转环3产生方向相反的电磁力，此时密封环3轴向两侧密封端面受到的合力相等，使其位于平衡位置，密封间隙为正常状态。当出现扰动（如操作波动等），导致密封环3相对于密封环1和密封环12发生轴向偏移，例如，密封环3向密封环12沿轴向靠近，则h1增大，而h2减小，由HN808电涡流传感器4检测出密封环3的位移偏移量信号，该信号经滤波（如图中的LMF60-50滤波器等）处理后，输出为电压为Ux，其与位置参考电压Ur比较后得到电压Ue，送入电流控制器。该输入电压信号Ue经变换处理，进行相位和幅值的调节（如图示经MAX187进行A/D采样，TMS320C2000DSP信号处理和DAC7625D/A转换）后，转换成控制电流信号i_c1和i_c2，分别放大（如图示的SG3524PWM开关功率放大器）后加载在对应的密封环1和密封环12的线圈上，使密封环1线圈中的电流增大，密封环12线圈中的电流减小，从而使得密封面间隙为h1的一侧磁通增大，密封面间隙为h2一侧磁通减小，导致密封面间隙为h1的一侧密封环1对密封环3的电磁力增大，而密封面间隙为h2的一侧密封环12对密封环3的电磁力减小，且密封环1对密封环3的电磁力大于密封环12对密封环3的电磁力，合力发生变化，使密封环3沿轴向与密封环12分离，使密封环3最终恢复到平衡位置。

图3是本发明非接触式机械密封装置另一种形式的局部结构。其与图1的区别是：第一密封单元中的密封环3采用常用的密封材料，其轴向两侧以嵌套方式各设置有一个大小相同的永磁材料结构体17，共同构成一组合式密封环结构体。密封环结构体中的密封环3通过轴套18与机组旋转轴15传动连接。密封环3与轴套18通过销14周向固定在一起，轴套18通过过盈配合或采用键、销、胀套等方式与机组旋转轴15的外圆柱面周向传动连接，并用卡环20实现轴套18在机组旋转轴15上的轴向固定。密封环3内孔面与轴套18外圆柱面之间设置密封圈13，轴套18内孔面与机组旋转轴15外圆柱面之间设置有密封圈19，防止轴向泄漏。第二密封单元中的密封环1和密封环12采用常用的密封材料，电磁铁结构16也均采用嵌套方式分别设置在密封环1、密封环12内，各电磁铁结构16的线圈组2分别均匀缠绕在相应电磁铁结构16的外径上。

图4是本发明非接触式机械密封装置又一种形式的局部结构。其与图3的区别是：第一密封单元中的密封环3及磁性材料17，均以嵌套方式分别设置在相应的密封环基体22的轴向两侧密封面部位处，构成另一形式的组合式密封环结构体。密封环1和相应的电磁铁结构16，以及密封环12和相应的电磁铁结构16，也分别均以嵌套方式设置在相应的密封环基体21中。

图5所示的是本发明非接触式机械密封装置的另一种结构。图中第二密封单元中纯铁材料的密封环1和密封环12均为旋转密封环，其通过轴套18同时与机组旋转轴15传动连接，密封环1和密封环12与轴套18通过紧定螺钉25和螺钉26周向固定在一起，同时螺钉25也起到防止密封环1和密封环12工作时受磁性力作用而导致的轴向移动。密封环1和密封环12内孔面与轴套18外圆柱面之间设置有动密封圈13。第一密封单元中铁磁材料的密封环3为静止密封环，其外圆柱面与端盖8腔体的内孔面配合，通过防转销23和带有轴向位移间隙的槽进行周向固定，防止密封环3转动，在密封环3与端盖8腔体的内孔面间还设置有静密封圈11。

Claims (10)

1.非接触式机械密封装置，具有可随旋转轴（15）转动的旋转密封环和与机座的固定结构相互定位的静止密封环，旋转密封环与静止密封环同轴设置，并以其轴向相对的端面为实现密封的密封面，其特征是：

a.密封环结构体分别设置于第一密封单元和第二密封单元中，第一密封单元中的密封环结构体中包括有可作轴向位移且两轴向端面均为密封面的单一密封环（3）及铁磁材料或永磁材料结构；

b.第二密封单元中包括有同轴设置在第一密封单元的密封环结构体轴向两端的各一个密封环结构体，各密封环结构体中以保持有密封间隙（h1，h2）的方式各设有一个分别与第一密封单元中的密封环（3）轴向相对的密封环（1，12）及相应的电磁铁结构，各电磁铁结构分别以间隙方式与第一密封单元中密封环结构体的铁磁材料或永磁材料结构轴向相对，各电磁铁结构的电磁线圈（2）分别与通电控制结构联接；

c.当第一和第二密封单元之一中密封环结构体的密封环为旋转密封环时，另一个密封单元中密封环结构体的密封环则为静止密封环；

d.在各密封间隙（h1，h2）两侧的密封环结构体或密封面中的至少一侧上，设置有用于检测该密封间隙间距的对应传感结构（4），各传感结构（4）分别也与所说电磁线圈（2）的通电控制结构联接。

2.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是第一密封单元中所说密封环结构体的铁磁材料包括硅钢或铁镍合金；所说的永磁材料包括钕铁硼材料或铁氧体磁性材料。

3.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是所说第一密封单元的密封环结构体为铁磁材料或永磁材料的密封环（3），或是在密封环（3）的环体中嵌置有铁磁材料或永磁材料结构体（17）形式的密封环。

4.如权利要求3所述的机械密封装置，其特征是所说第一密封单元的密封环结构体中，嵌置于密封环（3）中的铁磁材料或永磁材料的结构体（17）为以贯通密封环（3）环体轴向两端面方式设置，或是在密封环（3）环体的轴向两端以非贯通方式分别独立设置。

5.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是第一密封单元的密封环结构体为所说的密封环（3）和所说的铁磁材料或永磁材料结构分别嵌置并固定于同一密封环基体结构（22）上的形式。

6.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是所说第一密封单元的密封环结构体与旋转结构或固定结构间，经可相互配合的销（14）和带有轴向位移间隙的槽进行周向固定。

7.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是所说第二密封单元的两密封环结构体为铁磁材料体的密封环（1，12），所说的电磁线圈（2）分别缠附于两密封环（1，12）的外周面上，或分别设置于在两密封环（1，12）周面部或内部开设的环形沟槽内，或分别嵌置于该两密封环（1，12）的密封面部位处。

8.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是第二密封单元的密封环结构体中所说的该两密封环（1，12）和对应的电磁铁结构，为分别嵌置并固定于第二密封单元中对应的密封环基体结构（21）上的形式。

9.如权利要求1至8之一所述的机械密封装置，其特征是所说第一密封单元的密封环结构体中的密封环（3）为旋转密封环，该密封环结构体与旋转轴（15）或轴套（18）传动连接；第二密封单元的两密封环结构体中的密封环（1，12）均为静止密封环，分别通过其对应密封环结构体与固定连接在机座上的静止环座（5）和端盖（8）连接。

10.如权利要求1至8之一所述的机械密封装置，其特征是所说第一密封单元的密封环结构体中的密封环（3），为通过其密封环结构体的外圆柱面与固定于机座的端盖（8）内孔面定位配合的静止密封环；第二密封单元的两密封环结构体中的密封环（1，12）均为旋转密封环，分别通过其对应的密封环结构体与旋转轴（15）或轴套（18）传动连接。