CN103644302B - 可随压力自适应变形的机械密封装置 - Google Patents

Abstract

可随压力自适应变形的机械密封装置，在旋转轴外侧分别与固定结构定位连接的静止密封环组件以及与旋转轴传动连接的旋转密封环组件，其中静止密封环与旋转密封环轴向相对设置，且在其轴向相对的端面部有可相互接触的密封面。在静止/旋转密封环中至少一个的密封面径向外侧部位的密封环体中，设有经设定宽度的轴向间隙与限位结构相配合的变形结构区。该密封装置可根据密封介质的压力情况自适应改变密封的型式。在低压情况下为常规的弹簧静止式的接触式机械密封，能有效保证密封在低压情况下的正常长寿命运行；在高压情况下，通过密封环体中变形结构区的受控变形，密封型式可自适应转化为流体静压式机械密封，以更好地承受高压，保证密封不受损坏，有效避免了灾难性的事故发生。

Description

可随压力自适应变形的机械密封装置

技术领域

本发明涉及一种机械密封装置，具体讲是一种可随压力变化而通过结构变形实现自适应改变密封型式的机械密封装置。

背景技术

在现代工业应用中，特别是在输送高温、高压或有毒、有害流体设备中，已更多地采用了由静止密封环和旋转密封环相配合实现的端面机械密封系统。该机械密封的基本结构，是在旋转轴外侧分别经防转结构和具有轴向作用力的弹簧定位设置在固定结构上的静止密封环组件，以及与旋转轴直接或间接传动连接的旋转密封环组件。其中的静止密封环与旋转密封环沿轴向相对设置，并以其轴向相对端面为可相互接触的密封面。该密封结构可以根据需要用于静止式的接触式机械密封，或用于流体静压式机械密封等不同情况。在某些工业应用中，由于对密封的性能要求很高，而密封压力的波动范围相当大，且一旦密封破坏，将造成灾难性的影响。例如，在密封正常工作的时候，密封腔内压力较低，但在特殊工况下，密封需要承受高压。如果选用常规的接触式机械密封结构很难保证正常工作，而单独选用静压式密封的话，无法保证低压情况下端面打开，造成端面斜面倾角磨损，最终导致密封参数与设计不符，无法保证密封正常运行。

发明内容

针对上述情况，本发明提供了一种可随密封压力自适应调整改变密封型式的机械密封装置，根据密封介质的压力情况，在低压时可以常规多弹簧接触式密封状态工作，在高压情况下，可自适应转化为流体静压型非接触式密封，从而保证密封在低压与高压情况下都正常工作。

本发明可随压力自适应变形的机械密封装置，具有常规机械密封装置的基本结构，即包括有在旋转轴外侧分别与静环座或密封端盖等固定结构定位连接的静止密封环组件，以及与旋转轴传动连接的旋转密封环组件，其中的静止密封环与旋转密封环沿轴向相对设置，在其轴向相对的端面部有可相互接触的密封面。其中，在静止密封环和旋转密封环中至少一个的密封面径向外侧部位的密封环体中，设有经设定宽度的轴向间隙与限位结构相配合的变形结构区，即所说的该变形结构区既可以分别单独设置在静止密封环或旋转密封环的环体上，也可以同时设置在静止密封环和旋转密封环的环体上。

本发明上述机械密封装置的工作过程和原理是，在密封介质的压力低于设定值时，密封环在介质压力、密封端面的液膜反力的共同作用下，可使静止密封环与旋转密封环间的密封端面保持为相互接触贴合的常规多弹簧、静止式的接触式机械密封型式；随着密封介质压力的升高，密封环体上的该变形结构区会逐渐发生轻微的微观变形，当压力增大至达到设定值后，密封环体上的该变形结构区所发生的变形，可使密封端面间产生一种由外向内呈径向收敛型的锥形间隙。当该锥形间隙达到一定程度，其间的液膜即可产生明显的流体静压效应，密封型式即由低压时的接触式转化为高压状态下的非接触式密封。密封环体上该变形结构区的变形程度随密封压力的升高而增大到该变形结构区与相应的限位结构相抵触时，即限制了其进一步的变形，从而实现对两密封环密封面间该收敛间隙的有效控制，保证了密封端面间流体静压型非接触式密封的可靠性。经实验，上述装置中所说的设定宽度的轴向间隙的具体宽度值，根据实际情况一般可在≤1mm的范围中选择，以保证流体静压式机械密封的有效性和可靠性。

由于密封环体上的该变形结构区在随密封压力的增高而发生倾斜变形时，会对所说该设定宽度的轴向间隙进行挤压，为使该变形结构区轴向两侧的压力能保持平衡，必要时还可以在该变形结构区与限位结构之间的轴向间隙与允许的密封泄漏区之间设有相应的连通通道，以达到防止在该间隙中形成封闭的局部高压空间，保证密封的正常工作。

在上述轴向间隙与密封泄漏区之间设置连通通道时，一般至少可设置一个。根据需要也可以为沿圆周等间距分布设置的两个或多个。

对于具体的结构设置方式，上述结构中所说密封面的径向外侧部位密封环体中的变形结构区与所说的限位结构，可以采用将其同时设置在同一个静止密封环和/或旋转密封环的环体上、并经所说该设定宽度的轴向间隙轴向相对的整体型结构，也可以采用使所说密封环体中的该变形结构区与所说的限位结构，经所说该设定宽度的轴向间隙，以轴向相对方式分别设置在密封环体和包括用于设置该密封环体的定位连接结构在内的其它结构上的分体型的结构。

相对于旋转轴而言，由于静止密封环是非旋转运动的静止部件，旋转密封环则是须随旋转轴同步转动的运动部件，因此在旋转密封环体上设置所说的该变形结构区，其结构一般相对会复杂些。特别是将所说的限位结构采用与旋转密封环采用分体型结构设置时，优选的方式之一，是在将所说该变形结构区设在旋转密封环上，经设定宽度的轴向间隙与之轴向相对的限位结构，设置在可与旋转轴或能随旋转轴同步旋转的轴套作传动连接的旋转密封环座上，或是由该旋转密封环座直接同时兼做为限位结构。进一步，还可以使该旋转密封环座的限位结构与旋转密封环间经配合有联接杆和具张紧力的弹簧的连接套，以保持恒定、并可自适应调节的轴向张紧力的方式相互连接，在实现对该旋转密封环变形结构区及密封端面倾斜变形量的控制的同时，还可以能自行调整与旋转密封环座间的联接力，不会对密封端面的变形产生影响。

此外，采用上述分体型结构，将变形结构区设置在旋转密封环环体上和以该旋转密封环座形式的限位结构时，可采用适当的方式使旋转密封环座与旋转轴或与随旋转轴同步旋转的轴套相互定位锁紧，以防止工作时其轴向位移或窜动。一种优选方式，是可采用锁紧环使旋转密封环座与旋转轴或能随旋转轴同步旋转的轴套相互锁紧定位。

本发明上述密封装置中所说的各密封环体，都可以采用整体结构的硬质合金环形式，或是采用在金属环体的密封端面部位喷涂或堆焊如硬质合金、Cr₃C₂等硬质耐磨材料的结构形式。

可以理解，本发明上述结构形式的机械密封装置，能根据密封介质的压力情况自适应调节和改变为能与该密封压力项适应的密封型式。在低介质压力的情况下，其可以为常规的弹簧静止式的接触式机械密封，并能有效保证密封在低压情况下的正常长寿命运行；在高介质压力的情况下，通过密封环体中该变形结构区的受控变形，密封型式可以自适应地转化为流体静压式机械密封，以更好地承受高压，保证密封不受损坏，有效避免了灾难性的事故发生。

以下结合附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。实施例中虽都是以将所说该变形结构区设置在旋转密封环体上的方式进行的说明，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是本发明的一种可随压力自适应变形的机械密封装置的结构示意图。

图2是本发明另一种可随压力自适应变形的机械密封装置的结构示意图。

图3是图1中旋转密封环体上变形结构区局部放大结构的示意图。

具体实施方式

图1所示的本发明可随压力自适应变形的机械密封装置中，具有与目前的常规机械密封装置一致的基本结构，包括在旋转轴1外侧分别经防转销13、沿圆周等间距设置的若干弹簧12及在配合部位设置的O形密封圈11，与静环座或密封端盖等固定结构22定位连接的静止密封环10组件，以及与旋转轴1保持传动连接的旋转密封环8组件，其中的静止密封环10与旋转密封环8沿轴向相对设置，在其轴向相对的端面部有可相互接触的密封面20。旋转密封环8经传动销6与旋转密封环座5传动连接；旋转密封环座5在经传动销3与随旋转轴1同步转动的轴套9传动连接的同时，并经锁紧环2与轴套9定位锁紧，防止其作轴向位移或窜动。在旋转密封环座5与轴套9和旋转密封环8的配合部位分别相应设置有O形密封圈4和密封圈7。在位于旋转密封环8密封面20径向外侧的密封环体部位，为经设定宽度的轴向间隙18（宽度值可在≤1mm的范围内选择）与同时作为限位结构的该旋转密封环座5相配合的变形结构区21。当密封介质的压力增高到超过设定值后，旋转密封环上的变形结构区21受到密封腔压力P的作用即可产生向轴向间隙18方向的倾斜变形，直至其外周挤压该轴向间隙18到与旋转密封环座5相抵触，即达到预设的变形终点位置而停止，因此该旋转密封环座5即同时起到限制变形范围的限位结构作用。旋转密封环上该变形结构区21的倾斜变形，可使两密封环的密封端面间产生一种由外向内呈径向收敛型的锥形间隙，达到一定程度后，此时其间的液膜即可产生明显的流体静压效应，密封型式即由低压状态下的接触式机械密封，自适应地转化为非接触式的流体静压式机械密封，以更好地承受高压，保证密封不受损坏，从而有效避免了灾难性事故的发生。

为避免旋转密封环上的变形结构区21在密封腔压力P作用下产生变形时对该轴向间隙18的区域产生的挤压，使该间隙部位形成局部的封闭高压空间，在该变形结构区21与限位结构5之间的轴向间隙18与密封泄漏区之间可设有一个，或是沿圆周等间距分布的两个或更多个相应的连通通道19。图3是上述旋转密封环体上的该变形结构区21与同时作为限位结构的旋转密封环座5间的轴向间隙18及所说的连通通道19部位的局部放大状态。

图1所示的是旋转密封环8上的变形结构区21与相应的限位结构采用的是分别设置在旋转密封环体8上和同时由旋转密封环座5兼做的分体型结构时的一种形式。该限位结构还可以采用为同时都设置在该旋转密封环体的径向外侧部位，并经所说该设定宽度的轴向间隙18轴向相对的整体型结构。

图2是在图1基础上的另一种可随压力自适应变形的机械密封装置的结构形式。与图1结构的差别在于，旋转密封环座形式的限位结构5与旋转密封环8间，经联接杆16和连接套17连接，在联接杆16上套置有具张紧力的弹簧（如压缩弹簧等）15，利用张紧弹簧15通过联接杆16施加在压紧套17和旋转密封环座5之间恒定的张紧力，将旋转密封环8装在旋转密封环座5上，并通过设定该张紧弹簧15产生适当的联接力，保证动环座与压紧套之间具有可自适应调节的联接力，不会影响动环端面的变形。在连接套17与旋转密封环8的配合部位间并设有O形密封圈14。

上述结构中的静止密封环和旋转密封环，可以独立地选择采用整体结构的硬质合金环，或是采用金属环体，并在密封端面部位喷涂或堆焊如硬质合金或Cr3C2等常用硬质耐磨材料的结构形式。

图1~图3所示的虽都是将所说密封环体上的变形结构区21设置在旋转密封环8上的结构形式，但该变形结构区21采用类似的方式同样可以设置在静止密封环10的对应部位上，或采用在静止密封环10和旋转密封环8的环体对应部位分别同时都设有该变形结构区21等形式，以适应和满足在不同工况环境下的使用需要。

Claims (8)

1.可随压力自适应变形的机械密封装置，包括在旋转轴（1）外侧分别与固定结构（22）定位连接的静止密封环（10）组件以及与旋转轴（1）传动连接的旋转密封环（8）组件，其中的静止密封环（10）与旋转密封环（8）沿轴向相对设置，在其轴向相对的端面部有可相互接触的密封面（20），其特征是静止密封环（10）和旋转密封环（8）中至少一个的密封面（20）径向外侧部位的密封环体中，设有经宽度≤1mm的轴向间隙（18）与限位结构（5）相配合的变形结构区（21），并在变形结构区（21）与限位结构（5）之间的轴向间隙（18）与密封泄漏区之间设有连通通道（19）。

2.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是所说的轴向间隙（18）与密封泄漏区之间的连通通道（19）为沿圆周等间距分布的两个或多个。

3.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是所说密封面（20）径向外侧部位密封环体中的变形结构区（21）与所说的限位结构（5），为设置在同一密封环体上并经所说该轴向间隙（18）轴向相对的整体型结构。

4.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是所说密封面（20）径向外侧部位密封环体中的变形结构区（21）与所说的限位结构（5），为经所说该轴向间隙（18）以轴向相对方式分别设置在密封环体和该密封环体的定位连接结构上的分体型结构。

5.如权利要求4所述的机械密封装置，其特征是所说的变形结构区（21）设在旋转密封环（8）上，经所说设定宽度的轴向间隙（18）与之轴向相对设置的限位结构（5），为与旋转轴（1）或与能随旋转轴同步旋转的轴套（9）经传动结构（3）连接的旋转密封环座。

6.如权利要求5所述的机械密封装置，其特征是所说旋转密封环座形式的限位结构（5）与旋转密封环（8）间经配合有联接杆（16）和张紧弹簧（15）的连接套（17）以可自适应调节轴向压紧力的方式相互连接。

7.如权利要求5所述的机械密封装置，其特征是所说旋转密封环座形式的限位结构（5）经锁紧环（2）使其与旋转轴（1）或能随旋转轴同步旋转的轴套（9）作防止轴向位移的锁紧定位。

8.如权利要求1至7之一所述的机械密封装置，其特征是所说的密封环体为整体结构的硬质合金环，或在金属环体的密封端面部位喷涂或堆焊硬质耐磨材料的结构形式。