CN103711908B - 温度触发式非能动停车安全密封装置 - Google Patents

Abstract

温度触发式非能动停车安全密封装置，在间隙配合在旋转轴或轴套外并经防转结构定位连接于固定结构的静止密封环与旋转轴或轴套之间，设置有至少与旋转轴或轴套相邻并间隙配合有具U形轴向截面的可由温度触发变形的环槽型密封结构，其中包括有以U形面相对叠置、并在其U形截面开口部相互固定的两个线膨胀系数不等的内外结构层，其中内结构层的线膨胀系数大于外结构层。至少在环槽型密封结构的U形截面开口部设有变形后能与其所邻结构相抵触的密封结构，在U形开口与旋转轴或轴套的相邻部位处保持有允许泄漏介质在该U形腔中进出的流动间隙。该结构在停机期间能可靠实现停车密封功能，是阻止流体泄漏的有效安全屏障，在输送高温有害介质的设备上应用具有更突出的优势。

Description

温度触发式非能动停车安全密封装置

技术领域

本发明涉及一种可用于各种流体旋转设备的机械密封的停车安全密封装置，特别是一种温度触发式非能动停车安全密封装置，在机械密封系统出现故障，密封腔温度上升导致密封失效或部分功能失效，需要保护性停车并阻断泄漏时，用于阻止流体泄漏和保证安全。

背景技术

在现代工业应用中，为了减少对环境的污染以及保证生产安全，对密封的性能及可靠性要求越来越高，特别是输送高温、高压或有害介质时，尤其要求高温、有害介质不能进入下级密封腔或使其与大气完全阻隔。否则，输送高温、有毒流体设备的机械密封一旦失效，这些介质进入到二级密封腔会对二级密封能力造成损害；泄漏到大气中将对环境造成灾难性的影响。目前主要的解决方法是在机械密封外侧增加一道停车安全密封，设备正常运转时，停车安全密封处于开启状态；当系统出现某种故障，导致密封腔温度升高，机械密封失效，设备停机并立即使停车安全密封闭合。

目前，停车密封的结构型式很多，其中应用最广的是离心式停车密封、压力调节式停车密封及胀胎式停车密封等，均为能动性停车密封，但其一般都不能完全杜绝介质向外泄漏，有失去动力后停止工作的危险，无法保证绝对的安全。

发明内容

针对上述情况，本发明提供了一种温度触发式的非能动停车安全密封装置，能根据密封介质的工况状态，在正常工况条件下能使机械密封保证正常工作状态，而在出现故障导致密封部位的温度/压力异常增高时，无需外加动力即可通过自身的结构变化实现停车密封，防止在停机期间密封腔中的高温、高压、有毒等介质向大气或另外多级密封泄漏，以靠保证安全。

本发明的温度触发式非能动停车安全密封装置的基本结构，是在间隙配合在旋转轴或轴套外并经防转结构定位连接于固定结构的静止密封环与旋转轴或轴套之间，设置有至少与旋转轴或轴套相邻、并间隙配合有具U形轴向截面的可由温度触发变形的环槽型密封结构。该环槽型密封结构中，包括有以U形面相对叠置、并在其U形截面开口部相互固定的两个线膨胀系数不等的内外结构层，其中内结构层的线膨胀系数大于外结构层。所说的该线膨胀系数不等的内外结构层，可优选采用目前在自动温度控制结构中已十分成熟和常用的不同线膨胀系数双金属片/层形式的双金属环片结构形式，并可根据所输送介质的温度、压力等特点，确定所选择的相应材料种类、线胀系数差及结构参数（例如，外结构层可选择线胀系数很小的如镍铁合金等材料片；内结构层则可选择线胀系数较大的铜制或钢制材料片等）。至少在所说该环槽型密封结构的U形截面开口部，设有变形后能与其所邻结构相抵触的密封结构，如常用的密封橡胶、塑料或塑胶等具有柔韧性的密封材料/结构。在环槽型密封结构的U形开口与旋转轴或轴套的相邻部位处，还应保持有允许泄漏介质在环槽型密封结构的U形腔中进出的流动间隙（此间隙可以采用相应的结构保证，也可为在介质压力作用下由环槽型密封结构内结构层的端部变形所产生），以保持环槽型密封结构的U形腔内外压力的平衡，以及在非正常情况下能对温度、压力的变化迅速反应。

上述设置在静止密封环与旋转轴或轴套之间的该具U形轴向截面的可由温度触发变形的环槽型密封结构，根据情况和需要可以分别采用不同的方式。例如，所说的环槽型密封结构可以直接设置在与旋转轴或轴套相邻的静止密封环侧开设的适当形式的台阶孔中；或可以采用设置在与旋转轴或轴套相邻、并经连接结构固定于静止密封环和固定结构间的适当过渡结构中开设的相应形式台阶孔中的方式，或是其它适当的方式。

在上述结构基础上，为进一步提高在非正常工况下该环槽型密封结构实现密封的可靠性，所说的该环槽型密封结构中U形开口部的密封结构，可采用为还具有在所说U形开口部向开口外周面扩展的延伸覆盖结构的形式，以增大实现密封时该密封结构有更大的密封接触贴合范围。在所说该U形开口部外周面的扩展延伸覆盖结构的外周密封配合部位处还可以再进一步设置有凸起的环状密封线，无疑将更有利于提高密封的效果。

为避免上述环槽型密封结构中所说内结构层的U形腔的内表面因长时间接触所输送的高温、高压和/或有毒流体介质位受损，根据所输送流体介质的类型和/或温度、压力、腐蚀性或辐射量等毒害性质的特点，在该环槽型密封结构内结构层的U形腔内表面可按目前常规方式被覆有常用的PTFE、PEEK或乙丙橡胶等工程塑料或橡胶材料等相应材料/形式的防护结构层。在此基础上，进一步使环槽型密封结构的U形腔内表面被覆的该防护结构层，与上述在U形开口部的密封结构成为一连续的整体形式结构，是一种更为有利的优选方式。

更进一步，在上述环槽型密封结构中已为在U形开口部外周面的所说扩展延伸覆盖结构覆盖区域范围内的具有不同线膨胀系数的内外结构层中，还可设置有用于使所说的U形腔内表面被覆的防护结构层，与在U形开口部外周面的扩展延伸覆盖结构能相互贯穿融合的通孔，使其进一步相互融合成为一结构整体，对于提高上述环槽型密封结构的整体牢固性和强度将是更为理想的。

如上述，在正常工况状态下应允许有泄漏介质经所说环槽型密封结构的流动间隙进出环槽型密封结构的U形腔，其中该流动间隙采用适当形式的结构保证将是更为可靠的。为此，该流动间隙可以采用为在与旋转轴或轴套相邻的环槽型密封结构侧壁的U形开口内侧缘部（例如在环槽型密封结构中的该内结构层的端部等）设置的适当形式的间隙结构，如可以实现特定配合方式的间隙平面、沟槽等形式的结构（如在一个可供参考的具体实施例中即采用的是可以实现特定配合方式的间隙平面方式）。

可以理解，为更有利于上述环槽型密封结构在非正常况下需启动密封时，能被高温或高压泄漏介质迅速触发启动，该环槽型密封结构的置放方式，宜采用使其U形开口宜朝向密封的高温介质方向。

本发明上述温度触发式非能动停车安全密封装置的工作过程和原理是，在机械密封装置正常运行工况状态下，该停安全车密封结构的各结构部分均与旋转轴或轴套保持有足够的正常配合间隙，既保证了密封的正常运行，也使密封泄漏介质能正常流动，包括进出该停安全车密封结构中所说该环槽型密封结构中的U形腔，并保持环槽型密封结构中的U形腔内外压力的平衡。当出现故障等异常工况使介质的温度非正常升高，致使流体旋转机械保护性停机时，该环槽型密封结构中线膨胀系数较大的内结构层（如采用双金属环片结构中的内层金属环片）膨胀变形大并压迫外结构层发生变形，将环槽型密封结构的U形截面开口部的密封结构挤压后，抵触、贴合在旋转轴或轴套及所邻结构的侧壁上，实现对泄漏介质的节流；并且，继续进入环槽型密封结构的U形腔内腔的泄漏介质还同时使U形腔内的压力（或称停车密封上游压力）逐渐增高而大于U形腔外的压力（或称停车密封下游压力）。在此温度和/或压力的作用下，该环槽型密封结构上的工程塑料或橡胶等密封结构（特别是同时还设有突起的密封线时）与轴或轴套等介质泄漏部位贴合密封得更紧密，即便温度逐渐下降后，继续依靠压力的作用仍能保证可靠的停车密封不受影响。

由此可以看出，本发明上述形式的温度触发式非能动停车安全密封装置结构的结构简单、巧妙，在出现异常工况的停机期间能可靠实现停车密封功能，是阻止流体泄漏的有效安全屏障，特别是用于输送高温、高压和有害介质的设备时，能具有更突出的优势。

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。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是本发明温度触发式非能动停车安全密封装置安装状态下的一种结构示意图。

图2是图1中的环槽型密封结构的放大示意图。

图3是图1所示结构实现密封作用原理的状态示意图。

具体实施方式

图1和图2是本发明温度触发式非能动停车安全密封装置的一种形式。在图1所示的常规以轴端密封面相对的常规旋转密封环11与静止密封环8构成的机械密封装置中，旋转密封环11经传动销（或键）13与旋转轴/轴套9传动配合，其间并设有密封圈12；静止密封环8间隙配合在旋转轴/轴套9外，并经防转销等防转结构7定位连接于密封装置的端盖等固定结构1上。在静止密封环8与端盖间还经螺钉等连接结构2与固定结构（端盖）1定位连接、并同样与旋转轴/轴套9间隙配合地设置有一过渡结构5，并在其与固定结构（端盖）1和静止密封环8的配合部位处分别设置有密封圈3，6。在过渡结构5与旋转轴/轴套9相邻部位的一台阶孔中，至少与旋转轴/轴套9以在正常工况下保持有配合间隙的方式设置有具有U形轴向截面、并可由温度触发变形的环槽型密封结构4，其置放方式是使其U形开口朝向热屏外高温高压区域的方向。正常运行时，密封注入水可以阻止高温高压区域的冷却剂进入密封腔。

如图2所示，在该环槽型密封结构4中，包括有以U形面相对叠置、并在其U形截面开口部44以常规焊接或铆接等方式相互固定的两个线膨胀系数不等的双金属环片形式的内外结构层42，41，其中内金属环片结构层42的线膨胀系数大于外金属环片结构层41。在环槽型密封结构4的U形截面开口部44设有扩张变形后能与其所邻结构相抵触而实现密封的常用PTFE、PEEK或乙丙橡胶等工程塑料或橡胶材料形式的密封结构47，且密封结构47还在环槽型密封结构4的U形开口部有向外周面扩展的延伸覆盖结构49，在该扩展延伸覆盖结构49的外周密封配合部位处还设有若干环状凸起的密封线45。在环槽型密封结构4中该内结构层42的U形腔内表面上，还被覆有同样选择PTFE、PEEK或乙丙橡胶等工程塑料或橡胶材料形式防护结构层46，优选采用与密封结构47为相同的材料，并使U形腔内表面的防护结构层46与U形开口部的密封结构47成为连续形式的整体结构。在环槽型密封结构4中的被U形开口部外周面扩展延伸覆盖结构49所覆盖区域部分的内外结构层42，41中，设置有若干用于使U形腔内表面的防护结构层46与U形开口部外周面的扩展延伸覆盖结构49相互贯穿融合的贯通孔43（图中所示的是已被贯穿融合的材料所充填的状态）。在环槽型密封结构4的U形开口内侧缘部（如在内结构层42端部或其端部密封结构47的相应部位处）与旋转轴/轴套9的相邻部位处，设有能允许泄漏介质在环槽型密封结构4的U形腔中进出的流动间隙10的特定配合斜面形式的间隙结构48。

图1是在正常运转工况下，上述温度触发式非能动停车安全密封装置未被启动时的状态。图3是出现故障导致的异常工况时（如停电事故等），注入水、冷却水停止，热屏失效，高温高压区域的冷却剂泄漏进入密封腔，此时主泵停车，密封腔内的温度将不断升高。该超过正常状态的高温和/或高压泄漏介质进入该环槽型密封结构4的U形腔后，由于其内外结构层42，41的线膨胀系数不等，内结构层42被启动而产生较大的膨胀变形，并压迫外结构层41发生变形，将环槽型密封结构的U形截面开口部的密封结构47挤压后与轴/轴套9及其所邻周围结构的壁面抵触并紧密贴合，实现对泄漏的高温、高压或有毒介质的节流，阻止其流出，且通过继续进入该U形腔内腔的泄漏介质而不断增高的压力，使其进一步与轴/轴套9等部位贴合密封得更紧密，保证了可靠闭合的停车密封状态。事故处理完毕，系统卸压，温度恢复正常后，该非能动停车安全密封结构中的环槽型密封结构4即又恢复如图1所示的正常状态。

Claims (11)

1.温度触发式非能动停车安全密封装置，其特征是在间隙配合在旋转轴或轴套（9）外并经防转结构（7）定位连接于固定结构（1）的静止密封环（8）与旋转轴或轴套（9）之间，设置有至少与旋转轴或轴套（9）相邻并间隙配合有可由温度触发变形的环槽型密封结构（4），该环槽型密封结构（4）的轴向截面呈U形，其中包括有以U形面相对叠置、并在其U形截面开口部相互固定的两个线膨胀系数不等的内外结构层（42，41），其中内结构层（42）的线膨胀系数大于外结构层（41），至少在环槽型密封结构（4）的U形截面开口部设有变形后能与其所邻结构相抵触的密封结构（47），在环槽型密封结构（4）的U形开口与旋转轴或轴套（9）的相邻部位处，保持有允许泄漏介质在环槽型密封结构（4）的U形腔中进出的流动间隙（10）。

2.如权利要求1所述的温度触发式非能动停车安全密封装置，其特征是所说的在环槽型密封结构（4）U形开口部的密封结构（47）具有在所说U形开口部向开口外周面扩展的延伸覆盖结构（49）。

3.如权利要求2所述的温度触发式非能动停车安全密封装置，其特征是在所说U形开口部外周面的扩展延伸覆盖结构（49）的外周密封配合部位处设置有凸起的环状密封线（45）。

4.如权利要求1至3之一所述的温度触发式非能动停车安全密封装置，其特征是在环槽型密封结构（4）中所说内结构层（42）的U形腔内表面被覆有防护结构层（46）。

5.如权利要求4所述的温度触发式非能动停车安全密封装置，其特征是所说环槽型密封结构（4）的U形腔内表面被覆的防护结构层（46）与U形开口部的密封结构（47）为连续的整体结构。

6.如权利要求5所述的温度触发式非能动停车安全密封装置，其特征是在环槽型密封结构（4）中为在所说U形开口部外周面的扩展延伸覆盖结构（49）所覆盖区域的内外结构层（42，41）中，设置有用于使所说U形腔内表面被覆的防护结构层（46）与在U形开口部外周面的扩展延伸覆盖结构（49）相互贯穿融合的贯通孔（43）。

7.如权利要求1至3之一所述的温度触发式非能动停车安全密封装置，其特征是在环槽型密封结构（4）的U形开口部位处保持有允许泄漏介质在环槽型密封结构（4）的U形腔中进出的流动间隙（10）。

8.如权利要求7所述的温度触发式非能动停车安全密封装置，其特征是所述的流动间隙（10）由与旋转轴或轴套（9）相邻的环槽型密封结构（4）侧壁的U形开口内侧缘部设置的间隙结构（48）形成。

9.如权利要求1至3之一所述的温度触发式非能动停车安全密封装置，其特征是环槽型密封结构（4）的所说U形开口朝向密封的高温介质方向。

10.如权利要求1至3之一所述的温度触发式非能动停车安全密封装置，其特征是环槽型密封结构（4）中所说的线膨胀系数不等的内外结构层（42，41），为具有不同线膨胀系数的双金属环片层。

11.如权利要求1至3之一所述的温度触发式非能动停车安全密封装置，其特征是所说具U形轴向截面的可由温度触发变形的环槽型密封结构（4），设置在与旋转轴或轴套（9）相邻并经连接结构（2）固定于静止密封环（8）和固定结构（1）间的过渡结构（5）中的台阶孔中。