CN103711912A - 一种闭环控制式磁力悬浮流体动密封装置 - Google Patents

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Abstract

一种闭环控制式磁力悬浮流体动密封装置，针对现有流体机械用机械密封存在的变流体压力、变转速等变工况下运行状态不稳定，因密封端面间距离突变而导致失效的现象，将磁力悬浮原理应用到机械密封中，采用电磁力代替流体动静压力产生密封端面间间隙。进而利用密封端面距离传感器、信号处理器、控制器和可调直流电源，采用密封端面间距离的测量值作为反馈量，通过调节通入电磁铁的电流大小实现密封端面间距离的调节。整套装置具有低磨损、长寿命、稳定性强、可靠性高等优点，可应用于工况变化频繁的流体机械旋转轴轴端密封。

Description

一种闭环控制式磁力悬浮流体动密封装置
技术领域
本发明涉及一种流体动密封装置，特别涉及一种闭环控制式磁力悬浮流体动密封装置，适用于旋转式流体机械轴封。
技术背景
在石油化工、油气集输、化工（包括煤化工、盐化工、精细化工等）、电力、冶金、航空航天等工业领域存在数量巨大的旋转式流体机械，如离心泵、离心式压缩机等。其旋转轴密封采用填料密封、普通接触式机械密封和非接触式流体静压或动压密封等形式，取得了良好的密封效果，为工业装置的安全稳定运行提供了良好的保障。
但是，随着科学技术的迅猛发展，过程工艺越来越复杂，节能减排措施的深入开展也使工业装置日趋大型化，因而对流体机械高参数、变工况条件下的运行要求越来越高。然而，现有的填料密封和机械密封产品中并没有引入良好的主动控制技术，密封适应流体机械变转速、变压力运行的能力较差，极易造成密封失效，严重威胁装置的正常生产和人身财产安全。
专利文献CN101769379A——《有源型自适应控制机械密封装置及控制方法》利用系统介质及其压力差作为控制源，通过改变静环后空心波纹管内介质气、液组分含量，调节端面比载荷与端面温度，进而实现自适应控制机械密封装置；专利文献CN103016736A——《液/气压控制的机械密封装置》通过控制和调节通入压力流体的方式，实现机械密封端面比压的外部可调及密封性能可控；专利文献CN102128272A——《可控机械密封装置》基于密封介质与泄漏介质的压力差以及泄漏介质的流量作为反馈量，通过调节阀门开度实现密封端面间间隙的调节。这三种及与其相似的其它机械密封运行状态主动调控系统均以密封介质或者外部流体的压力改变来实现密封运行状态的调控，控制系统明显具有滞后性。
本发明采用电磁力代替流体动静压力产生密封端面间间隙，进而利用密封端面间距离的测量值作为反馈量，通过调节通入电磁铁的电流大小实现密封端面间距离的调节，使密封始终处于良好的稳定状态，具有低磨损、长寿命、稳定性强、可靠性高等优点，可应用于工况变化频繁的流体机械旋转轴轴端密封。
发明内容
为了更好地阐述本发明内容，首先回顾公知的机械密封基本原理和结构。
如图1所示，动环（10）、推环（13）、弹簧（14）安装在动环座（2）内部，动环（10）和动环座（2）间通过卡环（11）实现周向定位，动环（10）可以实现沿动环座（2）的轴向移动。动环座（2）通过紧定螺钉（3）固定在轴上，可以实现跟随轴（7）的转动。静环（9）通过防转销（8）连接在压盖（6）上。动环（10）与轴（7）之间、静环（9）与压盖（6）之间、密封腔体（1）与压盖（6）之间均通过设置O形圈（4、5、12）实现密封。在机械密封工作时，由动环座（2）、弹簧（14）、推环（13）、静环O形圈（5）、动环（10）、卡环（11）构成的动环组件可跟随轴（7）一起相对静环（9）转动，动环（10）和静环（9）之间通过紧密接触（接触式机械密封）或者形成微米级间隙（非接触式机械密封）实现密封腔内带压流体的密封。
如图2所示，本发明将磁力悬浮原理应用到机械密封中，结合衔铁（15）、电磁铁（16）、密封端面距离传感器（17）、信号处理器（18）、控制器（19）、可调直流电源（20），构成了闭环控制式磁力悬浮流体动密封装置，整套密封装置可实现密封端面间间隙即使在密封运行工况发生变化的情况下仍稳定处于设定值。
为达到此目的，本发明采取以下技术方案：
结合图1和图2，一种闭环控制式磁力悬浮流体动密封装置由衔铁（15）、电磁铁（16）、密封端面距离传感器（17）、信号处理器（18）、控制器（19）、可调直流电源（20）及机械密封零部件（1-14）组成；所述电磁铁（16）和衔铁（15）分别放置于静环（9）和动环（10）内部，并且电磁铁（16）和衔铁（15）的位置可以互换；所述电磁铁（16）和衔铁（15）的数量都可以为一个或者是多个；所述密封端面距离传感器（17）位于动环（10）或者是静环（9）的底部，用于测量动环（10）与静环（9）端面间的距离；所述密封端面距离传感器（17）可以为一个或者是多个；所述密封端面距离传感器（17）与信号处理器（18）通过信号线相连接；所述的信号处理器（18）与控制器（19）通过信号线相连接，将信号处理器（18）运算得到的密封端面间距离传送给控制器（19）；所述控制器（19）通过信号线与可调直流电源（20）相连接，以控制电源发出的电流大小；所述控制器（19）可以为PC机、PLC或者单片机等具有独立运算能力的装置；所述可调直流电源（20）用导线和电磁铁（16）相连接。
本发明对比已有技术具有以下创新点：
1.将磁力悬浮原理引入到机械密封中，利用电磁力的可控性实现机械密封运行状态的控制；
2.直接测量密封端面间距离，并以其为反馈量实现密封端面间距离的调节。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1.超低磨损：将磁力悬浮引入流体动密封装置中，使密封装置动静环端面间产生间隙，降低及消除端面间的固体摩擦磨损，摩擦能量损耗大大减小；
2.超长寿命：摩擦损耗减小导致端面间产热量降低，动静环热应力大大减少，避免了的热裂、热疲劳现象的发生，密封寿命大大延长；端面间可实现零接触，理论寿命可以达到无限长；
3.超高可靠性：磁力悬浮流体动密封装置中的闭环控制系统可以和现有的流体机械状态监测和故障诊断系统相结合，进一步提高密封装置和整个机组的安全和可靠性；
4.超强的动态稳定性（可控性）：根据自动控制原理，构建磁力悬浮密封装置闭环智能控制系统以使端面间间隙处于稳定状态，避免了密封端面间由于主机开停机及变工况条件下密封端面间的瞬时接触，具有良好的动态稳定性。
附图说明
图1为现有机械密封基本原理与结构图
图2为本发明简单原理图
图3为本发明具体实施例图
图4为密封端面间距离放大示意图
图5为本发明具体实施例的控制框图
图中：
1-密封腔体  2-动环座  3-紧定螺钉  4-密封腔体O形圈  5-静环O形圈  6-压盖  7-轴8-防转销  9-静环  10-动环  11-卡环  12-动环O形圈  13-推环  14-弹簧
15-衔铁  16-电磁铁  17-密封端面距离传感器  18-信号处理器  19-控制器  20-可调直流电源
△h-密封端面距离设定值与测量值间的差值  I-可调直流电源输出的电流  F-电磁铁产生的电磁力  h1-密封端面距离测量值
具体实施方式
以实验室条件下基于单片机的单级闭环控制式磁力悬浮流体动密封装置为例，对该发明进行具体实施。
如图3所示，基于单片机的单级闭环控制式磁力悬浮流体动密封装置包括常规机械密封零部件（1-14）、衔铁（15）、电磁铁（16）、密封端面距离传感器（17）、信号处理器（18）、控制器（19）、可调直流电源（20）。
四块衔铁（15）沿周向均匀布置于动环（10）内部，在静环（9）内部均匀布置四个电磁铁（16）。衔铁（15）为电磁性材料，且其与静环（9）内的通电电磁铁（16）间产生相互排斥力，以使密封运行时动静环在电磁力、弹簧力和端面间流体作用力的作用下产生密封间隙。密封端面距离传感器（17）采用周向均布的两个电涡流位移传感器，并且安装于静环（9）的背侧，进行密封端面间间隙的测量。信号处理器（18）包括信号调理和信号处理两部分功能，控制器（19）采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机。MC9S12XS128单片机接收信号处理器（18）运算得到的密封端面间距离h1，如图4所示，经与预设定的密封端面间距离h0差值运算得到控制输入参数△h，采用PID控制算法运算得出输出调节信号。输出调节信号驱动可调直流电源（20）输出对应的直流电流I，直流电流I通过改变电磁铁（16）产生的电磁力F，使动环在电磁力、弹簧力和端面间流体作用力的作用下重新达到平衡状态并且使密封端面间间隙处于初始设定的间隙值h0。具体的控制框图如图4所示。
整套密封装置可实现密封端面间间隙即使在密封运行工况发生变化的情况下仍稳定处于设定值，可应用于工况变化频繁的流体机械旋转轴轴端密封，具有低磨损、长寿命、稳定性强、可靠性高等优点。
为了更清楚地描述核心问题，以上技术描述中均只涉及单级密封结构，而在实际使用过程中，密封总体布局根据需要可有多种形式如：双端面密封、串联式密封(两级以上)、串联带中间迷宫(两级以上)，还可跟浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封形式组成组合式密封。
此外，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种闭环控制式磁力悬浮流体动密封装置由电衔铁、磁铁、密封端面距离传感器、信号处理器、控制器、可调直流电源及机械密封零部件组成。
2.根据权利要求1所述的电磁铁和衔铁分别放置于静环和动环内部，并且电磁铁和衔铁的位置可以互换。
3.根据权利要求1或2所述的电磁铁和衔铁的数量都可以为一个或者是多个。
4.根据权利要求1所述的密封端面距离传感器位于动环或者是静环的底部，用于测量动环与静环端面间的距离。
5.根据权利要求1或4所述的密封端面距离传感器可以为一个或者是多个。
6.根据权利要求1所述的控制器通过信号线与可调直流电源相连接，以控制电源发出的电流大小。
7.根据权利要求1所述的控制器可以为PC机、PLC或者单片机等其他具有独立运算能力的装置。
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