CN103759010A - 用于高压往复泵的填料轴封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压往复泵的填料轴封结构，其包括连接在泵体上的轴封箱以及置于轴封箱内的柱塞，在所述轴封箱与柱塞之间、轴封箱的内外侧设置有增压活塞式和反拉式两种填料轴封组件。本发明将这两种内压式填料轴封组件串联使用，均能使填料环对柱塞的密封径向力分布与泵送介质压力的分布趋于一致，且填料环对柱塞的密封径向力随轴封箱内侧介质压力的变化而自动调节，并能自动补偿因填料环磨耗出现的密封压力下降，克服了现有外压式填料轴封结构中，填料环对柱塞的径向压力分布与介质压力的分布恰好相反的缺陷，避免外侧填料环和柱塞的过快磨损，提高了轴封可靠性。本发明特别适用于高压或超高压往复泵的轴封或高压或超高压阀门阀杆的密封。

Description

用于高压往复泵的填料轴封结构

技术领域

本发明涉及高压往复泵的轴封技术领域，特别是BDO、尿素等装置高压或超高压往复泵用的填料轴封结构，也适用于高压或超高压阀门阀杆的密封。

背景技术

填料密封是一种传统的接触式密封，因其结构简单、更換方便、成本低廉而广泛应用于各个工业部门，尤其对于往复泵柱塞的密封，是国内外普遍采用的形式。传统填料密封结构见附图1，由于填料是弹塑性体，当用填料压盖对填料环施加轴向压力后，填料变形产生径向力，使填料环贴紧柱塞和填料腔内壁。

填料密封中泵送介质的泄漏有三个途径：其一是填料环与填料腔内壁之间的缝隙，因无相对运动，只要径向力不小于介质压力，就无泄漏；其二是穿过填料环内部空隙的泄漏，可通过合理的编织方法和浸渍聚四氟乙烯+石墨粉乳液，并通过压实的方法能消除；其三是填料环与柱塞之间的缝隙，因有往复相对运动，应有合理的泄漏量，这是建立液体润滑、带走摩擦热所必需的，是延长填料环寿命的必要条件。书刊上广为流行的”为保证密封，填料对旋转轴任意一点产生的径向压力必须大于或等于该点的介质压力”观点不仅不必要，也是有害的, 会加快填料环和柱塞的磨损, 并增加功耗。

传统填料密封结构存在以下技术缺陷：

缺陷一，填料环径向压力分布很不合理：由拧紧填料压盖螺母作用在填料环上的轴向力F除以填料腔的环状面积，即为作用在填料环上的轴向压力Px(bar)，而填料环作用在柱塞上的径向压力Pr = k.Px，填料的侧压系数k小于1，其值与所用填料环材料的特性和介质压力有关。如附图2所示，由拧紧填料压盖螺母产生的填料环对柱塞的径向压力Pr和介质压力P1的分布都是按抛物线或对数曲线规律沿柱塞轴向方向变化的，径向压力Pr的分布是由外侧向内侧逐渐递减，而介质压力P1的分布则是内侧最高，从里向外递减，这两种压力的分布恰好相反，填料腔底部的介质压力P1最大，但填料环对柱塞的径向压力Pr却最小，这就是传统填料密封的最大缺陷。

缺陷二，为减小轴封的泄漏，往往要过度拧紧填料压盖螺母，因而加速了外侧填料环和柱塞的磨损，使其工作寿命缩短。

缺陷三，往复泵柱塞的密封是承受泵的排出压力，当往复泵的排出压力很高时，例如尿素装置中的高压氨泵和高压甲铵泵，泵的排出压力为200~250bar；BDO装置中的BYD进料泵，泵的排出压力为310bar左右。对于这种高压或超高压往复泵，为达到可靠的密封，填料环圈数必需很多，

软填料传递填料压盖的轴向压力将递减很多，用单个填料箱不能密封高压介质。

为克服传统填料密封的缺陷，出现了串联式双填料箱和填料腔内侧加弹簧的结构。

高压往复泵柱塞的密封现有技术采用串联式双填料箱，虽然有助于压紧内侧段的填料，但是两段填料箱仍然存在传统填料密封中两种压力分布恰好相反的缺陷，并且因高压往复泵需要的填料环圈数多，从外侧对填料环加压，压力传到内侧填料环时已衰减，因此，双填料箱结构对改善传统填料环对柱塞的径向压力分布不合理缺陷的效果有限，并且因填料箱轴向尺寸过长，造成制造精度要求高，制造成本上升。

如图3所示，为美国专利8,100,40公开的在填料腔内侧装内置弹簧，是为了克服传统填料密封结构从外侧对填料环进行加压原理上的大缺陷，有助于压紧内侧的填料，但是当填料环有磨损使其尺寸变小时，内置弹簧的轴向压力将随之减小，结构上又无法调节。而且浸在泵送介质中的弹簧选材应能耐泵送介质的腐蚀，又要有弹簧所需的高强度，兼有这两种要求的弹簧材料不易获得。由于填料环圈数少，此轴封结构也仅用在泵送介质腐蚀性不强，工作压力不高的场合。

现有技术也有采用在填料腔外侧和内侧都加内置弹簧的结构，外侧加弹簧的方式仍然存在传统填料密封中两种压力分布恰好相反的大缺陷。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种密封原理有根本性突破，能够使填料环对柱塞的密封径向力分布与泵送介质压力的分布趋于一致，且填料环对柱塞的密封径向力随轴封箱内侧介质压力的变化而自动调节的串联式双填料轴封结构。

本发明的技术方案是这样实现的：用于高压往复泵的填料轴封结构，其特征在于：包括固定连接在泵体上的轴封箱以及穿过泵体置于轴封箱内的柱塞，在所述轴封箱与柱塞之间、轴封箱的内外侧分别设置有增压活塞式填料轴封组件以及反拉式填料轴封组件；

所述增压活塞式填料轴封组件包括设置在轴封箱与柱塞之间的增压活塞、增压段填料环以及增压段液封环，所述增压活塞靠近介质压力一侧为大端面，其另一侧为小端面且与内侧的增压段填料环抵靠，外侧的增压段填料环与增压段液封环抵靠；

所述反拉式填料轴封组件包括设置在轴封箱与柱塞之间的拉紧套环、设置在拉紧套环与柱塞之间的反拉段填料环以及连接在轴封箱外侧的填料压盖，内侧的反拉段填料环抵靠在拉紧套环内侧端部台阶处，外侧的反拉段填料环抵靠在填料压盖内侧端部，在所述拉紧套环外侧端部设置有用于将拉紧套环沿其轴向向外侧拉紧从而将压力作用在轴封箱最内侧反拉段填料环上的反拉式结构，所述增压段液封环与拉紧套环之间留有间隙。

本发明所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其所述增压活塞的大、小端面积之比小于1/k，k为填料的侧压系数。

本发明所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其在所述轴封箱上设置有至少三个均匀分布在同一圆周之上的定位螺栓，所述定位螺栓一端穿过轴封箱置于增压段液封环外侧对其轴向定位。

本发明所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其在所述增压活塞的大、小端与轴封箱内壁之间分别设置有O形密封圈，在所述轴封箱上、两个O形密封圈之间设置有通大气的信号孔。

本发明所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其在多个增压段填料环之间设置有至少一个隔环，所述隔环将多个增压段填料环均匀分隔。

本发明所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其所述反拉式结构包括设置在拉紧套环外侧端部的至少三个沿其轴向均匀布置在同一圆周之上的螺柱，所述螺柱穿过填料压盖且在螺柱穿出部分上套接有弹簧，所述弹簧一端抵靠在填料压盖的外端面，其另一端抵靠于套在螺柱上的弹簧盖内侧，在所述螺柱上、弹簧盖的外侧设置有螺母，所述弹簧处于压缩状态。

本发明所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其所述拉紧套环内、外端与轴封箱之间分别设置有O形密封圈。

本发明所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其在所述拉紧套环与柱塞之间、反拉段填料环中部设置有反拉段液封环。

本发明所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其在所述增压段液封环以及反拉段液封环对应的轴封箱上分别设置有通孔，所述通孔末端的轴封箱内腔设置为环形槽，在所述增压段液封环和反拉段液封环中部均匀的设置有若干径向小孔，在所述拉紧套环上设置有与反拉段液封环对应连通的孔。

本发明通过将增压活塞式填料轴封组件与反拉式填料轴封组件串联使用，上述两种内压式轴封结构均能够使填料环对柱塞的密封径向力分布与泵送介质压力的分布趋于一致，且填料环对柱塞的密封径向力随轴封箱内侧介质压力的变化而自动调节，并能自动补偿因填料环磨耗出现的密封压力下降，无需像常规填料结构要人工定期拧紧填料压盖螺母，本发明特别适用于高压或超高压往复泵的轴封或高压或超高压阀门阀杆的密封。

附图说明

图1是传统填料密封结构的示意图。

图2是传统填料密封结构中填料环对柱塞的径向压力Pr和介质压力P1的分布图。

图3是内置弹簧的现有技术。

图4是本发明的结构示意图。

图5是本发明中填料环对柱塞的径向压力Pr和介质压力P1的分布图。

图中标记：1为泵体，2为轴封箱，3为柱塞，4为增压活塞，5为增压段填料环，6为拉紧套环，7为反拉段填料环，8为填料压盖，9为O形密封圈，10为通大气的信号孔，11为隔环，12为螺柱，13为弹簧，14为弹簧盖，15为螺母，16为间隙，17为定位螺栓，18a为增压段液封环，18b为反拉段液封环，19为通孔，20为环形槽，21为径向小孔。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图4所示，用于高压往复泵的填料轴封结构，包括固定连接在泵体1上的轴封箱2以及穿过泵体1置于轴封箱2内的柱塞3，在所述轴封箱2与柱塞3之间、轴封箱2的内外侧分别设置有增压活塞式填料轴封组件以及反拉式填料轴封组件。

其中，所述增压活塞式填料轴封组件包括设置在轴封箱2与柱塞3之间的增压活塞4、增压段填料环5以及增压段液封环18a，所述增压活塞4靠近介质压力一侧为大端面，其另一侧为小端面且与内侧的增压段填料环5抵靠，外侧的增压段填料环5与增压段液封环18a抵靠，在所述轴封箱2上设置有四个均匀分布在同一圆周之上的定位螺栓17，所述定位螺栓17一端穿过轴封箱2置于增压段液封环18a外侧对其轴向定位。

因工作压力很高，在本实施例中，增压活塞与增压段液封环之间的内侧段装六圈增压段填料环，增压段填料环采用兼有耐蚀、导热、自润滑的聚四氟乙烯加碳纤维材质，每两圈增压段填料环之间加装一圈隔环11，隔环材质为聚四氟乙烯+碳纤维+玻纤，既有自润滑性，硬度又高于增压段填料环，其作用是使增压段填料环的轴向压紧力能均匀向外传递，保证柱塞外围的径向压力能均匀分布，提高密封的可靠性。

其中，作用在增压活塞左端的轴向力F1等于介质压力P1乘以活塞大端面积:F1=P1×π/4（D1²- d1²），其中，D1为增压活塞大端端面外径，D2为增压活塞小端端面外径，d1为增压活塞内孔直径。此力传到增压活塞右端的轴向力也为F1，但填料环单位面积上的轴向力被放大为（D1²- d1²）/（D2²- d1²）倍，如果此倍数等于填料侧压系数k的倒数，则填料环作用在柱塞上的径向压力Pr就等于介质压力P1。但是，按填料环对柱塞的径向压力Pr应小于该处介质压力P1，以便有合理的介质泄漏量的原则，增压活塞大、小端面积之比应小于1/k，其中k为填料的侧压系数，其值与所用填料环材料的特性和介质压力有关。

在所述增压活塞4的大、小端与轴封箱2内壁之间分别设置有O形密封圈9，以防止介质漏到活塞大端的外侧的空腔中，使增压活塞的压力放大功能失效，在所述轴封箱2上、两个O形密封圈9之间设置有通大气的信号孔10，用以判断这两个O形圈的密封是否有泄漏。

在所述增压段液封环18a对应的轴封箱2上设置有通孔19，既可作为外供密封液的进口，也可由此引出泵工作介质返回泵进口侧的低压设备；所述通孔19末端的轴封箱2内腔设置为环形槽20，在所述增压段液封环18a中部均匀的设置有若干径向小孔21，以便从接管加进的外供密封液能在圆周上均匀进入液封环，再经过液封环上均布的径向小孔均匀进入柱塞的外围。

当往复泵的柱塞做往复运动时，轴封箱底部的介质压力波动幅度很大，采用增压活塞就能使填料环对柱塞的径向压力Pr随介质压力P1而自动变化。另外，当填料环有磨耗时，介质压力始终作用在增压活塞上，无需像常规填料轴封结构要人工定期拧紧填料压盖。轴封箱外侧装的填料压盖用于初次装填料环和液封环时，保证调节填料环和液封环的轴向位置正确。

从图5中增压活塞式填料轴封组件对应的Pr和P1的分布规律可见，沿柱塞轴向方向，增压活塞产生的填料环对柱塞的径向压力Pr在内侧最高，从里向外递减，这与介质压力P1的分布规律相近，从而克服了现有填料轴封结构的重大缺陷，大幅度减少冲洗液的外泄漏量，延长了填料环和柱塞的寿命。

由此可见，增压活塞式填料轴封组件利用增压活塞的增压功能，使介质压力作用在轴封箱最内部的填料环上，实现了沿柱塞的轴向方向，填料环对柱塞的密封径向力分布应与泵送介质压力的分布趋于一致，从而克服了现有外压式填料轴封结构中，填料环对柱塞的径向压力分布与介质压力的分布恰好相反的重大缺陷，避免了外侧填料环和柱塞的过快磨损，并提高了轴封的可靠性。而且，采用增压活塞能使填料环对柱塞的径向压力自动随介质压力而变化，并能自动补偿因填料环磨耗出现的密封压力下降，无需像常规填料结构要人工定期拧紧填料压盖。

其中，所述反拉式填料轴封组件包括设置在轴封箱2与柱塞3之间的拉紧套环6、设置在拉紧套环6与柱塞3之间的反拉段填料环7以及连接在轴封箱2外侧的填料压盖8，所述拉紧套环6内、外端与轴封箱2之间分别设置有O形密封圈9，防止泵送介质从拉紧套环与轴封箱内孔之间的缝隙出现外漏，内侧的反拉段填料环7抵靠在拉紧套环6内侧端部台阶处，外侧的反拉段填料环7抵靠在填料压盖8内侧端部，在所述拉紧套环6外侧端部设置有用于将拉紧套环6沿其轴向向外侧拉紧从而将压力作用在轴封箱2最内侧反拉段填料环7上的反拉式结构，所述反拉段液封环18b与拉紧套环6之间留有间隙16，以使泵工作介质的压力能均匀作用在拉紧套环的外端面上；所述反拉式结构包括设置在拉紧套环6外侧端部的四个沿其轴向均匀布置在同一圆周之上的螺柱12，所述螺柱12穿过填料压盖8且在螺柱12穿出部分上套接有弹簧13，所述弹簧13一端抵靠在填料压盖8的外端面，其另一端抵靠于套在螺柱12上的弹簧盖14内侧，在所述螺柱12上、弹簧盖14的外侧设置有螺母15，所述弹簧13处于压缩状态。

在所述拉紧套环6与柱塞3之间、反拉段填料环7中部设置有反拉段液封环18b，在所述反拉段液封环18b对应的轴封箱2上设置有通孔19，既可作为外供密封液的进口，也可由此引出泵工作介质返回泵进口侧的低压设备；所述通孔19末端的轴封箱2内腔设置为环形槽20，在所述反拉段液封环18b中部均匀的设置有若干径向小孔21，在所述拉紧套环6上设置有与反拉段液封环18b对应连通的孔，以便从接管加进的外供密封液能在圆周上均匀进入液封环，再经过液封环上均布的径向小孔均匀进入柱塞的外围。

从图5中反拉式填料轴封组件对应的Pr和P1的分布规律可见，沿柱塞轴向方向，填料环对柱塞的径向压力Pr在内侧最高，从里向外递减，这与介质压力P1的分布规律相近，从而克服了现有填料轴封结构的重大缺陷，大幅度减少冲洗液的外泄漏量，延长了填料环和柱塞的寿命。

由此可见，反拉式填料轴封组件利用了作用在拉紧套环内侧端部的介质压力和外置弹簧压力的双重功能，使填料环对柱塞的径向压力的分布与介质沿轴向的压力分布趋势相近，而且由于外置弹簧不接触泵送介质，可用常规弹簧材料，且弹簧压力可人工调节，有效解决了现有内置弹簧结构存在的问题。而且，采用反拉式结构能使填料环对柱塞的径向压力自动随介质压力而变化，并能自动补偿因填料环磨耗出现的密封压力下降，无需像常规填料结构要人工定期拧紧填料压盖。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.用于高压往复泵的填料轴封结构，其特征在于：包括固定连接在泵体（1）上的轴封箱（2）以及穿过泵体（1）置于轴封箱（2）内的柱塞（3），在所述轴封箱（2）与柱塞（3）之间、轴封箱（2）的内外侧分别设置有增压活塞式填料轴封组件以及反拉式填料轴封组件；

所述增压活塞式填料轴封组件包括设置在轴封箱（2）与柱塞（3）之间的增压活塞（4）、增压段填料环（5）以及增压段液封环（18a），所述增压活塞（4）靠近介质压力一侧为大端面，其另一侧为小端面且与内侧的增压段填料环（5）抵靠，外侧的增压段填料环（5）与增压段液封环（18a）抵靠；

所述反拉式填料轴封组件包括设置在轴封箱（2）与柱塞（3）之间的拉紧套环（6）、设置在拉紧套环（6）与柱塞（3）之间的反拉段填料环（7）以及连接在轴封箱（2）外侧的填料压盖（8），内侧的反拉段填料环（7）抵靠在拉紧套环（6）内侧端部台阶处，外侧的反拉段填料环（7）抵靠在填料压盖（8）内侧端部，在所述拉紧套环（6）外侧端部设置有用于将拉紧套环（6）沿其轴向向外侧拉紧从而将压力作用在轴封箱（2）最内侧反拉段填料环（7）上的反拉式结构，所述增压段液封环（18a）与拉紧套环（6）之间留有间隙（16）。

2.根据权利要求1所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其特征在于：所述增压活塞（4）的大、小端面积之比小于1/k，k为填料的侧压系数。

3.根据权利要求2所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其特征在于：在所述轴封箱（2）上设置有至少三个均匀分布在同一圆周之上的定位螺栓（17），所述定位螺栓（17）一端穿过轴封箱（2）置于增压段液封环（18a）外侧对其轴向定位。

4.根据权利要求3所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其特征在于：在所述增压活塞（4）的大、小端与轴封箱（2）内壁之间分别设置有O形密封圈（9），在所述轴封箱（2）上、两个O形密封圈（9）之间设置有通大气的信号孔（10）。

5.根据权利要求4所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其特征在于：在多个增压段填料环（5）之间设置有至少一个隔环（11），所述隔环（11）将多个增压段填料环（5）均匀分隔。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其特征在于：所述反拉式结构包括设置在拉紧套环（6）外侧端部的至少三个沿其轴向均匀布置在同一圆周之上的螺柱（12），所述螺柱（12）穿过填料压盖（8）且在螺柱（12）穿出部分上套接有弹簧（13），所述弹簧（13）一端抵靠在填料压盖（8）的外端面，其另一端抵靠于套在螺柱（12）上的弹簧盖（14）内侧，在所述螺柱（12）上、弹簧盖（14）的外侧设置有螺母（15），所述弹簧（13）处于压缩状态。

7.根据权利要求6所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其特征在于：所述拉紧套环（6）内、外端与轴封箱（2）之间分别设置有O形密封圈（9）。

8.根据权利要求7所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其特征在于：在所述拉紧套环（6）与柱塞（3）之间、反拉段填料环（7）中部设置有反拉段液封环（18b）。

9.根据权利要求8所述的用于高压往复泵的填料轴封结构，其特征在于：在所述增压段液封环（18a）以及反拉段液封环（18b）对应的轴封箱（2）上分别设置有通孔（19），所述通孔（19）末端的轴封箱（2）内腔设置为环形槽（20），在所述增压段液封环（18a）和反拉段液封环（18b）中部均匀的设置有若干径向小孔（21），在所述拉紧套环（6）上设置有与反拉段液封环（18b）对应连通的孔。

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