CN103836196B - 一种转速自适应智能型流体动压式机械密封装置 - Google Patents
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Abstract
一种转速自适应智能型流体动压式机械密封装置，设置于旋转机械的转轴与机壳之间，静环座与机壳固定，静环套装在静环座内，二者之间安装有副密封O形圈与弹簧，防转销分别插入静环座与静环，动环固定在转轴上，动环的侧面开有压力控制腔，压力控制腔内安放有压力控制塞，压力控制腔靠近动环外径的一端通过孔道与密封高压区联通。本发明能够在密封低转速运行时，通过导流孔道加强密封端面间流体静压效应，减少密封磨损。并在密封处于正常工作转速时，利用控制塞随轴转动的离心力自动终止上述调控行为，避免过大的流体泄漏率，实现密封端面的外加静压作用随转速的自动调整，无需外部控制。
Description
技术领域
本发明属于密封机械领域，具体涉及一种转速自适应智能型流体动压式机械密封装置，可以减少低速过程中的磨损并防止高速时泄漏率过大。
背景技术
密封在机械设备中具有十分重要的地位。密封的性能发挥与正常运行，关系到机械设备能否正常运转。一旦密封性能下降甚至失效，可能导致工作介质或是润滑液的泄漏量增加，轻则影响设备的工作性能，重则产生显著的摩擦磨损，使设备寿命缩短乃至发生损坏。对于密封介质为有毒有害或易燃易爆等危险物质，还可能导致危及人身、设备安全的事故，带来无法挽回的损失。因此，提高密封的性能的同时，尽可能延长密封使用寿命的机理研究与技术开发，是当前密封研究领域的重点之一。
流体动压式机械密封是一种非接触式动密封，一般用作旋转机械的轴端密封。其工作原理为在平行的两密封环之间的液体或气体工作介质，由于流体静压与动压效应，在密封环之间形成具有一定刚度的液体或气体薄膜，使密封面之间可以非接触运转。同时由于膜厚很小，可以限制流体泄漏，起到密封的作用。但是，当流体动压式机械密封在低转速下运行时，如设备启动和停止过程中，由于动压效应不够大，滑动的密封端面之间可能发生相互接触。以启动过程为例，转速由零逐渐增大，流体动压效应是逐渐增强的，在转速达到某一临界值之前，流体膜自身产生的开启力不足以平衡全部闭合力，因此密封端面间处于存在固体直接接触的混合摩擦状态。在这样的低转速过程中发生的密封端面间接触摩擦，对密封性能存在严重的影响：使密封端面产生较大的力、热变形，影响密封的工作性能；可能在端面产生表面划痕，导致密封泄漏量增大；磨损的累积对端面结构造成破坏，进而降低密封的使用寿命。
为了减少流体动压式机械密封在低速运行过程中发生的摩擦磨损，主要采取尽可能减少低速运行的持续时间或者增强密封端面的静压效应等措施。
对于上述措施中的后者，即静压增强型的流体动压式机械密封，现有的方法是在密封环端面间引入外部的高压流体，并通过主动控制改变流体压力以适应不同的工况。但上述措施除需对密封结构进行特殊设计之外，还需额外布置加压的供气或供液设备及控制系统，具有结构复杂、成本高、需外部控制等缺点。如果不进行主动控制，保持外部供气或供液压力不变，虽然在低速阶段可以减轻摩擦磨损，但在转速达到的额定转速后，易出现膜厚过大、泄漏过多的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种转速自适应智能型流体动压式机械密封装置，能够在较少改动机械密封原有结构设计的情况下，直接利用密封腔的压力向密封端面提供静压，依靠随动环转速变化的离心力，自动控制密封端面的静压效应，从而在低速时减少密封环磨损且在高速时避免过多的泄漏。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种转速自适应智能型流体动压式机械密封装置，设置于旋转机械的转轴7与机壳之间，包括静环座9，静环座9与机壳固定，转轴7从静环座9构成的腔体中同轴穿过，静环3套装在静环座9内，二者之间安装有副密封O形圈5与弹簧4，防转销8分别插入静环座9与静环3，动环1通过轴套6与轴肩固定在转轴7上，密封静环3与动环1的端面平行并相对转动。
动环1内部沿周向分布着若干压力控制腔体10，压力控制腔体10内通过孔道11与动环1端面连通，压力控制腔体10内靠近动环1外径一侧的腔壁上开有孔道11，孔道11与密封工作的高压端连通，压力控制腔体10中安放有压力控制塞2，压力控制塞2在压力控制腔体10内具有沿密封环径向移动的空间，当运动到压力控制腔体10靠近动环1外径一侧时，能够完全封闭前述与密封高压端联通的孔道11。
所述的动环1内的压力控制腔2根据需求设置为单个或多个。
所述的压力控制塞2为球形，柱形或楔形柱。
所述的动环1的端面上开的导流孔数量是单个或多个。
所述的动环1的端面上导流孔处于端面的任意位置，包括开槽的槽区，坝区或是堰区；或者环形槽内。
本发明可以根据机械密封工作转速自动调节密封端面间的流体静压，控制密封的开启状态，减少密封端面的磨损。
附图说明
图1为本发明的实施例1的结构示意图。
图2为本发明的实施例2的结构示意图。
图3为本发明的实施例3的结构示意图。
图4为本发明的实施例4的结构示意图。
图5为在动环端面开导流孔的实施例一。
图6为在动环端面开导流孔的实施例二。
图7为在动环端面开导流孔的实施例三。
图8为在动环端面开导流孔的实施例四。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例一
参照图1与图4，一种转速自适应智能型流体动压式机械密封装置，设置于旋转机械的转轴7与机壳之间，包括静环座9，静环座9与机壳固定，转轴7从静环座9构成的腔体中同轴地穿过，静环3套装在静环座9内，二者之间安装有副密封O形圈5与弹簧4，防转销8分别插入静环座9与静环3，防止静环3转动，动环1通过轴套6与轴肩固定在转轴7上，随转轴一起转动，密封静环3与动环1的端面平行并相对转动。
动环1内部沿周向分布着若干压力控制腔体10，压力控制腔体10内通过孔道11与动环1端面连通，压力控制腔体10内靠近动环1外径一侧的腔壁上开有孔道11，孔道11与密封工作的高压端连通，压力控制腔体10中安放有压力控制塞2，压力控制塞2在压力控制腔体10内具有沿密封环径向移动的空间，当运动到压力控制腔体10靠近动环1外径一侧时，能够完全封闭前述与密封高压端联通的孔道11。
导流孔开孔位置与布置方式，根据机械密封的工作环境和性能要求，可以选择动环端面不同区域，参照图5、图6、图7、图8。
本发明的工作原理为：动环内的压力控制腔10通过导流孔道11，将机械密封的高压区域与密封端面间区域连通，结合孔道11和其他流道的节流效应，使密封端面间流体静压效应增强。当密封在低转速下运行而流体动压效应较弱时，通过上述的额外引入静压给予开启力一定补偿，使静环3可以在更低的转速下开启，脱离接触摩擦阶段，从而减少密封环的磨损。通过在动环1周向设置多个上述压力控制腔，使端面各处压力分布均匀。在动环端面合理设置导流孔的数量与布置方式，可以有效增强上述较少磨损的效果。
腔体中的压力控制塞2为球形塞。当转速较低时，压力控制塞2的离心力小于内外压差对其产生的力，因此压力控制塞2不会阻断上述引入流体静压的流体流动，但会对流动造成一定的流阻，形成一定的节流作用。当转速升高至超过某一临界值时，控制塞2的离心力将大于压差作用在其上的力，压力控制塞2将完全封堵住腔盖1的通流孔，密封端面间不再与高压区联通，外加的静压效应完全消失，密封将完全依靠端面槽型结构自身产生的动压和静压效应工作，防止膜厚过大、泄漏过多。上述过程实现了在低转速下引入静压使密封提前开启以减少磨损，进入正常工作转速后停止引入静压以减小泄漏的功能，并且这一功能完全由转速自动调节，不需外部控制，具有转速自适应的智能型功能。在密封停机减速过程以及各种变速过程中，相同的原理也使低速时密封端面磨损减少且高速时避免泄漏过多。
实施例二
本实施例与实施例一的基本结构相同，区别在于压力控制腔2中的结构，本例中压力控制塞2为带有楔形头的柱形塞或锥形塞，如图2所示。
实施例三
本实施例中的密封由面对面对置的两套密封组成，每一套密封的基本结构与实施例一中的单级密封相同。两者共用一个动环1，动环1的两个端面上分别开有与压力控制腔联通的导流孔，分别与两套密封的静环3配对。
实施例四
本实施例与实施例二的基本结构相同，区别在于实施例一的密封是内流式密封，高压区位于密封外径处，流体流动方向指向内径方向，压力控制腔与高压区联通的孔道开向动环1外径处。而实施例四的密封为外流式密封，高压区位于密封内径处，流体流动方向指向外径方向，压力控制腔与高压区联通的孔道开向动环1内径处。
实施本发明的密封总体布局可以是多种形式的：单密封、面对面式的双密封、背靠背式的双密封、两级串联密封、三级串联密封、双密封与单密封相组合或单密封与两级串联密封相组合的密封等。
实施本发明的密封端面结构可以是多种形式的：端面开有深槽、端面开有浅槽以及激光表面织构等。深槽的形式包括直线形、半圆形、月牙形、矩形及其他各种形式的深槽。浅槽的形式包括螺旋形、直线形、V形、圆弧形、T形及其他各种形式的浅槽。激光表面织构的形式包括圆形孔、矩形孔、三角形孔以及其他各种形式的织构孔。
Claims (3)
1.一种转速自适应智能型流体动压式机械密封装置，设置于旋转机械的转轴(7)与机壳之间，其特征在于，包括静环座(9)，静环座(9)与机壳固定，转轴(7)从静环座(9)构成的腔体中同轴地穿过，静环(3)套装在静环座(9)内，二者之间安装有副密封O形圈(5)与弹簧(4)，防转销(8)分别插入静环座(9)与静环(3)，动环(1)通过轴套(6)与轴肩固定在转轴(7)上，密封静环(3)与动环(1)的端面平行并相对转动；
动环(1)内部沿周向分布着若干压力控制腔体(10)，压力控制腔体(10)内通过孔道(11)与动环(1)端面连通，压力控制腔体(10)内靠近动环(1)外径一侧的腔壁上开有孔道(11)，孔道(11)与密封工作的高压端连通，压力控制腔体(10)中安放有压力控制塞(2)，压力控制塞(2)在压力控制腔体(10)内具有沿密封环径向移动的空间；
所述的动环(1)内的压力控制塞(2)根据需求设置为单个或多个；
所述的压力控制塞(2)为球形，柱形或楔形柱。
2.根据权利要求1所述的一种转速自适应智能型流体动压式机械密封装置，其特征在于，所述的动环(1)的端面上开的导流孔数量是单个或多个。
3.根据权利要求1所述的一种转速自适应智能型流体动压式机械密封装置，其特征在于，所述的动环(1)的端面上导流孔处于端面的任意位置，包括开槽的槽区，坝区或是堰区。
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