CN104896104B - 一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置 - Google Patents

一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置 Download PDF

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Abstract

一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，包括动环轴向定位环、密封端盖、动环座、活塞、工作弹簧、活塞限位环、推环、静环、动环和密封腔体，所述动环固定于动环座上并随轴转动，所述静环安装于密封端盖上；所述的密封端盖内设有活塞腔；所述密封端盖上开设有外供气通道，并与活塞一侧的活塞腔相通；活塞的另一侧与静环之间设有工作弹簧，所述活塞沿活塞腔轴向移动以改变工作弹簧的压缩量；活塞的另一侧暴露在密封腔体中，密封腔体连通缓冲气通道。通过调节外供气压力可调节工作弹簧的压缩量，进而实现对密封闭合力的在线调节。

Description

一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置
技术领域
本发明涉及一种旋转机械的轴端密封，具体涉及一种密封闭合力在线可调的气体润滑机械密封，可用于各种压缩机、风机和离心泵等中高速旋转机械的轴端密封。
背景技术
气体润滑非接触式机械密封(又称“干气密封”)因其摩擦功耗低，性能稳定可靠，辅助系统简单，使用寿命长等显著的性能优势，而在离心压缩机、风机、离心泵等中高速旋转机械上获得广泛应用。干气密封通过在密封端面上开设各种形状的流体动静压型槽，当动环旋转时，利用型槽的动静压效应将气体介质泵入密封端面产生一定的开启力而推开端面，两密封端面间形成一层微米级厚度的气膜而保持非接触运行。但在密封启动和停车时，因两密封端面间相对转速较低，不足以产生足够的流体动压，可能导致密封端面发生直接的接触磨损。干气密封端面在启停阶段的这种接触摩擦磨损会导致密封端面温升过高，或使端面划伤而影响密封性能；而在中高速运行阶段，由于流体动压型槽所产生的流体动压力显著，可能将两密封端面推开而形成过大的密封间隙，导致密封介质的泄漏超标。为使干气密封端面在开启阶段能迅速开启，而在中高速稳定运行阶段端面间能维持一层3～5μm的气膜而保持较低的泄漏，可通过在不同的运行阶段在线调节闭合力或开启力的方法而实现。
中国专利CN101776152A提出一种外加压式动静压气体润滑密封装置，在密封静环内开设可从外界引入带压气体的通道和节流孔，在静环端面开设均压槽，在密封启停阶段向密封端面间充入一定压力的缓冲气而增大动静压开启力，从而实现密封端面的快速开启。通过调节缓冲气的压力可实现对密封端面间开启力大小的控制，但这种结构需要较高压力的缓冲气(压力高于被密封介质的压力0.15～0.45MPa)，故需要一套较为复杂的外供气源，使辅助系统变得复杂，而且对外供气源压力的调控精度要求较高。中国专利CN104179975A提出一种基于改变闭合力的可控型机械密封，其原理是通过控制电磁加载装置的电流变化以实现对密封的主动控制，但这种结构需要一套电磁加载装置及其辅助调控系统。专利CN102128272A提出一种闭合力可控的机械密封装置，通过在静环外径圆周与梳齿环形成泄漏量可调控的梳齿密封，利用梳齿密封的节流效应以实现改变闭合力的目的。
现有的技术方案通过对机械密封开启力或闭合力的调控，以实现对不同运行阶段密封端面接触状态的调控，但是仍存在需要结构复杂的外在调控系统和监测系统，不利于在中高速旋转机械用干气密封中推广应用。
发明内容
本发明要克服干气密封已有技术中存在的密封端面启停阶段容易发生接触摩擦磨损，而在中高速运行阶段端面膜厚过大而致泄漏超标，闭合力无法实现在线调控的不足，以及现有的密封开启力或闭合力可控技术方案中调控系统或密封结构较为复杂，不利于在旋转机械用干气密封中推广应用等不足，提出一种结构简单，密封闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置。
本发明的技术方案是：
一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，包括动环轴向定位环1、密封端盖2、动环座3、活塞4、工作弹簧7、活塞限位环8、推环9、静环10、动环11和密封腔体12，所述动环11固定于动环座3上并随轴转动，所述静环10安装于密封端盖2上；其特征在于：
所述的密封端盖2内设有活塞腔15；所述密封端盖2上开设有外供气通道14，并与活塞4一侧的活塞腔15相通；活塞4的另一侧与静环10之间设有工作弹簧7，所述活塞4沿活塞腔15轴向移动以改变工作弹簧7的压缩量；活塞4的另一侧暴露在密封腔体12中，密封腔体12连通缓冲气通道16。
进一步，所述活塞4的内壁面与活塞腔壁面间设置有第一辅助密封圈，所述活塞4的外壁面与活塞腔壁面间设置有第二辅助密封圈；所述活塞4的与工作弹簧7接触的端面设有工作弹簧7的安装孔或安装槽，所述的静环10通过推环9与工作弹簧7连接。
更进一步，所述活塞腔15的内壁设有活塞4的限位台阶，用于限制活塞4的背向工作弹簧侧的移动行程；活塞限位环固定于密封端盖上，用于限制活塞面向工作弹簧侧的移动行程。
更进一步，所述的外供气通道14与外供气管路连通，所述的缓冲气通道16与缓冲气管路连通，所述外供气管路与气源之间设有第一压力调节阀13，所述缓冲气管路与气源之间设有第二压力调节阀17。
更进一步，所述工作弹簧7为周向均匀分布的小弹簧，所述小弹簧个数的为6～30。
或者，所述工作弹簧7为大弹簧。
再进一步，所述动环11或静环10中至少一个密封端面上设有流体.动压槽。
所述活塞与密封端盖之间形成封闭的活塞腔，所述活塞可沿活塞腔轴向移动以改变工作弹簧的压缩量，所述密封端盖上开设有外供气进气通道，并与活塞腔相通。通过调节外供气压力可调节工作弹簧的压缩量，进而实现对密封闭合力的在线调节。
所述活塞腔的内壁设有活塞的限位台阶，当所述活塞运动至活塞左端面与限位台阶接触时，所述工作弹簧具有最小的弹簧压缩量，此时弹簧比压选取范围为0.005MPa～0.009MPa。
所述活塞限位环固定于密封端盖上，用于限制活塞向工作弹簧侧的移动行程，当所述活塞移动至活塞右端面与活塞限位环接触时，所述工作弹簧具有最大的压缩量，此时弹簧比压选取范围为0.013MPa～0.020MPa。
所述密封端盖上的外供气通道与外供气管路连通，所述密封腔体上的缓冲气通道与缓冲气管路连通，所述外供气管路与气源之间设有压力调节阀，所述缓冲气管路与气源之间设有压力调节阀。
对于一般的干气密封结构而言，弹簧的工作长度在运行过程中难以调节，故密封只能在设计工况点附近稳定运行，而在启停阶段则容易因端面开启力不足，或闭合力过大而导致开启困难。本发明将工作弹簧的安装座设计成可轴向移动的活塞结构，通过活塞在活塞腔中的轴向移动即可改变工作弹簧的压缩量，达到调节闭合力的目的。通过在活塞内壁面和活塞腔壁面之间，以及活塞外壁面和活塞腔壁面之间安装辅助密封圈，从而构造出一个封闭的活塞腔。当密封处于静压状态或启停阶段时，调节外供气管路与气源之间的压力调节阀，当封闭活塞腔中外供气介质压力小于p1时，外供气介质压力小于密封介质压力和工作弹簧力的合力，活塞左端面与活塞腔限位台阶接触，工作弹簧处于最小压缩状态，此时闭合力较小，密封端面能迅速打开，不过工作弹簧的最小弹簧比压应不小于0.005MPa，以保证干气密封的无压停车密封；当密封处于中高速运行阶段，调节外供气管路与气源之间的压力调节阀，当封闭活塞腔中外供气介质压力大于p2时，外供气介质压力大于密封介质压力和工作弹簧力的合力，活塞右端面与活塞限位环接触，工作弹簧处于最大压缩状态，此时的弹簧比压为在给定工况点所设计的工作弹簧比压，以保证密封端面气膜间隙在合适的范围内，避免密封介质的泄漏量过大。
本发明提供一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)在干气密封启停阶段，通过在线调节外供气介质压力以减小工作弹簧压缩量，从而减小密封闭合力，使密封端面快速开启，避免了启停阶段密封端面的直接接触摩擦和磨损，提高了密封的使用寿命和可靠性。
(2)在干气密封中高速稳定运行阶段，通过在线增加外供气介质压力以增大工作弹簧压缩量，从而增大密封闭合力，以保证密封端面能维持一层3～5μm厚度气膜稳定运行，且保持较低的泄漏率，提高密封性。
(3)闭合力在线调节结构简单，无需改变密封动环或静环的结构，在实验室及工程应用现场都易于实现，能适用于很宽的转速和压力工况范围。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的密封结构剖视图；
图2是本发明中活塞运动至行程最左端时的密封结构剖视图；
图3是本发明中活塞运动至行程最右端时的密封结构剖视图；
图4是本发明中活塞的受力分析图；
图5是本发明中静环的受力分析图；
图6是本发明中工作弹簧为大弹簧的密封结构剖视图；
具体实施方式
以下结合附图所示的具体实施方式，对本发明内容做进一步的详细说明。
实施例一
参照图1、图2、图3、图4和图5：
一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，包括动环轴向定位环1、密封端盖2、动环座3、活塞4、工作弹簧7、活塞限位环8、推环9、静环10、动环11和密封腔体12，所述动环11固定于动环座3上并随轴转动，所述静环10安装于密封端盖2上；所述的密封端盖2内设有活塞腔15；所述密封端盖2上开设有外供气通道14，并与活塞4一侧的活塞腔15相通；活塞4的另一侧与静环10之间设有工作弹簧7，所述活塞4沿活塞腔15轴向移动以改变工作弹簧7的压缩量；活塞4的另一侧暴露在密封腔体12中，密封腔体12连通缓冲气通道16。
通过调节外供气压力可调节工作弹簧7的压缩量，进而实现对密封闭合力的在线调节。
所述活塞4的内壁面与活塞腔壁面间设置有第一辅助密封圈6，所述活塞4的外壁面与活塞腔壁面间设置有第二辅助密封圈5；所述活塞4的与工作弹簧7接触的端面设有工作弹簧7的安装孔或安装槽，所述的静环10通过推环9与工作弹簧7连接。
当干气密封处于静压状态或启停阶段时，活塞一般处于如图2所示的位置，所述活塞腔15的内壁设有活塞4的限位台阶，当所述活塞4运动至活塞左端面与限位台阶接触时，所述工作弹簧7处于最小的压缩状态，此时弹簧比压不小于0.005MPa。
当干气密封处于中高速运行阶段时，活塞一般处于如图3所示的位置，所述活塞限位环8固定于密封端盖2上，用于限制活塞向工作弹簧侧的移动行程，当所述活塞4移动至活塞右端面与活塞限位环8接触时，所述工作弹簧7具有最大的压缩量。
所述工作弹簧7为周向均匀分布的小弹簧，所述小弹簧个数的优选值范围为6～30。
所述密封端盖2上的外供气通道14与外供气管路连通，所述密封腔体上的缓冲气通道16与缓冲气管路连通，所述外供气管路与气源之间设有第一压力调节阀13，所述缓冲气管路与气源之间设有第二压力调节阀17。
所述静环10端面上设有流体动压槽。
所述活塞4的受力如图4所示，所述活塞4的左端面受到外供气介质压力，右端面受到工作弹簧力和缓冲气介质压力，通过调节压力调节阀13，可实现对活塞腔15中外供气介质压力的调节，从而改变活塞4左端面所受的外供气介质压力，进而改变工作弹簧7的压缩量，也即改变工作弹簧7的弹簧力。
所述静环10的受力如图5所示，所述静环10所受的闭合力包括工作弹簧力和缓冲气介质压力，当工作弹簧力变化时，密封闭合力改变，进而改变密封端面间的气膜厚度，从而实现对密封端面接触状态的调控。
实施例二
参照图1、2、3、4、6，本实施例与实施例一的不同之处在于所述工作弹簧7为大弹簧，其余结构和实施方式与实施例一相同。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，包括动环轴向定位环(1)、密封端盖(2)、动环座(3)、活塞(4)、工作弹簧(7)、活塞限位环(8)、推环(9)、静环(10)、动环(11)和密封腔体(12)，所述动环(11)固定于动环座(3)上并随轴转动，所述静环(10)安装于密封端盖(2)上；其特征在于：
所述的密封端盖(2)内设有活塞腔(15)；所述密封端盖(2)上开设有外供气通道(14)，并与活塞(4)一侧的活塞腔(15)相通；活塞(4)的另一侧与静环(10)之间设有工作弹簧(7)，所述活塞(4)沿活塞腔(15)轴向移动以改变工作弹簧(7)的压缩量；活塞(4)的另一侧暴露在密封腔体(12)中，密封腔体(12)连通缓冲气通道(16)。
2.如权利要求1所述的一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，其特征在于：
所述活塞(4)的内壁面与活塞腔壁面间设置有第一辅助密封圈，所述活塞(4)的外壁面与活塞腔壁面间设置有第二辅助密封圈；所述活塞(4)的与工作弹簧(7)接触的端面设有工作弹簧(7)的安装孔或安装槽，所述的静环(10)通过推环(9)与工作弹簧(7)连接。
3.如权利要求2所述的一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，其特征在于：
所述活塞腔(15)的内壁设有活塞(4)的限位台阶，用于限制活塞(4)的背向工作弹簧侧的移动行程；活塞限位环固定于密封端盖上，用于限制活塞面向工作弹簧侧的移动行程。
4.如权利要求3所述的一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，其特征在于：
所述的外供气通道(14)与外供气管路连通，所述的缓冲气通道(16)与缓冲气管路连通，所述外供气管路与气源之间设有第一压力调节阀(13)，所述缓冲气管路与气源之间设有第二压力调节阀(17)。
5.如权利要求4所述的一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，其特征在于：
所述工作弹簧(7)为周向均匀分布的小弹簧，所述小弹簧个数的为6～30。
6.如权利要求4所述的一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，其特征在于：所述工作弹簧(7)为大弹簧。
7.如权利要求1-6之一所述的一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，其特征在于：所述动环(11)或静环(10)中至少一个密封端面上设有流体动压槽。
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