CN105074299B - 具有不同硬度的滑动面的机械密封设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机械密封设备，其包括：旋转滑环(2)和固定滑环(3)，所述旋转滑环(2)具有第一滑动面，所述固定滑环(3)具有第二滑动面，所述第一滑动面和所述第二滑动面彼此之间限定有密封间隙(4)，所述第一滑动面和所述第二滑动面具有不同的硬度。较硬的滑动面(20)具有金刚石涂层，较软的滑动面由碳复合材料制成，(金刚石涂层(20)的)平均初始粗糙度Ra1比由碳复合材料制成的滑动面的平均初始粗糙度小。

Description

具有不同硬度的滑动面的机械密封设备
技术领域
本发明涉及具有滑环的机械密封设备，该滑环具有不同的硬度和不同的初始粗糙度。
背景技术
现有技术已知各种形式的机械密封设备。例如，已知设置有金刚石涂层的机械密封滑环(参照DE 202007016868 U1)。此外，US 2010/0061676 A1公开了以纯水作为滑动润滑剂的具有DLC涂层的机械密封件。在机械密封设备的领域中，频繁使用由相同材料制成(即，具有相同硬度的滑动面)的相同的滑环，这是由于能够想到，在硬度差别大的滑动面的使用期间，将在较软的滑环上产生高程度的磨耗。为此，机械密封设备之前被设计成成对的滑动件具有相同的硬度。
然而，当在滑环中使用涂覆金刚石的滑动面时，特别地产生成本高的问题。然而，涂覆金刚石的滑环具有高耐磨耗性，因而具有特别长的寿命。
发明内容
因此，本发明的目标在于提供一种机械密封设备，该机械密封设备在结构简单并且容易且低成本生产的同时，还提供使用涂覆金刚石的滑动面的可能。
通过具有方案1的特征的机械密封设备实现该目标。从属的方案公开了本发明优选的改进。
根据本发明的机械密封设备优选地包括具有第一滑动面的旋转滑环和具有第二滑动面的固定滑环。在两个滑动面之间限定了密封间隙。在这方面，两个滑动面包括不同的硬度，其中，两个滑动面中的一个具有金刚石涂层，两个滑动面中的另一个由碳复合材料形成。碳复合材料是碳化硅石墨复合材料(SiC-C)。因此，碳复合材料是石墨和硅的复合材料，其中，优选地将液体硅导入多孔石墨体，其中在自由孔中形成碳化硅。该碳化硅的形成过程是连续的，直到孔内完全填充有碳化硅。一些剩余的游离硅还能够残存于碳复合材料中。此外，根据本发明，具有金刚石涂层的滑动面的初始粗糙度比由碳复合材料形成的滑动面的初始粗糙度小。初始粗糙度被理解为两个滑动面在未接触的状态下具有的平均粗糙度Ra。由于滑动面具有不同的硬度，所以较硬的滑动面的初始粗糙度被选择为比碳复合材料的较软的滑动面的初始粗糙度小。
在特别优选的方式中，具有金刚石涂层的较硬的滑动面的初始粗糙度比碳复合材料的滑动面的初始粗糙度至少小50％。由此特别确保了即使在机械密封设备的运行阶段较硬的滑动面也不损坏较软的滑动面。
同样在优选的方式中，包括金刚石涂层的滑动面的平均粗糙度Ra在0.01μm至0.06μm的范围和/或碳复合材料的滑动面的平均粗糙度Ra在0.1μm至0.2μm的范围。具有金刚石涂层的滑动面的平均粗糙度Ra优选地在0.02μm至0.05μm的范围。同样在优选的方式中，碳复合材料的滑动面的平均粗糙度在0.12μm至0.18μm的范围。
同样在优选的方式中，金刚石涂层具有掺杂质，使得金刚石涂层能导电。以此，能导电的金刚石涂层特别适用于在诸如电站等的待密封(seal off)的介质为水(例如纯水)的机械密封设备。在特别优选的方式中，将产生导电金刚石层的金刚石层的掺杂质(doping)为硼掺杂质。
在特别优选的方式中，滑环的金刚石涂层另外还设置于滑环的外周区域。因而，金刚石涂层在特别优选的方式中仅局部地设置于外周区域。同样在优选的方式中，金刚石涂层在背向滑环的滑动面的方向上在外周区域渐缩(taper)。特别地，金刚石涂层在外周区域的设置能够通过金刚石涂层保护滑环的基材不受被密封的介质的影响，该介质例如纯水。同样在优选的方式中，设置有支撑环，该支撑环覆盖设置于滑环的外周区域的金刚石涂层。由此防止可能具有腐蚀性的介质到达滑环的基材，特别是到达滑环的SiC。
根据本发明进一步优选的实施方式，滑环的金刚石涂层另外还设置于滑环的内周区域。关于这点，同样在优选的方式中，金刚石涂层仅局部地形成于内周区域，特别地，金刚石涂层在背向滑动面的方向上在内周区域渐缩。
同样在优选的方式中，碳复合材料包括60％至75％重量的碳化硅、15％至40％重量的碳以及0.5％至10％重量的游离硅。在特别优选的方式中，碳复合材料包括62％重量的碳化硅、35％重量的碳以及3％重量的游离硅。
同样在优选的方式中，金刚石涂层的滑动面被抛光。由此确保具有金刚石涂层的滑动面具有比碳复合材料的滑动面小的初始粗糙度。
优选地旋转滑环包括金刚石涂层。通过涂覆金刚石的滑环的旋转，特别地，能够确保旋转滑环的极其均匀的热膨胀行为和均匀的冷却，因此特别地能够避免热引起的损伤(heat-induced damage)。
同样在优选的方式中，涂覆金刚石的滑动面的表面的支撑部分至少大于45％，特别优选地大于50％，更优选地大于60％。根据本发明，该支撑部分是包括表面的所有平滑区域的和的表面和滑动面的总表面的比。例如通过抛光或精抛光涂覆金刚石的滑动面获得表面的平滑区域。如果抛光涂覆金刚石的滑动面的整个表面，则在表面仅获得平滑区域，支撑部分将为100％。
具有金刚石涂层的滑环优选地在金刚石涂层上具有大约10000HV的维氏硬度，碳复合材料的滑环具有2000HV至3000HV范围的维氏硬度，优选地在硬SiC相(phase)的区域为2500HV，在较软的石墨相的区域内的洛氏硬度为50HR15T至100HR15T。同样在优选的方式中，涂覆金刚石的滑环具有大约1150N/mm2范围的弹性模量，碳复合材料的滑环具有1N/mm2至4N/mm2范围的弹性模量。同样在优选的方式中，涂覆金刚石的滑环具有大约2000W/mk范围的热传导率，碳复合材料具有2W/mk至85W/mk范围的热传导率。滑动面的金刚石涂层的厚度优选在1μm至20μm范围。
同样在优选的方式中，含石墨区域形成于碳复合材料的滑动面。滑动面的表面的这些含石墨区域配置用于容纳能够位于例如待密封的介质内或密封介质(Sperrmedium)内的游离颗粒。因此，通过碳复合材料的滑动面的表面的含石墨区域，能够容纳和包含游离颗粒，所以游离颗粒不会对相对的滑动面产生任何损坏。即使存在诸如依然从碳复合材料的滑动面局部突出的游离颗粒，由于反面包括不能被仅局部容纳在较软的含石墨区域中的颗粒损坏(例如刮擦等)的金刚石涂层，所以也不会对机械密封件造成损坏。因而，碳复合材料的滑动面的表面的含石墨区域具有50HR15T至100HR15T范围的洛氏硬度。例如能够通过磨损等产生的游离颗粒、或者当待密封的介质例如悬浮有硬颗粒时也能够存在于该介质的游离颗粒不能损坏极其硬的金刚石涂层，并且当与金刚石涂层接触时可以简单地被较深地按压于碳复合材料的滑动面内或者被切断。
此外，本发明涉及包括根据本发明的机械密封设备的电站供给泵。特别地，在电站供给泵中使用根据本发明的机械密封设备的情况下，由于根据本发明的机械密封设备极其坚固并且具有较长的寿命，因此实现了相对大的优势。这确保了防止特别是在电站运行中机械密封设备发生故障的风险，该机械密封设备通常配置用于两个维修间隔之间较长的运行周期。
附图说明
以下参照附图详细地说明本发明的优选示例性实施方式。
其中：
图1是根据本发明的一个示例性实施方式的电站供给泵用的机械密封设备的示意性截面图，
图2是图1的滑环的放大截面图，以及
图3是图1和图2的滑环进一步放大的示意性截面图。
具体实施方式
以下参照图1至图3详细地说明根据本发明的一个优选示例性实施方式的机械密封设备1。
图1示意性示出电站供给泵用的机械密封设备1，该机械密封设备1包括旋转滑环2和固定滑环3。密封间隙4以已知的方式形成于两个滑环2、3之间。旋转滑环2经由旋转支撑环7连接到轴衬套8。第一销10和第二销11设置用于旋转和用于传递扭矩。轴衬套8配置于旋转轴5。
固定滑环3具有经由固定支撑环12固定到壳体6的结合件9。
机械密封设备1因而相对于环境14将待通过电站供给泵输送的介质13密封。该示例性实施方式中的介质13是纯水。纯水的低导电性和旋转滑环2的高滑动速度导致滑环之间数伏特的高电势。滑动速度通常在40m/s至60m/s之间。
旋转滑环2还设置有金刚石涂层20。这样做的时候，旋转滑环2的整个滑动面40涂覆有金刚石。这在图2和图3中详细示出。
因而，金刚石涂层20形成于旋转滑环2的滑动面40，并且还形成于外周区域2a和内周区域2b。因而，在背向滑动面40的方向上渐缩的区域20a形成于外周区域2a。以相同的方式，在背向滑动面40的方向上渐缩的区域20b形成于滑环的内周区域2b。换言之，金刚石涂层20还局部地设置于滑环的内周和外周。
此外，旋转支撑环7局部地覆盖金刚石涂层的外侧渐缩区域20a。由此确保位于外周的介质13不与滑环2的基材接触。以此方式，涂覆金刚石的旋转滑环还能够用于高腐蚀性介质。金刚石涂层保护滑环的基材。通过滑环的外周区域的渐缩区域20a，能够在支撑环7和金刚石涂层的渐缩区域20a之间获得特别良好的密封。
如图3还示出的，金刚石涂层20在涂覆加工之后经受抛光步骤，由此，除了仍存在凹部22以外，还形成了多个平坦区域21。为了使金刚石层导电，金刚石涂层20还包括硼掺杂质23。
固定滑环3由以下碳复合材料制成：该碳复合材料包括大约62％重量的碳化硅、大约35％重量的石墨以及大约3％小重量比例的游离硅。固定滑环3的滑动面41在固定滑环的表面具有多个凸起区域31和凹部32。
图3示出平均粗糙度Ra。平均粗糙度Ra是从中心线偏离的所有粗糙度轮廓的算数平均值。在金刚石涂层20中，中心线表示为M1，在固定滑环3的粗糙度轮廓中，中心线表示为M2。平均粗糙度在金刚石涂层20的情况下表示为Ra1，平均粗糙度Ra在固定滑环3的情况下表示为Ra2。
因而清楚的是，金刚石涂层20的平均粗糙度Ra1明显小于由碳复合材料制成的固定滑环3的平均粗糙度Ra2。这是因为，金刚石涂层20的表面经受了进一步抛光步骤以形成平坦区域21。在各种情况下，在平坦区域21之间存在凹部22。由碳复合材料制成的固定滑环3未被抛光，或者比涂覆金刚石的旋转滑环2少地被抛光。
选择不同的材料用于旋转滑环和固定滑环意味着，由于滑动面40具有金刚石涂层20，因此旋转滑环2的滑动面具有比由碳复合材料制成的固定滑环3大的硬度。根据本发明，金刚石涂层20的减小的粗糙度轮廓意味着，较硬的旋转滑环2现在能够抵靠较软的固定滑环3运行，而不引起较软的固定滑环3的损坏或磨损或磨耗等。因此，通过较硬的金刚石涂层20的较低的平均粗糙度Ra1，能够防止成对使用的滑环中通常出现的磨耗的增加。
同样使本领域技术人员惊讶的该发现现在使得能够使用如下机械密封设备，在该机械密封设备中仅一个滑环、特别是旋转滑环2设置有金刚石层20。另一个较软的滑环没有这种硬层，而是具有碳复合材料的滑动面。然而，与两个滑环均具有金刚石涂层的机械密封设备的寿命相比，该机械密封设备1能够获得长的使用寿命。
此外，金刚石涂层20中的掺杂质23确保两个滑环之间不产生高的电势，因此滑动面40、41不会被放电毁坏。
因此，根据本发明的机械密封设备1特别适用于电站的供水泵，该供水泵频繁地启动和停止，并且在该供水泵中存在持续改变的热条件。然而，根据本发明的机械密封设备具有高的坚固性和长的寿命。
金刚石涂层20的滑动面40的支撑部分为大约60％。该支撑部分被定义为所有平坦区域21的和除以金刚石涂层20的滑动面40(环形表面)的总表面的商。
在该示例性实施方式中，金刚石涂层20的平均粗糙度Ra1为大约0.03μm，由碳复合材料制成的固定滑环3的滑动面41的平均粗糙度Ra2为大约0.15μm。换言之，固定滑环3的碳复合材料的平均粗糙度Ra2为金刚石涂层20的平均粗糙度Ra1的大约5倍高。
附图标记列表
1 机械密封设备
2 旋转滑环
2a 外周区域
2b 内周区域
3 固定滑环
4 密封间隙
5 轴
6 壳体
7 旋转支撑环
8 轴衬套
9 结合件
10 第一销
11 第二销
12 固定支撑环
13 介质
14 环境
20 金刚石涂层
20a 外周的渐缩区域
20b 内周的渐缩区域
21 平坦区域
22 凹部
23 硼掺杂质
31 凸起区域
32 凹部
40 具有金刚石涂层的滑动面
41 碳复合材料的滑动面
Ra1 金刚石涂层的平均初始粗糙度
Ra2 碳复合材料的平均初始粗糙度
M1、M2 中心线

Claims (16)

1.一种机械密封设备，其包括：
旋转滑环(2)和固定滑环(3)，所述旋转滑环(2)具有第一滑动面(40)，所述固定滑环(3)具有第二滑动面(41)，所述第一滑动面(40)和所述第二滑动面(41)之间限定有密封间隙(4)，
其中，所述第一滑动面和所述第二滑动面具有不同的硬度，
较硬的滑动面具有金刚石涂层(20)，较软的滑动面由碳复合材料制成，其中，所述碳复合材料是包括碳化硅、石墨和游离硅的碳化硅石墨复合材料，以及
具有所述金刚石涂层(20)的滑动面的平均初始粗糙度(Ra1)比由所述碳复合材料制成的滑动面的平均初始粗糙度(Ra2)小至少50％。
2.根据权利要求1所述的机械密封设备，其特征在于，所述金刚石涂层(20)的平均初始粗糙度(Ra1)在0.01μm至0.06μm的范围和/或由所述碳复合材料制成的滑动面的平均初始粗糙度(Ra2)在0.1μm至0.2μm的范围。
3.根据权利要求1或2所述的机械密封设备，其特征在于，所述金刚石涂层(20)具有掺杂质(23)，使得所述金刚石涂层(20)能导电。
4.根据权利要求3所述的机械密封设备，其特征在于，所述掺杂质(23)为硼掺杂质。
5.根据权利要求1或2所述的机械密封设备，其特征在于，所述滑环的金刚石涂层(20)还设置于所述滑环的外周区域(2a)。
6.根据权利要求5所述的机械密封设备，其特征在于，所述金刚石涂层(20)仅局部地设置于所述滑环的外周区域(2a)。
7.根据权利要求6所述的机械密封设备，其特征在于，所述外周区域(2a)的金刚石涂层具有渐缩区域(20a)。
8.根据权利要求5所述的机械密封设备，其特征在于，支撑环(7)至少局部地覆盖设置于所述滑环(2)的外周区域(2a)的金刚石涂层。
9.根据权利要求5所述的机械密封设备，其特征在于，所述滑环的金刚石涂层还设置于所述滑环的内周区域(2b)。
10.根据权利要求1或2所述的机械密封设备，其特征在于，所述金刚石涂层(20)的滑动面(40)被抛光。
11.根据权利要求1或2所述的机械密封设备，其特征在于，所述旋转滑环(2)包括所述金刚石涂层(20)。
12.根据权利要求1或2所述的机械密封设备，其特征在于，所述金刚石涂层(20)的滑动面(40)具有50％以上的支撑部分。
13.根据权利要求1或2所述的机械密封设备，其特征在于，所述碳复合材料包括60％至75％重量的碳化硅、15％至40％重量的碳以及0.5％至10％重量的游离硅。
14.根据权利要求1或2所述的机械密封设备，其特征在于，在由所述碳复合材料制成的滑动面(41)形成含石墨区域，所述含石墨区域配置用于容纳游离颗粒。
15.根据权利要求14所述的机械密封设备，其特征在于，所述含石墨区域具有50HR15T至100HR15T的洛氏硬度。
16.一种电站供给泵，其包括前述权利要求中任一项所述的机械密封设备。
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