CN105114627B - 具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置，具有可随旋转轴同步转动的动环和与静环座连接的非旋转的静环，动环和静环间轴向相对的端面为各自的密封面，至少静环或动环之一的密封面为平面结构，并且在所述静环和/或动环中与密封面具有间距的部位设置有与该静环和/或动环同心的圆环形电发热结构，圆环形电发热结构与控制系统连接。本发明在现有端面加工工艺的基础上，能够将密封面加工为平面，并且通过对圆环形电发热结构的加热控制，在平面上获得具有高表面质量而且锥角大小可控制的锥斜面结构密封面，从而能有效消除各种因素对密封效果的影响，能够产生极好的流体动压效应，获得非常理想的流体膜开启力和刚度。

Description

具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置

技术领域

本发明涉及端面密封的装置，具体的讲是具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置。

背景技术

机械密封装置和技术在众多的旋转机械轴向端面密封中获得了广泛地应用，例如各种型式的泵、压缩机、膨胀机、分离机、反应釜等旋转类机器的轴端密封。如图1所示，目前已有报道和/或使用的流体端面非接触式机械密封装置的基本结构中，通常包括有静止环(静环)1、旋转环(动环)2、静环座3、轴套4、传动销5、公差环7、压紧套8、推环9、弹簧10、防转销11等构成组件。静环1和动环2共轴线相对设置，其相对的端面为密封面。静环1径向空套在静环座3上，轴向由推环9和弹簧10浮动支撑，周向由防转销11定位，使静环1只可沿轴向自由浮动而不能随轴旋转。动环2径向由公差环7胀紧在轴套4的外圆柱面上，轴向与轴套4的台阶面接触并被压紧套8轴向压紧，周向由传动销5与轴套4固定在一起，使动环2可随轴套4与旋转轴6一起同步旋转。

机械密封可分为接触式和非接触式两种。非接触式机械密封根据其密封端面流体膜开启力的形成方式不同，又可大致分为动压型和静压型两种，当然两种类型的机械密封端面开启力构成中都可能同时具有流体动压力和静压力，区别是其中某一种类型的压力是构成该密封开启力的主要因素。动压型非接触式机械密封一般是利用介质在密封面间的流动形成充分的流体动压效应，以获得足够的流体膜开启力和更高的流体膜刚度。端面流体动压效应主要与密封面相对转速、介质粘度、密封面表面结构相关，这其中密封面相对转速和介质粘度往往是取决于使用密封机组的现场条件，技术上更多可改进的是密封面表面结构。目前通常的密封面表面结构设置措施是在其两密封端面中的一侧或两侧端面上，开设有经具有端平面高度的相同形式隔离部分(堰区)分隔成均匀排布的浅槽形式，其中以等槽深的螺旋槽、“T”形槽、波形面和锥形斜面的端面密封最为典型。

锥形斜面(以下简称的锥形面、锥斜面的含义均与此相同)端面的机械密封作为一种有效的动压型机械密封装置，在泵和压缩机特别是核主泵轴端密封中得到了应用。但其难点是对密封环端面锥形的加工、检测、装配和保持。考虑介质流经端面时能形成充分的流体动压效应，以获得更大流体膜开启力和刚度，该类型机械密封端面上锥形的锥角一般仅为数分至数十分，况且开设有锥形面的密封端面的表面质量(主要指表面粗糙度、波纹度、形状度)要求非常高，这就导致一般的加工工艺和设备难以获得高精度的锥形表面。另一方面，在加工精度能有效保证的情况下，因检测手段和装配精度及工作时介质压力和温度的影响等因素都可能导致该密封端面锥形的锥角大小发生改变。这就使得锥形面机械密封实际工作时的表面锥形难以跟设计锥形保持一致，从而影响密封工作的稳定性。

因此，对于锥形端面机械密封，在其端面锥形的锥角非常小且表面质量要求非常高的情况下，加工、检测、装配和运行时的任一环节都可能对该锥形锥角的大小和形状产生显著的影响，从而导致不能产生足够的端面流体动效应，难以获得足够的端面流体膜开启力和刚度，使密封无法正常工作。

综上，锥形面机械密封作为一种有效的非接触式机械密封装置，存在两个显著的问题：其一是表面锥形的加工难度大，工艺要求非常高；其二是实际工作时的表面锥形难以跟设计锥形保持一致，且无法调整。

发明内容

本发明提供了一种具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置，通过在平面端面上产生可控的锥斜面密封结构获得高表面质量的锥斜面密封环，以避免检测、装配及运行等诸多因素的影响，产生更好的流体动压效应，获得更为理想的流体膜开启力和刚度。

本发明具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置，其基本结构中同样具有可随旋转轴同步转动的动环和与静环座连接的非旋转的静环，动环和静环间轴向相对的端面为各自的密封面，至少静环或动环之一的密封面为平面结构，并且在所述具有平面结构密封面的静环和/或动环中与密封面具有间距的部位设置有与该静环和/或动环同心的圆环形电发热结构，所述的圆环形电发热结构与控制系统连接。其中，所述该圆环形电发热结构，可以根据需要设置在其所在密封环的外径侧、内径侧或与密封面的相背面。圆环形电发热结构所在位置的不同，可以使其所在密封环的密封面获得不同形状和/或程度热变形的锥斜面。

本发明机械密封装置中上述静环和/或动环的密封端面在加工时可直接加工为平面，并可进行高精度的表面研磨或抛光处理，从而获得极高表面质量的密封面。相比于传统锥斜面密封面的表面结构，在加工过程中无需要求考虑在密封面加工微小的锥斜面，从而极大程度降低了密封面加工的成本和难度。所述的圆环形电发热结构可以根据密封面的要求设在该静环和/或动环的径向外侧部位、与密封面的相背侧，或其它适合的位置。当圆环形电发热结构通电发热后，使密封面产生一定的温度差而形成微小的相对变形，部分密封面略微外凸或凹进，这样整个密封面便形成具有锥斜面结构的端面。通过调整圆环形电发热结构的发热量，即可调整密封面锥斜面的锥角大小，以消除或降低因其它多种因素，例如包括但不限于装配过程中的位置误差及工作时介质压力和温度对密封面造成的变形等因素导致的密封面变形，并最终使密封面获得更合理的表面斜锥状变形，以产生更为理想的开启力和更高的刚度及承载能力。

其中所述的控制系统，可以采用常规的电流/电压等控制装置和密封泄漏量检测装置实现，例如控制系统可以包括流量变送器、A/D转换器、CPU(中央处理器)、电流调节器、变压器及电源等构成。控制系统由流量变送器检测密封泄漏量，根据泄漏量计算出密封面间隙，由密封面间隙获得端面锥斜面结构热变形的程度及大小，调节流经与电流调节器相连的圆环形电发热结构的电流而改变与其对应的密封环表面温度差，从而实现密封面锥斜面结构锥角大小的调控。本发明装置的密封原理和结构可以适用于多种型式的机械密封结构/装置，如单端面密封、双端面密封、串联式密封(两级以上)、串联带中间密封(两级以上)等，还可将其与浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封型式组成组合式密封结构/装置等。

在上述结构的基础上，所述圆环形电发热结构的一种优选的简单设置方式，可将圆环形电发热结构设置在位于静环和/或动环相应径向位置的环形凹槽中，并且圆环形电发热结构的发热面至少与环形凹槽的一个侧壁面相接触。圆环形电发热结构设置在环形凹槽中更有利于实现和保证圆环形电发热结构在静环和/或动环周向位置上的一致性，从而在密封面产生相同的锥斜面结构。圆环形电发热结构的发热面可以直接或通过导热硅脂等导热剂间接与静环和/或动环上的所述环形凹槽的至少一个侧面接触。

上述密封装置中所述的圆环形电发热结构，一种优选的方式是在电发热件之外还包覆有保护结构的形式，保护结构能够起到保护内空发热材料及导线、绝缘、防爆等作用。所述的发热件可以为铬镍合金、铬镍铁合金、铁铬铝合金、铁铝合金、铂、铝铂、碳化硅、铬酸镧、氧化锆、二硅化钼或石墨等常用形式，也可以是其它具有类似发热功能的元件或结构，例如目前成熟的电流带等。

在本发明上述密封装置中，一种优选的方式，是使静环的密封面为平面结构，从而将所述的圆环形电发热结构设于静环上，这样加工及装配更加容易。

本发明具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置，在现有端面加工工艺的基础上，能够直接将密封面加工为平面，并进行高精度的表面研磨或抛光处理，从而获得高表面质量的密封面。相比于传统斜锥形表面结构，不会要求在加工过程中考虑端面具有的微小斜锥形，从而极大降低了表面加工的成本和难度。然后可通过控制圆环形电发热结构的温度或发热量实现在密封端面上产生所需的锥斜面结构，并调整密封端面锥斜面结构的锥角大小，有效消除或降低了其它非有利因素导致的密封环表面变形及对密封效果的影响。例如在装配过程中的位置误差及工作时介质压力和温度对密封端面造成的变形等因素，都可通过控制圆环形电发热结构的温度差来协调或修复以上过程中形成的表面形状变化，并最终使密封端面获得更合理的表面锥斜面，以产生更大的开启力和更高的刚度及承载能力。

以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1为目前普通端面密封的机械密封装置的基本结构示意图。

图2为本发明具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置中静环的轴向剖视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为控制系统的主要部件结构框图。

图5为图4中电流调节器的一种电路示意图。

图6为图2产生可控锥斜面密封面时的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示的是目前常用端面密封的机械密封装置的基本结构形式，具有静环1、动环2、静环座3、轴套4、传动销5、公差环7、压紧套8、推环9、弹簧10和防转销11等组成构件。静环1和动环2共轴线相对设置，其相对的端面为密封面。静环1径向空套在静环座3上，轴向由推环9和弹簧10浮动支撑，周向由防转销11定位，使静环1只可沿轴向自由浮动。动环2径向由公差环7胀紧在轴套4的外圆柱面上，轴向与轴套4的台阶面接触并被压紧套8轴向压紧，周向由传动销5与轴套4固定在一起，因此动环2可随轴套4与旋转轴6一起同步旋转。

如图2和图3所示的是本发明密封装置中将静环1的密封面19设置为平面结构的形式。在静环1中与密封面19具有轴向相等间隔处设有与静环1同圆心的环形凹槽，在环形凹槽中设有同样与静环1同圆心的圆环形电发热结构12，并且圆环形电发热结构12的发热面至少与环形凹槽的一个侧壁面、特别是靠近密封面19的侧壁面相接触。圆环形电发热结构12由内部的发热件(未示出)和包裹于发热件外的保护结构(未示出)组成。其中内部的发热件可以为铬镍合金、铬镍铁合金、铁铬铝合金、铁铝合金、铂、铝铂、碳化硅、铬酸镧、氧化锆、二硅化钼或石墨等电热材料构成，并将其表面包裹保护层后做成一个柔性电流带。圆环形电发热结构12通过信号传导线缆与控制电流输出量的控制系统(未示出)连接。工作时，通过控制系统控制圆环形电发热结构12的加热温度，受圆环形电发热结构12传来的热作用，在静环1的密封面19形成温度差，与圆环形电发热结构12对应部分的密封面19受热后会有微米级的略微相对外凸，密封面19的其余部分则相对凹进或保持原状，这样整个密封面19便形成了具有锥斜面结构的平面，该锥斜面结构的锥角大小受圆环形电发热结构12传到静止环1上的热量多少控制，从而实现可通过调节调控系统改变并获得最优的静止环密封面锥斜面结构的锥角，确保了密封面流体膜获得较优的特性，提高密封工作的稳定性。

如图4所示，控制系统包括有相互连接的流量变送器、A/D转换器、CPU(中央处理器)和电流调节器。圆环形电发热结构12与电流调节器相连。控制系统由流量变送器检测密封泄漏量，根据泄漏量计算出静环1和动环2的密封面间隙，由密封面间隙获得静环1端面锥斜面结构变形的程度及大小，调节流经圆环形电发热结构12的电流改变密封面19上波峰和波谷之间的温度差，从而实现密封面19波状变形的调控。

如图5所示，电流调节器的组成元件包括了三极管T、数字可调电阻器R₁、电阻R₂以及电源U₁、U₂。其中三极管T可为合金型，数字可调电阻器R₁与控制系统的CPU相连，并可通过CPU调控其电阻值的大小；电阻R₂可以直接为圆环形电发热结构12；电源U₁、U₂与同一电源相连，该电源与220伏特50赫兹交流电源相连，并具有多路电压输出。电流调节器接收CPU传来的信号，调节数字可调电阻器R₁的电阻值的大小，从而改变流经三极管T的基极电流I₁，基极电流I₁的变化就会同步放大到集电极电流I₂上，如基极电流的变化量为ΔI₁，集电极电流变化量为ΔI₂，则有：β＝(ΔI₂)/(ΔI₁)。其中β为三极管的动态电流放大系数，其值取决于三极管T，常用的取值范围为20～200。这样就通过改变数字可调电阻器R₁的阻值，改变了集电极电流I₂，集电极电流I₂的变化又改变了圆环形电发热结构12的发热量，圆环形电发热结构12发热量的变化最终将调节密封面19的温度差，从而实现密封面19锥斜面结构锥角的调节。其外部电源除使用220伏特50赫兹交流电源之外，也可根据密封现场情况使用其它交流电源或直接电源。对圆环形电发热结构12的温度调控方式除了电流调节，也可使用电压调节。其中的电流调节方式除数字调节之外，也可使用模拟调节等其它常用方式。

如图6所示，以密封面19内直径为241毫米，外直径为314毫米的密封端面为例进行计算，设于静环1上的圆环形电发热结构12加热后，通过控制密封面19的最大受热部位和非受热部位的温度差约为12℃，即可获得端面变形为理论较优的锥角a为2分的锥斜面结构(对于给定的介质和密封环内外径，理论计算可求得一个较优的端面锥角值，使得密封面19流体膜具有最大的刚度和较高的开启力，且泄漏量不超标)。如果改变密封面19的所述温度差约为6℃或18℃，可获得端面锥角a约为1分或3分的锥斜面结构变形，以此来进行消除或降低因各种因素对密封面19流体膜性能的影响。

Claims (4)

1.具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置，具有可随旋转轴同步转动的动环(2)和与静环座(3)连接的非旋转的静环(1)，动环(2)和静环(1)间轴向相对的端面为各自的密封面(19)，其特征为：至少静环(1)或动环(2)之一的密封面(19)为平面结构，并且在所述具有平面结构密封面(19)的静环(1)和/或动环(2)中与密封面(19)具有间距的部位设置有与该静环(1)和/或动环(2)同心的圆环形电发热结构(12)，所述的圆环形电发热结构(12)与控制系统连接。

2.如权利要求1所述的具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置，其特征为：所述的圆环形电发热结构(12)设置在位于静环(1)和/或动环(2)相应径向表面的环形凹槽中，并且圆环形电发热结构(12)的发热面至少与环形凹槽的一个侧壁面相接触。

3.如权利要求1所述的具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置，其特征为：圆环形电发热结构(12)具有发热件和包覆于发热件外的保护结构。

4.如权利要求1至3之一所述的具有可控锥斜面密封端面密封环的机械密封装置，其特征为：所述的圆环形电发热结构(12)设于静环(1)上。