CN105156687A - 一种干气密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械密封的技术领域。为了解决目前干气密封应用于高温、大振幅振动设备时补偿环的辅助密封O型圈容易因高温发生变形、补偿环与主动环容易发生碰磨的问题，本发明提出一种干气密封装置，包括密封支座、压紧弹簧、浮动环、转动轴、轴套和定位销；所述密封支座的中部设有轴承，所述转动轴装配在所述轴承上；所述轴套外壁上设有螺旋槽、台和坝，该轴套安装在所述转动轴上；所述浮动环位于所述密封支座内部，套装在所述轴套上，所述浮动环一端通过所述定位销与所述密封支座周向固定，另一端与所述压紧弹簧连接。本发明干气密封装置开启特性好、气膜刚度大且运行稳定，能够适应高温、大振幅振动设备的轴端密封。

Description

一种干气密封装置

技术领域

本发明属于机械密封的技术领域，具体涉及一种干气密封装置。

背景技术

石化设备中的烟气轮机和燃气轮机为高温、大振幅振动设备，工作环境温度高且工作过程中振动的振幅大，对于烟气轮机和燃气轮机等高温、大振幅振动设备，轴端密封问题决定着该设备是否能够正常运行，备受企业关注。目前高温、大振幅振动设备仍使用梳齿迷宫密封，但由于梳齿迷宫密封常因梳齿和轴之间的间隙过大造成泄漏量大而使密封失效，因此需要寻求一种密封性能好且系统性能稳定的密封装置。

干气密封作为一种非接触式机械密封，已在高速旋转设备的轴端密封上获得广泛应用。如图1所示，干气密封包括弹簧座1、弹簧2、补偿环3、主动环4、密封环5和轴套6，主动环4和补偿环3相互贴合，主动环4随旋转设备转动轴的转动而转动，补偿环3上设有辅助密封O型圈(图中未示出)，干气密封与普通机械密封的区别在于补偿环3和/或主动环4的端面设有至少一个动压槽，该动压槽可以为燕尾槽或八字形槽等结构，当旋转设备带动固定在其上的主动环4旋转时，由于动压槽的流体动压效应，将进入动压槽的密封气体进行压缩，使密封气体压力升高，该密封气体产生的压力作用于相互贴合的补偿环3和主动环4的表面上，将补偿环3和主动环4推开，使补偿环3和主动环4脱离接触，并在补偿环3和主动环4之间形成一层连续稳定的气膜，该气膜具有一定的承载能力和刚度，通过该气膜实现轴端密封。

上述干气密封虽然具有磨损慢、使用寿命长和泄漏量小等优点，但补偿环3上的辅助密封O型圈是由橡胶和聚四氟乙烯制成，不能承受高温，在高温下会发生变形而导致密封失效。而且目前干气密封的气膜厚度为3-6μm，气膜的刚度不够，应用于大振幅振动的设备时，补偿环3与旋转环4容易发生碰磨而使密封失效，难以满足高温、大振幅振动设备的密封要求。

发明内容

为了解决目前干气密封应用于高温、大振幅振动设备时补偿环的辅助密封O型圈容易因高温发生变形、补偿环与主动环容易发生碰磨的问题，本发明提出一种干气密封装置，该干气密封装置能够应用于高温环境，且开启特性好、气膜刚度大，能够适应高温、大振幅振动设备的轴端密封。

本发明干气密封装置包括密封支座和压紧弹簧，该压紧弹簧一端固定于所述密封支座内壁上，还包括浮动环、转动轴、轴套和定位销；所述密封支座的中部设有轴承，所述转动轴装配在所述轴承上；所述轴套外壁上设有螺旋槽、台和坝，该轴套安装在所述转动轴上，随所述转动轴转动而转动；所述浮动环位于所述密封支座内部，套装在所述轴套上，且所述浮动环与所述轴套之间留有间隙，所述浮动环一端通过所述定位销与所述密封支座周向固定，另一端与所述压紧弹簧连接。

其中，所述螺旋槽的线型为螺旋线。

其中，所述螺旋槽的深度为5-30μm，螺旋线的头数为5-16，螺旋线的螺旋角为10-20度。

其中，所述螺旋槽的深度为10-20μm，螺旋线的头数为8-12，螺旋线的螺旋角为14-16度。

其中，所述轴套和所述浮动环之间形成密封气膜并处于稳定的非接触状态时，所述轴套与所述浮动环的偏心率ξ的取值为：0<ξ≤0.5。

其中，所述浮动环采用的材料为石墨。

其中，所述轴套过盈配合在所述转动轴上。

其中，所述定位销的数目为1-3个。

其中，所述螺旋槽的线型为圆弧形、渐开线或摆线。

本发明干气密封装置具有如下的有益效果：

本发明的轴套上设有螺旋槽，且轴套与浮动环之间存在气体，这样轴套与浮动环之间发生相对转动时就产生流体动压效应，从而在轴套与浮动环之间形成密封气膜。本发明的轴套上还设有台，即螺旋槽未环绕轴套一周，这样一方面轴套与浮动环之间的气体进入螺旋槽后会受到进一步压缩，从而增强轴套与浮动环之间的流体动压效应，有利于提高密封气膜的气膜刚度；另一方面能够减少泄漏，提高密封效果。

由于本发明的浮动环受到向下的重力，浮动环与轴套之间形成密封气膜后浮动环与轴套之间存在偏心距，浮动环与轴套之间的偏心距增强了浮动环与轴套之间的流体动压效应，使浮动环与轴套之间的流体动压效应更为明显，轴套和浮动环之间的密封气膜刚度更大，更稳定，有效防止了轴套与浮动环发生碰磨。同时轴套和浮动环之间的偏心距增大了密封气膜的浮升力，使本发明干气密封装置开启特性更好，浮动环在高速运转时的抗振性和浮动能力更高，密封间隙更小，泄漏量更低，使用寿命更长。

本发明的浮动环的材料为石墨，密封支座、压紧弹簧、转动轴、轴套和定位销的材料为金属，石墨和金属均为耐高温材料，在高温环境下不易发生变形，使得本发明干气密封装置能够应用于高温环境。本发明干气密封装置能够适应高速、高压和高环境温度的工况，能够适用于高温、大振幅振动设备的轴端密封。

附图说明

图1为现有技术中干气密封装置的结构示意图；

图2为本发明干气密封装置的结构示意图；

图3为沿图2A-A方向的剖视示意图；

图4为本发明干气密封装置的螺旋槽的结构示意图；

图5为在本发明干气密封装置的轴套和浮动环之间形成气膜的示意图。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的技术方案。

如图2和图3所示，本发明干气密封装置包括密封支座11、压紧弹簧16、浮动环12、转动轴13、轴套14、定位销15。密封支座11为圆环状结构，密封支座11的中部设有轴承17，转动轴13装配在轴承17上，这样转动轴13就与密封支座11固定连接。轴套14过盈配合在转动轴13上，轴套14随转动轴13转动而转动，如图4所示，轴套14的外壁上设有螺旋槽18、台19和坝20，其中，台19是指两个螺旋槽18之间的表面，坝20是指轴套14外壁上未开设螺旋槽18的部分，也就是轴套14的外壁上未全部设有螺旋槽18。浮动环12为环状结构，位于密封支座11内部，套装在轴套14上，且浮动环12与轴套14之间留有间隙，浮动环12一端通过定位销15与密封支座11周向固定，如图3所示，浮动环12上设有连接槽22，定位销15安装于该连接槽22中，该连接槽22的宽度与定位销15的宽度相配合，这样浮动环12能够沿着转动轴13的径向浮动，但不能沿着转动轴13的周向移动，也就是周向固定；浮动环12的另一端与压紧弹簧16的一端连接，压紧弹簧16的另一端固定于密封支座11内壁上，这样通过压紧弹簧16的弹力压紧浮动环12，使浮动环12与密封支座11紧密接触，以减小泄漏。其中，浮动环12的材料为石墨，密封支座11、压紧弹簧16、转动轴13、轴套14和定位销15的材料均为金属，石墨和金属均为耐高温材料，使得本发明干气密封装置能够应用于高温环境。

如图5所示，转动轴13转动时，轴套14随转动轴13的转动而转动，浮动环12未发生转动，这样轴套14与浮动环12之间就发生相对转动，由于轴套14上设有螺旋槽18，且轴套14与浮动环12之间存在气体(气体也是一种流体)，所以轴套14与浮动环12发生相对转动时就产生流体动压效应，从而在轴套14与浮动环12之间形成密封气膜。本发明的轴套14上除了有螺旋槽18，还有台19，也就是螺旋槽18未环绕轴套14一周，这样一方面轴套14与浮动环12之间的气体进入螺旋槽18后会受到进一步压缩，从而增强轴套14与浮动环12之间的流体动压效应，有利于提高密封气膜的气膜刚度；另一方面能够减少泄漏，提高密封效果，如果螺旋槽18环绕轴套14一周，那么螺旋槽18就很有可能为泄漏点。随着转动轴13转速的增加，密封气膜21的压力也逐渐增加，最终密封气膜21的压力所形成的开启力等于作用在浮动环12上的闭合力(摩擦力与重力之和)，这样将保持接触的轴套14和浮动环12分离，使轴套14和浮动环12处于稳定的非接触状态。而且由于浮动环12受到向下的重力，使浮动环12与轴套14之间形成偏心距e，浮动环12与轴套14之间的偏心距e增强了浮动环12与轴套14之间的流体动压效应，使浮动环12与轴套14之间的流体动压效应更为明显，从而轴套14和浮动环12之间的密封气膜刚度更大，更稳定，有效防止了轴套14与浮动环12发生碰磨。同时轴套14和浮动环12之间的偏心距e增大了密封气膜的浮升力，使本发明干气密封装置开启特性更好，浮动环12在高速运转时的抗振性和浮动能力更高，密封间隙更小，泄漏量更低，使用寿命更长。其中，偏心距e是指轴套14和浮动环12之间形成密封气膜后，轴套14的轴线与浮动环12的轴线之间的距离。

本发明干气密封装置与现有技术的端面螺旋槽干气密封装置相比，由于偏心距e的存在，浮升力和气膜刚度均增大，其中，浮升力的求解公式为：

$W=1.09\mathrm{\&mu;}ndl{\left(\frac{l}{\mathrm{\&delta;}}\right)}^2\frac{\mathrm{\&xi;}}{1-\mathrm{\&xi;}}---\left(1\right)$

式中：

W——浮升力(单位：N)；

μ——气体的动力粘度(单位：Pa.s)；

n——转动轴的转速(单位：r.p.m)；

d——轴套外径(单位：m)；

l——浮动环的轴向长度(单位：m)；

δ——浮动环内直径与轴套外直径之差(单位：m)；

ξ——偏心率，ξ＝e/h(e为偏心距，h为浮动环的内半径与轴套的外半径之差)；

从公式(1)中可知，随着偏心距e的增加，偏心率ξ增大，最终使浮升力W增大。偏心率ξ为0到1之间的数，根据经验当偏心率ξ大于0.5时，泄漏量比较大，密封效果不好，所以本发明的轴套14和浮动环12的偏心率ξ的取值为：0<ξ≤0.5，这样泄漏量小，密封效果好。当0<ξ≤0.5时，浮升力W的增值为 $\left(0-1.09\mathrm{\&mu;}ndl{\left(\frac{l}{\mathrm{\&delta;}}\right)}^2\right)KN;$

气膜刚度的计算公式为：

$K=-\frac{\&part;W}{\&part;h}=2.18\mathrm{\&mu;}nd{\left(\frac{l}{\mathrm{\&delta;}}\right)}^3\frac{(3-2\mathrm{\&xi;})\mathrm{\&xi;}}{{(1-\mathrm{\&xi;})}^2}---\left(2\right)$

式中K为气膜刚度，W为浮升力，

从公式(2)中可知，在本发明的轴套14和浮动环12的偏心率ξ的取值范围0-0.5内，气膜刚度K是增函数，随着偏心距e的增加，偏心率ξ增大，最终使气膜刚度K增大，气膜刚度K的增值为

其中，轴套14和浮动环12之间形成密封气膜并处于稳定的非接触状态时，可以计算出偏心率ξ，以确定偏心率ξ是否符合0<ξ≤0.5的要求，具体地，轴套14和浮动环12处于稳定的非接触状态时，浮升力W＝G+a*(F1+F2)，其中G指浮动环12的重力，a指浮动环12的摩擦系数，F1指浮动环12受到的压紧弹簧16的压力，F2是指浮动环12受到的工作环境中的高压气体的压力，重力G、摩擦系数a、压力F1和F2均是已知的，所以可以计算出浮升力W，计算出浮升力W后，根据公式(1)可以计算出偏心率ξ，由此即得出偏心率ξ，如果偏心率ξ不符合0<ξ≤0.5的要求，那么可以通过调整转动轴的转速n、轴套外径d、浮动环的轴向长度l、浮动环内直径与轴套外直径之差δ和/或浮动环的内半径与轴套的外半径之差h，以使偏心率ξ符合0<ξ≤0.5的要求。

其中，定位销15的数目可以为1-3个，例如定位销15的数目为3个，均匀分布于浮动环12的圆周上。如图4所示，螺旋槽18的线型为螺旋线，该螺旋槽18的深度为5-30μm，优选为10-20μm；螺旋线的头数为5-16，优选为8-12，螺旋线的螺旋角为10-20度，优选为14-16度，螺旋槽18取上述参数时，轴套14与浮动环12之间形成的密封气膜刚度大运行稳定。螺旋槽18的线型还可以为圆弧形、渐开线或摆线。

Claims (9)

1.一种干气密封装置，包括密封支座和压紧弹簧，该压紧弹簧一端固定于所述密封支座内壁上，其特征在于，还包括浮动环、转动轴、轴套和定位销；所述密封支座的中部设有轴承，所述转动轴装配在所述轴承上；所述轴套外壁上设有螺旋槽、台和坝，该轴套安装在所述转动轴上，随所述转动轴转动而转动；所述浮动环位于所述密封支座内部，套装在所述轴套上，且所述浮动环与所述轴套之间留有间隙，所述浮动环一端通过所述定位销与所述密封支座周向固定，另一端与所述压紧弹簧连接。

2.根据权利要求1所述的干气密封装置，其特征在于，所述螺旋槽的线型为螺旋线。

3.根据权利要求2所述的干气密封装置，其特征在于，所述螺旋槽的深度为5-30μm，螺旋线的头数为5-16，螺旋线的螺旋角为10-20度。

4.根据权利要求3所述的干气密封装置，其特征在于，所述螺旋槽的深度为10-20μm，螺旋线的头数为8-12，螺旋线的螺旋角为14-16度。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的干气密封装置，其特征在于，所述轴套和所述浮动环之间形成密封气膜并处于稳定的非接触状态时，所述轴套与所述浮动环的偏心率ξ的取值为：0<ξ≤0.5。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的干气密封装置，其特征在于，所述浮动环采用的材料为石墨。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的干气密封装置，其特征在于，所述轴套过盈配合在所述转动轴上。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的干气密封装置，其特征在于，所述定位销的数目为1-3个。

9.根据权利要求1所述的干气密封装置，其特征在于，所述螺旋槽的线型为圆弧形、渐开线或摆线。