CN105508616A - 机械密封装置的推环及机械密封装置 - Google Patents

Abstract

机械密封装置的推环及机械密封装置。其中，具有轴向贯通内孔的推环，包括径向外展的环体和在其一侧端面上沿中心轴向伸凸的环状凸台结构两部分结构，在所述贯通内孔的孔壁中设置有开口于孔壁面的环形凹槽，且环形凹槽的该凸台结构方向侧的槽壁与环状凸台结构的端面间保持有间隔结构。该结构的推环及具有该推环的机械密封装置，可以使用多种类型的密封圈类型，增强密封的耐压性，并且当推环在发生径向变形能够大幅度减小相应部件的变形量和变形锥角，能非常明显降低静环密封端面的不利变形，显著提高了密封耐高压性能。

Description

机械密封装置的推环及机械密封装置

技术领域

本发明涉及机械密封装置中的推环及相应的机械密封装置，特别适合包括压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜等各种旋转类机器的轴端密封装置。

背景技术

目前的一种典型机械密封结构如图1和图2所示，包括轴向固定并可随轴（12）旋转的动环（1），以及经轴端密封面与动环（1）相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环（2），动环（1）以其内孔面和/或非密封端面经传动结构（13）固定于轴套（8）上，并进一步与轴（12）固定连接；静环（2）则经设置在与其密封面相背端的推环（3）及弹性结构（6）轴向浮动支承于静环座（4）中，并经周向设置的防转销（5）等固定；推环（3）中经设置于其密封方向端面（15）的周缘部的台阶型凹槽（14）中的密封圈（9）等密封结构，同时与静环（2）非密封端面及与静环座（4）内筒的外圆柱面接触，以实现同时对密封介质在静环的非密封端面与推环间沿径向产生的泄漏、在静环内孔面与静环座（4）外圆柱面间沿轴向产生的泄漏进行密封。实践中发现，在介质压力较高的情况下，在上述结构形式的机械密封结构中，推环和静环座易出现变形量大、局部应力高，甚至会出现塑性变形、局部裂纹等情况，导致密封失效。而推环、静环及静环座之间密封圈位置设置改变，也会在很大程度上改变推环及静环座的受力情况，并最终改变静环的端面变形及静环座的变形及应力极值，可主要表现为：

1）由于静环、推环、静环座三者之间最终的泄漏通道都汇集于静环内孔面与静环座外圆柱面之间的间隙处，在静环轴向尺寸及浮动距离给定的情况下，放置于推环内的密封圈沿轴向的位置也即确定，且其相对于静环座内筒轴向底部具有较大的距离，使静环座内筒体在介质压力的作用下形成较长的悬臂状受力区域。在高介质压力作用下，静环座内筒体变形显著增大，特别关键的是内侧筒状周壁结构会呈现近锥状的变形，可显著影响推环的浮动性和密封圈的密封性能；且静环座底部径向环平面与内、外侧筒状周壁连接的两转角部还都存在非常显著的应力集中，可能出现塑性变形或局部裂纹；

2）能够使用的密封圈类型受到一定限制。因静环、推环、静环座三者之间最终的泄漏通道汇集于静环内孔面与静环座外圆柱面之间的间隙处，且密封圈工作区域由推环上的凹槽与静环非密封端面围成。该区域的结构特征则导致了不便于使用具有更高的耐压性能的一些特定状态的密封圈，如：“C”形、“L”形、“V”形复合密封圈等。

发明内容

针对上述情况，本发明首先提供了一种机械密封装置中的推环，并在此基础上并进一步提供了相应的机械密封装置，可以大大降低静环密封端面的不利变形，显著提升密封的耐高压性能。

本发明机械密封装置的推环，其基本结构是具有轴向贯通内孔的推环结构中，包括径向外展的环体和在其一侧端面上沿中心轴向伸凸的环状凸台结构两部分结构，在所述贯通内孔的孔壁中设置有开口于孔壁面的环形凹槽，用于设置密封圈等密封结构，所述环形凹槽的凸台结构方向侧的槽壁与环状凸台结构的端面间保持有间隔结构。该间隔结构的轴向宽度优选≥5mm；优选的凸台结构的径向高度≥0.2mm。

上述结构中，所述的环状凸台结构的轴向宽度可优选为≥0.5mm，更好的是0.5～3mm。

本发明上述形式的推环，所述的环体与凸台结构两部分虽不排除可采用由相互独立的传统推环和凸台两部分结构稳固接合的结构形式，但以采用整体成型式的结构为优选。

在所述环形凹槽的凸台结构方向侧槽壁与凸台结构的端面间设置有间隔结构后，大大提高了推环该方向端部的径向高度/强度，通过改变凸台的径向高度和/或轴向宽度，还可以根据实际应用的工况条件将其与静环相对端面间的密封效果调整至最佳状态，并有效降低了流体密封介质的压力作用于机械密封装置的静环座内筒的外圆柱面上的面积，从而降低作用于静环座内筒处外圆柱面上的压力，降低静环座内筒处外圆柱面转角处的应力值，减小静环座整体特别是内筒的变形，避免相对薄弱的该转角处应力极值过大导致零件失效的可能性。经测试，相较于传统推环中用于设置密封圈等密封结构的环形凹槽采用为在推环端面上沿周缘设置的内凹台阶型的结构，本发明结构的推环在发生径向变形时具有更小的变形量及变形锥角，静环座中对应的转角应力集中处具有更小的极力极值，从而使机械密封装置的密封耐高压性能有了显著提升。

因此，上述结构中的所述凸台结构的径向高度与所述推环的径向外展的环体轴向宽度之比，可优选为0.3～1。

上述推环贯通内孔中开口于孔壁面的环形凹槽的槽深和/或槽宽，都可以视具体的密封要求而定。

上在述结构中所述推环贯通内孔中环形凹槽的两侧槽壁与对应的推环两端面的间隔结构中，优选为凸台结构方向侧的间隔结构的轴向宽度大于推环背面方向侧的间隔结构的轴向宽度，即，使所述环形凹槽的位置尽量向推环的背侧方向位移。这里所述的推环背面，是指与所述凸台结构相背方向的推环端面。例如，推环背面方向侧的间隔结构的轴向宽度可≥0，优选≥0.5mm；进一步，推环背面方向侧与凸台结构方向侧的间隔结构的轴向宽度之比，可以为0～0.6，更好的比值可为0.1～0.6。

上述结构中的另一种可选择的方式是，所述环形凹槽轴向两侧的推环贯通内孔的直径中，凸台结构方向侧内孔的直径≤推环背面方向侧内孔的直径。其中，优选是凸台结构方向侧内孔的直径与推环背面方向侧内孔的直径的比值为0.9～1，更好的是可使其二者的差值≤5mm，一方面有利于将环形凹槽与推环背面之间的推环内孔面设为要密封的孔面，另一方面也有利于在环形凹槽中设置多种类型的密封圈，例如“C”形、“L”形、“V”形复合密封圈等，增强密封圈的耐压性能。

进一步，在上述结构的基础上，还可以使所述凸台结构的轴向端面的粗糙度≤0.8微米，平面度≤12微米，以更有利于凸台结构与静环的相对端面间通过紧密接触进行密封的效果。

以上述结构的推环为基础，本发明还提供了一种机械密封装置，其结构除具有轴向固定并可随轴旋转的动环，以及经轴端密封面与动环相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环，动环经传动结构固定于能与轴同步转动的轴套上，静环通过位于其非密封端面侧的推环及弹性结构轴向浮动支承于静环座之间，并经周向防转结构固定，其中所述的推环则采用上述结构形式的推环。

在本发明上述的机械密封装置中，所述推环中凸台结构的轴向端面与静环的非密封端面紧密接触可形成一对径向的静密封面；在所述推环的环形凹槽中通过设置的适当形式密封圈等密封结构，使推环和密封结构一同套置在静环座的密封周面上，实现沿轴向的密封。由于传统机械密封装置中推环与静环背面间的径向泄漏通道和与静环座内筒的外圆柱面间的轴向泄漏通道，都需由位于推环端面周缘部内凹台阶型环形凹槽中的该同一密封圈等结构进行，一旦该密封结构失效则两个泄漏通道均不能密封，导致了密封可靠性差。而采用了本发明上述推环后的密封装置，由其凸台结构的轴向端面与静环的非密封端面直接面-面接触，特别是通过控制其间所述的表面粗糙度和/或平面度等表面精度，无须密封件即可实现密封；而设于推环环形凹槽中的密封结构则可仅针对推环内孔面与静环座内筒的外圆柱面之间的轴向泄漏通道进行密封，有效提高了密封的可靠性。

此外，本发明上述结构形式的推环，以及采用了该推环的机械密封装置，在推环中不仅可以允许使用现有的如C形、L形、V形等多种类型的密封圈作为密封结构，增强密封的耐压性；而且，推环发生径向变形时可具有更小的变形量及变形锥角，推环变形后机械密封装置内筒的外圆柱面产生的锥角约为0.6"～18"，其轴向两端的径向相对变形量约为3～35微米，比传统机械密封装置中所述外圆柱面变形后产生的6"～25"锥角，以及轴向两端径向30～130微米的相对变形量有大幅度的减小。因此在静环座中对应的转角应力集中处具有更小的极力极值，较传统机械密封装置的转角处应力约降低了3～10%，非常明显的降低了静环密封端面的不利变形，并且大幅度提高了密封耐高压性能。

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为普通机械密封装置的轴向剖面示意图。

图2为图1中推环结构示意图。

图3为本发明机械密封装置的轴向剖面示意图。

图4为图3中推环的一种结构示意图。

图5为图3中A处局部放大图。

具体实施方式

图1和图2所示的是目前传统普通机械密封装置的基本结构，已如上述。

图3所示的是采用了本发明上述结构推环的机械密封装置，包括轴向固定并可随轴12旋转的动环1，以及经轴端密封面与动环1相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环2，动环1以其内孔面及非密封端面经传动销13固定于轴套8上，轴套8固定于轴12上。静环2经与其非密封端面相接触设置的推环3及弹簧等弹性结构6轴向浮动支承于静环座4之间，周向由防转销5固定。

图4和图5所示的是在图3的机械密封装置中采用的本发明所述推环的一种结构。该具有轴向贯通内孔的推环3，结构中包括有径向外展的环体302和在其一侧端面上沿中心轴向外凸的环状凸台结构301两部分。环状凸台结构301的轴向宽度为0.5～3mm，径向高度≥0.2mm；凸台结构301的径向高度与推环中径向外展环体302的轴向宽度之比为0.3～1。凸台结构301的轴向端面18的粗糙度为0.4微米，平面度为8微米，该轴向端面18与静环2的非密封端面形成一对面-面紧密接触的静密封面，并可通过控制该端面18的表面精度，达到更好地防止密封介质沿静环2与推环3间的径向泄漏。

在推环中所述贯通内孔的孔壁中设置有开口于壁面的环形凹槽21，槽的深度和/或宽度可以根据具体的密封要求进行设置。在环形凹槽21中可设有适当形式的密封圈等密封结构9，并将推环3和密封结构9一同沿轴向套置在静环座4的密封周面上，密封结构9与环形凹槽21的内侧表面及轴12的外侧面接触，实现对静环2的内孔面与静环座4内筒的外圆柱面23间介质沿轴向泄漏的密封。

在所述推环贯通内孔中该环形凹槽21的轴向两侧的槽壁与对应的推环两端面间分别具有相应的间隔结构。其中，推环背面22方向侧的间隔结构的轴向宽度t2≥0.5mm，凸台结构301方向侧间隔结构的轴向宽度t3≥5mm，且该两间隔结构的轴向宽度宜t2≤t3，t2/t3之比优选为0.1～0.6，使在该环形凹槽21中的密封结构9的安装位置尽量靠近静环座4上转角24的位置。

同时，位于环形凹槽21轴向两侧的贯通内孔的直径中，凸台结构301方向侧的直径d1≤推环背面22方向侧的直径d2，且d1/d2的比值优选为0.9～1，且d1与d2间的差值宜≤5mm，既有利于将环形凹槽21与推环背面22之间的推环内孔面设为要密封的孔面，也便于在环形凹槽21中设置多种类型的密封结构9。

在实际使用中，根据本领域的通常应用方式，具有本发明推环3的机械密封装置的总体布局可以根据需要可有多种型式，如单端面密封、双端面密封、串联式密封（两级以上）、串联带中间迷宫（两级以上）等，并且还可进一步与浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封型式组成组合式密封。

Claims (10)

1.机械密封装置的推环，其特征为：具有轴向贯通内孔的推环（3），包括径向外展的环体（302）和在其一侧端面上沿中心轴向伸凸的环状凸台结构（301）两部分结构，在所述贯通内孔的孔壁中设置有开口于孔壁面的环形凹槽（21），且环形凹槽的该凸台结构方向侧的槽壁与环状凸台结构的端面间保持有间隔结构，该间隔结构的轴向宽度（t3）优选≥5mm；优选的凸台结构的径向高度≥0.2mm。

2.如权利要求1所述的机械密封装置的推环，其特征为：所述凸台结构（301）的径向高度与所述推环的径向外展的环体（302）轴向宽度之比为0.3～1。

3.如权利要求1所述的机械密封装置的推环，其特征为：所述的环状凸台结构（301）的轴向宽度≥0.5mm，优选为0.5～3mm。

4.如权利要求1所述的机械密封装置的推环，其特征为：所述推环贯通内孔环形凹槽（21）轴向两侧的槽壁与对应的推环两端面的间隔结构中，凸台结构（301）方向侧的间隔结构的轴向宽度（t3）大于推环背面（22）方向侧间隔结构的轴向宽度（t2），其中推环背面（22）方向侧间隔结构的轴向宽度（t2）优选为≥0.5mm。

5.如权利要求4所述的机械密封装置的推环，其特征为：所述环形凹槽轴向两侧的槽壁与对应推环两端面的间隔结构中，推环背面方向侧与凸台结构方向侧间隔结构的轴向宽度（t2，t3）比值为0～0.6，优选为0.1～0.6。

6.如权利要求1所述的机械密封装置的推环，其特征为：所述环形凹槽（21）轴向两侧的推环贯通内孔的直径中，凸台结构（301）方向侧内孔的直径（d1）≤推环背面（22）方向侧内孔的直径（d2）。

7.如权利要求1至6之一所述的机械密封装置的推环，其特征为：所述的凸台结构（301）轴向端面（18）的粗糙度≤0.8微米，平面度≤12微米。

8.机械密封装置，具有轴向固定并可随轴（12）旋转的动环（1），以及经轴端密封面与动环（1）相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环（2），动环（1）经传动结构（13）固定于能与轴（12）同步转动的轴套（8）上，静环（2）通过其非密封端面（16）侧的推环（3）及弹性结构（6）轴向浮动支承于静环座（4）之间并经周向防转结构（5）固定，其特征为：所述的推环（3）为权利要求1至7之一所述的推环。

9.如权利要求8所述的机械密封装置，其特征为：所述推环中凸台结构（301）以其轴向端面（18）与静环（2）的非密封端面紧密接触。

10.如权利要求8或9所述的机械密封装置，其特征为：在推环内孔中所述的环形凹槽（21）中设有密封结构（9），并与推环（3）一同套置在静环座（4）的密封周面上。