CN105952899A - 流体动压型机械密封面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流体动压型机械密封面结构，静环的密封端面开设有连接形成正十二边形的12个凹槽，这些凹槽相互连通且其中任意两个相邻凹槽的连接处与静环的外圆周面贯通。动环随着与之连接的轴旋转而产生离心效应，带动所述凹槽内的流体旋转，从而在动环的密封端面与静环的密封端面之间产生液膜。动环和静环均由碳化硅/石墨复合材料制成，并使用反应烧结碳化硅加碳技术加工。所述流体动压型机械密封面结构适用于核主泵中，实现在高压放射性工作环境中的良好密封功能。

Description

流体动压型机械密封面结构
技术领域
本发明属于机械工程技术领域，涉及使用高压、放射性工作介质及长寿命要求的流体动压型机械密封的大中型机械，特别涉及一种流体动压型机械密封面结构。
背景技术
机械密封由于泄漏量低和不需要日常维护的特点，已广泛取代了压盖软填料密封。而其中的流体动压型机械密封是将密封面设计为特殊的几何结构，利用相对旋转自行产生流体动压效应。
流体动压型机械密封的密封面是由两个垂直于回转轴线的密封平面组成，其中一个密封面零件安装在其他零件上保持静止，称为“静环”，而另一个固定在轴上并随之转动，称为“动环”。动静环在相对旋转过程中通过摩擦而实现密封功能。为了使两个密封平面由于摩擦产生的热量及磨损量保持在允许范围内，在密封面之间必须有一层流体润滑膜。而流体动压型机械密封的流体润滑膜就是通过将密封端面设计为特殊的几何结构，通过动静环之间的相对运动而自行产生流体动压，在密封面之间形成一层很薄的液膜，避免动静环之间的干磨，减少磨损量并实现密封。
在工程应用领域，有的设计将动环或静环端面加工成毫米级的U形槽、半圆形槽、圆弧槽、直线槽、台阶结构或者微米级的浅槽，还有在密封面边缘沿周向加工成波纹面。其中，微米级的浅槽由于流体动压较小，在一定工况下容易造成液膜厚度不足，导致密封面干磨。波纹面加工难度大，由于加工误差很难保证斜波纹面的波峰与理论面等高。而毫米级的槽形密封面结构简单，加工方便，使用范围最广，但部分结构设计抗非均匀力和热影响能力差，选用的材料和制造工艺不合适，容易引起局部变形，造成液膜不稳定。
核主泵是反应堆冷却剂泵的简称，为反应堆冷却剂提供驱动压头，把核反应堆产生的热量送至蒸发器，最终再由核主泵送回反应堆进行循环。典型反应堆核主泵运行参数如下：运行温度：293℃；运行压力：15.5 MPa；轴密封设计寿命：＞26000h。因此，核主泵使用的流体动压型机械密封必须耐高压、耐放射性工作介质，并且具有很长的使用寿命。
核主泵用流体动压型机械密封依靠动静环超微的高精度密封端面组合和相互滑动摩擦，形成密封面。要确保和维持密封面的精度和密封性，不但对动静环密封面的平面度、粗糙度要求严格，而且在很大程度上依赖于选用的材料特性。对材料的机械性能、工作环境、润滑特性、使用寿命、配对材料的耐磨性、导热性和耐热性等均有极高的要求。常用的材料主要有碳石墨等“软材料”，以及镍合金、氧化铝、碳化钨、碳化硅、氮化硅等“硬材料”。
发明内容
本发明的目的在于提供一流体动压型机械密封面结构，通过设计新的密封面几何形状，使其适用于核主泵等大中型机械，更好地实现在高压放射性工作环境中的密封功能。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种流体动压型机械密封面结构，其中包含静环，所述静环的密封端面开设有连接形成正十二边形的12个凹槽，这些凹槽之间相互连通，且其中任意两个相邻凹槽的连接处与所述静环的外圆周面贯通；在这些凹槽中引入流体。
优选地，所述流体动压型机械密封面结构进一步包含动环，所述动环的密封端面与所述静环的密封端面平行。
优选地，所述动环随着与之垂直并连接的轴旋转而产生离心效应，带动所述凹槽内的流体旋转而在动环的密封端面与静环的密封端面之间产生液膜。
优选地，各个所述凹槽是矩形槽。
优选地，各个所述凹槽是毫米级的矩形槽。
优选地，所述凹槽连接形成的正十二边形的中心与所述静环的圆心同心。
优选地，所述动环和静环均由碳化硅/石墨复合材料制成。
优选地，所述动环和静环均通过反应烧结碳化硅加碳技术加工而成。
优选地，所述流体动压型机械密封面结构设置于核主泵中。
本发明提供的流体动压型机械密封面结构，结构简单，设计新颖，实现了以下的有益效果：
（1）设计了一种新的核主泵用动静环密封面几何结构，更好地实现了在高压放射性工作环境中的密封功能；
（2）通过选用合适的材料和制造工艺，更好的实现了核主泵用机械密封的密封特性并延长了使用寿命；
（3）为其他类似的核主泵用流体动压机械密封面结构设计提供了新的思路和突破口。
附图说明
图1是本流体动压型机械密封静环的结构示意图及其局部放大侧剖视图；
图2是本流体动压型机械密封动环的结构示意图及其A-A向侧剖视图；
图3是本流体动压型机械密封面动环和静环安装结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种新的核主泵用流体动压机械密封端面结构。参见图1，本发明所述流体动压型机械密封结构的静环10，在其密封端面开设有12个凹槽11，其连接形成正十二边形，该正十二边形的中心与所述静环10的圆心同心。根据右侧的局部放大图可见，各凹槽11是毫米级的矩形槽。
这12个凹槽11之间相互连通，且其中任意两个相邻凹槽11的连接处与静环10的外圆周面贯通，既保证了由流体动压产生液膜所需的高压流体引入，同时也增加了高压流体容积，可以更好地实现机械密封在不同工况下的受力均匀性及液膜稳定性。
参见图2所示，本发明所述流体动压型机械密封的动环20端面，设计为与静环10端面平行的结构。通过研磨确保密封面的粗糙度及平面度满足设计要求。
所述动环20和静环10，均选用碳化硅/石墨复合材料，密封面属于“硬对硬”配合。碳化硅属于新型陶瓷材料，接近金刚石的硬度使其具有优秀的耐磨性，同时具有寿命长，导热性良好，配对材料的摩擦学相容性好，粘着倾向小等优点。除了在高温下溶融强碱和强氧化气体外，在全浓度硫酸和沸点接近的苛性碱中也能使用，特别是能够在很大温度范围内保持耐腐蚀性和耐磨性。是核主泵用机械密封中应用最广泛的材料之一。石墨具有良好的自润滑性、化学惰性以及成本低的特点。石墨的自润滑性是因为其与金属或陶瓷摩擦时，在微观上会有一层石墨转移膜迅速涂覆在摩擦表面。本发明的动环20、静环10选用反应烧结碳化硅加碳技术，其中含有一定比例的游离硅和碳，同时具有“硬材料”碳化硅和“软材料”石墨的上述优良特性，承受高压及放射性工作介质的同时，又极大地提高了本流体动压型机械密封的使用寿命。
由图3可知，本发明所述流体动压型机械密封动静环10的结构简单，设计新颖。其主要加工及安装过程如下：
1) 加工动环20和静环10至装配尺寸；
2) 使用热套方法将静环10与其他静环10组件装配在一起；
3) 使用热套方法将动环20与其他动环20组件装配在一起；
4) 研磨动环20和静环10至最终尺寸，保证密封面的粗糙度和平面度要求；
5) 安装机械密封其他零部件。
参考图3，本流体动压机械密封的动静环10工作原理如下：动环20随着轴一起转动，受旋转产生的离心效应影响，静环10的12个凹槽11中的液体也会发生旋转。贴近动环20的流体与旋转面的转速相同，而与静环10贴近的流体则是静止的，从而产生液膜。虽然形成的液膜很薄，但离心力仍有将液膜从密封端面抛出的趋势，实现密封功能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种流体动压型机械密封面结构，其特征在于，
所述流体动压型机械密封面结构包含静环，所述静环的密封端面开设有连接形成正十二边形的12个凹槽，这些凹槽之间相互连通，且其中任意两个相邻凹槽的连接处与所述静环的外圆周面贯通；在这些凹槽中引入流体。
2.如权利要求1所述的流体动压型机械密封面结构，其特征在于，
所述流体动压型机械密封面结构进一步包含动环，所述动环的密封端面与所述静环的密封端面平行。
3.如权利要求2所述的流体动压型机械密封面结构，其特征在于，
所述动环随着与之连接的轴旋转而产生离心效应，带动所述凹槽内的流体旋转而在动环的密封端面与静环的密封端面之间产生液膜。
4.如权利要求1所述的流体动压型机械密封面结构，其特征在于，
各个所述凹槽是矩形槽。
5.如权利要求1所述的流体动压型机械密封面结构，其特征在于，
各个所述凹槽是毫米级的矩形槽。
6.如权利要求1所述的流体动压型机械密封面结构，其特征在于，
所述凹槽连接形成的正十二边形的中心与所述静环的圆心同心。
7.如权利要求2所述的流体动压型机械密封面结构，其特征在于，
所述动环和静环均由碳化硅/石墨复合材料制成。
8.如权利要求7所述的流体动压型机械密封面结构，其特征在于，
所述动环和静环均通过反应烧结碳化硅加碳技术加工而成。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的流体动压型机械密封面结构，其特征在于，
所述流体动压型机械密封面结构设置于核主泵中。
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