CN106015579B - 一种基于节流结构主动控制的机械密封装置 - Google Patents

一种基于节流结构主动控制的机械密封装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于节流结构主动控制的机械密封装置，包括相对旋转的非浮动环和浮动环，两者之间的密封间隙形成流体膜，相对静止或微动的间隙处设有副密封；将流体膜的一部分与流体膜之外存在流体介质的区域通过节流结构相连通，节流结构中包含有磁性液体或磁流变液；由磁场控制装置提供的可控磁场改变磁性液体或磁流变液的特性和受力，改变节流结构的节流特性，以影响密封间隙内的压强分布，对机械密封进行主动控制。受控磁场中磁性液体或磁流变液的特性和受力改变，影响节流结构中密封介质流动从而改变密封端面内的压强分布，调节浮动环的受力，从而实现对密封的主动控制，实现对机械密封迅速的、有较强抗干扰能力的调节。

Description

一种基于节流结构主动控制的机械密封装置
技术领域
本发明属于机械密封技术领域，涉及一种基于磁性液体节流结构主动控制的机械密封装置。
背景技术
机械密封一般用作旋转机械设备中的轴端密封，其通过在随轴转动的动环和不转动的静环之间的端面上形成润滑，使得两者间形成的摩擦副足以有效限制流体泄漏，但又不至于带来太大摩擦扭矩。通常机械密封能在一定的稳定工况下正常运行，但在某些情况下(例如工作条件发生较大变化时、运行过程中受到较大扰动时、利用动压效应的机械密封在启停过程中)，可能出现密封端面远离或接触力过大的异常状况。对密封进行主动控制可以及时针对机械密封中的异常状况做出调节，使机械密封恢复正常工作，尽可能地减少损失。
在机械密封的主动控制上已有一些研究，如中国专利CN101776152中提出从外部气源向密封膜内导入气体的结构，并提出了通过调节外部气源压力来对机械密封进行调节的理念；中国专利CN104179975设计了通过对静环施加电磁力来调节机械密封的加载方案。中国专利CN1825083中提出了用电机带动丝杠螺母机构推动浮动环从而实现加载的方案。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种基于节流结构主动控制的机械密封装置，在机械密封结构中引入磁性液体或磁流变液节流，实现对机械密封迅速的、有较强抗干扰能力的调节。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于节流结构主动控制的机械密封装置，包括相对旋转的非浮动环和浮动环，两者之间的密封间隙形成流体膜，相对静止或微动的间隙处设有副密封；将流体膜的一部分与流体膜之外存在流体介质的区域通过节流结构相连通，节流结构中包含有磁性液体或磁流变液；磁场控制装置根据控制信号提供可控磁场改变磁性液体或磁流变液的特性和受力，从而改变节流结构的节流特性，以影响密封间隙内的压强分布，对机械密封进行主动控制。
所述的流体膜与存在流体介质的区域的连通为：非浮动环或浮动环的端面上设有均压槽，均压槽与节流结构相连接；当节流结构的节流特性变化时，均压槽内的压强会改变，进而将影响整个密封间隙内的压强分布，影响密封流体膜的开启力和力矩。所述的流体膜之外存在流体介质的区域为高压区、低压区或外部气源。
所述的均压槽为减小流体流动阻碍的空间，设置为一个或多个；均压槽中的流体相对于密封间隙内的其他区域更自由；
所述的均压槽通过一个或多个节流孔与节流结构相连通。
所述的非浮动环和/或浮动环的端面上还设有改善密封性能的端面形貌特征，其端面形貌为固定形式、或具有自适应特性的、或由主动控制途径所要求的形式，包括但不限于锥度、波度、槽和微织构。
所述非浮动环和浮动环形成的相对旋转的密封端面将两侧有压力差的流体介质隔离开。
所述的流体介质为液体或气体。
所述的节流结构为有流体流过时能使其两端的流体形成稳定压强差的结构，其几何形式包括能够形成稳定压强差的结构以及其组合。
所述的磁性液体或磁流变液的特性和受力状况随磁场控制装置提供的可控磁场而改变，使节流结构的节流特性(即节流结构两端压强与节流结构中的磁性液体流量的关系)随一定规律改变；当节流结构的节流特性改变时，与之连通的流体膜的开启力和力矩随之改变；
磁场控制装置根据单路或多路的控制信号而改变可控磁场。
所述的磁性液体是将纳米尺度的磁性固体颗粒分散在基载液中形成的稳定胶体溶液，具有铁磁性和流动性，在磁场中会受力，且粘度会发生改变；
所述的磁流变液是将微米或纳米尺度的磁性固体颗粒分散在基载液中形成的固液两相胶体悬浊液，具有铁磁性，在磁场中会受力，在无磁场或低磁场时表现为液体而在磁场强时表现为固体。
当与磁性液体或磁流变液不互溶亦不反应的流体流过处于磁场中的磁性液体或磁流变液时，该流体的流动受到限制，从而产生压降；当磁场发生改变时，流体的流动会相应受到影响。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的基于节流结构主动控制的机械密封装置，节流结构中包含有磁性液体或磁流变液，通过改变控制信号可以调节浮动环的受力，实现对机械密封的调节。采用磁性液体或磁流变液设计的可控节流结构可以很小，便于在对现有机械密封产品的结构作较小改动的情况下进行改进，从而保留了现有机械密封产品的优点；合理的可控节流结构可以实现快速响应的控制，便于对机械密封的异常运行状况及时做出反应，也便于抵抗高频率的外部干扰；在高压强的机械密封中，通过将节流结构连接到被密封的高压流体介质，可以借助流体介质自身的压强来实现调节，从而较方便地产生较强的调节力。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为实施例1端面结构示意图；
图3为实施例2端面结构示意图；
图4为实施例3端面结构示意图；
图5为实施例4采用的多套磁场控制装置的示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
目前被广泛运用的机械密封装置中，非浮动环和通过弹性元件弹性支撑的浮动环相对旋转，二者的微小间隙中形成流体膜，间隙两端的高压区和低压区之间存在压强差。对于相对静止或只有微小相对运动的有压差的缝隙，通过副密封阻止泄漏。
在上述的被广泛使用的机械密封装置基础上，进行以下的改进：
将机械密封流体膜的一部分与流体膜之外的存在流体介质的区域通过节流结构相连通。
所述的流体介质可以是液体或气体；
所述的流体膜之外的存在流体介质的区域可以是机械密封所阻隔的两个区域之一或其他的外部气源；
所述的节流结构为有流体流过时能使其两端的流体形成稳定压强差的结构，其几何形式为单一形式或多种几何形式的组合。具体的，所述的节流结构的几何形式可以是缝隙等各种能在流体流过时在结构两端形成稳定压强差的结构。亦可以是多个、多种此类几何结构的组合，比如孔(各种截面形状的)、缝隙、径向间隙、轴向间隙及其组合。除固体结构外，所述的节流结构中包含磁性液体或磁流变液，其特性和受力受到磁场的影响。
所述的磁性液体是一种将纳米尺度的磁性固体颗粒分散在基载液中形成的稳定胶体溶液。其具有类似于铁等材料的铁磁性，同时具有液体的流动性。其在磁场中会受力，且粘度会发生改变。
所述的磁流变液是一种将微米或纳米尺度的磁性固体颗粒分散在基载液中形成的固液两相胶体悬浊液。其具有类似于铁等材料的铁磁性。磁流变液在磁场中会受力，并且在无磁场或低磁场时表现为液体而在磁场较强时表现为固体。
当令与磁性液体或磁流变液不互溶亦不反应的流体流过磁场中的磁性液体或磁流变液时，该流体的流动受到限制，从而产生压降。当磁场发生改变时，流体的流动也会相应受到影响。
节流结构的节流特性会随控制磁场的控制信号的改变而以一定规律改变。
所述的节流特性指节流结构两端压强与通过结构中通道的流体的流量的关系。在改变控制信号时，磁性液体或磁流变液的特性和受力状况会改变，从而使节流特性随之改变。这一改变过程的规律是可知的。
在一件所述的可控型机械密封设备中，可以由单路或多路控制信号通过磁场控制对节流结构进行控制。
节流结构的节流特性改变时，密封流体膜的开启力和力矩——即由密封间隙中流体的压强带来的力和力矩——会随之改变。
为此，可以在任一密封环的端面上设置均压槽15，它是一个便于流体在较小的阻碍小流动的空间。均压槽可以是一个或多个，可以是多种形状。前述节流结构连接到均压槽，因而节流特性变化时，均压槽内的压强会改变。均压槽内压强的改变将影响整个密封间隙内的压强分布，从而影响开启力。
除可以设置均压槽外，在相对的两密封环中任一密封环的端面上可以添加其他的端面形貌特征，包括(但不限于)锥度、波度、各种槽和微织构等，以改善密封的性能。这些端面形貌可以是固定的，也可以是具有自适应特性的或由任何途径主动控制的。
这样一来，密封流体膜的开启力和力矩便可以随控制信号而改变，从而实现对机械密封的主动控制。若配合合适的检测设备和控制算法，则可以增强密封的稳定性。
参见图1，本发明提出的一种基于节流结构主动控制的机械密封装置，包括相对旋转的非浮动环2和浮动环5，两者之间的密封间隙形成流体膜3，相对静止或微动的间隙处的副密封8；将流体膜3的一部分与流体膜之外3存在流体介质的区域通过节流结构相连通，节流结构中包含有磁性液体或磁流变液；由磁场控制装置提供的可控磁场通过改变磁性液体或磁流变液的特性和受力，改变节流结构的节流特性，以影响密封间隙内的压强分布，对机械密封进行主动控制。
所述的流体膜3与流体膜之外存在流体介质的区域的连通为：非浮动环2或浮动环5的端面上设有均压槽15，均压槽15与节流结构相连通；
当节节流结构的流特性变化时，均压槽15内的压强会改变，进而将影响整个密封间隙内的压强分布，影响密封流体膜的开启力和力矩。
所述的流体膜之外存在流体介质的区域为高压区1、低压区16或外部气源。
所述的均压槽15为减小流体流动阻碍的空间，设置为一个或多个；均压槽15中的流体相对于密封间隙内的其他区域更自由；
所述的均压槽15通过一个或多个节流孔与节流结构相连通。
进一步的，所述的非浮动环2和/或浮动环5的端面上还设有改善密封性能的端面形貌特征，其端面形貌为固定形式、或具有自适应特性的形式、或由主动控制途径所要求的形式，包括但不限于锥度、波度、槽和微织构。
所述的磁性液体或磁流变液的特性和受力状况随磁场控制装置提供的可控磁场而改变，使节流结构的节流特性随一定规律改变；所述的节流特性为节流结构两端压强与节流结构中的磁性液体流量的关系；当节流结构的节流特性改变时，与之连通的流体膜的开启力和力矩随之改变；
磁场控制装置根据单路或多路的控制信号而改变可控磁场。
实施例1
本发明实施例1的整体结构如图1所示。
一种基于磁性液体节流主动控制的机械密封装置，包括固定在轴4上的动环2及相应的固定装置、与之相对旋转的静环5和用于其弹性支承的弹簧6、用于施加可控磁场的线圈10、铁芯9和极靴11、在磁场作用下影响节流结构中介质流动的磁性液体12、相对静止或微动的间隙处的副密封8。动环2(非浮动环)随轴一同转动。静环5(浮动环)通过弹簧6弹性支承在静环座7上。高压区1为压力稳定的被密封气体，低压区16为大气，它们被动环2和静环5分隔开来，以微米级厚度的流体膜3相连通。
静环座7固定在密封腔上，将环状铁芯10固定在其上。浮动环5弹性支撑在静环座7上。在需要密封的相对静止或微动的间隙处采用O形圈作为副密封8。
线圈9套在环状铁芯10上，铁芯端部有极靴11，其中放置磁性液体12。线圈9通电后，极靴11的间隙中形成磁场，磁场中的磁性液体12将获得抵抗压差的能力，气体流过时将产生压降。保持密封间隙处于密封介质流通并提供压差的状态，改变线圈9中电流的大小即可改变磁性液体12在间隙中的受力，从而改变高压区1和背部气室13两端的压强差。
背部气室13经由节流孔14与均压槽15相连通，节流孔14的节流特性不可主动调节，但其压强差随流量的变化使其可以为密封流体膜提供刚度，增强密封的稳定性。均压槽的形状如图2所示。
在本实施例中，以线圈9中的电流作为控制信号，增强线圈9中的电流，则磁场增强，高压区1与背部气室13间压差增大，从而背部气室13压强下降，均压槽15压强随之下降，密封端面的压强整体下降，从而减少沿轴向的开启力，使流体膜3厚度减小。反之，减弱线圈9中的电流时，沿轴向的开启力增大，使流体膜3厚度增大。
实施例2
在实施例1的基础上，将均压槽改为4个。如图3所示。
实施例3
在实施例1的基础上，增加螺旋槽17，以提供动压效应，改善机械密封性能。如图4所示。
实施例4
在实施例2的基础上，将设置在静环背后的背部气室13改为4个(每个背部气室经由节流孔通到一个均压槽)，并将施加可控磁场的装置(铁芯9、线圈10、极靴11)相应地改为4套(每个线圈套在单个铁芯上)，并在4路相互独立的控制信号控制下调节极靴间磁性液体12的节流特性。如图5所示。
实施例5
在实施例1的基础上，将磁性液体改为磁流变液(当然，在实施例5的基础上依然可以进行类似于实施例2至4的改进，不再赘述)。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于节流结构主动控制的机械密封装置，其特征在于，包括相对旋转的非浮动环(2)和浮动环(5)，两者之间的密封间隙形成流体膜(3)，相对静止或微动的间隙处设有副密封(8)；将流体膜(3)的一部分与流体膜(3)之外存在流体介质的区域通过节流结构相连通，节流结构中包含有磁性液体或磁流变液；所述的节流结构为有流体流过时能使其两端的流体形成稳定压强差的结构；磁场控制装置提供可控磁场改变磁性液体或磁流变液的特性和受力，改变节流结构的节流特性，以影响密封间隙内的压强分布，对机械密封进行主动控制；所述的流体膜(3)与流体膜之外存在流体介质的区域的连通为：非浮动环(2)或浮动环(5)的端面上设有均压槽(15)，均压槽(15)与节流结构相连通；当节流结构的节流特性变化时，均压槽(15)内的压强会改变，进而将影响整个密封间隙内的压强分布，影响密封流体膜的开启力和力矩；所述的流体膜之外存在流体介质的区域为高压区(1)、低压区(16)；所述的均压槽(15)为减小流体流动阻碍的空间，设置为一个或多个；均压槽(15)中的流体流动相对于密封间隙内的其他区域更自由。
2.如权利要求1所述的基于节流结构主动控制的机械密封装置，其特征在于，所述的非浮动环(2)和/或浮动环(5)的端面上还设有改善密封性能的端面形貌特征。
3.如权利要求1所述的基于节流结构主动控制的机械密封装置，其特征在于，所述非浮动环(2)和浮动环(5)形成的相对旋转的密封端面将两侧有压力差的流体介质隔离开；
所述的流体介质为液体或气体。
4.如权利要求1所述的基于节流结构主动控制的机械密封装置，其特征在于，所述的磁性液体或磁流变液的特性和受力状况随磁场控制装置提供的可控磁场而改变，使节流结构的节流特性随一定规律改变；所述的节流特性为节流结构两端压强与节流结构中的磁性液体流量的关系；当节流结构的节流特性改变时，与之连通的流体膜(3)的开启力和力矩随之改变；
磁场控制装置根据单路或多路的控制信号改变可控磁场。
5.如权利要求1所述的基于节流结构主动控制的机械密封装置，其特征在于，所述的磁性液体是将纳米尺度的磁性固体颗粒分散在基载液中形成的稳定胶体溶液，具有铁磁性和流动性，在磁场中会受力，且粘度会发生改变；
所述的磁流变液是将微米或纳米尺度的磁性固体颗粒分散在基载液中形成的固液两相胶体悬浊液，具有铁磁性，在磁场中会受力，在无磁场或低磁场时表现为液体而在磁场强时表现为固体；
当与磁性液体或磁流变液不互溶亦不反应的流体流过处于磁场中的磁性液体或磁流变液时，该流体的流动受到限制，从而产生压降；当磁场发生改变时，流体的流动会相应受到影响。
6.如权利要求1所述的基于节流结构主动控制的机械密封装置，其特征在于，所述的非浮动环(2)固定在旋转机械的转轴(4)上，与之相对旋转的浮动环(5)通过弹性元件(6)弹性支承在静环座(7)上；
所述的节流结构包括背部气室(13)，背部气室(13)的底端经由节流孔(14)与非浮动环(2)或浮动环(5)端面上设置的均压槽(15)相连通；背部气室(13)的开口端设置套有线圈(9)的环状铁芯(10)，环状铁芯(10)端部设有极靴(11)，极靴(11)中含有磁性液体(12)。
7.如权利要求6所述的基于节流结构主动控制的机械密封装置，其特征在于，所述的均压槽(15)设置为多个，每个均压槽(15)与一个背部气室(13)相连接，每个背部气室(13)设有由线圈(9)的环状铁芯(10)组成的磁控装置，并分别由相互独立的控制信号控制。
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