CN107504189A - 一种适用于变压环境的液体机械密封装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于变压环境的液体机械密封装置，包括动环、静环、弹力元件、排液管、直动型溢流阀、多级次调压滑阀和多级次压盖，调压滑阀包括活塞、弹性体密封圈、金属波纹管和调压溢流环；活塞在调压溢流环上沿轴向滑动，弹性体密封圈分内外两个圈分别安装在活塞环的径向内外侧；所述调压溢流环上加工有多级次的调压溢流孔，所述的调压溢流孔连通着两个相邻介质腔体，其开启受活塞端面力、金属波纹管弹力和内外弹性体密封圈摩擦力三者代数和大小的控制；多级次调压滑阀和其对应的压盖从左至右依次顺序安装，并使用螺栓与机器壳体连接压紧密封。

Description

一种适用于变压环境的液体机械密封装置

技术领域

本发明涉及液体机械密封装置设计领域，具体涉及一种适用于变压环境的液体机械密封装置，特别适用于海洋与江河环境下各类潜航器旋转设备的轴端用机械密封装置。

背景技术

在江河、湖泊及海洋等水域环境中，潜航器的压力并不是恒定不变的，每下潜100m，压力就增加1MPa，所以水域环境中水压随潜航器潜深不断变化也是该环境中的一大特点。对于现有的液体密封装置而言，其弹性元件提供的弹簧力和机械密封的平衡比是固定的，随着潜航器在下潜和上浮的过程中，随着装备外压的不断变化，机械密封在运行过程中将面临端面比压急剧变化、液膜易破裂和稳定性变差等问题，从而影响机械密封使用的性能和寿命。

国内学者顾永泉(机械密封的失效模式与临界平衡比的计算.中国石油大学学报:自然科学版,1996(6):51-54)和陈文毅(泵用机械密封平衡比的研究.排灌机械工程学报,1993(2):3-5)的研究表明，密封端面闭合力与平衡比和介质压力有关，端面闭合力不仅随着密封介质压力增大而增加，而且随着平衡比增大而增加。而国内外涉及变压机械密封的专利很少，中国全国船舶标准化技术委员会于1988年专门制定了相关专业标准《船用泵轴的变压力机械密封》，但是该份标准中所涉及的变压力机械密封主要由主密封(单端面、内装、平衡型)和应急密封(填料混合组装压盖型)两部分组成，这里涉及的主密封实际上仍然是普通机械密封，对变压的适应能力是非常有限的，必将面临上述问题而无法避免变压带来的麻烦。此外，在主密封无法避免上述问题产生失效的情况下，应急密封是混合组装压盖型填料密封，在长时间运行状态下无法避免与转轴之间的磨损、径向间隙增大、泄漏上升等问题，因此安全可靠性低。特别是对下潜深度较大的潜航器如潜艇、深潜器，作为普通机械密封的主密封，则必将面临更严重的端面液膜破裂、端面液膜汽化、端面快速磨损等问题，而在运行状态调整填料密封必将带来更大泄漏的潜在威胁，是一种无法适应深潜需求的变压力机械密封，迫切需要改进。

因此，针对海洋等水域环境中压力随深度不断变化这一挑战，发明一种通过实时改变机械密封的平衡比或/和闭合力，以提高机械密封在水域压力波动环境下的端面液膜稳定性，解决困扰有关海工装备艉轴密封无法适应海洋环境的问题，具有重要的实际意义。

发明内容

本发明要克服现有的机械密封结构对海工装备或潜航器在海洋或江河等水域环境下变深潜航适应性较差的问题，提供一种适用于水域环境下变深半自适应液体机械密封装置，该机械密封系统结构随着介质压力变化，其平衡比或/和闭合力发生相应的变化，从而增加机械密封适应环境的能力，提高机械密封的性能和使用寿命。

本发明的技术方案是：

一种适用于变压环境的液体机械密封装置，包括静环12、动环13，其特征在于：还包括设置在静环12背部的多级次的调压装置，所述的调压装置包括弹力元件1、排液管2、直动型溢流阀3、调压滑阀6和压盖4；所述的调压滑阀6包括金属波纹管5、活塞9、外侧弹性体密封圈8、内侧弹性体密封圈10和调压溢流环7，金属波纹管5和活塞9沿垂直于静环12的端面的轴向布置；所述活塞9的左端面是承受密封介质液压的承压面，所述活塞9在调压溢流环7上沿轴向滑动，所述内侧弹性体密封圈10、外侧弹性体密封圈8分别安装在活塞环的径向内外侧，所述金属波纹管5的一端焊接在活塞9上，另一端焊接在压盖4上；第一级次的活塞9的左端面直接连通静环12、动环13之间的机械密封端面间液膜的密封介质，次级活塞9的左端面连通一个由调压滑阀6、调压溢流环7右端面及压盖4包围而成的密封介质腔室；

所述调压溢流环7上加工有对应于每个级次的调压溢流孔11，，所述的调压溢流孔11的一端连通下一级次的密封介质腔室，其另一端设置在活塞9在调压溢流环7上沿轴向滑动的通道上，调压溢流孔11随活塞9的移动在关闭状态和开启状态之间切换；在初始状态内侧弹性体密封圈10位于调压溢流孔11的孔口的左侧，阻止密封介质通过调压溢流孔11流向下一级次的密封介质腔室，该状态是调压溢流孔11的关闭状态；当活塞9在密封介质压力的作用下向右移动，内侧弹性体密封圈10位于调压溢流孔11的孔口的右侧，调压溢流孔11连通着两个相邻级次的密封介质腔室，该状态是调压溢流孔11的开启状态；

各级次的调压滑阀6及其压盖4从左至右依次顺序安装，并使用螺栓与机器壳体连接压紧密封；所述各个级次排液管2的一端与对应级次的密封介质腔室相连，另一端与装置外部设定压力为p的介质相联通，以供机械密封装置处于非工作状态或水域航行器的潜深由深变浅时起到排液泄压的作用；所述各个级次的直动型溢流阀3安装在对应级次的排液管2上，所述直动型溢流阀3为单向阀，在密封介质压力升压过程中关闭，而在密封介质降压过程中打开使密封介质沿排液管从左往右排液泄压。

优选地，各级调压滑阀6包含刚度不同的金属波纹管5，从一级调压滑阀、二级调压滑阀到三级调压滑阀的弹簧刚度逐级增加。

进一步，所述的调压装置设置为三级次，安装有一级调压滑阀6a、二级调压滑阀6b和三级调压滑阀6c，以及对应的不同级次调压溢流孔11a、11b和11c。

进一步，所述一级调压滑阀6a、二级调压滑阀6b和三级调压滑阀6c上对应的不同级次调压溢流孔11a、11b和11c开启时，其对应的活塞端面压力分别为低压、中压和高压，开启后密封介质分别通过不同级次的调压溢流孔11a、11b和11c由高压侧流向低压侧。

再进一步，所述装置外部设定介质压力p的具体数值依据潜航器所处水域位置来定，若设定潜航器潜深为h(单位为米)时，则p≤0.01h(单位为MPa)。

进一步，所述活塞9沿轴向右滑时受位移限制器的限制，以避免所述金属波纹管5压死后超过波片材料的屈服极限而产生失弹；所述金属波纹管5为焊接金属波纹管。

本发明的工作原理及其所具有的有益效果如下：

1.本发明提供一种适用于变压环境的液体机械密封装置，为此引入三个不同级次的调压滑阀，所述各级调压滑阀包含刚度不同的金属波纹管，从一级调压滑阀、二级调压滑阀到三级调压滑阀的弹簧刚度逐级增加。当机械密封实际工作时，若密封介质的压力大于一级调压滑阀的起滑所对应的最小活塞压力，则一级活塞将克服波纹管的弹力和弹性体密封圈的摩擦力在一级调压溢流结构上沿轴向由左向右滑动，直到密封介质通过溢流孔流向邻近下一级或二级调压滑阀、调压溢流环及压盖所包围的密封介质腔室，此时二级调压滑阀依然处于关闭状态。不难得知，尽管此时作用在机械密封上的闭合力增大，但是平衡比减小，这样通过调压滑阀改变机械密封的背压达到了改变平衡比的目的，从而实现了机械密封端面比压在一定范围的小幅波动而不是大幅度升减，因此提高了机械密封端面间液膜膜厚的稳定性，使其膜厚始终保持在一定的数值范围内，在理论上保证机械密封始终具有低泄漏率，提高机械密封装置的系统稳定性、密封性和浮动密封环的追随性。

随着潜航器潜深增大，此时若密封介质的压力大于二级调压滑阀的起滑所对应的最小活塞压力，同样地，此时二级调压滑阀活塞将开始滑动，直到密封介质经二级滑阀上的溢流孔进入三级调压滑阀、密封座及压盖所包围的密封介质腔室，与此同时三级调压滑阀依然保持静止状态，仍然起到密封作用。与一级调压滑阀开启后产生的效果相类似，尽管此时作用在机械密封上的闭合力增大，但是平衡比减小，这样通过调压滑阀改变机械密封的背压达到了改变平衡比的目的，从而实现了机械密封端面比压在一定范围的小幅波动而不是大幅度升减，因此提高了机械密封运行整体稳定性。在此基础上，若潜深继续增大，则密封介质的压力继续升高，若升高至大于三级调压滑阀的起滑所对应的最小活塞压力，则三级活塞将克服金属波纹管的弹力和弹性体密封圈的摩擦力使三级调压溢流结构沿轴向由左向右滑动，直到三级调压溢流孔打开，密封介质通过调压溢流孔进入由静环上的调压溢流环、三级压盖和三级调压滑阀所包围的密封介质腔体腔室，进而改变机械密封的端面比压，在一定程度上减缓或消除介质压力升高带来的端面比压快速升高、端面易产生乏液干磨的问题。

综上所述，设置三级调压机构的设置，增强了机械密封对变压的适应性，从而提高了机械密封的运行稳定性和密封长效性。当潜航器的潜深进一步加大，可以在本发明半自适应调压机械密封装置的基础上，设置四级甚至五级调压滑阀及其附属结构，以适应更高压力变化或更宽区域的压力变化范围；或者通过提高各个级次的弹力元件或金属波纹管的刚度值或橡胶密封圈的摩擦阻尼值，使密封适应调压范围扩大。

2.本发明提供一种适用于变压环境的液体机械密封装置，所引入的三级调压机构，使机械密封可以适用于较高压力的环境，可以代替多级密封使用，从而可以节省潜航器中密封所占空间，适用于如水下深潜器这种对配置零部件占用空间要求极高的此类装置或场所。适用压力范围可以改变调压机构的级数、波纹管的刚度、密封圈摩擦阻尼或调压滑阀的起滑活塞力来定；本发明涉及可适应变压环境的液体机械密封装置的可调压力范围一般可以参照中国机械行业标准《JB/T4127.2-2013机械密封第2部分：分类方法》。

3.当潜航器上浮或悬停在海洋中的某一深度时，直动型溢流阀由人工控制开启，直动型溢流阀的背压p的具体数值依据潜航器所处水域位置来定(当潜航器处于水面时可设定为大气压)，从而实现对各级腔室内密封介质的排液泄压，而当潜航器再度下潜时，则关闭直动型溢流阀就可继续完成上述端面调压功能。

附图说明

图1为本发明一种适用于变压环境的液体机械密封装置的结构示意图；

图2为本发明三个级次调压装置主要零部件的结构示意图；

图3为图1的A部的放大结构示意图；

图4为本发明三个级次调压装置逐一开启时对应工作状态下密封静环的受力图。其中，图4a是对应各级调压装置处于未开启状态时的静环受力作用分布图；图4b是对应一级调压装置处于开启状态时的静环受力作用分布图；图4c是对应一级、二级调压装置全部开启时的的静环受力作用分布图；图4d是对应一级、二级和三级调压装置全部开启时的的静环受力作用分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图中编号说明：1-弹力元件；2-排液管(2a-一级排液管；2b-二级排液管；2c-三级排液管)；3-直动型溢流阀(3a-一级直动型溢流阀；3b-二级直动型溢流阀；3c-三级直动型溢流阀)；4-压盖(4a-一级压盖；4b-二级压盖；4c-三级压盖)；5-金属波纹管(5a-一级金属波纹管；5b-二级金属波纹管；5c-三级金属波纹管)；6-调压滑阀(6a-一级调压滑阀；6b-二级调压滑阀；6c-三级调压滑阀)；7-调压溢流环；8-外侧弹性体密封圈(8a-一级外侧弹性体密封圈；8b-二级外侧弹性体密封圈；8c-三级外侧弹性体密封圈)；9-活塞(9a-一级活塞；9b-二级活塞；9c-三级活塞)；10-内侧弹性体密封圈(10a-一级内侧弹性体密封圈；10b-二级内侧弹性体密封圈；10c-三级内侧弹性体密封圈)；11-调压溢流孔(11a-一级调压溢流孔；11b-二级调压溢流孔；11c-三级调压溢流孔)；12-静环；13-动环。

参考图1至图4，一种适用于变压环境的液体机械密封装置，主体由三个不同级次的调压装置组成，主要部件包括静环12、动环13、弹力元件1、排液管2、直动型溢流阀3、调压滑阀6和压盖4，所述的调压滑阀6包括金属波纹管5、活塞9、外侧弹性体密封圈8、内侧弹性体密封圈10和调压溢流环7，金属波纹管5和活塞9沿垂直于静环12的端面的轴向布置；所述活塞9在调压溢流环7上沿轴向滑动，所述内、外侧弹性体密封圈10与8分别安装在活塞环的径向内外侧，所述金属波纹管5的一端焊接在活塞9上，另一端焊接在压盖4上；第一级次的活塞9的左端面直接连通静环12、动环13之间的机械密封端面间液膜的密封介质，次级活塞9的左端面连通一个由调压滑阀6、调压溢流环7右端面及压盖4包围而成的密封介质腔室；

所述调压溢流环7上加工有三个不同级次的调压溢流孔11a、11b和11c，分别对应不同级次的调压滑阀6a、6b和6c，所述的调压溢流孔11的一端连通下一级次的密封介质腔室，其另一端设置在活塞9在调压溢流环7上沿轴向滑动的通道上，调压溢流孔11随活塞9的移动在关闭状态和开启状态之间切换；在初始状态内侧弹性体密封圈10位于调压溢流孔11的孔口的左侧，阻止密封介质通过调压溢流孔11流向下一级次的密封介质腔室，该状态是调压溢流孔11的关闭状态；当活塞9在密封介质压力的作用下向右移动，内侧弹性体密封圈10位于调压溢流孔11的孔口的右侧，调压溢流孔11连通着两个相邻级次的密封介质腔室，该状态是调压溢流孔11的开启状态；

所述的调压溢流孔11连通着两个相邻密封介质腔室，其开启受活塞端面力、金属波纹管弹力和内外弹性体密封圈摩擦力三者代数和大小的控制；

所述一级调压滑阀6a、二级调压滑阀6b、三级调压滑阀6c以及一级压盖4a、二级压盖4b和三级压盖4c从左至右依次顺序安装，并使用螺栓与机器壳体连接压紧密封；所述各个级次排液管2的一端与对应级次的压盖4和调压滑阀6所围空间相连，另一端与装置外部设定压力为p的介质相联通，以供机械密封装置处于非工作状态或水域航行器的潜深由深变浅时起到排液泄压的作用；所述各个级次的直动型溢流阀3安装在对应级次的排液管2上，所述直动型溢流阀3为单向阀，在密封介质压力升压过程中关闭，而在密封介质降压过程中打开使密封介质沿排液管从左往右排液泄压。

所述活塞9沿轴向右滑时受位移限制器的限制，以避免所述金属波纹管5压死后超过波片材料的屈服极限而产生失弹；所述金属波纹管5为焊接金属波纹管。

各级调压滑阀6包含刚度不同的金属波纹管5，从一级调压滑阀、二级调压滑阀到三级调压滑阀的弹簧刚度逐级增加。所述一级调压滑阀6a、二级调压滑阀6b和三级调压滑阀6c上对应的不同级次调压溢流孔11a、11b和11c开启时，其对应的活塞端面压力分别为低压、中压和高压，开启后密封介质分别通过不同级次的调压溢流孔11a、11b和11c由高压侧流向低压侧。

所述装置外部设定介质压力p的具体数值依据潜航器所处水域位置来定，若设定潜航器潜深为h(单位为米)时，则p≤0.01h(单位为MPa)。

静环(这里也称补偿环)在各个工作状态的受力图如图4a～图4d所示。

本说明书所述内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种适用于变压环境的液体机械密封装置，包括静环(12)、动环(13)，其特征在于：还包括设置在静环(12)背部的多级次的调压装置，所述的调压装置包括弹力元件(1)、排液管(2)、直动型溢流阀(3)、调压滑阀(6)和压盖(4)；所述的调压滑阀(6)包括金属波纹管(5)、活塞(9)、外侧弹性体密封圈(8)、内侧弹性体密封圈(10)和调压溢流环(7)，金属波纹管(5)和活塞(9)沿垂直于静环(12)的端面的轴向布置；所述活塞(9)的左端面是承受密封介质液压的承压面，所述活塞(9)在调压溢流环(7)上沿轴向滑动，所述内侧弹性体密封圈(10)、外侧弹性体密封圈(8)分别安装在活塞环的径向内外侧，所述金属波纹管(5)的一端焊接在活塞(9)上，另一端焊接在压盖(4)上；第一级次的活塞(9)的左端面直接连通静环(12)、动环(13)之间的机械密封端面间液膜的密封介质，次级活塞(9)的左端面连通一个由调压滑阀(6)、调压溢流环(7)右端面及压盖(4)包围而成的密封介质腔室；

所述调压溢流环(7)上加工有对应于每个级次的调压溢流孔(11)，所述的调压溢流孔(11)的一端连通下一级次的密封介质腔室，其另一端设置在活塞(9)在调压溢流环(7)上沿轴向滑动的通道上，调压溢流孔(11)随活塞(9)的移动在关闭状态和开启状态之间切换；

各级次的调压滑阀(6)及其压盖(4)从左至右依次顺序安装，并使用螺栓与机器壳体连接压紧密封；所述各个级次排液管(2)的一端与对应级次的密封介质腔室相连，另一端与装置外部设定压力为p的介质相联通，以供机械密封装置处于非工作状态或水域航行器的潜深由深变浅时起到排液泄压的作用；所述各个级次的直动型溢流阀(3)安装在对应级次的排液管(2)上，所述直动型溢流阀(3)为单向阀，在密封介质压力升压过程中关闭，而在密封介质降压过程中打开使密封介质沿排液管从左往右排液泄压。

2.如权利要求1所述的适用于变压环境的液体机械密封装置，其特征在于：各级调压滑阀(6)包含刚度不同的金属波纹管(5)，从一级调压滑阀、二级调压滑阀到三级调压滑阀的弹簧刚度逐级增加；所述的调压装置设置为三级次，安装有一级调压滑阀(6a)、二级调压滑阀(6b)和三级调压滑阀(6c)，以及对应的不同级次调压溢流孔(11a、11b和11c)；所述一级调压滑阀(6a)、二级调压滑阀(6b)和三级调压滑阀(6c)上对应的不同级次调压溢流孔(11a、11b和11c)开启时，其对应的活塞端面压力分别为低压、中压和高压，开启后密封介质分别通过不同级次的调压溢流孔(11a、11b和11c)由高压侧流向低压侧。

3.如权利要求2所述的适用于变压环境的液体机械密封装置，其特征在于：所述活塞(9)沿轴向右滑时受位移限制器的限制，以避免所述金属波纹管(5)压死后超过波片材料的屈服极限而产生失弹；所述金属波纹管(5)为焊接金属波纹管。

4.如权利要求3所述的适用于变压环境的液体机械密封装置，其特征在于：所述装置外部设定介质压力p的具体数值依据潜航器所处水域位置来定，若设定潜航器潜深为h(单位为米)时，则p≤0.01h(单位为MPa)。