CN107882768B - 一种动静耦合密封控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动静耦合密封控制方法及其装置，在泵上安装动静耦合密封装置，所述动静耦合密封装置包括静态动密封环和静态静密封环组成的静态密封装置，动态动密封环和动态静密封环组成的动态密封装置。采用动静耦合方式，在泵正常运转工况下的动密封和泵停机工况下的的静密封。当泵在运转中，转子上作用着轴向力，该力将拉动转子轴向移动。本发明利用转子轴向力提供的预紧力，通过平衡孔和口环，控制预紧力大小，实现静态密封环和动态密封环的闭合和分离，本发明针对泵正常运转工况和停机工况给出优化的设计参数，提高本密封装置的密封性能。本发明具有实用性强，方法简单，精度较高等优点。

Description

一种动静耦合密封控制方法及其装置

技术领域

本发明属于泵的密封领域，特别是一种动静耦合密封控制方法及其装置。

背景技术

起密封作用的零部件称为密封件或密封装置，简称密封。密封装置的主要功能有：一、防止机器内部的液体或者气体从两零件的结合面间泄露出去，二、防止外部的杂质、灰尘侵入，保持机械零件正常工作的必要环境。密封性能的程度直接关系到一个机器的工作质量和使用寿命，选用合理的密封装置很有必要。有些场合，密封性能的可靠程度尤为重要，比如飞机或航天器上的密封，毒气，毒液储罐，易燃、易爆气体储罐等的密封。

目前多数密封件已标准化、系列化，一般可根据工作条件和使用要求加以选用。密封的形式多种多样，作用和原理各不相同，如非接触式动密封，可以用在转速比较高的场合，但密封的可靠程度有限，接触式动密封密封可靠，但由于有摩擦磨损的存在，不宜用在旋转速度较高的场合。对于有一定的压力和转速较高的轴的密封要选用机械密封等。

但对于特定的场合，系列化的密封装置并不能满足要求，密封效果差，为此本发明提供一种动静耦合密封控制方法及其装置，可以应用于某些特殊的化工泵密封。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种动静耦合密封控制方法及其装置。本发明设计的动静耦合密封装置可以应用于某些特殊的化工泵密封装置。利用动态密封环和静态密封环耦合的方式，将泵运转时由于轴向不平衡而产生的轴向力作为预紧力，针对泵正常运转工况和停机工况给出优化的设计参数，有效地提高了泵的密封性能。

一种动静耦合密封控制方法，包括以下步骤：

在泵上安装动静耦合密封装置，所述动静耦合密封装置包括安装在轴套的套管部且靠近叶轮后盖板的静态动密封环与靠近静态动密封环并固定于压盖内腔中的静态静密封环所组成的静态密封装置，以及固定于轴套末端上的动态动密封环与靠近动态动密封环并固定于压盖内腔中的动态静密封环所组成的动态密封装置；所述静态密封装置和动态密封装置根据泵的工况分离与闭合，在泵正常运转工况下进行动密封，在泵停机工况下进行静密封；

所述动静耦合密封装置的分离与闭合是由对泵叶轮轴向力T的控制下作用的，通过泵的平衡孔、动口环和静口环配合调整预紧力F，当泵达到正常运转工况时，满足下列关系式：

当泵处于停机工况时，满足下列关系式：

F＝T＝0 式二

所述泵的叶轮出口直径R₂，叶轮动口环径向半径R_m，泄漏量q，叶轮有效轮毂半径R_h，比转速n_s与泵设计工况点性能参数之间适合以下关系：

式一、式二和式三中，

F—预紧力，N，其数值的±表示方向，+指向叶轮吸入口，-则相反方向；

T—叶轮轴向力，N，其数值的±表示方向，+指向叶轮吸入口，-则相反方向；

R_m—叶轮动口环径向半径，m；

R_h—叶轮有效轮毂半径，m；

R₂—叶轮出口直径，m；

ρ—介质密度，g/m³；

g—重力加速度，m/s²；

H—扬程，m；

Q—实际流量，m³/s；

b—动口环与静口环间隙径向长度，m；

L—动口环与静口环间隙轴向长度，m；

d—平衡孔直径，m；

R_B—平衡孔的中心距半径，m；

z—平衡孔个数，个；

q—泄漏量，m³/s；

π—圆周率常数；

n—转速，r/min；

n_s—比转速；

η—泵总效率。

上述方案中，所述动静耦合密封装置的分离与闭合具体包括以下步骤：

当泵在正常停机状态下，所述静态动密封环与静态静密封环所组成的静态密封装置处于闭合密封状态，而动态动密封环与动态静密封环所组成的动态密封装置完全分离；

当泵由停机工况向正常运转工况过渡时，对应的静态动密封环与静态静密封环所组成的静态密封装置逐渐分离，而对应动态动密封环与动态静密封环所组成的动态密封装置逐渐闭合；

当泵达到正常运转工况时，对应的静态动密封环与静态静密封环所组成的静态密封装置完全分离，而对应的动态动密封环与动态静密封环所组成的动态密封装置完全闭合进行密封工况；

当泵由正常运转工况转向停机时，对应的静态动密封环与静态静密封环所组成的静态密封装置开始闭合进行密封工况，而对应的动态动密封环与动态静密封环所组成的动态密封装置开始分离。

上述方案中，所述泵的轴向力检验比例系数μ和泄露量检验比例系数ζ同时满足下列关系式：

q＝ζQ 式五

式四和式五中：

μ—轴向力检验比例系数，取0.92～0.95之间；

ζ—泄露量检验比例系数，取0.02～0.06之间；

R_m—叶轮动口环径向半径，m；

R_h—叶轮有效轮毂半径，m；

R₂—叶轮出口直径，m；

ρ—介质密度，g/m³；

g—重力加速度，m/s²；

H—扬程，m；

Q—实际流量，m³/s；

b—动口环与静口环间隙径向长度，m；

L—动口环与静口环间隙轴向长度，m；

q—泄漏量，m³/s；

π—圆周率常数；

n—转速，r/min。

上述方案中，所述泵的动口环与静口环间隙径向长度b，动口环与静口环间隙轴向长度L，平衡孔的中心距半径R_B，平衡孔个数z，平衡孔的总面积与动口环和静口环间隙面积的比值系数K_S，比转速n_s需同时满足以下的关系：

式六中：

R_m—叶轮动口环径向半径，m；

b—动口环与静口环间隙径向长度，m；

L—动口环与静口环间隙轴向长度，m；

d—平衡孔直径，m；

R_B—平衡孔的中心距半径，m；

z—平衡孔个数，个；

K_S—平衡孔的总面积与动口环和静口环间隙面积的比值系数；

S_K—平衡孔的总面积，m²；

S_H—动口环与静口环间隙面积，m²；

n_s—比转速。

上述方案中，所述泵的动态静密封环和动态动密封环的间隙u数值上与预紧力F大小成线性关系：

u＝0.012F 式七

式七中：

u—动态静密封环和动态动密封环的间隙u，mm；

F—预紧力，N。

一种所述动静耦合密封控制方法的装置，包括静态动密封环和静态静密封环组成的静态密封装置、以及动态动密封环和动态静密封环组成的动态密封装置；

所述静态动密封环安装在轴套的套管部且靠近叶轮后盖板；

所述静态静密封环靠近静态动密封环并固定于压盖内腔中；

所述动态动密封环固定于轴套末端上；

所述动态静密封环靠近动态动密封环并固定于压盖内腔中；

所述静态静密封环和动态静密封环分别位于压盖的环形凸台两侧。

上述方案中，所述动态动密封环通过紧固螺钉固定于轴套末端。

上述方案中，所述动态动密封环采用碳石墨材料，由于润滑和材料本身的耐磨性，可以延长该密封装置的寿命。

上述方案中，所述静态动密封环采用氯丁橡胶材料，由于静态动密封环在泵停机工况下处于闭合状态且固定于轴套上，采用氯丁橡胶材料可以增强密封性，安装方便，有效防止液体进入到密封腔内。

上述方案中，静态静密封环和动态静密封环其端面均采用氧化铬材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明与传统的密封方法和装置不同在于，本发明采用动静耦合方式，包括泵正常运转工况下的动密封和泵停机工况下的的静密封。当泵在运转中，转子上作用着轴向力，该力将拉动转子轴向移动。本装置利用转子轴向力提供的预紧力，通过设置的平衡孔和口环，控制预紧力大小，实现静态密封环和动态密封环的闭合和分离，主要分为4个过程，(一)当泵在正常停机状态下，静态动密封环与静态静密封环所组成的静态密封装置处于闭合密封状态，而动态动密封环与动态静密封环所组成的动态密封装置完全分离；(二)当泵由停机工况向正常运转工况过渡时，对应的静态动密封环与静态静密封环所组成的静态密封装置逐渐分离，而对应动态动密封环与动态静密封环所组成的动态密封装置逐渐闭合；(三)当泵达到正常运转工况时，对应的静态动密封环与静态静密封环所组成的静态密封装置完全分离，而对应的动态动密封环与动态静密封环所组成的动态密封装置完全闭合进行密封工况；(四)当泵由正常运转工况转向停机时，对应的静态动密封环与静态静密封环所组成的静态密封装置开始闭合进行密封工况，而对应的动态动密封环与动态静密封环所组成的动态密封装置开始分离。本发明针对泵正常运转工况和停机工况给出优化的设计参数，有效地提高了本密封装置的密封性能。本发明具有实用性强，方法简单，精度较高等优点，能够较好地应用于实际。

附图说明

图1是本发明的密封装置总装结构示意图。

图2(a)为该密封装置正常运转工况下在动静耦合配合图，箭头方向表示泵运转时轴向力方向。

图2(b)为该密封装置停机工况下在动静密封环配合图，箭头方向表示泵停机时轴向力方向。

图3为该密封装置中平衡孔(15)和动口环(14)、静口环(13)局部放大图。

其中：

1：叶轮，2：环形凸台，3：泵体，4：泵轴，5：轴承架，6：压盖，7：轴套，8：静态动密封环，9：静态静密封环，10：动态静密封环，11：动态动密封环，12：紧固螺钉，13：静口环，14：动口环，15：平衡孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述一种动静耦合密封装置，主要包括静态动密封环8和静态静密封环9组成的静态密封装置，动态动密封环11和动态静密封环10组成的动态密封装置。所述静态动密封环8安装在轴套7的套管部且靠近叶轮1后盖板；所述静态静密封环9靠近动态静密封环8并固定于压盖6内腔中；所述动态动密封环11固定于轴套7末端上；所述动态静密封环10靠近动态动密封环11环并固定于压盖6内腔中；所述静态静密封环9和动态静密封环10分别位于压盖6的环形凸台2两侧。所述轴套7固定于泵轴4上并随泵轴4转动；所述压盖6固定于泵体和轴承架5之间。所述的静态动密封环8采用氯丁橡胶材料，静态静密封环9和动态静密封环10其端面均采用氧化铬材料，动态动密封环11采用碳石墨材料，并由紧固螺钉12固定于轴套7末端。由于静态动密封环8在泵停机工况下处于闭合状态且固定于轴套上，考虑到安装方便，采用氯丁橡胶材料可以增强密封性，有效防止液体进入到密封腔内，静态静密封环9和动态静密封环10其端面均采用氧化铬材料，动态动密封环11采用碳石墨材料，由于润滑和材料本身的耐磨性，可以延长该密封装置的寿命。

一种动静耦合密封控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在泵上安装动静耦合密封装置，所述动静耦合密封装置包括静态动密封环8和静态静密封环9组成的静态密封装置，动态动密封环11和动态静密封环10组成的动态密封装置。所述静态密封装置和动态密封装置根据泵的工况分离与闭合，在泵正常运转工况下进行动密封，在泵停机工况下进行静密封：

当泵在正常停机状态下，所述静态动密封环8与静态静密封环9所组成的静态密封装置处于闭合密封状态，而动态动密封环11与动态静密封环10所组成的动态密封装置完全分离；

如图2(a)所示，当泵由停机工况向正常运转工况过渡时，对应的静态动密封环8与静态静密封环9所组成的静态密封装置逐渐分离，而对应动态动密封环11与动态静密封环10所组成的动态密封装置逐渐闭合；

当泵达到正常运转工况时，对应的静态动密封环8与静态静密封环9所组成的静态密封装置完全分离，而对应的动态动密封环11与动态静密封环10所组成的动态密封装置完全闭合进行密封工况；

如图2(b)所示，当泵由正常运转工况转向停机时，对应的静态动密封环8与静态静密封环9所组成的静态密封装置开始闭合进行密封工况，而对应的动态动密封环11与动态静密封环10所组成的动态密封装置开始分离。

所述动静耦合密封装置的分离与闭合是由对泵叶轮轴向力T的控制下作用的，且如图3所示，通过泵的平衡孔15、动口环14和静口环13配合调整预紧力F，当泵达到正常运转工况时，满足下列关系式：

当泵处于停机工况时，满足下列关系式：

F＝T＝0 式二

所述泵的叶轮出口直径R₂，叶轮动口环径向半径R_m，泄漏量q，叶轮有效轮毂半径R_h，比转速n_s与泵设计工况点性能参数之间适合以下关系：

式一、式二和式三中，

F—预紧力，N，其数值的±表示方向，+指向叶轮吸入口，-则相反方向；

T—叶轮轴向力，N，其数值的±表示方向，+指向叶轮吸入口，-则相反方向；

R_m—叶轮动口环径向半径，m；

R_h—叶轮有效轮毂半径，m；

R₂—叶轮出口直径，m；

ρ—介质密度，g/m³；

g—重力加速度，m/s²；

H—扬程，m；

Q—实际流量，m³/s；

b—动口环与静口环间隙径向长度，m；

L—动口环与静口环间隙轴向长度，m；

d—平衡孔直径，m；

R_B—平衡孔的中心距半径，m；

z—平衡孔个数，个；

q—泄漏量，m³/s；

π—圆周率常数；

n—转速，r/min；

n_s—比转速；

η—泵总效率。

考虑到工程实际，除了控制预紧力，还需设置轴向力检验比例系数μ和泄露量检验比例系数ζ以检验是否符合实际运行工况，所述泵的轴向力检验比例系数μ和泄露量检验比例系数ζ同时满足下列关系式：

q＝ζQ 式五

式四和式五中：

μ—轴向力检验比例系数，取0.92～0.95之间；

ζ—泄露量检验比例系数，取0.02～0.06之间；

R_m—叶轮动口环径向半径，m；

R_h—叶轮有效轮毂半径，m；

R₂—叶轮出口直径，m；

ρ—介质密度，g/m³；

g—重力加速度，m/s²；

H—扬程，m；

Q—实际流量，m³/s；

b—动口环与静口环间隙径向长度，m；

L—动口环与静口环间隙轴向长度，m；

q—泄漏量，m³/s；

π—圆周率常数；

n—转速，r/min。

所述泵的动口环与静口环间隙径向长度b，动口环与静口环间隙轴向长度L，平衡孔的中心距半径R_B，平衡孔个数z，平衡孔的总面积与动口环和静口环间隙面积的比值系数K_S，比转速n_s需同时满足以下的关系：

式六中：

R_m—叶轮动口环径向半径，m；

b—动口环与静口环间隙径向长度，m；

L—动口环与静口环间隙轴向长度，m；

d—平衡孔直径，m；

R_B—平衡孔的中心距半径，m；

z—平衡孔个数，个；

K_S—平衡孔的总面积与动口环和静口环间隙面积的比值系数；

S_K—平衡孔的总面积，m²；

S_H—动口环与静口环间隙面积，m²；

n_s—比转速。

所述泵的动态静密封环10和动态动密封环11的间隙u数值上与预紧力F大小成线性关系：

u＝0.012F 式七

式七中：

u—动态静密封环和动态动密封环的间隙u，mm；

F—预紧力，N。

通过上述公式一、二、三、四、五、六和七来调整预紧力大小，并最终检验轴向力检验比例系数μ和泄露量检验比例系数ζ是否在所要求范围之内，本实施案例在给定设计工况流量Q＝200m³/h，设计工况扬程H＝40m、设计工况转速n＝2900r/min，效率η＝0.80计算预紧力大小：

计算结果得：

n_s＝156.86，R₂＝100mm，R_m＝62mm，，R_h＝50mm，b＝0.5mm，d＝9mm，z＝6，L＝20mm，R_B＝35mm，当泵处于正常运转工况时，q＝3.996m³/h，F＝T＝-203.5N,u＝2.44mm，μ＝0.93，ζ＝0.02，经检验，μ和ζ和均在其取值范围内，符合要求。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动静耦合密封控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在泵上安装动静耦合密封装置，所述动静耦合密封装置包括安装在轴套(7)的套管部且靠近叶轮(1)后盖板的静态动密封环(8)与靠近静态动密封环(8)并固定于压盖(6)内腔中的静态静密封环(9)所组成的静态密封装置，以及固定于轴套(7)末端上的动态动密封环(11)与靠近动态动密封环(11)环并固定于压盖(6)内腔中的动态静密封环(10)所组成的动态密封装置；所述静态密封装置和动态密封装置根据泵的工况分离与闭合，在泵正常运转工况下进行动密封，在泵停机工况下进行静密封；所述动静耦合密封装置，将泵运转时由于轴向不平衡而产生的轴向力作为预紧力F，预紧力F施加在静态密封装置和动态密封装置上；

所述动静耦合密封装置的分离与闭合是由对泵叶轮轴向力T的控制下作用的，通过泵的平衡孔(15)、动口环(14)和静口环(13)配合调整预紧力F，当泵达到正常运转工况时，满足下列关系式：

当泵处于停机工况时，满足下列关系式：

F＝T＝0式二

所述泵的叶轮出口直径R₂，叶轮动口环径向半径R_m，泄漏量q，叶轮有效轮毂半径R_h，比转速n_s与泵设计工况点性能参数之间适合以下关系：

式一、式二和式三中，

F—预紧力，N，其数值的±表示方向，+指向叶轮吸入口，-则相反方向；

T—叶轮轴向力，N，其数值的±表示方向，+指向叶轮吸入口，-则相反方向；

R_m—叶轮动口环径向半径，m；

R_h—叶轮有效轮毂半径，m；

R₂—叶轮出口直径，m；

ρ—介质密度，g/m³；

g—重力加速度，m/s²；

H—扬程，m；

Q—实际流量，m³/s；

b—动口环与静口环间隙径向长度，m；

L—动口环与静口环间隙轴向长度，m；

d—平衡孔直径，m；

R_B—平衡孔的中心距半径，m；

z—平衡孔个数，个；

q—泄漏量，m³/s；

π—圆周率常数；

n—转速，r/min；

n_s—比转速；

η—泵总效率。

2.根据权利要求1所述的动静耦合密封控制方法，其特征在于，所述动静耦合密封装置的分离与闭合具体包括以下步骤：

当泵在正常停机状态下，所述静态动密封环(8)与静态静密封环(9)所组成的静态密封装置处于闭合密封状态，而动态动密封环(11)与动态静密封环(10)所组成的动态密封装置完全分离；

当泵由停机工况向正常运转工况过渡时，对应的静态动密封环(8)与静态静密封环(9)所组成的静态密封装置逐渐分离，而对应动态动密封环(11)与动态静密封环(10)所组成的动态密封装置逐渐闭合；

当泵达到正常运转工况时，对应的静态动密封环(8)与静态静密封环(9)所组成的静态密封装置完全分离，而对应的动态动密封环(11)与动态静密封环(10)所组成的动态密封装置完全闭合进行密封工况；

当泵由正常运转工况转向停机时，对应的静态动密封环(8)与静态静密封环(9)所组成的静态密封装置开始闭合进行密封工况，而对应的动态动密封环(11)与动态静密封环(10)所组成的动态密封装置开始分离。

3.根据权利要求1所述的动静耦合密封控制方法，其特征在于，所述泵的轴向力检验比例系数μ和泄露量检验比例系数ζ同时满足下列关系式：

q＝ζQ 式五

式四和式五中：

μ—轴向力检验比例系数；

ζ—泄露量检验比例系数；

R_m—叶轮动口环径向半径，m；

R_h—叶轮有效轮毂半径，m；

R₂—叶轮出口直径，m；

ρ—介质密度，g/m³；

g—重力加速度，m/s²；

H—扬程，m；

Q—实际流量，m³/s；

b—动口环与静口环间隙径向长度，m；

L—动口环与静口环间隙轴向长度，m；

q—泄漏量，m³/s；

π—圆周率常数；

n—转速，r/min。

4.根据权利要求1所述的动静耦合密封控制方法，其特征在于，所述泵的动口环与静口环间隙径向长度b，动口环与静口环间隙轴向长度L，平衡孔的中心距半径R_B，平衡孔个数z，平衡孔的总面积与动口环和静口环间隙面积的比值系数K_S，比转速n_s需同时满足以下的关系：

式六中：

R_m—叶轮动口环径向半径，m；

b—动口环与静口环间隙径向长度，m；

L—动口环与静口环间隙轴向长度，m；

d—平衡孔直径，m；

R_B—平衡孔的中心距半径，m；

z—平衡孔个数，个；

K_S—平衡孔的总面积与动口环和静口环间隙面积的比值系数；

S_K—平衡孔的总面积，m²；

S_H—动口环与静口环间隙面积，m²；

n_s—比转速。

5.根据权利要求1所述的动静耦合密封控制方法，其特征在于，所述泵的动态静密封环(10)和动态动密封环(11)的间隙u数值上与预紧力F大小成线性关系：

u＝0.012F式七

式七中：

u—动态静密封环和动态动密封环的间隙u，mm；

F—预紧力，N。

6.一种实现权利要求1所述动静耦合密封控制方法的装置，其特征在于，包括静态动密封环(8)和静态静密封环(9)组成的静态密封装置、以及动态动密封环(11)和动态静密封环(10)组成的动态密封装置；

所述静态动密封环(8)安装在轴套(7)的套管部且靠近叶轮(1)后盖板；

所述静态静密封环(9)靠近静态动密封环(8)并固定于压盖(6)内腔中；

所述动态动密封环(11)固定于轴套(7)末端上；

所述动态静密封环(10)靠近动态动密封环(11)并固定于压盖(6)内腔中；

所述静态静密封环(9)和动态静密封环(10)分别位于压盖(6)的环形凸台(2)两侧。

7.根据权利要求6所述动静耦合密封控制方法的装置，其特征在于，所述动态动密封环(11)通过紧固螺钉(12)固定于轴套(7)末端。

8.根据权利要求7所述动静耦合密封控制方法的装置，其特征在于，所述动态动密封环(11)采用碳石墨材料。

9.根据权利要求8所述动静耦合密封控制方法的装置，其特征在于，所述静态动密封环(8)采用氯丁橡胶材料。

10.根据权利要求9所述动静耦合密封控制方法的装置，其特征在于，静态静密封环(9)和动态静密封环(10)其端面均采用氧化铬材料。