CN108591473B - 机械密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及密封技术领域，提出一种机械密封装置，该装置包括：安装座、密封动环、静环座、密封静环、密封环以及密封对象件。安装座具有共用同一腔底的第一腔体和第二腔体，腔底开设有供一转轴穿过的通孔，第二腔体内开设有安装槽；密封动环固定套设于转轴上，密封动环外周面上设置有篦齿结构，篦齿结构与第一腔体形成篦齿密封结构；静环座径向固定于第一腔体内且包括与腔底抵接的密封部；密封静环固定于静环座的一端面，密封动环端面上形成有动压槽，密封静环与动压槽形成流体动压密封结构；密封环位于安装槽内，密封对象件固定套设于转轴上，密封对象件与密封环形成浮环密封结构。该装置通过三级密封提高了密封装置的密封性，并且轴向长度较小。

Description

机械密封装置

技术领域

本发明涉及密封技术领域，尤其涉及一种机械密封装置。

背景技术

机械密封是一种旋转机械的轴封装置。在一些设备上具有贯穿设备内外的传动轴，比如压缩机、汽轮机、离心泵等。由于传动轴贯穿在设备内外，轴与设备之间存在一个圆周间隙，设备内外的介质会通过该圆周间隙向两侧泄漏。

相关技术中，机械密封主要包括有篦齿密封和流体动压密封。在一些密封两端压差比较大的情况下，相关技术通常将篦齿密封与流体动压密封进行串联设置的方式提高密封效果。

然而，一方面，相关技术中将篦齿密封与流体动压密封串联的方式会增加机械密封的轴向长度，机械密封的轴向长度增加会增加传动轴的轴向跨度，传动轴的轴向跨度越大传动轴的动力特性越差。另一方面，流体动压密封中流体膜的相态和纯度会影响流体动压密封的密封效果，相关技术中，端面低压侧的介质容易进入流体动压密封结构中，从而影响流体动压密封的效果。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械密封装置，该装置通过三级密封提高了密封装置的密封性，并且轴向长度较小。本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。

根据本发明的一个方面，提供一种机械密封装置，该装置包括：安装座、密封动环、静环座、密封静环、第一弹性件、密封环以及密封对象件。安装座具有共用同一腔底的第一腔体和第二腔体，所述腔底开设有供一转轴穿过的通孔，所述第二腔体内开设有容纳密封环的安装槽；密封动环固定套设于所述转轴上，所述密封动环外周面上设置有篦齿结构，所述篦齿结构与所述第一腔体的内壁形成篦齿密封结构；静环座径向固定于所述第一腔体内，所述静环座包括与所述腔底相抵接的密封部；密封静环固定于所述静环座远离所述腔底的一端面，所述密封动环靠近所述腔底的端面上形成有动压槽，所述密封静环与所述动压槽形成流体动压密封结构；第一弹性件的第一端与所述腔底连接，第二端与所述静环座的靠近所述腔底的一端面连接，用于向所述静环座提供轴向力；密封环位于所述安装槽内；密封对象件固定套设于所述转轴上且与所述密封环形成浮环密封结构。

本发明的一种示例性实施例中，所述静环座为环形，所述静环座外周面上设置有至少两个半球形支点，所述半球形支点与所述第一腔体的内壁相抵接。

本发明的一种示例性实施例中，所述静环座的内环具有轴向凸起部，所述轴向凸起部形成所述密封部；所述密封部与所述通孔的内壁之间设置有蓄能弹簧密封圈。

本发明的一种示例性实施例中，所述第一弹性件为多个，多个所述第一弹性件均匀分布在所述静环座的靠近所述腔底的一端面上。

本发明的一种示例性实施例中，所述密封环为两个，两个所述密封环之间形成第一环形腔，所述第一环形腔内设置有第二弹性件，两个所述密封环分别通过垫片与所述第二弹性件的两端相抵接；

所述第二腔体上开设有第一注气孔，所述第一注气孔与所述第一环形腔连通。

本发明的一种示例性实施例中，所述密封环外圈套设有固定圈，所述固定圈位于所述安装槽内，且所述固定圈的外径小于所述安装槽的内径。

本发明的一种示例性实施例中，所述第二腔体具有与所述腔底相对的开口端，所述第二腔体的开口端设置有阻挡部，所述阻挡部可拆卸连接于所述第二腔体的开口端，所述阻挡部形成所述安装槽的一侧壁。

本发明的一种示例性实施例中，所述密封静环的外周面与所述第一腔体的内壁形成第二环形腔，所述第一腔体上开设有第二注气孔，所述第二注气孔与所述第二环形腔连通。

本发明的一种示例性实施例中，所述密封对象件与所述第二腔体的腔底具有预设间隙，所述第二腔体上开设有第一抽气孔，所述第一抽气孔与所述预设间隙连通。

本发明的一种示例性实施例中，所述密封对象件沿所述转轴的径向具有预设高度的第三环形腔。

本发明提供的机械密封装置，该装置包括篦齿密封结构、流体动压密封结构以及浮环密封结构。一方面，该装置通过浮环密封结构阻止了低压侧介质进入流体动压密封机构，避免了流体动压密封机构受低压侧介质的影响，从而提高了密封装置的密封度；另一方面，该装置通过在密封动环的外周面上设置篦齿结构的方式实现了篦齿密封和流体动压密封的结合，避免了单独设置篦齿密封结构引起的机械密封装置轴向过长的问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为相关技术中一种机械密封装置的结构示意图；

图2为本公开机械密封装置一种示例性实施例的结构示意图；

图3为本公开机械密封装置一种示例性实施例中密封动环的结构示意图；

图4为本公开机械密封装置一种示例性实施例中静环座的结构示意图；

图5为本公开机械密封装置一种示例性实施例中静环座的装配结构示意图；

图6为超临界CO₂闭式循环发动机的工作原理图；

图7为超临界CO₂闭式循环发动机中机械密封装置的位置示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“左”“右”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

如图1所示，为相关技术中一种机械密封装置的结构示意图。相关技术中的机械密封装置采用一级篦齿密封101和两级流体动压密封102、103串联组成。然而，一方面，相关技术中，篦齿密封结构单独设置增加了机械密封装置的轴向长度；另一方面，相关技术中左侧的介质容易从左侧进入密封机构影响流体动压密封的效果。

基于此，本示例性实施例提供一种机械密封装置，如图2、3所示，图2为本公开机械密封装置一种示例性实施例的结构示意图，图3为本公开机械密封装置一种示例性实施例中密封动环的结构示意图。该装置包括：安装座1、密封动环2、静环座3、密封静环4、第一弹性件5、密封环6以及密封对象件7。安装座1具有共用同一腔底8的第一腔体9和第二腔体10，所述腔底8开设有供一转轴11穿过的通孔，所述第二腔体10内开设有容纳密封环的安装槽12；密封动环2固定套设于所述转轴11上，所述密封动环2外周面上设置有篦齿结构13，所述篦齿结构13与所述第一腔体9的内壁形成篦齿密封结构；静环座3径向固定于所述第一腔体9内，所述静环座3包括与所述腔底相抵接的密封部14，密封部14用于阻止通过篦齿密封机构的介质沿第一腔体9的内壁进入第一腔体腔底的通孔81；密封静环4固定于所述静环座3远离所述腔底8的一端面，所述密封动环2靠近所述腔底8的端面上形成有动压槽15，所述密封静环4与所述动压槽15形成流体动压密封结构；第一弹性件5的第一端与所述腔底8连接，第二端与所述静环座3的靠近所述腔底8的一端面连接，用于向所述静环座3提供轴向力；密封环6位于所述安装槽12内；密封对象件7固定套设于所述转轴11上且与所述密封环形成浮环密封结构。

本示例性实施例提供的机械密封装置，该装置包括篦齿密封结构、流体动压密封结构以及浮环密封结构。一方面，该装置通过浮环密封结构阻止了低压侧介质进入流体动压密封机构，避免了流体动压密封机构受低压侧介质的影响，从而提高了密封装置的密封度；另一方面，该装置通过在密封动环的外周面上设置篦齿结构的方式实现了篦齿密封和流体动压密封的结合，避免了单独设置篦齿密封结构引起的机械密封装置轴向过长的问题。

本示例性实施例中，如图2所示，第一腔体9相对腔底8的一端与高压侧介质连通，第二腔体10相对腔底8的一端与低压侧介质连通。第一腔体9和第二腔体10可以为圆柱形腔体，第一腔体9和第二腔体10的共用腔底8可以为一圆形，圆形腔底的圆心位置可以设置有通孔81，转轴11可以活动套设于腔底8的上的通孔81上，安装座1不随转轴的转动而转动。密封动环2固定套设于转轴11上且位于第一腔体9内，密封动环2的圆周面上设置有篦齿结构13，篦齿结构13可以为围绕密封动环圆周面上设置的多个平行的环形齿，相邻环形齿之间形成“U”型齿腔，环形齿与第一腔体9的圆形内壁之间可以具有微小的间隙。密封动环2的内环固定套设在转轴11上，密封动环2随转轴11转动时，密封动环2上篦齿结构13随密封动环2旋转，此时“U”型齿腔形成流体涡流，该流体涡流可以阻止高压侧介质向低压侧介质流动。需要说明的是，篦齿结构13还有更多的结构可供选择，例如“U”型齿腔内还可以设置浮环，这些都属于本公开的保护范围。

本示例性实施例中，静环座3径向固定于第一腔体9内，并且静环座3可以在转轴的轴向上移动。密封静环4可以活动套设在转轴11上且位于第一腔体9内，密封静环4通过静环座3径向固定在第一腔体9内。第一弹性件5位于腔底8与静环座3之间，可以向静环座提供向密封动环2方向上的轴向力。密封静环4在该轴向力作用下与密封动环2相抵接。如图3所示，所述密封动环2靠近所述腔底8的端面上刻有动压槽15，动压槽15可以为沿密封动环的内环向外环成放射状分布的旋形槽，其中旋形槽的旋转方向与转轴11的旋转方向相反。当密封动环2随转轴11旋转时，密封动环2与密封静环4相邻端面之间被一稳定的流体膜隔开来而处于非接触运行状态。该流体膜可以阻止高压侧介质通过密封动环2与密封静环4相邻端面之间流入腔底8的通孔81。其中，密封动环2可以由耐磨材料组成或者在密封动环2与密封静环4接触面镀耐磨层。应该理解的是，动压槽15还有更多的结构可供选择，例如动压槽15可以为由密封动环外环向内环方向设置的旋形槽，这些都属于本公开的保护范围。

需要说明的是，当密封介质为气体时，流体动压密封的工作原理是密封动环旋转时，被密封气体沿周向吸入动压槽内，由外径朝向中心，从而气体被压缩使压力升高，密封间隙得到动态稳定并形成一定厚度要求的气膜。当密封介质为液体时，流体动压密封的工作原理是借助端面开设的动压槽在旋转条件下的黏性剪切作用把液体泵入密封端面之间，使液膜的压力增加把密封面分开。

由于流体动压密封结构对流体相态及纯度要求较高，当端面间流体膜为单相(气或液)时能稳定工作。而流体动压密封结构右侧的低压侧介质可能会影响端面间流体膜的相态和纯度，从而影响密封效果。本示例性实施例中，如图2所示，密封对象件7固定套设在转轴11上，密封对象件7可以具有圆形外周面71，圆形外周面71套设在密封环6内，圆形外周面71与密封环6的内环表面具有预设的间隙。当密封对象件7随转轴11旋转时，圆形外周面71与密封环6的内环表面之间形成稳定的流体膜。该流体膜可以即可以阻止高压侧介质流向低压侧，也可以阻止低压侧介质向流体动压密封结构处流动，避免低压侧介质影响流体动压密封结构的密封效果。

当转轴11的转速超过阈值时，转轴11会出现径向摆动的现象。此时，安装在转轴11上的密封动环2和密封静环4之间将会产生一定夹角，从而使得密封动环2和密封静环4之间的流体膜厚度不均匀，造成密封效果不佳的情况发生。此外，当高压侧介质在密封端面因压力下降发生相变时也可能带来流体膜厚不均匀。为了适应上述工况，本示例性实施例中，如图4、5所示，图4为本公开机械密封装置一种示例性实施例中静环座的结构示意图，图5为本公开机械密封装置一种示例性实施例中静环座的装配结构示意图。所述静环座3可以为环形，所述静环座3外周面上可以设置有至少两个半球形支点31，所述半球形支点31与所述第一腔体9的内壁相抵接。静环座3可以通过半球形支点31自适应的调节密封动环2和密封静环4之间的角度，使得密封动环2和密封静环4之间的流体膜厚度保持均匀，从而提高流体动压密封效果。应该理解的是，在其他示例性实施例中，半球形支点31还可以为其他数量，例如可以为3个或者更多个，这些都属于本公开的保护范围。本示例性实施例中，所述静环座的3内环具有轴向凸起部，所述轴向凸起部形成所述密封部14；所述密封部14与所述通孔81的内壁之间设置有蓄能弹簧密封圈16。正常情况下，静环座3在蓄能弹簧密封圈16作用下与转轴11同轴心，静环座3在上述自适应过程中轴心线发生变化时，蓄能弹簧密封圈16可以自适应地发生形变。

本示例性实施例中，所述第一弹性件5可以为多个，多个所述第一弹性件5均匀分布在所述静环座3的靠近所述腔底的一端面上，从而使得静环座3的轴向力均匀。其中，第一弹性件5可以选择为弹簧。当密封对象介质为腐蚀性介质时，第一弹性件5表面可以镀防腐蚀膜或有抗腐蚀材料制成。

本示例性实施例中，如图2所示，所述密封环6可以为两个，两个所述密封环6之间形成第一环形腔17，所述第一环形腔17内设置有第二弹性件18，两个所述密封环18分别通过垫片19与所述第二弹性件18的两端相抵接。其中，密封环6可以选择为石墨环，石墨环具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性，可以延长该浮环密封结构的使用寿命，提高密封效果。需要说明的是，在其他示例性实施例中，密封环6还有更多的选择，这些都属于本公开的保护范围。第二弹性件18可以选择为波形弹簧，为了避免密封环6在波形弹簧的作用下损坏，两个所述密封环18分别通过垫片19与所述第二弹性件18的两端相抵接。

本示例性实施例中，所述密封环6外圈套设有固定圈20，所述固定圈20位于所述安装槽12内，且所述固定圈20的外径小于所述安装槽12的内径。固定圈20可以选择为钢圈，钢圈过盈套设在密封环6外，钢圈可以避免密封环6直接与安装槽12碰撞，从而保护密封环6不受破坏。其中，固定圈20的外径小于所述安装槽12的内径，固定圈20与安装槽12之间具有一定的间隙，当转轴发生上述的径向摆动时，固定圈20与密封环6可以在径向进行自适应的调整，从而使得密封环6与密封对象件7之间的流体膜均匀。

为了进一步阻止低压侧介质进入流体动压密封结构影响流体动压密封效果。本示例性实施例中，所述第二腔体10上可以开设有第一注气孔21，所述第一注气孔21与所述第一环形腔17连通。当该机械密封装置工作时，可以通过辅助设备向第一注气孔21注入与高压侧相同介质的流体，该流体的压力略高于低压侧压力。从而避免了低压侧介质进入流体动压密封结构。

本示例性实施例中，所述第二腔体10具有与所述腔底8相对的开口端，所述第二腔体10的开口端设置有阻挡部22，所述阻挡部22可拆卸连接于所述第二腔体10的开口端，所述阻挡部形成所述安装槽12的一侧壁。阻挡部22可以包括螺纹挡圈221和轴向挡圈222。第二腔体10的开口端可以设置有第一内螺纹段，螺纹挡圈221具有与第一内螺纹段相匹配的外螺纹。螺纹挡圈221通过螺纹连接于第二腔体10的开口端从而形成安装槽12的一侧壁。第二腔体10的开口端还可以设置有第二内螺纹段，第二内螺纹段与第一内螺纹段的螺纹方向相反，轴向挡圈222螺接于第二内螺纹段，用于阻止螺纹挡圈221右移。阻挡部22的可拆卸设置可以便于安装槽12内部件的安装。应该理解的是，在其他示例性实施例中，阻挡部22还有更多的选择方式，这些都属于本公开的保护范围。

本示例性实施例中，所述密封静环4的外周面与所述第一腔体9的内壁形成第二环形腔23，所述第一腔体9上开设有第二注气孔24，所述第二注气孔24与所述第二环形腔23连通。当该机械密封装置工作时，可以通过辅助设备向第二注气孔24注入与高压侧相同介质的高压低温流体，该流体的压力略高于高压侧压力，一方面可以进一步阻止高压侧介质通过篦齿密封结构进入第二环形腔23，另一方面可以对密封静环4进行降温处理。从而进一步提高密封效果。

本示例性实施例中，所述密封对象件7与所述第二腔体10的腔底8具有预设间隙25，所述第二腔体上开设有第一抽气孔26，所述第一抽气孔26与所述预设间隙25连通。第一环形腔、第二环形腔与预设间隙25相连通，第一环形腔与第二环形腔内的高压侧介质流入预设间隙25内并通过第一抽气孔26抽离，从而避免第一环形腔与第二环形腔内的堆积介质压力升高，影响密封效果。此外，预设间隙25内还可以设置有压力传感器，当压力传感器检测到的压力增高时可以判定流体动压密封结构或是浮环密封结构失效。

为了进一步减小机械密封中转轴的轴向长度，本示例性实施例中，所述密封对象件7沿所述转轴11的径向具有预设高度的第三环形腔28，第三环形腔体27内可以设置有与转轴11连接的轴承28，通过将轴承28设置于第三环形腔体27，从而节约了单独设置轴承28位置，进而减小了机械密封中转轴的轴向长度。

本示例性实施例提供的机械密封结构可以应用于各种端面密封领域，本示例性实施例以超临界CO₂闭式循环发动机的转子密封为例进行说明。

超临界CO₂流体是指在临界温度(31℃)和临界压力(7.38MPa)以上，介于气体和液体之间的流体。它兼有气体和液体的双重特性，即密度接近液体，粘度又与气体相似。由于其不算高的临界温度点和临界压力点，使超临界CO₂成为目前应用最广泛的超临界流体。

如图6所示，为超临界CO₂闭式循环发动机的工作原理图。常温常压的CO2流体经压缩机601升压，经回热器高温侧602预热后进入热源603，吸收热量后直接进入气轮机604做功，做功后的流体流经回热器低温侧605流体冷却后，再由冷却器606冷却至所需的压缩机601入口温度，再次进入压缩机形成闭式循环。

如图7所示，为超临界CO₂闭式循环发动机中机械密封装置的位置示意图。在压缩机前及气轮机后都需要布置机械密封装置700，机械密封装置的作用是阻止超临界CO₂流体泄漏至轴承腔侧，并阻止轴承腔的滑油泄漏。本示例性实施例提供的机械密封装置可以在超临界CO₂闭式循环发动机转子转速为52000r/min时封住最高压力约8.7MPa、温度为600℃的超临界CO₂流体。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (9)

1.一种机械密封装置，其特征在于，该装置包括：

安装座，具有共用同一腔底的第一腔体和第二腔体，所述腔底中间开设有供一转轴穿过的通孔，所述第二腔体内开设有容纳密封环的安装槽；

密封动环，固定套设于所述转轴上，所述密封动环外周面上设置有篦齿结构，所述篦齿结构与所述第一腔体的内壁形成篦齿密封结构；

静环座，径向固定于所述第一腔体内，所述静环座包括与所述腔底相抵接的密封部；

密封静环，固定于所述静环座远离所述腔底的一端面，所述密封动环靠近所述腔底的端面上形成有动压槽，所述密封静环与所述动压槽形成流体动压密封结构；

第一弹性件，第一端与所述腔底连接，第二端与所述静环座的靠近所述腔底的一端面连接，用于向所述静环座提供轴向力；

密封环，位于所述安装槽内；

密封对象件，固定套设于所述转轴上且与所述密封环形成浮环密封结构；

所述静环座为环形，所述静环座外周面上设置有至少两个半球形支点，所述半球形支点与所述第一腔体的内壁相抵接。

2.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，

所述静环座的内环具有轴向凸起部，所述轴向凸起部形成所述密封部；

所述密封部与所述通孔的内壁之间设置有蓄能弹簧密封圈。

3.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述第一弹性件为多个，多个所述第一弹性件均匀分布在所述静环座的靠近所述腔底的一端面上。

4.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述密封环为两个，两个所述密封环之间形成第一环形腔，所述第一环形腔内设置有第二弹性件，两个所述密封环分别通过垫片与所述第二弹性件的两端相抵接；

所述第二腔体上开设有第一注气孔，所述第一注气孔与所述第一环形腔连通。

5.根据权利要求4所述的机械密封装置，其特征在于，所述密封环外圈套设有固定圈，所述固定圈位于所述安装槽内，且所述固定圈的外径小于所述安装槽的内径。

6.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，

所述第二腔体具有与所述腔底相对的开口端，所述第二腔体的开口端设置有阻挡部，所述阻挡部可拆卸连接于所述第二腔体的开口端，所述阻挡部形成所述安装槽的一侧壁。

7.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述密封静环的外周面与所述第一腔体的内壁形成第二环形腔，所述第一腔体上开设有第二注气孔，所述第二注气孔与所述第二环形腔连通。

8.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，

所述密封对象件与所述第二腔体的腔底具有预设间隙，所述第二腔体上开设有第一抽气孔，所述第一抽气孔与所述预设间隙连通。

9.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，

所述密封对象件沿所述转轴的径向具有预设高度的第三环形腔。

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