CN109798361B - 一种带轴向泄压阀的自适应静压干气密封结构 - Google Patents

Abstract

一种带轴向泄压阀的自适应静压干气密封结构，动环安装于密封端盖内，静环密封端面有密封腔和泄漏腔，静环的背面沿周向分布节流气环向锥形槽和泄漏气环向锥形槽；节流气泄压阀组件包括第一锥形泄压阀、第一弹簧和第一弹簧座，泄漏气泄压阀组件包括第二锥形泄压阀、第二弹簧和第二弹簧座，第一锥形泄压阀安装于节流气环向锥形槽内，第二锥形泄压阀安装于泄漏气环向锥形槽内；密封端盖上设有节流气压力调控腔和泄漏气压力调控腔，节流气压力调控腔与第一气源管路相连通，泄漏气压力调控腔与第二气源管路相连通；第一弹簧座安装于节流气压力调控腔内，第二弹簧座安装于泄漏气压力调控腔内；静环上设有连通密封腔和静环背压腔的通孔。

Description

一种带轴向泄压阀的自适应静压干气密封结构

技术领域

本发明涉及一种旋转式流体机械密封的干气密封结构，特别涉及一种带轴向泄压阀的静压干气密封结构，可用于各种压缩机、泵和反应釜等旋转机械的旋转轴密封。

背景技术

在静压气体推力轴承技术的基础上，静压干气密封作为一种能提供额外静压承载力和气膜刚度的非接触式机械密封得到迅速发展。相较于常规动压型干气密封，静压干气密封能提供更大的气膜厚度和在低速条件下具有更稳定的气膜，故在低速反应釜和超高速航空发动机旋转轴密封中具有很大的应用潜力。在自加压式静压干气密封的基础上，中国专利CN101776152提出一种外加压式动静压干气密封结构，通过外部气源压力的调节以调控静压干气密封的运行状态，从而提高静压干气密封对工况环境的适应性。然而，现有静压干气密封作为旋转设备转轴密封的使用过程中，仍然存在着一些问题，这影响了静压干气密封对不同工况条件的适应能力。首先是外供节流气有时可能会出现压力波动，当节流气压力过高出现峰值时，容易使密封端面间隙突然增大，而随着节流气压力的迅速减小，密封端面间隙也随之减小，如此反复则容易造成气膜振荡而引起密封端面磨损；其次是当静压干气密封用于反应釜等具有封闭泄漏腔的旋转设备时，节流气向泄漏腔内泄漏的气体不断积聚而引起泄漏腔压力升高，当泄漏腔压力高于一定值时，甚至会出现泄漏腔的气体向密封腔泄漏的情况，这会使静压干气密封的运行工况逐渐偏离设计工况，影响干气密封的正常运行，同时也会使反应釜内的压力工况发生变化，影响釜内介质的正常反应。

发明内容

为改善现有静压干气密封所存在的对节流气压力波动适应能力不强以及可能引起泄漏腔压力过高的问题，本发明提供了一种带轴向泄压阀的自适应静压干气密封结构。

本发明的技术方案是：

一种带轴向泄压阀的自适应静压干气密封结构，包括干气密封的动环、静环、节流气泄压阀组件、泄漏气泄压阀组件、密封端盖和密封腔体；所述动环安装于密封端盖内，所述静环密封端面的一侧为密封腔即上游侧，所述静环密封端面的另一侧为泄漏腔即下游侧，所述静环的背面设有沿周向分布的节流气环向锥形槽和泄漏气环向锥形槽，节流气环向锥形槽26和泄漏气环向锥形槽27成对地沿径向分布，节流气环向锥形槽位于上游侧，泄漏气环向锥形槽位于下游侧；所述节流气泄压阀组件包括第一锥形泄压阀、第一弹簧和第一弹簧座，所述泄漏气泄压阀组件包括第二锥形泄压阀、第二弹簧和第二弹簧座，所述第一锥形泄压阀安装于节流气环向锥形槽内，所述第二锥形泄压阀安装于泄漏气环向锥形槽内；所述密封端盖上设有节流气压力调控腔和泄漏气压力调控腔，所述节流气压力调控腔通过第一进气孔与第一气源管路相连通，所述泄漏气压力调控腔通过第二进气孔与第二气源管路相连通；所述第一弹簧座安装于节流气压力调控腔内，所述第二弹簧座安装于泄漏气压力调控腔内，所述第一弹簧位于第一锥形泄压阀和第一弹簧座之间，所述第二弹簧位于第二锥形泄压阀和第二弹簧座之间；第一弹簧和第二弹簧以及第一锥形泄压阀的大端、第二锥形泄压阀的大端均设置在静环背压腔内，第一锥形泄压阀的小端位于节流气环向锥形槽内，第二锥形泄压阀的小端位于泄漏气环向锥形槽内，所述静环上设有连通密封腔和静环背压腔的通孔；所述静环密封端面上设有均压槽和集气槽，所述节流孔设于均压槽内，所述通气孔设于集气槽内。

进一步，所述节流气环向锥形槽通过节流孔和均压槽相连通，所述泄漏气环向锥形槽通过通气孔与集气槽相连通。

进一步，所述第一弹簧和第二弹簧为周向均布的多个小弹簧。

或者，所述第一弹簧和第二弹簧为单个大弹簧。

进一步，所述节流孔的直径优选值为0.05～0.3mm，所述通气孔的直径优选值为0.1～0.5mm。

通过外部气体管路上的第一调压阀可调控节流气压力调控腔内的介质压力以改变第一弹簧的压缩量，进而实现对节流气锥形泄压阀开启阈值的控制。当节流气锥形泄压阀的小头端面上所受压力较小时，由于节流气锥形泄压阀的大头端面上所受压力和弹簧弹性力的合作用力大于小头端面上所受压力，节流气锥形泄压阀与节流气环向锥形槽壁面紧贴，此时节流气环向锥形槽与静环背压腔不相通。当节流气锥形泄压阀的小头端面上所受压力较大时，由于大头端面上所受压力和第一弹簧弹性力的合作用力小于小头端面上所受压力，节流气锥形泄压阀与节流气环向锥形槽脱离并形成间隙，此时均压槽内的气体通过节流孔、节流气环向锥形槽与静环背压腔相连通，从而可避免过高的节流气峰值对密封端面运行状态的影响。

通过外部气体管路上的调压阀可调控泄漏气压力调控腔内的介质压力以改变第二弹簧的压缩量，进而实现对泄漏气锥形泄压阀开启阈值的控制。当泄漏气锥形泄压阀的小头端面上所受压力较小时，由于泄漏气锥形泄压阀的大头端面上所受压力和第二弹簧弹性力的合作用力大于小头端面上所受压力，泄漏气锥形泄压阀与泄漏气环向锥形槽壁面紧贴，此时泄漏气环向锥形槽与静环背压腔不相通。当泄漏气锥形泄压阀的小头端面上所受压力较大时，由于大头端面上所受压力和第二弹簧弹性力的合作用力小于小头端面上所受压力，泄漏气锥形泄压阀与泄漏气环向锥形槽脱离并形成间隙，此时集气槽内的气体通过通气孔、泄漏气环向锥形槽与静环背压腔相连通，从而可使密封端面过高的介质压力得到泄放。

本发明的工作原理是：

当带有轴向泄压阀的静压干气密封用于旋转设备如低速反应釜时，密封端面的一侧为密封腔，腔内充满着一定压力的密封气或直接连通外界，密封端面的另一侧为泄漏腔，也即反应釜的釜顶空腔，初始时釜顶空腔一般具有较低的介质压力。来自外供气源的密封节流气经调节阀调节压力后进入静环的节流气环向锥形槽，一方面节流气通过节流孔节流作用后进入密封端面，从而产生流体静压承载力，使动静环端面之间形成一层微米级厚度的气膜；另一方面节流气作用于节流气锥形泄压阀的端面，产生使锥形泄压阀开启的作用力。正常运行时，在静环背压腔介质压力和弹簧力的作用下，节流气锥形泄压阀保持关闭状态；而一旦节流气压力升高并超过某一阈值时，此时使锥形泄压阀开启的作用力大于使其闭合的作用力，锥形泄压阀开启并与压力较低的静环背压腔相连通，节流气的过高压力峰值得到释放；当节流气压力降至阈值以下时，锥形泄压阀的闭合力重新大于开启力，故又重新恢复闭合状态。通过这种自适应的调节结构可避免过高的节流气压力峰值对密封端面运行状态造成过大影响，且可通过密封端盖上的调节气腔介质压力调节以改变弹簧压缩量，进而实现对节流气锥形泄压阀开启阈值的调控。从节流孔进入密封间隙内的节流气，分别向密封腔和泄漏腔泄漏，或者与密封腔的密封气一起向泄漏腔泄漏。沿密封端面向泄漏腔泄漏的节流气首先进入位于端面下游侧的集气槽，一部分越过集气槽继续向泄漏腔泄漏，并逐渐在封闭的泄漏腔内积聚而引起泄漏腔压力升高，另一部分则通过通气孔进入静环内的泄漏气环向锥形槽，作用于泄漏气锥形泄压阀的端面而形成开启力，与节流气锥形泄压阀类似的是，泄漏气锥形泄压阀在静环背压腔介质压力和弹簧力的共同作用下保持闭合状态。然而，当泄漏腔内介质压力升高并超过某一阈值时，泄漏气锥形泄压阀的开启力大于闭合力而处于开启状态，泄漏气环向锥形槽与静环背压腔相连通，泄漏腔内介质较高的压力得到释放；随着泄漏腔压力的逐渐降低，泄漏气锥形泄压阀恢复至关闭状态。如此可避免因气体不断向泄漏腔内泄漏积聚而引起泄漏腔介质压力过高的问题，且可通过调节密封端盖上调节气腔介质压力的调节以改变弹簧压缩量，进而实现对泄漏气锥形泄压阀开启阈值的调控。

本发明的优点是：

(1)通过将过高的节流气压力泄放，可避免节流气压力的突变对静压干气密封端面气膜运行状态的不利影响，相较于普通静压干气密封具有更好的气膜稳定性和对节流气压力波动更强的适应性。

(2)通过将泄漏腔内过高的介质压力泄放，可改善静压干气密封运行状态，降低静压干气密封用于反应釜时由于釜顶空腔内介质积聚升压对釜内介质反应的不利影响。

(3)通过调控密封端盖上调节气腔内的介质压力，可实现对节流气泄压阀开启阈值和泄漏气泄压阀开启阈值的调控，使静压干气密封对不同压力工况具有更强的适应性。

附图说明

图1是本发明实施案例的密封结构剖视图；

图2是本发明实施案例的静环端面开槽结构示意图；

图3是本发明实施案例的泄压阀结构剖视图。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施进一步详述。

参见图1、图2和图3，一种带轴向泄压阀的自适应静压干气密封结构，包括干气密封的动环1、静环2、节流气泄压阀组件3、泄漏气泄压阀组件4、密封端盖5和密封腔体6；所述动环1安装于密封端盖5内，所述静环2密封端面21的一侧为密封腔61即上游侧，所述静环2密封端面21的另一侧为泄漏腔51即下游侧，所述静环2的背面29设有沿周向分布的节流气环向锥形槽27和泄漏气环向锥形槽26，节流气环向锥形槽26和泄漏气环向锥形槽27成对地沿径向分布，节流气环向锥形槽27位于上游侧，泄漏气环向锥形槽26位于下游侧；所述节流气泄压阀组件3包括第一锥形泄压阀31、第一弹簧32和第一弹簧座33，所述泄漏气泄压阀组件4包括第二锥形泄压阀41、第二弹簧42和第二弹簧座43，所述第一锥形泄压阀31安装于节流气环向锥形槽27内，所述第二锥形泄压阀41安装于泄漏气环向锥形槽26内；所述密封端盖5上设有节流气压力调控腔531和泄漏气压力调控腔541，所述节流气压力调控腔531通过第一进气孔532与第一气源管路相连通，所述泄漏气压力调控腔541通过第二进气孔542与第二气源管路相连通；所述第一弹簧座33安装于节流气压力调控腔531内，所述第二弹簧座43安装于泄漏气压力调控腔541内，所述第一弹簧32位于第一锥形泄压阀31的大端和第一弹簧座33之间，所述第二弹簧42位于第二锥形泄压阀41的大端和第二弹簧座43之间；第一弹簧32和第二弹簧42以及第一锥形泄压阀31的大端、第二锥形泄压阀41的大端均设置在静环背压腔52内，第一锥形泄压阀31的小端位于节流气环向锥形槽27内，第二锥形泄压阀41的小端位于泄漏气环向锥形槽26内；所述静环2上设有连通密封腔61和静环背压腔52的通孔28，所述静环2密封端面21上设有均压槽23和集气槽25，所述节流孔22设于均压槽23内，所述通气孔24设于集气槽25内。

所述节流气环向锥形槽27通过节流孔22和均压槽23相连通，所述泄漏气环向锥形槽26通过通气孔24与集气槽25相连通。所述第一弹簧32和第二弹簧42为周向均布的多个小弹簧。

所述节流孔22的直径优选值为0.05～0.3mm，所述通气孔24的直径优选值为0.1～0.5mm。

通过外部气体管路上的第一调压阀73可调控节流气压力调控腔531内的介质压力以改变第一弹簧32的压缩量，进而实现对节流气锥形泄压阀31开启阈值的控制。当节流气锥形泄压阀31的小头端面311上所受压力较小时，由于节流气锥形泄压阀31的大头端面312上所受压力和弹簧32弹性力的合作用力大于小头端面311上所受压力，节流气锥形泄压阀31与节流气环向锥形槽27壁面紧贴，此时节流气环向锥形槽27与静环背压腔52不相通。当节流气锥形泄压阀31的小头端面311上所受压力较大时，由于大头端面312上所受压力和第一弹簧32弹性力的合作用力小于小头端面311上所受压力，节流气锥形泄压阀31与节流气环向锥形槽27脱离并形成间隙，此时均压槽23内的气体通过节流孔22、节流气环向锥形槽27与静环背压腔52相连通，从而可避免过高的节流气峰值对密封端面运行状态的影响。

通过外部气体管路上的调压阀74可调控泄漏气压力调控腔541内的介质压力以改变第二弹簧42的压缩量，进而实现对泄漏气锥形泄压阀41开启阈值的控制。当泄漏气锥形泄压阀41的小头端面411上所受压力较小时，由于泄漏气锥形泄压阀41的大头端面412上所受压力和第二弹簧42弹性力的合作用力大于小头端面411上所受压力，泄漏气锥形泄压阀41与泄漏气环向锥形槽26壁面紧贴，此时泄漏气环向锥形槽26与静环背压腔52不相通。当泄漏气锥形泄压阀41的小头端面411上所受压力较大时，由于大头端面412上所受压力和第二弹簧42弹性力的合作用力小于小头端面411上所受压力，泄漏气锥形泄压阀41与泄漏气环向锥形槽26脱离并形成间隙，此时集气槽25内的气体通过通气孔24、泄漏气环向锥形槽26与静环背压腔52相连通，从而可使密封端面过高的介质压力得到泄放。

本说明书实施例所述的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实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能想到的同等技术手段。

Claims (5)

1.一种带轴向泄压阀的自适应静压干气密封结构，其特征在于：包括干气密封的动环（1）、静环（2）、节流气泄压阀组件（3）、泄漏气泄压阀组件（4）、密封端盖（5）和密封腔体（6）；所述动环（1）安装于密封端盖（5）内，所述静环（2）密封端面（21）的一侧为密封腔（61）即上游侧，所述静环（2）密封端面（21）的另一侧为泄漏腔（51）即下游侧，所述静环（2）的背面（29）设有沿周向分布的节流气环向锥形槽（27）和泄漏气环向锥形槽（26），节流气环向锥形槽（27）和泄漏气环向锥形槽（26）成对地沿径向分布，节流气环向锥形槽（27）位于上游侧，泄漏气环向锥形槽（26）位于下游侧；所述节流气泄压阀组件（3）包括第一锥形泄压阀（31）、第一弹簧（32）和第一弹簧座（33），所述泄漏气泄压阀组件（4）包括第二锥形泄压阀（41）、第二弹簧（42）和第二弹簧座（43），所述第一锥形泄压阀（31）安装于节流气环向锥形槽（27）内，所述第二锥形泄压阀（41）安装于泄漏气环向锥形槽（26）内；所述密封端盖（5）上设有节流气压力调控腔（531）和泄漏气压力调控腔（541），所述节流气压力调控腔（531）通过第一进气孔（532）与第一气源管路相连通，所述泄漏气压力调控腔（541）通过第二进气孔（542）与第二气源管路相连通；所述第一弹簧座（33）安装于节流气压力调控腔（531）内，所述第二弹簧座（43）安装于泄漏气压力调控腔（541）内，所述第一弹簧（32）位于第一锥形泄压阀（31）的大端和第一弹簧座（33）之间，所述第二弹簧（42）位于第二锥形泄压阀（41）的大端和第二弹簧座（43）之间；第一弹簧（32）和第二弹簧（42）以及第一锥形泄压阀（31）的大端、第二锥形泄压阀（41）的大端均设置在静环背压腔（52）内，第一锥形泄压阀（31）的小端位于节流气环向锥形槽（27）内，第二锥形泄压阀（41）的小端位于泄漏气环向锥形槽（26）内；所述静环（2）上设有连通密封腔（61）和静环背压腔（52）的通孔（28），所述静环（2）密封端面（21）上设有均压槽（23）和集气槽（25），所述均压槽（23）内设有节流孔（22），所述集气槽（25）内设有通气孔（24）。

2.如权利要求1所述的带轴向泄压阀的自适应静压干气密封结构，其特征在于：所述节流气环向锥形槽（27）通过节流孔（22）和均压槽（23）相连通，所述泄漏气环向锥形槽（26）通过通气孔（24）与集气槽（25）相连通。

3.如权利要求2所述的带轴向泄压阀的自适应静压干气密封结构，其特征在于：所述第一弹簧（32）和第二弹簧（42）为周向均布的多个小弹簧。

4.如权利要求2所述的带轴向泄压阀的自适应静压干气密封结构，其特征在于：所述第一弹簧（32）和第二弹簧（42）为单个大弹簧。

5.如权利要求3或4所述的带轴向泄压阀的自适应静压干气密封结构，其特征在于：所述节流孔（22）的直径为0.05～0.3mm，所述通气孔（24）的直径为0.1～0.5mm。