CN110185653A - 一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封 - Google Patents
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Abstract
本专利提供一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封，以保证熔盐泵轴封的零泄漏和长周期安全稳定运行。它设置于旋转设备的壳体与转轴之间，该组合型非接触式双端面密封由“泵入式”流体动压机械密封和磁性液体密封组成，动环的上下两端面为动环密封端面，每一动环密封端面都设有槽台区和密封坝，槽台区开设有均布的螺旋槽；集流环槽位于密封端面外径侧，引流孔道将集流环槽与阻塞流体腔连通，磁力发生机构位于密封端面内径侧部位；动环与静环相对转动时，螺旋槽泵入阻塞流体，产生端面开启力，密封端面脱开，此时流体动压形成的端面开启距离δ加上极靴距静环端面的距离d，构成运转状态磁性液体密封间隙d+δ。
Description
技术领域
本专利属于机械密封技术领域，涉及自泵送流体动压机械密封和磁性液体密封技术，特别适用于气体保护泵或压缩机的转轴与壳体之间的密封。
背景技术
本世纪以来，由于世界范围内的能源和资源紧缺程度日趋严重，温室气体效应等相关环境问题日益突出，因此寻求可持续、安全稳定且环境友好的能源受到了各国关注。2002年第四代核能国际论坛(GIF)政策组发布了技术路线图，提出了几乎为所有核能国家所接受的6种堆型，其中3种分别是钠冷快堆、铅冷快堆和气冷快堆，另3种是超高温堆、超临界水堆和熔盐堆。其中，熔盐堆因效率高、废弃物排放少、在堆芯区域压力低等优点备受世界各国关注。
图1为熔盐堆的一回路熔盐泵简图。熔盐泵外壳内液态熔盐的自由液面上部充满氩气，在距离熔盐液面一定高度处设置热屏，在热屏上方安装机械密封，放止泵腔内介质沿转轴而泄漏。这种设计形式避免了密封与温度高达700℃的熔盐直接接触，消除了密封装置对材料、结构等方面的诸多苛刻限制。
按照现有技术，熔盐泵借鉴轻水堆(包括压水堆和沸水堆)、重水堆、石墨气冷堆的第3级密封，即采用润滑油作阻塞流体的双端面机械密封或采用气体作阻塞流体的干气密封来实现密封。然而，机械密封动环、静环之间的相对转动产生的端面摩擦磨损，以及辅助密封O型圈的老化，都会导致机械密封失效；这种情况下，就需要更换或拆卸维修机械密封。由于现行使用的机械密封均为整体式的，在更换易损件时必须拆卸轴端的配合件，工程量大、耗时长、费用高，因此，自90年代就有人开始研究剖分式机械密封，期待以此取而代之。然而，密封环的剖分面和剖分式O形圈的接头的密封可靠性，难以在工作条件下得到保证。为此，人们试图采用流体动压机械密封来解决接触式机械密封的寿命短以及剖分式机械密封的可靠度低的问题，但以牺牲密封性能换取寿命的流体动压机械密封，无法满足熔盐堆核主泵的零泄漏的要求。
US 3782737报道了一种可用于多种液体如水、钠或油的低泄漏螺旋槽密封，利用静环上的通道将工作流体(润滑液)引入至密封面的槽台区，当带有螺旋槽的动环旋转时，螺旋槽的自动泵送作用使得液体流向密封腔，并随着螺旋槽流通界面的增大流体流速降低而转化为流体动压的提升，似乎克服了机械密封对工作流体洁净度的敏感性，但静环通道与螺旋槽间隙性连通，一方面使得流体动压呈脉动状态，不利于机械密封的稳定运行，另一方面导致静环通道进入的流体间隙性流入密封面的堰区，引发密封面磨损；ZL201310201473.3提出了一种自泵送流体动压型机械密封，通过密封介质在密封端面和密封腔之间循环，实现了密封端面自润滑、自冲洗，保证了密封的稳定性和长久性，但泵出式自泵送流体动压型机械密封工作时，需要提供阻塞液体以便形成足够的开启力，减小动静环之间的摩擦磨损，而泵出阻塞流体时在型槽根部形成的低压区，不利于实现对密封面内径侧氩气的密封。
熔盐堆核主泵密封所处的压差低、温度不高的工况条件，适合磁性液体密封技术的应用。磁性液体密封寿命长、可靠性高、结构自适应、零泄漏、结构简单、使用方便，但其密封能力对密封间隙的高度敏感性，极大地限制了磁性液体密封技术在转轴3上端为端面止推轴承2下端为导向滑动轴承4的熔盐堆核主泵上的运用(参见图1)；转轴的径向跳动使磁性液体径向密封间隙不断变化，破坏了磁性液膜的稳定性与完整性。ZL 201410614383.1提出了一种轴向密封的磁流体润滑机械密封装置，该装置在动、静环配合面外部设有可控磁场发生器，在动静环密封界面间形成磁场，通过调整电压改变磁场大小，利用开设在动环上的螺旋槽的旋转将密封面外径侧的磁性液体楔入到螺旋槽中形成动压，在密封界面形成可控的磁性液体密封液膜，一方面阻止密封介质的泄漏，另一方面分离动、静环，避免摩擦磨损，实现长寿命运行。但是，这种结构存在几个问题：一是启停过程中，密封界面上的磁性液体中的颗粒会加重动、静环密封端面的磨损；二是稳定运行过程中，磁性液体充满整个密封界面，如果密封端面间隙突然减小，必将导致磁性液体被挤压出密封界面，悬挂于密封面内外径的边缘，甚至被甩入或直接溅入泵腔，污染熔盐介质，引发事故；再者，相对运动的动静环，使得处于密封界面、黏性剪切力较大的磁性液体之间摩擦而生热，并集聚升温，温度的升高不仅会引起密封环变形，还会导致磁力下降，影响磁性液体密封的密封能力。
发明内容
本专利旨在提供一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封，用作熔盐堆核主泵转轴与壳体之间的密封，以保证熔盐泵轴封的零泄漏和长周期安全稳定运行。
本专利的技术解决方案是：一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封，设置于旋转设备的壳体与转轴之间，包括动环16、静环12、19、动环用O形圈15、静环用磁性液体密封圈11、20、永磁体13、17、极靴14、18、弹簧10、21和端盖9、22、壳体23、轴套6、紧定螺钉7；组合型非接触式双端面密封由“泵入式”流体动压机械密封和磁性液体密封组成，磁性液体密封设置于自泵送流体动压机械密封的密封坝的中部；
所述动环16的上下两端面为动环密封端面，每一动环密封端面都设有槽台区和密封坝，槽台区分布在端面的外径侧，密封坝30分布在端面的内径侧部分，槽台区开设有均布的3组或3组以上的螺旋槽28，螺旋槽之间的密封面构成密封堰29，螺旋槽28的两侧槽壁，一侧为凸面31，另一侧为凹面32，动环16上下两端面结构以动环中截面M-M对称布置；
所述静环12、19密封端面具有集流环槽34和磁力发生机构，集流环槽34位于密封端面外径侧，引流孔道33将集流环槽34与阻塞流体腔连通，磁力发生机构位于密封端面内径侧部位；
所述圆环形永磁体13、17嵌入极靴14、18内组合成磁力发生机构，磁力发生机构嵌入静环12、19密封端面开设的磁力机构安装环槽内与静环组成一体，极靴14、18端面开设有沿径向等间距分布的环形极齿和齿槽，极靴的所有极齿朝向静环12、19密封端面，并且装配后极靴14、18的极齿端面低于静环12、19密封端面0.05～0.2mm；
所述极靴14、18的极齿处注有磁性液体，磁性液体在磁力作用下吸附在极靴的极齿端面及其周围，在极齿与动环密封坝的中部之间形成沿径向分布的不同直径的磁性液体密封圈；
所述动环16与静环12、19相对静止时，在弹簧力作用下，动环16和静环12、19两密封端面紧密贴合，极靴14、18的极齿与静环12、19密封端面的初始间隙d＝0.05～0.2mm，即静止状态磁性液体密封间隙d；此时，静环密封端面与动环的密封坝面形成的接触密封与磁性液体密封共同作用阻止流体泄漏；
所述动环16与静环12、19相对转动时，动环16端面的螺旋槽28泵入阻塞流体，产生端面开启力，密封端面脱开，此时流体动压形成的端面开启距离δ＝3～5μm加上极靴14、18距静环12、19端面的距离d＝0.05～0.2mm，构成运转状态密封端面磁性液体密封间隙d+δ；随着“泵入式”流体动压机械密封运行，阻塞流体不断被泵送循环，带走端面摩擦热，有效冷却密封端面和降低磁性液体温度，为磁性液体密封创造适宜的工作环境；在“泵入式”流体动压机械密封和磁性液体密封的共同作用下，保证密封端面零泄漏。
所述轴套6、轴套用O形圈8、动环16、静环19、静环用磁性液体密封圈20和旋转设备的壳体23及转轴3围成工质腔，工质腔内下部是高温熔盐，上部为保护氩气，阻塞流体亦为氩气，阻塞流体压力的设定范围：最小压力为旋转设备内被密封介质的压力，最大压力为磁性液体密封压力与旋转设备内被密封介质的压力之和。
所述极靴14、18在朝向密封端面的一侧沿径向开设有两组间隔排列的极齿和齿槽，每组有径向排列的极齿3～5个，齿宽0.5～2mm，槽宽0.5～2mm；永磁体13、17沿径向充磁。
所述静环12、19端面上的集流环槽32的外径大于动环16端面螺旋槽28的槽根圆直径，内径小于或等于螺旋槽28的槽根圆直径，集流环槽34的环宽与引流孔道33的直径相等；
所述磁力发生机构的外径小于集流环槽34的内径，磁力发生机构的内径大于静环12、19密封端面的内径。
所述动环16及其两侧的静环12、19、端盖9、22均穿套在轴套6上；轴套6与转轴通过紧定螺钉7固定，轴套6与转轴之间用O形圈8密封；动环16与轴套6之间用O形圈15密封；静环密封端面的背面分别支撑有3个以上的弹簧10、21，弹簧的另一端作用在端盖9、22上，端盖9、22固定连接于旋转设备的壳体23，使动环密封端面与静环密封端面之间获得所需的端面比压。
动环16与轴套6之间通过螺纹24联接，螺纹旋向与转轴旋转方向相反，动环16与轴套6的径向采用轴套6外圆柱面定位，轴向采用轴套6上的轴肩端面定位。
静环12、19与壳体23之间的静环用磁性液体密封环11、20由极靴环27和永磁体环26组成，极靴27内圆柱面与静环外圆柱面之间径向间隙0.05～0.2mm。
静环12、19与壳体23的径向采用静环外圆柱面定位，周向采用防转销定位，静环用磁性液体密封环11、20嵌入并固定在壳体23内，静环12、19外圆柱面与静环用磁性液体密封环11、20的极靴27内圆柱面之间的径向密封间隙恒定。
“泵入式”流体动压机械密封工作原理：“泵入式”流体动压机械密封端面结构为动环密封端面上开设有螺旋槽，静环密封端面开设集流环槽和引流孔道。“泵入式”流体动压机械密封运行时，动环旋转，通过螺旋槽将阻塞流体泵入，并经螺旋槽凹面做功，一方面提升流体压力，同时加速螺旋槽内流体成高速流体，沿螺旋槽流向螺旋槽根部，随着螺旋槽流通截面的逐渐减小，流经单位流通截面上的流体分子数增多，进一步提升流体压力，另一方面，螺旋槽中的流体流经流通截面最窄的螺旋槽根部之后进入静环密封端面流体流通截面宽大的集流环槽，流体速度骤降，部分流体动能转化为流体动压能，再次提升流体压力，从而在动静环密封端面间形成开启力，分离动静环，避免动静环直接接触发生摩擦磨损；同时，动环旋转形成密封端面间流体周向剪切力，阻止密封端面的一侧流体在压差作用下向另一侧流动而达到密封的目的。从阻塞流体腔中楔入螺旋槽中的流体，流经流通截面最窄的螺旋槽根部之后进入静环密封端面的集流环槽，在压差的作用下经由引流孔道重新流回阻塞流体腔，形成一次次自泵送循环。在自泵送循环过程中，流体在密封端面之间的不断循环把密封端面之间的摩擦热及时带走，实现了密封的自冲洗、自冷却。
磁性液体密封工作原理：嵌入静环12、19密封端面的磁力机构与动环构成磁性回路，在磁力机构的圆环形永磁体产生的磁场作用下，极靴顶端与动环密封端面缝隙间的磁流体被集中到极齿顶端与动环密封坝面间，形成一个个“O”形液环，将动、静环密封端面间的轴向缝隙分隔成几个独立不连通的密闭环形腔室，阻止密封端面的一侧流体向另一侧流动而达到密封的目的。
在环形极靴上，极齿与齿槽沿径向相间排布，单极密封能承受的密封压差为
Δpmax＝MS(Bmax-Bmin)
式中，MS为饱和磁化强度为齿下最大磁场感应强度值，为槽下最小磁场感应强度值，Fg为密封间隙磁压降，μ0为起始磁导率，g为密封间隙，β为倾角，S为槽宽。
对于一个拥有N个极齿的磁性液体密封，其极限密封压差为
可见，磁性液体的密封压力与永磁体的性能、极靴的齿数N、饱和磁化强度MS及极齿顶端与动环密封坝面间各级极齿下的最大磁场强度和最小磁场强度之间的差值ΔBi密切相关。饱和磁化强度MS、极齿顶端与动环密封坝面间的密封间隙中各级极齿下的最大磁场强度和最小磁场强度之间的差值ΔBi越大以及极靴的齿数N越多，磁性液体密封的耐压能力越强。
在密封端面内、外径两侧无压差时，处于极齿顶端与动环密封坝面间的磁性液体，对称聚集在极齿顶端的中径圆周上形成矩形截面液环；当密封端面内、外径两侧有压差时，磁性液体呈凹面在高压侧、凸面在低压侧的弓形截面液环，产生的恢复原状的弹力平衡压差的作用力；当密封端面内、外径两侧压差增大到超过磁性液体密封的承载能力时，聚集在极齿顶端的磁性液环开始变形，然后迅速穿孔，此时被密封的介质通过针孔流到下一级；随着下一级密闭环形腔室内的压力增大，极齿顶端磁性液环内、外径两侧压差减小，磁性液体在磁力机构的圆环形永磁体产生的磁场作用下，重新聚集，针孔愈合，恢复成工作状态。
基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封工作原理：动环16与静环12、19相对静止时，在弹簧力作用下，动环16和静环12、19两密封端面紧密贴合，极靴14、18的极齿与静环12、19密封端面的初始间隙d＝0.05～0.2mm，即静止状态磁性液体密封间隙d；此时，静环密封端面与动环的密封坝面形成的接触密封与磁性液体密封共同作用阻止密封端面的一侧流体在压差作用下向另一侧流动而达到密封的目的；
动环16与静环12、19相对转动时，动环16端面的螺旋槽28泵入阻塞流体，产生端面开启力，密封端面脱开，此时流体动压形成的端面开启距离δ＝3～5μm，加上极靴14、18距静环12、19端面的初始距离d＝0.05～0.2mm，构成运转状态磁性液体密封间隙d+δ；随着“泵入式”流体动压机械密封的运行，阻塞流体不断被泵送循环，带走端面摩擦热，有效冷却密封端面和降低磁性液体温度；在“泵入式”流体动压机械密封的剪切流和磁性液体密封的“O”形液环共同作用下，保证了密封端面内、外径两侧流体互不泄漏。
由于组合型非接触式双端面密封的磁性液体密封处于动环的、具有一定径向宽度的密封坝面部位，当动环受转轴跳动影响产生径向位移时，附着在静环极齿顶端的、轴向紧贴在动环密封坝面的磁性液环相对于动环出现微量径向位移，但动环密封坝面宽度使得磁性液环仍能保持一个个完整的“O”形液环可靠地处于静环极齿顶端与动环密封坝面之间，提供密封能力。
本专利具有的优点和积极效果是：
(1)实现了泵内介质的零泄漏。利用阻塞流体的大于泵腔内介质的压力和磁性液体的无间隙密封，有效阻止了泵腔内流体的外泄。
(2)克服了磁性液体密封的径向间隙敏感性。静环端面上设置永磁铁和极靴，动环的密封坝与其配合，当动环运转过程中出现径向跳动时，虽然与极靴的对应位置有所偏移，但极靴与动环的密封坝的轴向间距不变，保证了磁性液体密封的密封能力。
(3)具有自冷却密封界面的效果。自泵送形成的流体循环在密封界面间不断流动，带走磁性液体密封和流体动压密封工作时各自流体黏性剪切摩擦产生的热量，降低了密封界面温度，减少了密封端面形变，以及温度对磁性液体密封性能的影响。
(4)极高的密封可靠性。组合密封中的磁性液体密封在瞬时过压击穿或发生偏移变形时，其磁性液体很快在磁场作用下自我“愈合”复位至极齿和密封坝之间，重新形成密封能力。
(5)密封界面无摩擦，使用寿命长。组合密封工作时，自泵送流体动压机械密封产生动压，分离动环与静环，形成非接触式密封，使得动、静环无摩擦磨损；磁性液体密封，通过极靴与密封坝之间的磁性液体实现密封，其极靴与密封坝不接触，无摩擦磨损。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本专利进一步说明
图1是钠冷快堆原型堆(PFBR)的一回路钠泵简图；
图2是密封结构剖面图；
图3是动环端面结构图；
图4是静环端面结构图；
图5是动静环结构示意图
图6是磁力发生机构立体图；
图7是磁力机构在动环密封端面的投影示意图；
图8是密封端面间磁力机构磁力循环线示意图；
图9(a)是密封端面闭合状态磁性液体密封间隙示意图，
图9(b)是密封端面开启状态磁性液体密封间隙示意图；
图10是静环用磁性液体密封环立体图；
图11是静环用磁性液体密封环磁力机构磁力循环线示意图；
图12是一个极齿磁场分割模型；
图中：1—机械密封；2—止推轴承；3—泵轴；4—导向轴承；5—叶轮；6—轴套；7—销钉；8—轴套用O形圈；9—端盖；10—弹簧；11—静环用磁性液体密封环；12—静环；13—永磁体环；14—极靴环；15—动环用O形圈；16—动环；17—永磁体环；18—极靴环；19—静环；20—静环用磁性液体密封环；21—弹簧；22—端盖；23—密封腔壳体；24—销钉；25—磁性液体；26—永磁体环；27—极靴环；28—螺旋槽；29—密封堰；30—密封坝；31—螺旋槽凸面；32—螺旋槽凹面；33—引流孔道；34—集流环槽。
具体实施方式
为了更清楚地描述本专利的上述特征和优点，下面结合附图对本专利的具体实施方式进行进一步说明。
图2～图7描述了一种基于磁性液体密封与流体动压型机械密封的组合型非接触式双端面密封，将其用于密封熔盐堆核主泵转轴与壳体之间的间隙，可以保证熔盐泵轴封的零泄漏和长周期安全稳定运行。
动环16上下两端面结构以动环中截面M-M对称布置，每个端面包括螺旋槽28、密封堰29和密封坝30三部分，螺旋槽28均布于动环端面的外径侧，动环端面的内径侧为密封坝30，螺旋槽28之间的密封面为密封堰29。
静环12、19端面设置集流环槽34和磁力发生机构(由永磁体13、极靴14或永磁体17、极靴18组成)，集流环槽34位于端面外径侧，引流孔道33均布在集流环槽34内，磁力发生机构位于端面内径侧；其中，集流环槽34的外径大于动环端面螺旋槽28的槽根圆直径，内径小于或等于螺旋槽28的槽根圆直径，集流环槽34的环宽与引流孔道33直径相等；磁力发生机构的外径小于集流环槽34的内径，磁力发生机构的内径大于静环12、19密封端面的内径。
动环16与轴套6之间通过螺纹24联接，螺纹旋向与转轴旋转方向相反，动环16与轴套6的径向采用轴套6外圆柱面定位，轴向采用轴套6上的轴肩端面定位。
静环12、19与壳体23之间用磁性液体密封。永磁体环26嵌入极靴环27内组合成磁力发生机构，磁力发生机构嵌入壳体23内与壳体23组成一体，极靴环27内圆柱面开设有两组沿轴向等间距分布的极齿和齿槽，极靴的所有极齿朝向静环12、19外圆柱面，并且装配后极靴环27的极齿端面与静环外圆柱面之间径向间隙0.05～0.2mm。
极靴环27的极齿处注有磁性液体，磁性液体在磁力作用下吸附在极靴环27的极齿端面及其周围，在极齿与静环外圆柱面之间形成沿轴向分布的等直径的磁性液体密封圈。
静环12、19与壳体23的径向采用静环外圆柱面定位，周向采用防转销定位，静环用磁性液体密封环11、20嵌入并固定在壳体23内，静环12、19外圆柱面与静环用磁性液体密封环11、20的极靴27内圆柱面之间的径向密封间隙恒定。
工作时动环16以图3所示的逆时针方向运转，这种组合型非接触式双端面密封，其动环密封端面外径侧开设有螺旋槽，随着动环旋转，螺旋槽28中的阻塞流体即氩气被螺旋槽的凹面32加速成高速流体，沿螺旋槽流向螺旋槽根部，随着螺旋槽流通截面的逐渐减小，流经单位流通截面上的流体分子数增多，进一步提升流体压力，另一方面，螺旋槽中的流体流经流通截面最窄的螺旋槽根部之后进入静环密封端面流体流通截面宽大的集流环槽，流体速度骤降，部分流体动能转化为流体动压能，再次提升流体压力，从而在动静环密封端面间形成开启力，分离动静环，避免动静环直接接触发生摩擦磨损；同时，动环旋转形成密封端面间流体周向剪切力，阻止密封端面的一侧流体在压差作用下向另一侧流动而达到密封的目的。从阻塞流体腔中楔入螺旋槽中的流体，流经流通截面最窄的螺旋槽根部之后进入静环密封端面的集流环槽，在压差的作用下经由引流孔道重新流回阻塞流体腔，形成一次次自泵送循环。
组合型非接触式双端面密封的内径侧部分的磁力发生机构在两密封环间产生均匀、稳定的磁场，磁性液体25吸附在极靴环表面，形成一圈圈沿密封环端面径向排列的磁性液体“O形圈”。
在自泵送循环过程中，阻塞介质被不断泵送循环，循环的流体能够有效冷却密封端面和磁性液体，为磁性液体密封创造了适宜的工作环境，有利于保证磁性液体的性能，实现“零泄漏”密封。
已知某型熔盐堆核主泵的高效运行转速600r/min，假设阻塞流体压力0.2MPa，泵腔密封介质压力0.05MPa，动环密封端面开设对数螺旋槽，槽数40，螺旋角22°，槽面宽比0.5，槽台宽比0.5，螺旋槽深40μm，膜厚1.2μm；静环密封端面开设环槽和轴向径向组合孔，环槽宽3mm，环槽深800μm；自泵送机械密封“泵入式”运行，计算得螺旋槽槽根处压力为0.208MPa。
下面选取某一型磁力机构，计算其承压能力。选取永磁体为钕铁硼G45EH，剩磁Bf/T为1.28～1.36，内禀矫顽力2387Hcj/kA·m-1，矫顽力971HcB/kA·m-1，最大磁能积318～358(BH)max/kA·m-3；磁性液体型号MF01(北京交通大学制备，李德才.磁性液体密封理论及应用[M].北京：科学出版社，2010.)，基液为机油，饱和磁化强度Ms为450Gs，密度1.23(kg/m3)×103，黏度20(25℃)/cP，起始磁导率μ0为0.8m/H；假设极靴端面的极齿齿宽a为1mm，极齿与动环密封坝面间隙g为0.2mm，边缘磁通范围取m＝2g。
将极靴简化，用图12表示一个极齿磁场分割模型来计算磁压降，根据图形将磁场划分为5种磁通管，共有一个矩形磁通管Ⅰ，四个1/4圆柱体Ⅱ，四个1/4空心圆柱体Ⅲ，四个1/8球体Ⅳ，四个1/8空心球体Ⅴ，分别计算各个磁通管的磁压降Fg。
矩形磁通管Ⅰ：
1/4圆柱体Ⅱ：
1/4空心圆柱体III：
1/8球体IV：
1/8空心球体Ⅴ：
总的磁压降：
Fg＝Fg1+4×(Fg2+Fg3+Fg4+Fg5)
齿下磁场最强
槽下磁场最弱
则任一级的极限密封压差为ΔPmax＝Ms(Bmax-Bmin)
根据本方案实现动、静环密封端面径向密封的极靴结构，极靴左右各有4个极齿，共八级极齿，齿宽1mm，极齿与动环密封坝面间隙0.2mm，则：
Fg＝0.0121
ΔP＝NMs(Bmax-Bmin)＝0.25MPa
如图6所示，根据极靴在动环密封端面的投影范围，可知极靴内径处受到的压力为泵腔密封介质压力即P1＝0.05MPa，极靴外径处受到的压力约等于螺旋槽槽根处的压力即P2＝0.208MPa，极靴内外径压力差P＝|P1-P2|＝0.158MPa，由于磁力机构密封能力ΔP＝0.25MPa＞0.158MPa，则密封环端面的磁力机构能够实现密封压力要求；同理，两个静环用磁性液体密封环在相同极靴结构参数情况下，密封压力也能达到0.25MPa，大于阻塞流体压力0.2MPa，能够满足静密封要求。
控制方程式为非线性偏微分方程，无法求得解析解，可以使用FLUENT软件数值求解，进而获得端面流场的压力分布。在相同运行工况下，计算n个不同的密封腔阻塞流体压力对应的螺旋槽内径侧压力值，通过离散点二次多项式拟合，得到阻塞流体压力y与螺旋槽内径侧压力x的关系：y＝a+b1x+b2x2，其中a＝-7952.50798±2.32815，b1＝0.99996±2.42135×10-5，b2＝-1.06858×10-10±5.76379×10-11。
分析发现，当泵腔工作压力为0.05MPa时，考虑到阻塞流体压力至少大于密封介质压力，所以只要阻塞流体压力不超出0.05MPa～0.292MPa区间均能保证组合密封安全有效。
Claims (9)
1.一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封，设置于旋转设备的壳体与转轴之间，包括动环(16)、静环(12、19)、动环用O形圈(15)、静环用磁性液体密封圈(11、20)、永磁体(13、17)、极靴(14、18)、弹簧(10、21)和端盖(9、22)、壳体(23)、轴套(6)、紧定螺钉(7)，其特征是：组合型非接触式双端面密封由“泵入式”流体动压机械密封和磁性液体密封组成，磁性液体密封设置于自泵送流体动压机械密封的密封坝的中部；
动环(16)的上下两端面为动环密封端面，每一动环密封端面都设有槽台区和密封坝，槽台区分布在端面的外径侧，密封坝(30)分布在端面的内径侧部分，槽台区开设有均布的3组或3组以上的螺旋槽(28)，螺旋槽之间的密封面构成密封堰(29)，螺旋槽(28)的两侧槽壁，一侧为凸面(31)，另一侧为凹面(32)，动环(16)上下两端面结构以动环中截面M-M对称布置；
静环(12、19)密封端面具有集流环槽(34)和磁力发生机构，集流环槽(34)位于密封端面外径侧，引流孔道(33)将集流环槽(34)与阻塞流体腔连通，磁力发生机构位于密封端面内径侧部位；
圆环形永磁体(13、17)嵌入极靴(14、18)内组合成磁力发生机构，磁力发生机构嵌入静环(12、19)密封端面开设的磁力机构安装环槽内与静环组成一体，极靴(14、18)端面开设有沿径向等间距分布的环形极齿和齿槽，极靴的所有极齿朝向静环(12、19)密封端面，并且装配后极靴(14、18)的极齿端面低于静环(12、19)密封端面0.05～0.2mm；
极靴(14、18)的极齿处注有磁性液体，磁性液体在磁力作用下吸附在极靴的极齿端面及其周围，在极齿与动环密封坝的中部之间形成沿径向分布的不同直径的磁性液体密封圈；
动环(16)与静环(12、19)相对静止时，在弹簧力作用下，动环(16)和静环(12、19)两密封端面紧密贴合，极靴(14、18)的极齿与静环(12、19)密封端面的初始间隙d＝0.05～0.2mm，即静止状态磁性液体密封间隙d；此时，静环密封端面与动环的密封坝面形成的接触密封与磁性液体密封共同作用阻止流体泄漏；
动环(16)与静环(12、19)相对转动时，动环(16)端面的螺旋槽(28)泵入阻塞流体，产生端面开启力，密封端面脱开，此时流体动压形成的端面开启距离δ＝3～5μm加上极靴(14、18)距静环(12、19)端面的距离d＝0.05～0.2mm，构成运转状态磁性液体密封间隙d+δ；随着“泵入式”流体动压机械密封的运行，阻塞流体不断被泵送循环，带走端面摩擦热，有效冷却密封端面和降低磁性液体温度；在“泵入式”流体动压机械密封和磁性液体密封的共同作用下，保证密封端面零泄漏。
2.如权利要求1所述的一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封，其特征是：轴套(6)、轴套用O形圈(8)、动环(16)、静环(19)、静环用磁性液体密封圈(20)和旋转设备的壳体(23)及转轴(3)围成工质腔，工质腔内下部是高温熔盐，上部为保护氩气，阻塞流体亦为氩气，阻塞流体压力的设定范围：最小压力为旋转设备内被密封介质的压力，最大压力为磁性液体密封压力与旋转设备内被密封介质的压力之和。
3.如权利要求1所述的一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封，其特征是：极靴(14、18)朝向密封端面的一侧沿径向开设有两组间隔排列的极齿和齿槽，每组有径向排列的极齿3～5个，齿宽0.5～2mm，槽宽0.5～2mm；永磁体(13、17)沿径向充磁。
4.如权利要求1所述的一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封，其特征是：集流环槽(34)的外径大于对应的动环(16)端面螺旋槽(28)的槽根圆直径，内径小于或等于螺旋槽(28)的槽根圆直径，集流环槽(34)的环宽与引流孔道(33)的直径相等。
5.如权利要求1所述的一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封，其特征是：磁力发生机构的外径小于集流环槽(34)的内径，磁力发生机构的内径大于静环(12、19)密封端面的内径。
6.如权利要求1所述的一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封，其特征是：动环(16)及其两侧的静环(12、19)、端盖(9、22)均穿套在轴套(6)上；轴套(6)与转轴通过紧定螺钉(7)固定，轴套(6)与转轴之间用O形圈(8)密封；动环(16)与轴套(6)之间用O形圈(15)密封；静环密封端面的背面分别支撑有3个以上的弹簧(10、21)，弹簧的另一端作用在端盖(9、22)上，端盖(9、22)固定连接于旋转设备的壳体(23)，使动环密封端面与静环密封端面之间获得所需的端面比压。
7.如权利要求1所述的一种基于磁性液体密封与流体动压型机械密封的组合型非接触式双端面密封，其特征是：动环(16)与轴套(6)之间通过螺纹(24)联接，螺纹旋向与转轴旋转方向相反，动环(16)与轴套(6)的径向采用轴套(6)外圆柱面定位，轴向采用轴套(6)上的轴肩端面定位。
8.如权利要求1所述的一种基于磁性液体密封与流体动压型机械密封的组合型非接触式双端面密封，其特征是：静环(12、19)与壳体(23)之间静环用磁性液体密封圈(11、20)由极靴环(27)和永磁体环(26)组成，极靴(27)内圆柱面与静环外圆柱面之间径向间隙0.05～0.2mm。
9.如权利要求1所述的一种基于磁性液体密封与流体动压型机械密封的组合型非接触式双端面密封，其特征是：静环(12、19)与壳体(23)的径向采用静环外圆柱面定位，周向采用防转销定位，静环用磁性液体密封环(11、20)嵌入并固定在壳体(23)内，静环(12、19)外圆柱面与静环用磁性液体密封环(11、20)的极靴(27)内圆柱面之间的径向密封间隙恒定。
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