CN110332314A - 一种机械密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械密封装置包括第一密封，所述第一密封具有相匹配设置的第一动环和第一静环，所述第一动环套装在轴套上，所述第一静环设置在第一压盖上，在所述第一压盖上开设有用于冲洗流体流入的第一进液口，在所述第一静环上开设有至少一个用于降温的流体腔，所述流体腔与第一进液口连通。通过在第一静环上开设与第一进液口连通的流体腔，使得冲洗流体直接流入第一静环内部，可以快速散热，有效阻止高温介质及密封端面摩擦产生的巨大热量传递到第一静环内部；可以有效防止第一静环的膨胀变形而引起第一静环与第一压盖配合处密封圈失效，进而造成密封介质泄漏；还可以加快密封端面附近的高温介质流动速度。

Description

一种机械密封装置

技术领域

本发明属于机械密封技术领域，具体涉及一种机械密封装置。

背景技术

随着石油、化工、航天、天然气输送等行业日趋发展，对机械密封要求越来越高，对一些特殊工况（如高温、高转速、较大轴径）下的机械密封需要实现密封工艺介质零泄漏、零逸出。机械密封必须达到使用寿命长、安装操作简单、维修费用低等要求。对于普通接触式机械密封，在运行运转过程中，动、静环密封端面之间互相摩擦、磨损，从而产生大量摩擦热，导致密封端面间温度急剧升高，产生巨大热应力，严重的会导致密封端面发生相变，如汽化、空蚀等，造成磨损加剧，从而严重缩短密封使用寿命，动、静环在运转过程中处于干摩擦状态，高温下密封端面会发生热变形，导致密封环端面出现热裂、及疱疤等现象，除此之外，密封端面温度过高，还可能会引起密封圈硬化、变形。以上所述问题都极易造成机械密封失效，很大程度降低机械密封使用寿命及使用效率，增加用户使用成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种机械密封装置，有效降低密封环内部及密封端面温度，减小密封端面产生的热裂、疱疤等现象，提高密封机械性能，延长密封使用寿命，提高使用效率。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案是：

为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种机械密封装置包括第一密封，所述第一密封具有相匹配设置的第一动环和第一静环，所述第一动环套装在轴套上，所述第一静环设置在第一压盖上，在所述第一压盖上开设有用于冲洗流体流入的第一进液口，在所述第一静环上开设有至少一个用于降温的流体腔，所述流体腔与第一进液口连通。

进一步的，在所述第一静环的周向设有多个同轴间隔设置的流体腔，所述流体腔为扇环形。

进一步的，所述流体腔在径向上与第一动环的密封端面相对设置。

进一步的，所述流体腔与第一静环的密封端面之间的距离为1.2~1.8mm。

进一步的，所述流体腔的径向尺寸与所述第一静环的径向尺寸之比为0.3～0.5。

进一步的，相邻两个所述流体腔之间的间距为3～６mm。

进一步的，所述流体腔具有径向向外延伸的导流孔，在所述第一压盖上开设有环形的入液槽，所述入液槽与导流孔连通。

进一步的，所述径向导流孔位于所述静止环轴向中心位置处。

进一步的，所述流体腔在靠近轴端的一侧为敞口端，在所述第一压盖上开设有环形的出液槽和与所述出液槽连通的第一出液口，所述敞口端与出液槽连通。

进一步的，在所述第一压盖上设有与所述第一进液口连通的第一分流孔和第二分流孔，所述第二分流孔流出的冲洗流体用于冲洗所述第一密封的密封端面。

进一步的，所述第一密封的密封端面的外侧为高压介质腔，所述第一密封的密封端面的内侧为低压流体腔。

进一步的，在所述第一动环的密封端面上开设有微型槽，所述微型槽包括周向延伸设置的周向槽和沿所述周向槽的一端向外倾斜设置的反向槽。

进一步的，所述反向槽的倾斜方向与所述第一动环的旋转方向相反。

进一步的，所述反向槽的型线为对数螺旋线，螺旋角为15°～30°。

进一步的，所述反向槽的槽深为5～15μm。

进一步的，所述周向槽的槽深为5～15μm。

进一步的，所述反向槽的槽深大于或等于周向槽的槽深。

进一步的，所述微型槽的径向尺寸与周向尺寸比为0.6～2.0。

进一步的，所述反向槽的径向尺寸与周向槽的径向尺寸比为0.5～1.5。

进一步的，所述微型槽的周向槽台比为0.8～1.5。

进一步的，所述微型槽的径向尺寸与第一动环的密封端面的径向尺寸比为0.3～0.7。

进一步的，所述机械密封装置包括泵效环和靠近轴端的第二密封，第二密封包括套装在轴套上的第二动环和设置在第二压盖上的第二静环，所述泵效环将低压流体腔分为靠近轴端的第一低压腔和远离轴端的第二低压腔。进一步的，所述泵效环将第一低压腔的液体泵送到第二低压腔。

进一步的，在所述第二压盖上开设有用于冲洗流体流入的第二进液口、与第一低压腔连通且用于冲洗第二密封的密封端面的进液孔、与第二低压腔连通的出液孔。

本发明提供的机械密封装置，通过在第一静环上开设与第一进液口连通的流体腔，使得冲洗流体直接流入第一静环内部，可以快速散热，有效阻止高温介质及密封端面摩擦产生的巨大热量传递到第一静环内部；可以有效防止第一静环的膨胀变形而引起第一静环与第一压盖配合处密封圈失效，进而造成密封介质泄漏；还可以加快密封端面附近的高温介质流动速度，进一步防止密封端面周围高温介质流体发生相变，如汽化、空蚀等；并且还可以减少第一密封的热变形，热裂等，提高密封结构稳定性，延长密封使用寿命。流体腔的开设还可以降低第一静环的重量，提高第一密封的动平衡性能，降低能源消耗。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为本发明所提出的机械密封装置的一个实施例的结构示意图；

图2为图1中第一密封处的放大结构图；

图3为图1中第二密封处的放大结构图；

图4为第一静环的靠近轴端的端面结构示意图；

图5为第一动环的密封端面的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，以正常使用状态下径向上靠近轴线的方向为“内”，远离轴线的方向为“外”。术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1-5，是本发明所提出的机械密封装置的一个实施例，机械密封装置包括套装固定在旋转轴10上的轴套20、与泵腔30配合的第一压盖40，与第一压盖40配合的第二压盖50，其中第二压盖50靠近轴端一侧，也就是靠近空气侧；为了实现轴端的密封，设置有远离轴端的第一密封60和靠近轴端的第二密封70，第一密封60靠近介质侧，图示1中的左侧；第二密封70靠近空气侧，图示1中的右侧。

参见图2所示，第一密封60具有相匹配设置的第一动环61、第一静环62、第一推环63、第一弹簧和第一弹簧座65，第一动环61套装在轴套10上，第一静环62固定在第一压盖40上；具体的，第一弹簧座65固定在轴套10上，第一动环61可轴向移动的设置在第一弹簧座65上，在第一弹簧座65的周向上间隔设置有多个第一弹簧，第一弹簧一端设置在第一弹簧座65内，一端与第一推环63相贴合，第一推环63将第一弹簧的弹力传递到第一动环61上，用于实现第一动环61的轴向移动。在旋转轴10旋转时，轴套10跟随旋转，进而带动第一动环61、第一推环63、第一弹簧和第一弹簧座65均旋转，第一动环61和第一静环62之间实现密封，避免高温介质通过密封端面向轴端渗漏；第一密封60的密封端面包括第一动环61的密封端面611和第一静环62的密封端面621。

参见图1所示，第一动环61的密封端面的外侧为高压介质腔101、内侧为低压流体腔102，高压介质腔101为高温高压的工作介质，低压流体腔102为低压流体，高压介质腔101内的流体压力大于低压流体腔102内的流体压力。

旋转轴10在运转时，高压介质腔101内的高温介质流体压力和第一弹簧座65与第一推环63之间的第一弹簧所形成的弹性力共同作用于第一动环61，使之向着第一静环62靠近的方向运功，使密封端面趋于闭合，实现密封作用，除此之外，第一动环61与轴套10配合处的密封圈也起到很关键的辅助密封作用。

参见图1和图2所示，在旋转轴10高速旋转时，高温介质流体产生的巨大压力，很大一部分会聚集在第一动环61的密封端面611处，加快密封端面摩擦、磨损，导致密封端面变形，应力集中等。为了降低第一密封60的密封端面的温度，在第一压盖40上开设有用于冲洗流体流入的第一进液口41，在第一静环62上开设有至少一个用于降温的流体腔622，流体腔622与第一进液口41连通，通过第一进液口41将冲洗流体引入流体腔622，用于降低第一密封60的密封端面的温度。

通过在第一静环62上开设与第一进液口41连通的流体腔622，使得冲洗流体直接流入第一静环62内部，可以快速散热，有效阻止高温介质及密封端面摩擦产生的巨大热量传递到第一静环62的内部；可以有效防止第一静环62的膨胀变形而引起第一静环62与第一压盖40配合处密封圈失效，进而造成密封介质泄漏；还可以加快第一密封60的密封端面附近的高温介质的流动速度，进一步防止密封端面周围高温介质流体发生相变，如汽化、空蚀等；并且还可以减少第一密封60的热变形，热裂等，提高密封结构稳定性，延长密封使用寿命。流体腔622的开设还可以降低第一静环62的重量，提高第一密封60的动平衡性能，降低能源消耗。

第一静环62与第一压盖40在运转过程中保持相对静止，第一密封60的密封端面为圆环形，为了达到更好的降温效果，在第一静环62的周向设有多个同轴间隔设置的流体腔622，分别向多个流体腔622内通入冲洗流体，及时的将第一静环62上的热量带走，使得第一静环62的温度降低，旋转中的第一动环61的密封端面611上的热量继续传递到第一静环62上，使得第一动环61的温度也降低。

本实施例中，第一动环61的密封端面611在径向上的尺寸远小于第一静环62的密封端面621在径向上的尺寸，旋转过程中的摩擦生热，主要位于第一动环61的密封端面611和与之对应的第一静环62的密封端面621的部分；为了达到更好的散热效果，将流体腔622与第一动环61的密封端面611相对设置，也就是设置流体腔622的外径和内径的尺寸与第一动环61的密封端面611的外径和内径的尺寸相同，或者设置流体腔622的外径和内径尺寸与第一动环61的密封端面611的外径和内径尺寸具有相重合的部分，也就是说在径向尺寸上流体腔622与密封端面611相同或部分相重合，使得流体腔622设置在距离第一动环61的密封端面611较近的位置，有利于对于热量尽快传递到流体腔622内，被冲洗流体带走，实现降温。优选设置流体腔622为与第一静环62同轴设置的扇环形，有利于与第一动环61的密封端面611相对应，提高散热效率。优选设置流体腔622与第一静环62的密封端面621之间的距离为1.2～1.8mm，能够使流体腔622与第一静环62的密封端面621之间的热量快速传递，有利于第一静环62的密封端面621和第一动环61的密封端面611处的热能量散失，最大程度降低第一密封60的密封端面的温度。流体腔622在轴向的尺寸与第一静环62在轴向的尺寸比为0.8～0.95。

流体腔622的径向尺寸与轴向尺寸的设置至关重要，径向尺寸与轴向尺寸太小，起不到很好的降温效果，太大又会降低第一静环62的刚度、强度，导致变形；优选设置流体腔622的径向尺寸与第一静环62的径向尺寸之比为0.3～0.5，相邻两个流体腔622之间的距离为3～６mm。

流入第一进液口41的冲洗流体分为两路，其中一路流入流体腔622用于第一静环62的降温，另一路用于冲洗第一密封60的密封端面，第一静环62的密封端面621和第一动环61的密封端面611进行降温，并冲走堆积的杂质，降低密封端面间温升，延长密封使用寿命。具体的，在第一压盖40上设有与第一进液口41连通的第一分流孔42和第二分流孔43，第一分流孔42与流体腔622连通；第二分流孔43流出的冲洗流体用于冲洗第一密封60的密封端面，第二分流孔43的出口位于第一密封60的密封端面的外侧。

为了将冲洗流体快速注入流体腔622内，在第一静环62上开设有沿流体腔622径向向外延伸的导流孔623，导流孔623与流体腔622一一对应；在第一压盖40上开设有环形的入液槽44，第一分流孔42与入液槽44连通，入液槽44与导流孔623连通。流体腔622在靠近轴端的一侧为敞口端，在第一压盖40上开设有环形的出液槽45和与出液槽45连通的第一出液口46，敞口端与出液槽45连通；设置敞口端有利于对于流体腔622的加工制作，同时有利于流体腔622内冲洗流体的流出，保证流体的流速。经第一进液口41流入第一分流孔42的冲洗流体，之后流入环形的入液槽44，在分别流经多个导流孔623后进入多个流体腔622内；之后多个流体腔622内的冲洗流体经进入环形的出液槽45，之后经第一出液口46，将热量带走；可以实现冲洗流体的循环流动。

为了防止流经第一分流孔42的冲洗流体渗漏，在导流孔623的左右两侧各开设一个凹槽，凹槽内放置第一密封圈81，保证冲洗流体流入导流孔623内，防止流入输送高温介质的高压介质腔101内。在第一压盖40与第一静环62的内径侧设置第二密封圈82，用于防止冲洗流体流入低压流体腔102，这样就能保证冲洗流体沿第一压盖40上第一进液口41，最后经第一出液口46流出，形成的冷却通道循环流动，进而将第一密封60的密封端面处产生的热量通过热交换的形式带走，对密封端面及第一静环62起到降温效果，提高密封使用使命。

冲洗流体在第一静环62中的流动路线为首先沿导流孔623径向向内流动，之后到达流体腔622，在流体腔622内沿轴向移动，设置导流孔623的直径与流体腔622的径向尺寸相同，有利于保证冲洗流体的匀速流动，保证冲洗流体均匀冲洗第一静环，实现自冷却效果，能够有效阻止外部高温流体介质及密封端面摩擦产生的巨大热量传递到第一静环62内部。

参见图5所示，为了进一步增加第一静环62的密封端面621和第一动环61的密封端面611之间的密封，在第一动环61的密封端面611上开设有多个微型槽612，多个微型槽612在密封端面611的周向间隔均布设置。微型槽612包括周向延伸设置的周向槽6121和沿周向槽6121的一端向外倾斜设置的反向槽6122，其中反向槽6122的倾斜方向与第一动环61的旋转方向相反。设置微型槽612，在旋转轴10旋转时，形成泵送效果，有利于在第一静环62的密封端面621和第一动环61的密封端面611之间形成均匀的液膜密封；设置微型槽612包括周向槽6121和反向槽6122，有利于平均密封端面间流体压力，有效避免槽区流体发生空化，还可增强密封端面自润滑性，实现第一密封60处于全液膜润滑状态，提高密封装置耐高温和高压能力，减少密封端面摩擦、磨损，降低摩擦过程中产生过大的摩擦热，提高密封使用寿命。

周向槽6121的型线为弧线，反向槽6122的型线为对数螺旋线，对数螺旋线的螺旋角为15°～30°；周向槽6121的槽深为5～15μm，反向槽6122的槽深为5～15μm，在此参数下密封的气膜刚度较大，能够获得最优的密封性能。反向槽6122和周向槽6121的槽深可相同，也可以不相同，且反向槽6122的槽深不小于周向槽6121的槽深。反向槽6122的径向尺寸与周向槽6121的径向尺寸比为0.5～1.5。微型槽612类似倾斜的L形，微型槽612径向的边界线为对数螺旋线、轴向的边界线为弧形线，优选设置为与第一静环61同轴设置的弧形线。

微型槽612的径向尺寸与周向尺寸比为0.6～2.0，微型槽612的周向槽台比为0.8～1.5，微型槽612的径向尺寸与第一动环61的密封端面611的径向尺寸比为0.3～0.7，在此参数下，能获得更好的流体动压效应及轴向气膜稳定性。具体的，定义第一动环61的密封端面611内半径为ri、外半径为ro，周向槽6121的内半径为rg1、外半径为rg2，反向槽6122的外半径为rg3，则反向槽6122的径向尺寸与周向槽6121的径向尺寸比(rg3-rg2)/( rg2-rg1)=0.5～1.5，微型槽612的径向尺寸与第一动环61的密封端面611的径向尺寸比(rg3-rg1)/(ro-ri)=0.3～0.7，微型槽612的周向槽台比bb/cc=0.8～1.5，在周向上开设有槽的区域为槽区，没有开设的区域为台区。

第二密封70包括套装在轴套10上的第二动环71和设置在第二压盖50上的第二静环72,泵效环90在轴向上与第二压盖50相邻，泵效环90将低压流体腔102分为靠近轴端的第一低压腔1021和远离轴端的第二低压腔1022；旋转轴10旋转时，泵效环90将第一低压腔1021内的液体泵送到第二低压腔1022。在第二压盖50上开设有用于冲洗流体流入的第二进液口51、与第一低压腔1021连通的进液孔52、与第二低压腔1022连通的出液孔53，进液孔52与第二进液口51连通且用于冲洗第二密封70的密封端面；从而实现冲洗流体由缓冲第二进液口51快速循环至出液孔53，让冲洗流体清洁效果更佳，更加迅速的带走热量，从而实现安全密封作用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种机械密封装置包括第一密封，所述第一密封具有相匹配设置的第一动环和第一静环，所述第一动环套装在轴套上，所述第一静环设置在第一压盖上，其特征在于，在所述第一压盖上开设有用于冲洗流体流入的第一进液口，在所述第一静环上开设有至少一个用于降温的流体腔，所述流体腔与第一进液口连通。

2.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，在所述第一静环的周向设有多个同轴间隔设置的流体腔，所述流体腔为扇环形。

3.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述流体腔的径向尺寸与所述第一静环的径向尺寸之比为0.3～0.5。

4.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述流体腔具有径向向外延伸的导流孔，在所述第一压盖上开设有环形的入液槽，所述入液槽与导流孔连通。

5.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述流体腔在靠近轴端的一侧为敞口端，在所述第一压盖上开设有环形的出液槽和与所述出液槽连通的第一出液口，所述敞口端与出液槽连通。

6.根据权利要求1至5任一项所述的机械密封装置，其特征在于，在所述第一动环的密封端面上开设有微型槽，所述微型槽包括周向延伸设置的周向槽和沿所述周向槽的一端向外倾斜设置的反向槽。

7.根据权利要求6所述的机械密封装置，其特征在于，所述反向槽的倾斜方向与所述第一动环的旋转方向相反。

8.根据权利要求6所述的机械密封装置，其特征在于，所述微型槽的径向尺寸与周向尺寸比为0.6～2.0。

9.根据权利要求6所述的机械密封装置，其特征在于，所述反向槽的径向尺寸与周向槽的径向尺寸比为0.5～1.5。

10.根据权利要求6所述的机械密封装置，其特征在于，所述微型槽的径向尺寸与第一动环的密封端面的径向尺寸比为0.3～0.7。