CN110925510A - 一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置，旨在解决现有技术中存在的导致密封副颤振、密封性能差、安装精度差的问题。本发明包括套管、一级密封组件、二级密封组件、支撑环、预紧组件以及法兰；套管外壁的一端设置有第三环状凸起，另一端设置有锁紧环；一级密封组件和二级密封组件对称套装于套管上，且位于第三环状凸起和锁紧环之间；支撑环套装于一级密封组件和二级密封组件外，支撑环的内壁并排设置有第一环状凸起和第二环状凸起，并与一、二级密封组件形成环腔，预紧组件位于环腔内，第一环状凸起上设置有与环腔贯通的第一冷却水入口和第一冷却水出口；法兰一端与支撑环固定连接，另一端与固定管连接。

Description

一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置

技术领域

本发明涉及旋转管与固定管间的密封，具体涉及一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置。

背景技术

旋转管路系统是验证试验件在高温、脉动压力及漩涡等复杂工况下的气液两相介质中减噪性能。旋转管和固定管是旋转管路系统重要组成部分，旋转管为试验件的安装载体，其结构为管状结构，通过固定装卡工装将试验件固定在管内，系统运行时，试验件随旋转管一起旋转，旋转管外表面中间部位安装驱动轮，驱动轮两侧为气体浮动轴承，旋转管两端为密封装置，该密封装置用于解决系统运行中旋转管(动管)和固定管(静管)之间泄漏难题。

旋转管和固定管间的密封装置承受的工况和使用环境非常苛刻，现有的密封装置很难满足以下几个方面需求：

第一、从旋转管内部介质方面来讲，高温(最高温度377K)脉动(气体最高脉动频率205Hz)气体与水渗混形成气液两相流，气液两相流冲击密封结构严重影响密封质量，高温介质易使密封结构因热应力存在发生较大变形，气体压力脉动也容易导致密封副颤振。

第二、从旋转管自身功能结构来讲，试验时，旋转管由偏置拖动电机带动实现高速旋转，最高转速可达3000r/min，高度旋转很容易导致密封副发热、摩擦磨损，致使密封结构密封性能下降。

第三、从安装角度来讲，旋转管的支撑装置为气体浮动轴承，其刚度差，对加工及安装精度要求很高，其气膜间隙为10～20μm，若密封结构设计不合理，密封装置可能会出现卡滞，造成气膜破坏，损坏气体浮动轴承，此外，固定管阀件及管道采用现场配合焊接，焊接会产生残余焊接应力，会影响固定管与密封装置的安装精度。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的导致密封副颤振、密封性能差、安装精度差的问题，而提供了一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明的一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置，其特殊之处在于：包括套管、一级密封组件、二级密封组件、支撑环、预紧组件以及法兰；

所述套管外壁的一端设置有第三环状凸起，另一端设置有锁紧环；

所述一级密封组件和二级密封组件对称套装于套管上，且位于第三环状凸起和锁紧环之间；

所述一级密封组件包括其中一端面相互紧贴的一级动环和一级静环，一级动环另一端面与第三环状凸起紧贴；

所述二级密封组件包括其中一端面相互紧贴的二级动环和二级静环，二级动环另一端面与锁紧环紧贴；

所述支撑环套装于一级密封组件和二级密封组件外，支撑环的内壁并排设置有第一环状凸起和第二环状凸起；

所述第一环状凸起一侧与一级静环另一端止口配合；

所述第二环状凸起的内环面与二级静环的外周面接触；

所述预紧组件包括环形弹簧支架和多个弹簧；

所述弹簧支架套装于套管上，且与第一环状凸起的另一侧止口配合；弹簧支架的内环面与套管外壁之间存有间隙；

所述多个弹簧沿圆周方向均匀设置在弹簧支架与二级静环之间；

从而在套管的外壁与一级静环内壁、弹簧支架内壁、二级静环内壁之间形成环腔；

所述第一环状凸起上设置有与环腔贯通的第一冷却水入口和第一冷却水出口；

所述法兰一端与支撑环固定连接，另一端与固定管连接。

进一步地，所述法兰的内部设有三级台阶孔，分别为第一级台阶孔、第二级台阶孔和第三级台阶孔；

所述第一级台阶孔位于支撑环外；

所述第二级台阶孔位于二级密封组件外，且与二级密封组件外壁间形成第一间隙；

所述第三级台阶孔和第二级台阶孔之间的台阶面与套管以及锁紧环的端面间构成第二间隙；

所述第二环状凸起和二级静环之间设有挤压槽；

所述挤压槽通过第一间隙、第二间隙与外部旋转管和外部固定管之间的流体通道连通。

进一步地，所述一级动环与套管之间设置有密封圈；

所述二级动环与套管之间设置有密封圈；

所述第一环状凸起与一级静环止口配合的位置处设置有密封圈；

所述第二环状凸起与二级静环接触的位置处设置有密封圈；

所述法兰与支撑环之间设置有密封圈；

所述套管内壁与外部旋转管外壁之间安装有密封圈。

进一步地，所述第一冷却水入口和第一冷却水出口沿套管的轴线对称设置。

进一步地，所述支撑环外壁设置有第四环状凸起；

所述法兰的外部设有第五环状凸起；

所述第四环状凸起与第五环状凸起通过螺钉固定连接；

所述第五环状凸起上设置有与第一冷却水入口连通的第二冷却水入口、与第一冷却水出口连通的第二冷却水出口。

进一步地，所述锁紧环与套管螺纹连接。

进一步地，所述一级动环和一级静环的接触端均嵌有碳化硅材料；

所述二级动环和二级静环的接触端均嵌有碳化硅材料。

本发明的有益效果是：

1.本发明在套管外壁两端分别设置了第三环状凸起和锁紧环，又在第三环状凸起和锁紧环之间对称设置了一级密封组件和二级密封组件，然后在一级密封组件和二级密封组件外套装支撑环，支撑环的内壁设置了第一环状凸起和第二环状凸起，第一环状凸起与一级密封组件止口配合，第二环状凸起与二级静环接触；同时还在第一环状凸起与二级密封组件之间设置了预紧组件；沿旋转管的轴向从第三环状凸起到锁紧环之间的所有零部件相互配合，使得弹簧初始状态为压缩状态，由此在工作中当两个密封组件发生轴向窜动时，弹簧可给予二级静环弹性补偿，使得二级动环和二级静环始终紧密贴合；由此提高二级密封组件的密封性能。同时，由于流体压力脉动容易导致密封组件发生震颤带来密封问题，因此预紧组件的设置使得二级静环在发生震颤时，弹簧的相应点会适应性对二级静环产生作用力，使得二级静环始终保持与套管同轴，进而与二级动环紧贴，进一步提高二级密封组件的密封可靠性。

2.本发明在法兰的内部设置了三级台阶孔，其中第二级台阶孔与二级密封组件之间形成第一间隙，第三级台阶孔和第二级台阶孔之间的台阶面与套管及锁紧环的端面之间形成第二间隙，又在第二环状凸起和二级静环之间设有挤压槽，挤压槽通过第一间隙、第二间隙与外部旋转管和外部固定管之间的流体通道连通。由此，在工作中，旋转管内压力较大的流体通过第二间隙和第一间隙流入挤压槽内后，会对二级静环产生轴向推力，使得二级静环与二级动环紧密贴合，再一次提高二级密封组件的密封性能。

3.本发明在套管的外壁与一级静环内壁、环形弹簧支架内壁、二级静环内壁之间形成环腔；又在第一环状凸起上设置有与环腔贯通的第一冷却水入口和第一冷却水出口；由此可依次通过第一冷却冷却水入口及环腔分别向一、二级密封组件的密封面通入冷却水，为工作中的密封面降温，提高密封性能和使用寿命；同时，一、二级静环处于冷却水中，冷却水会分别给予一、二级静环一个挤压力，使得一级静环与一级动环间、二级静环与二级动环间均紧密贴合，再一次提高一、二级密封组件的密封性能。

4.本发明在支撑管外侧设置了法兰，法兰一端与支撑环通过螺钉固定连接，另一端与外部固定管的连接，使得该密封装置的连接精度更高而且更简便。

5.本发明的锁紧环与套管螺纹连接，锁紧环可根据需要调节弹簧的预紧力，使得本装置的适应性更高。

6.本发明在多出设置了密封圈，进一步提高密封性。

附图说明

图1是本发明一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置的结构示意图；

图2是本发明的密封连接装置立体剖视图；

图3是本发明的支撑环立体剖视图；

图4是本发明的法兰立体剖视图；

图5是本发明的弹簧支架结构示意图。

图中，

1-旋转管；

2-支撑环，21-第一环状凸起，22-第二环状凸起，23-第一冷却水入口，24-第四环状凸起，25-第一冷却水出口；

3-法兰，31-第五环状凸起，32-第二冷却水入口，33-第二冷却水出口，

34-第二级台阶孔，35-第三级台阶孔，36-台阶面，37-第一级台阶孔；

4-一级密封组件，41-一级动环，42-一级静环，43-碳化硅材料；

5-二级密封组件，51-二级动环，52-二级静环，54-挤压槽，55-第一间隙，56-第二间隙；

6-环腔，7-密封面；

8-套管，81-第三环状凸起；

9-预紧组件，91-弹簧支架，92-弹簧；

11-锁紧环，12-密封圈。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

为了解决普通密封结构在高速运转状况下密封效果差的问题，设计了耐高温、高速两级动、静环组合自适应密封结构。该种密封结构采用双极动静环密封结构，具有自适应功能，采用腔体多通道循环冷却方式，充分利用介质粘性特性，将极易泄漏的轴向旋转密封转变为不易泄漏的端面密封和静密封，极大地提高了密封装置的密封性能和使用寿命，很好的解决了高速端面摩擦密封引起的发热和密封面损耗难题。支撑环与动静环分离结构，在预紧弹簧作用下，使密封结构具有自适应性，降低了系统安装精度要求。

本发明的一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置，结合图1至图5所示，包括套管8、一级密封组件4、二级密封组件5、支撑环2、预紧组件9以及法兰3；套管8套装于旋转管1外壁上，套管8的外壁一端设置有第三环状凸起81，另一端设置有锁紧环11；锁紧环11与套管8螺纹连接。一级密封组件4和二级密封组件5对称套装于套管8上，且位于第三环状凸起81和锁紧环11之间。

一级密封组件4包括其中一端面相互紧贴的一级动环41和一级静环42，一级动环41和一级静环42的接触端均嵌有碳化硅材料43；该接触处为一级密封组件4的密封面7；一级动环41另一端面与第三环状凸起81紧贴；二级密封组件5包括其中一端面相互紧贴的二级动环51和二级静环52，二级动环51和二级静环52的接触端均嵌有碳化硅材料43，增加了耐磨型，该接触处为二级密封组件5的密封面7；两个密封面7均打磨至镜面，二级动环51另一端面与锁紧环11紧贴。

支撑环2套装于一级密封组件4和二级密封组件5外，支撑环2的内壁并排设置有第一环状凸起21和第二环状凸起22，第一环状凸起21一侧与一级静环42另一端止口配合；二级静环52的外圆面上设置有环形缺口53；环形缺口53的轴向长度大于第二环状凸起22内环面的轴向长度；第二环状凸起22的内环面与环形缺口53外周面的中部接触。

预紧组件包括环形弹簧支架91和多个弹簧92；弹簧支架91套装于套管8上，且与第一环状凸起21的另一侧止口配合；弹簧支架91的内环面与套管8外壁之间存有间隙；多个弹簧92沿圆周方向均匀设置在弹簧支架91与二级静环52之间；从而在套管8的外壁与一级静环42内壁、弹簧支架91内壁、二级静环内壁52之间形成环腔6。

第一环状凸起21上设置有与环腔6贯通且沿套管8的轴线对称设置的第一冷却水入口23和第一冷却水出口25；支撑环2外壁设置有第四环状凸起24；法兰3外部设置有的第五环状凸起31；第五环状凸起31与第四环状凸起24通过螺钉连接；法兰3另一端与固定管连接；法兰3的内部设有三级台阶孔，分别为第一级台阶孔37、第二级台阶孔34和第三级台阶孔35；第一级台阶孔37位于支撑环2外；第二级台阶孔34位于二级密封组件5外，且与二级密封组件5外壁间形成第一间隙55；第三级台阶孔35和第二级台阶孔34之间的台阶面36与套管8以及锁紧环11的端面间构成第二间隙56；第二环状凸起22和二级静环52之间设有挤压槽54；挤压槽54通过第一间隙55、第二间隙56与外部旋转管和外部固定管之间的流体通道连通。

第五环状凸起31上设置有与第一冷却水入口23连通的第二冷却水入口32、与第一冷却水出口25连通的第二冷却水出口33。形成腔体多通道循环冷却，充分利用介质粘性特性，将极易泄漏的轴向旋转密封转变为不易泄漏的端面密封和静密封，极大地提高了密封装置的密封性能和使用寿命。

优选的，一级动环41与套管8之间设置有密封圈12；

二级动环51与套管8之间设置有密封圈12；

第一环状凸起21与一级静环42止口配合的位置处设置有密封圈12；

第二环状凸起22与二级静环52接触的位置处设置有密封圈12；

法兰3与支撑环2之间设置有密封圈12；

套管8内壁与外部旋转管外壁之间安装有密封圈12。

该密封装置可承受高温、脉动压力冲击、高速旋转、气液两相流等多工况作用，安装精度高。本发明从四方面提高了该密封连接装置的密封性能；

第一，本发明充分利用预紧组件9的弹性变形及调整能力，使二级静环52具有自动找正功能，由此提高二级密封组件5的密封性能。

第二，本发明通过锁紧环使弹簧处于压缩状态，在工作中，弹簧的预紧力可以直接给予二级静环推力，进一步提高二级密封组件5的密封性能。

第三，本发明旋转管内的流体可通过第一间隙55、第二间隙56流入挤压槽54，该流体的压力可对二级静环52产生推力，再一次提高二级密封组件5的密封性能。

第四，本发明利用冷却介质的压力同时给予一级静环42和二级静环52推力，同时提高一级密封组件4和二级密封组件5的密封性能。

Claims (7)

1.一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置，其特征在于：包括套管(8)、一级密封组件(4)、二级密封组件(5)、支撑环(2)、预紧组件(9)以及法兰(3)；

所述套管(8)外壁的一端设置有第三环状凸起(81)，另一端设置有锁紧环(11)；

所述一级密封组件(4)和二级密封组件(5)对称套装于套管(8)上，且位于第三环状凸起(81)和锁紧环(11)之间；

所述一级密封组件(4)包括其中一端面相互紧贴的一级动环(41)和一级静环(42)，一级动环(41)另一端面与第三环状凸起(81)紧贴；

所述二级密封组件(5)包括其中一端面相互紧贴的二级动环(51)和二级静环(52)，二级动环(51)另一端面与锁紧环(11)紧贴；

所述支撑环(2)套装于一级密封组件(4)和二级密封组件(5)外，支撑环(2)的内壁并排设置有第一环状凸起(21)和第二环状凸起(22)；

所述第一环状凸起(21)一侧与一级静环(42)另一端止口配合；

所述第二环状凸起(22)的内环面与二级静环(52)的外周面接触；

所述预紧组件包括环形弹簧支架(91)和多个弹簧(92)；

所述弹簧支架(91)套装于套管(8)上，且与第一环状凸起(21)的另一侧止口配合；弹簧支架(91)的内环面与套管(8)外壁之间存有间隙；

所述多个弹簧(92)沿圆周方向均匀设置在弹簧支架(91)与二级静环(52)之间；

从而在套管(8)的外壁与一级静环(42)内壁、弹簧支架(91)内壁、二级静环内壁(52)之间形成环腔(6)；

所述第一环状凸起(21)上设置有与环腔(6)贯通的第一冷却水入口(23)和第一冷却水出口(25)；

所述法兰(3)一端与支撑环(2)固定连接，另一端与固定管连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置，其特征在于：

所述法兰(3)的内部设有三级台阶孔，分别为第一级台阶孔(37)、第二级台阶孔(34)和第三级台阶孔(35)；

所述第一级台阶孔(37)位于支撑环(2)外；

所述第二级台阶孔(34)位于二级密封组件(5)外，且与二级密封组件(5)外壁间形成第一间隙(55)；

所述第三级台阶孔(35)和第二级台阶孔(34)之间的台阶面(36)与套管(8)以及锁紧环(11)的端面间构成第二间隙(56)；

所述第二环状凸起(22)和二级静环(52)之间设有挤压槽(54)；

所述挤压槽(54)通过第一间隙(55)、第二间隙(56)与外部旋转管和外部固定管之间的流体通道连通。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置，其特征在于：

所述一级动环(41)与套管(8)之间设置有密封圈(12)；

所述二级动环(51)与套管(8)之间设置有密封圈(12)；

所述第一环状凸起(21)与一级静环(42)止口配合的位置处设置有密封圈(12)；

所述第二环状凸起(22)与二级静环(52)接触的位置处设置有密封圈(12)；

所述法兰(3)与支撑环(2)之间设置有密封圈(12)；

所述套管(8)内壁与外部旋转管外壁之间安装有密封圈(12)。

4.根据权利要求3所述的一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置，其特征在于：

所述第一冷却水入口(23)和第一冷却水出口(25)沿套管(8)的轴线对称设置。

5.根据权利要求4所述的一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置，其特征在于：

所述支撑环(2)外壁设置有第四环状凸起(24)；

所述法兰(3)的外部设有第五环状凸起(31)；

所述第四环状凸起(24)与第五环状凸起(31)通过螺钉固定连接；

所述第五环状凸起(31)上设置有与第一冷却水入口(23)连通的第二冷却水入口(32)、与第一冷却水出口(25)连通的第二冷却水出口(33)。

6.根据权利要求5所述的一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置，其特征在于：所述锁紧环(11)与套管(8)螺纹连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于旋转管与固定管间的密封连接装置，其特征在于：

所述一级动环(41)和一级静环(42)的接触端均嵌有碳化硅材料(43)；

所述二级动环(51)和二级静环(52)的接触端均嵌有碳化硅材料(43)。

Images