CN111006065A - 一种双向密封环和密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向密封环和密封装置。其中：双向密封环包括开有环形卡槽的软石墨圈，和安装于环形卡槽内且可热扩张的伸缩圈。密封装置包括阀体，设置在阀体内的骨架，设置在阀体一端的阀盖，和设置在骨架前端与动轴和阀体之间的动静双密封结构，设置在骨架后端与阀体之间的静密封结构，及设置在骨架后端与动轴之间的动密封结构，各密封结构采用双向密封环和/或涨圈组合环。本发明很好的解决了现有密封结构难以胜任圆周径向密封的问题，适合于有相对运动要求的极低摩擦阻力的动密封，并利用高温带来的膨胀效应增强密封效果，结构简单合理，密封效果好，适用广泛，具有较好的市场前景。

Description

一种双向密封环和密封装置

技术领域

本发明涉及机械密封领域，特别指一种应用于气体密封的双向密封环和密封装置。

背景技术

气体密封是机械领域里一项重要的工作，常规的低温低压气体的密封技术已非常完备，但在高达600摄氏度高温高压空气的密封一直是一个难题，特别是对于有相对运动要求的极低摩擦阻力的动密封零部件。现有的金属C型环、金属O型环等可以实现较好的端面密封，但难以胜任圆周径向密封，同时更不适合有相对运动要求的极低摩擦阻力的动密封，另外高温带来的膨胀效应及机体材料高温下的氧化都是密封时需要解决的问题。

中国专利CN103867724B公开了一种多点压紧耐高温动密封装置，该装置通过多点压紧实现了对旋转设备的轴向和径向密封，具体是通过密封压环轴向压紧石墨盘根组密封，实现了对旋转设备轴向的静态密封 ；采用弹簧压片紧压石墨盘根组，实现了对旋转设备的径向柔性动密封。其密封压环通过径向紧固螺栓将波浪式的弹簧压片锁紧固定，使每个波谷与每根石墨盘根的中心线对应，使石墨盘根组的内表面与回转窑热解炉的密封面紧密接触，保证了对石墨盘根组的柔性径向力，增强了动态密封的效果。所述弹簧压片的径向力大于密封压环对石墨盘根组的轴向力，保证了径向的动态密封。但是，该方案中采用的弹簧压片的压力使石墨盘根组的内表面与回转窑热解炉的密封面紧密接触，弹簧的作用力是发散的因此压力不能很好的得到利用，对石墨盘根组的压紧力有限，密封面的密封效果不是特别好；而且弹簧是有使用寿命的，如果长期处于高温高压的环境中，也会进一步缩短弹簧的有效使用时间，甚至会破坏弹簧原有的弹性作用力，导致密封效果减弱或失败。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进和创新，提供一种特别适用于高温高压环境的双向密封环。

本发明的另一目的是提供一种特别适用于高温高压气体内圆表面和外圆表面密封的密封装置。

本发明所述的双向密封环包括开有环形卡槽的软石墨圈，和安装于环形卡槽内且可热扩张的伸缩圈。

在其中一个实施例中，所述的伸缩圈为金属O型圈，该金属O型圈为内部充有气体的空心薄壁金属O型圈，且所述金属O型圈安装后超出环形卡槽的深度，金属O型圈表面镀银或镀镍或镀金。

优选的，所述的软石墨圈的环形卡槽底部设置有支承金属O型圈的金属垫片，金属垫片的厚度大于0.3mm为佳。

优选的所述的金属O型圈卡装后超出环形卡槽的深度为金属O型圈直径的5%到18%。

优选的，所述的环形卡槽为与伸缩圈大小适应的C形槽，C形槽利于更好的与伸缩密封环卡装，并不会脱出。软石墨圈采用石墨纸卷绕并形成环形卡槽，卷绕之后，在除内外圆面的其他区域喷涂防氧化剂。

本发明所述的密封装置套装在动轴上，包括阀体，设置在阀体内的骨架，设置在阀体一端的阀盖，和设置在骨架前端与动轴和阀体之间的动静双密封结构，设置在骨架后端与阀体之间的静密封结构，及设置在骨架后端与动轴之间的动密封结构，各密封结构采用双向密封环和/或涨圈组合环。

具体的，所述的密封结构为双向密封环或涨圈组合环轴向设置一个或者多个，或者为双向密封环和涨圈组合环轴向间隔设置，相邻密封环和/或涨圈组合环之间间隔有垫片或挡圈。

更具体的，多个双向密封环轴向间隔设置时，除最外层软石墨圈外，其余叠放在内部的软石墨圈在边缘开半圆小槽，更好的保证高温高压气体进入环形卡槽。

在其中一个实施例中，所述的动静双密封结构包括设置在骨架与动轴之间的一个或者多个双向密封环，及设置在骨架与阀体之间的一个或者多个双向密封环，且两处的双向密封环径向对应。

在其中一个实施例中，所述的静密封结构为涨圈组合环，所述涨圈组合环包括轴向叠设的石墨涨圈和波形弹簧，且石墨涨圈和波形弹簧叠设一组或多组，多组之间设有挡圈间隔。石墨涨圈除外圆密封面之外的区域也喷涂防氧化剂。

具体的，多个涨圈组合环轴向间隔设置时，采用限位筒和隔板进行位置确定，确保有效给力。

优选的，所述的石墨涨圈为开口环，且开口处采用45度斜口多道交错梯形齿槽。

在其中一个实施例中，所述的骨架的前端设置盖板和支撑套压紧密封结构，骨架的后端与阀盖之间设置有盖板和石墨环压紧密封结构。

本发明的优点及有益效果：

本发明双向密封环利用现有石墨材料良好的耐高温和低摩擦系数特点，利用伸缩圈如金属O型圈及气体的热扩张特性，在密封环常规的轴向紧压安装使用环境中，通过伸缩圈的径向变形作用力使环形卡槽两侧的石墨面紧压密封接触面，实现安装接触部件之间的双向动态或静态密封，特别适用于有圆周径向密封要求的情况，充分利用了高温工作环境的膨胀效应。

本发明密封装置为一种可应用于高温高压气体内圆表面和外圆表面的动态、静态密封结构，该密封结构包括有软石墨环、金属O型圈、石墨涨圈、波形弹簧这几个主要部件组成。通过组合安装布置由软石墨环和金属O型圈组成的双向密封环，由石墨涨圈和波形弹簧组成的涨圈组合密封环，实现密封装置与动轴的多级动态密封，以及密封装置自动的多级静态密封。

本发明很好的解决了现有密封结构难以胜任圆周径向密封的问题，适合于有相对运动要求的极低摩擦阻力的动密封，并利用高温带来的膨胀效应增强密封效果，并且使用的密封材料可通过在非密封面喷涂防氧化剂克服高温氧化的问题，结构简单合理，密封效果好，适用广泛，具有较好的市场前景。

附图说明

图1是本发明双向密封环剖面结构示意图。

图2是本发明双向密封环俯视结构示意图。

图3是本发明双向密封环轴向挤压变形扩张结构示意图。

图4是本发明密封装置剖面结构示意图。

图5是本发明多双向密封环间隔排列使用状态示意图。

图6是本发明双向密封环和涨圈组合环间隔排列使用状态示意图。

图7是本发明开有小圆槽的软石墨圈剖面结构示意图。

图8是本发明开有小圆槽的软石墨圈俯视结构示意图。

图9是本发明石墨涨圈侧面结构示意图。

图10是本发明石墨涨圈俯视结构示意图。

附图序号说明：

1-阀盖；2-阀体；3-盖板；4-挡圈；5-石墨涨圈；6-波形弹簧；7-骨架；8-软石墨圈；9-金属O型圈；10-盖板；11-支撑套；12-石墨环；13-阀杆；14-金属垫片一；15-金属垫片二。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被认为是“设置”或“连接”在另一个元件上，它可以是直接设置或连接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文中所使用的所有的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在于限制本发明。

双向密封环实施例：

如图1至3所示，本密封环包括开有环形卡槽的软石墨圈8，和安装于环形卡槽内且可热扩张的伸缩圈，本例中伸缩圈为金属O型圈9，环形卡槽为C形槽。软石墨圈8采用石墨纸卷绕而成，卷绕之后，在除内外圆面的其他区域喷涂防氧化剂。

具体的，如图1、3所示，金属O型圈9为内部充有气体的空心薄壁金属O型圈，金属O型圈9内部充气腔为封闭空间，金属O型圈9表面镀银或镀镍或镀金。软石墨圈8的环形卡槽底部设置有支承金属O型圈9的金属垫片一14，金属垫片一14的厚度适合在大于0.3mm。金属O型圈9安装后超出环形卡槽的深度，超出环形卡槽顶面的高度为金属O型圈9直径的5%到18%。

本密封环可单个应用于需要径向密封的动态密封结构或者静态密封结构；也可以多个轴向叠放增加密封效果，多个设置时中间间隔有金属垫片二15，如图5所示。多个设置时，除最外层密封环的软石墨圈外，其余叠放在内部的软石墨圈在边缘开半圆小槽，如图7、8所示。

密封装置实施例：

本密封装置应用于高温高压气体内圆表面和外圆表面的密封结构，其套装在动轴——阀杆13上。如图4所示，该密封装置包括阀体2，设置在阀体2内的骨架7，设置在阀体2一端的阀盖1，和设置在骨架7前端与阀杆13和阀体2之间的动静双密封结构，设置在骨架7后端与阀体2之间的静密封结构，及设置在骨架7后端与阀杆13之间的动密封结构。其中各密封结构为密封环和涨圈组合环。骨架7的前端还设置有盖板二10和支撑套11压紧密封结构，骨架7的后端与阀盖1之间设置有盖板一3和石墨环12压紧密封结构。

本例中，密封环采用上例中记载的双向密封环，具体结构不再赘述。

如图4、6、9、10所示，本例中涨圈组合环采用包括轴向设置的石墨涨圈5和波形弹簧6的组合结构。其中波形弹簧6为现有产品，石墨涨圈5为开口环，在涨圈除外圆密封面之外的区域喷涂防氧化剂，且开口处为与轴线成45度的斜线，并具有交错梯形齿形，详见图9。

使用时，涨圈组合环可设置一组，或者多组轴向叠放增加密封效果，多组之间设有挡圈4、限位筒间隔限位。

如图4所示，本例中动静双密封结构包括设置在骨架7前端内壁与阀杆13外壁之间的三个双向密封环轴向排列，和设置在骨架7前端外壁与阀体2内壁之间的三个双向密封环，两处的双向密封环径向对应，由骨架7支撑和间隔。

如图4所示，本例中静密封结构为三个涨圈组合环轴向叠设，具体装配在骨架7后端外壁与阀体2内壁之间，相邻涨圈组合环之间用挡圈4间隔。

如图4所示，本例中动密封结构为三个双向密封环轴向排列，具体装配在骨架7后端内壁与阀杆13的外壁之间。

另外，上述密封装置的动静双密封结构、静密封结构以及动密封结构也可以部分或全部采用双向密封环和涨圈组合环轴向间隔设置的结构替代，相邻密封环、涨圈组合环之间间隔有垫片或挡圈，如图6所示。

本发明结构和工作原理：

如图4所示实例中，阀杆13往复直线运动，阀体2内圆表面为静密封，阀杆13外圆表面为动密封，石墨环12起支撑作用，动密封接触部件为金属和石墨，由于石墨具有良好的耐高温和低摩擦系数特点，因此可以保证高温高压气密情况下阀杆13能实现低摩擦阻力的运动。在阀盖1拧紧后内部各零件均得到了相应的定位。

如图4所示，右侧黑色箭头代表高温高压气体，从而阀杆13和阀体2之间的孔轴间隙向左侧泄露。因此在阀体2右侧的径向对应的两处软石墨圈组是阀体2及阀杆13的第一级密封。软石墨圈8采用石墨纸卷绕而成，并在除非圆柱面的其他区域喷涂防氧化涂料。如图1、2所示，考虑到软石墨圈8为卷绕结构，因此在软石墨圈8的环形卡槽中安装有金属垫片一14，然后再安装有一个截面直径与环形卡槽宽度直径一致的金属O型圈9，金属O型圈9为薄壁空心结构，内封闭有气体。安装后，金属O型圈9露出软石墨圈8的环形卡槽顶面，露出高度为金属O型圈9截面直径的5%到18%。如图3所示，为一种典型的软石墨圈安装方式，金属O型圈9高出的部分在安装受到阀盖等压紧部件的轴向挤压后将使得内外径产生变形扩张，从而可以施加力作用在环形卡内侧面，使得软石墨圈8两侧贴紧阀体2内表面、阀杆13的外圆面。同时，高温使得金属O型圈9内密封的气体产生膨胀，进一步加大软石墨圈两侧的压力实现压紧密封。另外高压气体产生在软石墨圈内表面的压力也能进一步实现压紧密封。第一级密封采用三个软石墨双向密封环并列布局进行密封，每个环之间安放有金属垫片二15以保证金属O型圈9压缩时不会挤溃卷绕的软石墨环，详见图4。同时为了让泄露的高温高压气体进入到并列排布的软石墨圈的环形卡槽内，在软石墨圈环形卡边缘处开设有小半圆槽，如图7、8所示。

如图4所示，阀体2左侧为第二级密封，内圆面的二级密封采用三组石墨涨圈5和波形弹簧6进行密封，石墨涨圈5为开口环，采用45度斜口多道交错梯形齿槽，如图9、10所示。

如图4所示，阀杆13左侧的第二级密封，采用和右侧第一级密封同样的三个软石墨双向密封环并列布局的结构。

阀体的内圆表面和阀杆外圆表面的密封采用由石墨纸卷绕而成的软石墨C型环，并在除封严表面的其他部位喷涂防氧化涂料，在C型环凹处安放表面进行镀层的空心金属O型环，环内封闭有气体，并在二者平面接触处安放金属薄板进行支撑强化，同时保证金属O型环截面直径和金属薄板垫片厚度和并在一起的值大于C型石墨环凹槽深度。

工作时，通过盖板、挡圈、阀盖等压紧金属O型圈，通过侧面变形产生内外圈扩张，从而可以压紧在软石墨圈的C形槽两侧实现压紧密封，同时高温使得金属O型圈内密封的气体产生膨胀，进一步加大软石墨圈两侧的压力实现压紧密封，另外高压气体产生在软石墨圈内表面即C形槽内的压力也能进一步实现压紧密封，三重压紧密封。

同时，采用硬石墨的迷宫涨圈进行内圆表面的封严，石墨涨圈采用开口形式，开口处为交错梯形齿构成迷宫形态，涨圈采用波形弹簧进行支撑以便保证涨圈变形的同时实现径向和轴向的密封。

密封可以将多个C形软石墨圈并列排布或采用多个石墨涨圈及波形弹簧并列排布以增加密封效果，也可以采用C型软石墨圈与石墨涨圈及波形弹簧联合使用增加密封效果。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种双向密封环，其特征在于包括开有环形卡槽的软石墨圈，和安装于环形卡槽内且可热扩张的伸缩圈。

2.根据权利要求1所述的双向密封结构，其特征在于所述的伸缩圈为金属O型圈，该金属O型圈为内部充有气体的空心薄壁金属O型圈，且所述金属O型圈安装后超出环形卡槽的深度。

3.根据权利要求2所述的双向密封环，其特征在于所述的软石墨圈的环形卡槽底部设置有支承金属O型圈的金属垫片。

4.根据权利要求2或3所述的双向密封环，其特征在于所述的金属O型圈卡装后超出环形卡槽的深度为金属O型圈直径的5%到18%。

5.一种包括如权利要求1至3所述的任一双向密封环的密封装置，该密封装置套装在动轴上，其特征在于包括阀体，设置在阀体内的骨架，设置在阀体一端的阀盖，和设置在骨架前端与动轴和阀体之间的动静双密封结构，设置在骨架后端与阀体之间的静密封结构，及设置在骨架后端与动轴之间的动密封结构，各密封结构采用双向密封环和/或涨圈组合环。

6.根据权利要求5所述的密封装置，其特征在于所述的密封结构为双向密封环或涨圈组合环轴向设置一个或者多个，或者为双向密封环和涨圈组合环轴向间隔设置，相邻密封环和/或涨圈组合环之间间隔有垫片或挡圈。

7.根据权利要求5所述的密封装置，其特征在于所述的动静双密封结构包括设置在骨架与动轴之间的一个或者多个双向密封环，及设置在骨架与阀体之间的一个或者多个双向密封环，且两处的双向密封环径向对应。

8.根据权利要求5所述的密封装置，其特征在于所述的静密封结构为涨圈组合环，所述涨圈组合环包括轴向叠设的石墨涨圈和波形弹簧，且石墨涨圈和波形弹簧叠设一组或多组，多组之间设有挡圈间隔。

9.根据权利要求8所述的密封装置，其特征在于所述的石墨涨圈为开口环，且开口处采用45度斜口多道交错梯形齿槽。

10.根据权利要求5所述的密封装置，其特征在于所述的骨架的前端设置盖板和支撑套压紧密封结构，骨架的后端与阀盖之间设置有盖板和石墨环压紧密封结构。

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