CN111589390B - 一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其结构包括传动单元、减压单元、轴力平衡单元；通过减压单元实现了多级减压，将反应釜内的超高压力沿传动轴分段减压，并进行分段密封；通过轴力均衡单元，抵消了反应釜内超高压力产生的轴向载荷。本发明基于超高压反应釜的工作需求，有效解决了超高压反应釜的动密封问题；采用减压单元将反应釜的超高压力沿传动轴分段减压，并进行分段密封，大幅降低了密封件的工作压力，有效改善了密封件的工作环境，提高了动密封可靠性；降低了往复运动工况下的输入载荷要求，节约能源。

Description

一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置

技术领域

本发明涉及一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，属于化工设备领域。

背景技术

超高压反应釜是石油化工、军工及制药等工业部门中应用广泛的设备之一；它用于 各 种 物 性（如粘度、密度）及各种操作条件（温度、压力）的反应过程，还大量用于混合、分散、溶解、结晶、 萃取、吸收或解吸、传热等操作；反应釜主要由承压容器和搅拌机两大部分组成，承压容器包括釜体、釜盖、夹套等受压元件，动力源、轴封装置及搅拌桨等构成了搅拌机。

超高压反应釜通常是在一定的压力和温度下通过搅拌桨对介质进行充分搅拌来进行生产的，由于釜内介质多为易燃、易爆或有毒的物料 ,故其搅拌轴的动密封就成了反应釜的关键问题；轴封装置是搅拌机传动轴与承压容器交汇处的密封装置，用以保证搅拌设备内的压力或真空状态、阻止或减少釜内介质向外泄漏以及外界杂质进入釜内污染系统；目前，传统的搅拌轴轴封装置主要为填料密封、机械密封、磁力密封。

机械密封又叫端面密封，是由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置，机械密封具备性能稳定、摩擦功耗低、泄漏量小、对轴磨损小及使用寿命长等特点，常用机械密封结构由静止环(静环)、旋转环(动环)、弹性元件弹簧座、紧定螺钉、旋转环辅助密封圈、静止环辅助密封圈等元件组成；密封环是动环和静环的总称，是构成机械密封最主要的元件，密封环在很大程度上决定了机械密封的使用性能和寿命；由于密封原理和材料性能的限制，机械密封压力一般不超过10MPa，无法应用于工作压力超过100MPa的超高压反应釜中。

填料密封又称“填料函密封”，是指通过预紧或介质压力的自紧作用使填料与转动件及固定件之间产生压紧力的动密封装置，主要由填料、填料箱和填料固定件组成；常用的填料材料有石棉织物、碳纤维、橡胶、柔性石墨和工程塑料等；同样，由于密封原理和材料性能的限制，机械密封压力一般不超过10MPa，无法应用于工作压力超过100MPa的超高压反应釜中。

磁力传动是利用永磁材料之间的磁力耦合作用实现无接触传递力矩的一种实用技术，磁力传动装置主要包括主动磁转子、从动磁转子以及隔离套等零部件，马达通过传动轴将动力传递给主动磁转子， 在磁力耦合的作用下从动磁转子开始转动，从而带动与从动磁转子联接在一起的搅拌装置转动，以达到搅拌的目的；它的关键部件隔离套将主动、从动磁转子进行物理隔离，将搅拌轴的动密封结构转变为静密封结构，釜内介质完全处于由釜体与隔离套构成的密封腔内，彻底解决了填料密封和机械密封因动密封而造成的无法克服的泄露问题；但是，隔离套需要具备与反应釜相同的承压能力，对于超高压反应釜而言，其工作压力达到100MPa以上，隔离套的壁厚也需要相应加大，从而导致主动、从动磁转子间距较大，大幅降低了传动功率，无法满足传动要求。

因此，对于超高压反应釜而言，迫切需要寻求一种更加安全可靠的密封装置。

发明内容

本发明提出的是一种适用于超高压反应釜的搅拌轴轴封装置， 其目的旨在解决

现有的搅拌轴轴封装置无法应用于工作压力超过100MPa的超高压反应釜中进行密封的问题。

本发明的技术解决方案：一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其结构包括传动单元、减压单元、轴力平衡单元；通过减压单元实现了多级减压，将反应釜内的超高压力沿传动轴分段减压，并进行分段密封；通过轴力均衡单元，抵消了反应釜内超高压力产生的轴向载荷。

本发明的优点：

（1）本发明基于超高压反应釜的工作需求，提出了一种适用于超高压力环境的搅拌轴的轴封装置，同时具备旋转、往复密封功能，有效解决了超高压反应釜的动密封问题。

（2）本发明基于压力补偿的原理，采用减压单元将反应釜的超高压力沿传动轴分段减压，并进行分段密封，大幅降低了密封件的工作压力，有效改善了密封件的工作环境，提高了动密封可靠性。

（3）本发明设有轴力均衡单元，抵消了超高压力产生的极大的轴向载荷，降低了传动轴轴向定位难度，降低了往复运动工况下的输入载荷要求，节约能源。

附图说明

附图1是本发明的A-A截面结构示意图。

附图2 是本发明的俯视图。

附图3是附图1中B部分的结构放大示意图。

附图4是附图1中D部分的结构放大示意图。

附图5是附图1中C部分的结构放大示意图。

附图6是本发明的密闭空间分布示意图。

附图7是本发明的安装方式示意图。

附图中1是传动轴、2是摩擦环、3是防尘圈、4是减压箱、5是螺塞、6是法兰密封圈、7是Y形密封圈、8是滑块周向密封圈、9是滑块轴向密封圈、10是弹簧、11是滑块、12是挡板、13是挡板螺栓、14是限位杆、15是限位螺母、16是限位板、17是限位板螺栓、18是中空旋塞、19是小端密封圈、20是降压块、21是旋塞密封圈、22是大端密封圈、23是平衡环轴向密封圈、24是平衡环周向密封圈、25是转轴小端密封圈、26是传动轴螺塞、27是内侧减压单元密闭空间（压力3/4P）、28是中间减压单元密闭空间（压力2/4P）、29是外侧减压单元密闭空间（压力1/4P）、30是传动轴内侧密闭空间（压力1/4P）、31是外部空间（压力0）、32是反应釜内部空间（压力P）、33是釜体、34是搅拌桨、35是轴封装置、36是釜盖、37是联轴器、38是电机、39是平衡环。

具体实施方式

一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其结构包括传动单元、减压单元、轴力平衡单元；通过减压单元实现了多级减压，将反应釜内的超高压力沿传动轴分段减压，并进行分段密封；通过轴力均衡单元，抵消了反应釜内超高压力产生的轴向载荷。

本发明基于阶段减压原理进行传动轴的动密封设计，理论上对反应釜压力上限无限制，当反应釜压力较高时，如为200MPa以上时,则可以通过增设减压单元的方式进行密封；也即通过适当的改造，本发明可以用于任意超高压力的反应釜的传动轴动密封设计；因此能够适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置。

所述传动单元包括传动轴1,减压箱4；传动轴1贯穿减压箱4，传动轴1一端插入超高压反应釜内与搅拌桨连接，传动轴1另一端露在超高压反应釜外部与电机连接；优选传动轴1两端设有键槽和外螺纹，分别与电机和搅拌桨连接；传动单元件主要用于将电机扭矩载荷由反应釜外传入反应釜内；减压箱4是整个轴封装置的载体，属于回转形部件，内设阶梯孔，用于各类零部件的安装；传动单元一端设有通孔、密封槽及密封圈，通过螺栓与釜盖连接，并采用法兰密封圈6实现件减压箱4与釜盖之间的密封；减压箱4另一端设有螺纹孔，为预留孔。

所述减压单元包括Y形密封圈7、滑块周向密封圈8、滑块轴向密封圈9、弹簧10、滑块11、挡板12、限位杆14、限位螺母15、限位板16、螺栓，减压单元主要用于调节传动轴1与减压箱4之间的介质压力，实现分段减压密封；工作时：在件Y形密封圈7与滑块周向密封圈8和滑块轴向密封圈9的密闭作用下，传动轴1和减压箱4之间形成了一个密闭空间，该密闭空间充满了液压油；当反应釜压力逐渐上升时，滑块在压力作用下向传动轴1方向移动，使得密闭空间减小，压强上升；压强上升的幅度与密闭空间减少量呈正相关，密闭空间减少量取决于滑块11的移动距离；因此，可通过限位杆14设置滑块11的最大移动距离，从而间接控制密闭空间的压强，使其低于反应釜内部工作压强 P，形成合理的压差，达到阶段减压密封的目的。

所述减压单元布置在减压箱4内部，减压单元优选共3组，按照减压单元靠近反应釜的布置位置分为内侧减压单元、中间减压单元、外侧减压单元；每组减压单元共2个，同组的两个减压单元位于同一轴向位置，沿周向对称布置，每组减压单元的减压幅度为P/4（P为反应釜工作压力）；3组减压单元中的相邻组进行交替布置，其方位分别为0°、180°、90°、270°、0°、180°，以便于安装和维修，同时也降低了同一直径截面上的开孔数量，有利于提高减压箱的承载性能；在工作状态下，3组减压单元中的件14-限位杆设置在不同的位置，以便实现分段减压，若反应釜工作压力为P的话，3组减压单元内部密闭空间的压强分别为3/4P、2/4P和1/4P，从而实现相邻轴段的压差降低为1/4P，大幅降低了密封难度，提高了可靠性；减压单元的组数可以根据反应釜内压强的大小做适当调整，根据实际需要减压单元的组数可以大于3组。

所述滑块11为类似活塞类零件，在滑块11的圆柱面及内侧端面均设有密封槽，并安装密封圈；滑块11的圆柱面与减压箱4径向开孔配合，形成滑动密封；当滑块11向减压箱4轴线方向移动至极限位置时，滑块11的内侧端面与减压箱4径向开孔台阶面接触，在外压作用下压实，形成端面密封，确保密闭空间介质与反应釜内部介质相互隔离；另外，滑块11向减压箱轴线方向移动的同时，势必降低密闭空间容积，从而升高密闭空间内的介质压力。

所述弹簧10设置在减压箱4径向开孔内部，属于推力弹簧；当滑块11逐渐接近开孔台阶面时，弹簧10一端与滑块11内侧端面接触，弹簧10受到压缩而对滑块11产生推力作用，弹簧10主要用于确保滑块11内侧密闭空间内的介质压力低于外部，避免密闭空间内的介质外溢而污染反应釜内介质。

所述限位杆14、限位板16、限位螺母15构成了滑块11的位置调节机构；限位板16类似于法兰盘结构，通过螺栓固定在减压箱径向开孔上，中心开设一通孔；限位杆14为螺杆和球头组合结构，球头与滑块11上的凹球面配合，通过挡板12轴向固定，形成球铰连接机构；螺杆上安装限位螺母15，并将限位螺母15一侧端面紧贴限位板16；当需要调节滑块11位置时，只需要打开限位板，旋动限位螺母并将其固定在所需要的位置即可。

所述轴力平衡单元主要用于抵消反应釜内部压力作用在传动轴上产生的极大的轴向载荷，以便传动轴的往复运动，降低电机输出载荷，节约能源；所述轴力平衡单元包括中空旋塞18、小端密封圈19、降压块20、旋塞密封圈21、大端密封圈22、平衡环轴向密封圈23、平衡环周向密封圈24、转轴小端密封圈25、传动轴螺塞26，所述中空旋塞18、小端密封圈19、降压块20、旋塞密封圈21、大端密封圈22、平衡环轴向密封圈23、平衡环周向密封圈24、转轴小端密封圈25、传动轴螺塞26部件均布置于传动轴内部的中心孔内，中心孔内同时充满液压油；所述轴力平衡单元的工作方法为：在反应釜加压前，将液压油充满降压块与平衡环之间的密闭空间；当反应釜内压力逐渐上升时，降压块20在压力作用下向上移动，使得密闭空间减小，压力上升，并作用于平衡环一侧而产生向下推力；同时，反应釜内工作压力作用于传动轴下端部，而产生向上的推力；当两者数值相等时，即可实现轴力均衡，为往复密封的奠定了调节。

所述降压块20属于轴类零件，由粗轴段和细轴段组成，粗轴段和细轴段的下侧分别设有大端密封圈22和小端密封圈19，分别与中空旋塞18和传动轴中心孔配合，形成滑动密封；降压块20的粗轴段与传动轴中心孔内介质接触，细轴段与反应釜内介质接触，根据力学原理，两侧压强与接触面积反相关，因而可以通过降低传动轴中心孔内的压强值，以便更好的密封；例如：反应釜内压强为P，与反应釜介质接触的为降压块的细轴端，其端部面积S1，降压块另一端压强为P2，为粗轴端，其端部面积为S2；根据力学原理P1S1=P2S2，由于S2>S1，故P1>P2，也即粗轴端压力低于细轴端，实现了降压功能；同时，也意味着平衡块的压力降低了，更便于密封。

所述平衡环布置在传动轴上端，圆柱面设有密封槽，平衡环的上端面与传动轴中心孔内液压油介质接触并受到其压力作用，平衡环的下端面无压力作用，从而形成了压差，产生向下的轴向力；传动轴内部为中空，也即传动轴内部设有一中心孔，中心孔的内侧端与釜体内介质接触，中心孔的外侧通向大气，中心孔的外侧端由传动轴螺塞26封闭；在釜体内介质压力上升时，传动轴中心孔内液压油介质由中心孔向上流动至平衡环的上端面。

本发明采用多级减压方法，将反应釜的超高压力沿传动轴分段减压，并进行分段密封，大幅降低了密封件的工作压力，满足了超高压密封要求；通过轴力均衡单元，抵消了超高压力产生的极大的轴向载荷，降低了传动轴轴向定位难度，降低了往复运动工况下的输入载荷要求，节约能源；另外，本发明还同时具备旋转密封和往复密封的功能，提高了设备的通用性，便于拆装和维护。

实施例

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明作为一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，具备旋转和往复运动动密封功能，本实施例仅以旋转动密封为例进行实施方式的说明；本装置需要配合超高压反应釜、搅拌桨、电机、联轴器等部件进行使用，安装方式见附图7所示，本发明整体上安装在釜体内部，上端通过减压箱的法兰孔与釜盖固联；传动轴一端贯穿釜盖通向釜外，并与联轴器连接；传动轴另一端与搅拌桨连接。

所述一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置的具体工作步骤如下：

（1）将釜盖与釜体分离，安装本发明所述轴封装置：

首先将釜盖从釜体上拆下，放置在支架上，然后把本发明所述装置安装在釜盖下侧并用螺栓固定；

（2）计算压缩量，确定密闭空间容积，调节滑块位置：

根据反应釜工作压力P和密闭空间内液体介质的压缩率，计算得到3组减压单元内部的压力值分别为3/4P、2/4P和1/4P时，所需的压缩量；由压缩量计算出滑块所需要的移动距离，并据此确定限位螺母的位置，然后按照该位置逐个调整限位螺母。调节完毕后，将限位板、螺塞等固定好；

（3）打开传动轴上端螺塞，加注液压介质：

拆下传动轴上端螺塞，注满液压介质，然后将螺塞重新安装到位；

（4）安装联轴器、电机和搅拌桨：

将釜盖与釜体闭合，开始工作。

Claims (9)

1.一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其特征是包括传动单元、减压单元、轴力平衡单元；通过减压单元实现了多级减压，将反应釜内的超高压力沿传动轴分段减压，并进行分段密封；通过轴力均衡单元，抵消了反应釜内超高压力产生的轴向载荷；

所述轴力平衡单元用于抵消反应釜内部压力作用在传动轴上产生的轴向载荷；所述轴力平衡单元包括中空旋塞（18）、小端密封圈（19）、降压块（20）、旋塞密封圈（21）、大端密封圈（22）、平衡环轴向密封圈（23）、平衡环周向密封圈（24）、转轴小端密封圈（25）、传动轴螺塞（26），所述中空旋塞（18）、小端密封圈（19）、降压块（20）、旋塞密封圈（21）、大端密封圈（22）、平衡环轴向密封圈（23）、平衡环周向密封圈（24）、转轴小端密封圈（25）、传动轴螺塞（26）部件均布置于传动轴（1）内部；所述轴力平衡单元的工作方法为：在反应釜加压前，将液压油充满降压块（20）与平衡环（39）之间的密闭空间；当反应釜内压力逐渐上升时，降压块（20）在压力作用下向上移动，使得密闭空间减小，压力上升，并作用于平衡环（39）一侧而产生向下推力；同时，反应釜内工作压力作用于传动轴（1）下端部，而产生向上的推力；当两者数值相等时，即实现轴力均衡。

2.根据权利要求1所述的一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其特征是所述传动单元包括传动轴（1），减压箱（4）；传动轴（1）贯穿减压箱（4），传动轴（1）一端插入超高压反应釜内与搅拌桨连接，传动轴（1）另一端露在超高压反应釜外部与电机连接；传动单元件用于将电机扭矩载荷由反应釜外传入反应釜内。

3.根据权利要求1所述的一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其特征是所述减压单元包括Y形密封圈（7）、滑块周向密封圈（8）、滑块轴向密封圈（9）、弹簧（10）、滑块（11）、挡板（12）、限位杆（14）、限位螺母（15）、限位板（16）、螺栓，减压单元用于调节传动轴（1）与减压箱（4）之间的介质压力，实现分段减压密封；工作时：在Y形密封圈（7）与滑块周向密封圈（8）和滑块轴向密封圈（9）的密闭作用下，传动轴（1）和减压箱（4）之间形成了一个密闭空间，该密闭空间充满了液压油；当反应釜压力逐渐上升时，滑块在压力作用下向传动轴（1）方向移动，使得密闭空间减小，压强上升；压强上升的幅度与密闭空间减少量呈正相关，密闭空间减少量取决于滑块（11）的移动距离；因此，通过限位杆（14）设置滑块（11）的最大移动距离，从而间接控制密闭空间的压强，使其低于反应釜内部工作压强P，形成合理的压差，达到阶段减压密封的目的。

4.根据权利要求3所述的一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其特征是所述减压单元布置在减压箱（4）内部，减压单元共3组，按照减压单元靠近反应釜的布置位置分为内侧减压单元、中间减压单元、外侧减压单元；每组减压单元共2个，同组的两个减压单元位于同一轴向位置，沿周向对称布置，每组减压单元的减压幅度为P/4，P为反应釜工作压强；3组减压单元中的相邻组进行交替布置，其方位分别为0°、180°、90°、270°、0°、180°；在工作状态下，3组减压单元中的限位杆（14）设置在不同的位置，以便实现分段减压，若反应釜工作压强为P的话，3组减压单元内部密闭空间的压强分别为3/4P、2/4P和1/4P。

5.根据权利要求3所述的一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其特征是所述滑块（11）为活塞类零件，在滑块（11）的圆柱面及内侧端面均设有密封槽，并安装密封圈；滑块（11）的圆柱面与减压箱径向开孔配合，形成滑动密封；当滑块（11）向减压箱（4）轴线方向移动至极限位置时，滑块（11）的内侧端面与减压箱（4）径向开孔台阶面接触，在外压作用下压实，形成端面密封，确保密闭空间介质与反应釜内部介质相互隔离，另外，滑块（11）向减压箱（4）轴线方向移动的同时，势必降低密闭空间容积，从而升高密闭空间内的介质压力。

6.根据权利要求3所述的一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其特征是所述弹簧（10）设置在减压箱（4）径向开孔内部，属于推力弹簧；当滑块（11）逐渐接近开孔台阶面时，弹簧（10）一端与滑块（11）内侧端面接触，弹簧（10）受到压缩而对滑块（11）产生推力作用，弹簧（10）用于确保滑块（11）内侧密闭空间内的介质压力低于外部，避免密闭空间内的介质外溢而污染反应釜内介质。

7.根据权利要求3所述的一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其特征是所述限位杆（14）、限位板（16）、限位螺母（15）构成了滑块（11）的位置调节机构；限位杆（14）为螺杆和球头组合结构，球头与滑块（11）上的凹球面配合，通过挡板（12）轴向固定，形成球铰连接机构；螺杆上安装限位螺母（15），并将限位螺母（15）一侧端面紧贴限位板（16）；当需要调节滑块（11）位置时，只需要打开限位板，旋动限位螺母并将其固定在所需要的位置即可。

8.根据权利要求1所述的一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其特征是所述降压块（20）属于轴类零件，由粗轴段和细轴段组成，粗轴段和细轴段的下侧分别设有大端密封圈（22）和小端密封圈（19），分别与中空旋塞（18）和传动轴中心孔配合，形成滑动密封；降压块（20）的粗轴段与传动轴中心孔内介质接触，细轴段与反应釜内介质接触，根据力学原理，两侧压力与接触面积反相关，因而可以降低传动轴中心孔内的压力值，以便更好的密封。

9.根据权利要求1所述的一种适用于超高压反应釜搅拌轴的轴封装置，其特征是所述平衡环（39）布置在传动轴（1）上端，圆柱面设有密封槽，平衡环（39）的上端面与传动轴中心孔内介质接触并受到其压力作用，平衡环（39）的下端面无压力作用，从而形成了压差，产生向下的轴向力。

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