CN112128381A - 一种变工况气液两相流体介质的密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变工况气液两相流体介质的密封装置，该密封装置具有旋转轴、壳体，所述壳体形成的腔用于容纳所述气液两相流体介质；所述密封装置还包括相互协同作用的迷宫密封机构和双端面的流体动压机械密封机构，在迷宫密封机构和所述流体动压机械密封机构之间设置有密封缓冲腔，其中所述流体动压机械密封机构具有相对抵接的静环和动环。通过对迷宫密封通道的阶梯状梯形凸齿的设计，利用迷宫密封的节流降压作用，以及密封缓冲腔对介质压力波动的衰减，静环端面的微孔群的结构设计、动环密封端面的倾斜设计和限位套的限位作用，实现了变工况气液两相流体介质的动压密封良好的密封性能和密封稳定性。

Description

一种变工况气液两相流体介质的密封装置

技术领域

本发明涉及密封装置技术领域，尤其涉及一种变工况气液两相流体介质的密封装置。

背景技术

现有技术中，在一些旋转机械的工作腔中输送的流体介质是气液两相流体介质。在旋转机械的工况发生变化时，气液两相流体介质的压力会发生较大波动，由于气体是可压缩流体，在压力增大时气体会被压缩，使其在介质中的体积占比会减小；而当压力减小时气体会膨胀，使其在介质中的体积占比会增大。

现有的流体动压机械密封装置特别是气液两相流体介质的动压机械密封装置，在工况发生变化时常存在端面开启失效导致密封失效的情况。密封的失效与密封端面间流体膜的相态变化有关。由于旋转机械的工作腔内的压力较大，而外部的压力较小，在工况变化的瞬时，介质中的气体成分会迅速膨胀，导致密封端面间液膜的闪蒸，从而使开启力迅速增大导致动环和静环的密封端面瞬时开启。工况变化所导致的动环和静环的密封端面这种开启力瞬时的增大或者减小，会导致动环和静环的密封端面的间距瞬时的增大或者减小；动环和静环的密封端面这种开启力瞬时的增大或者减小，还会导致动环产生径向上的跳动，导致动环或静环相对的密封端面发生倾斜，不够平行。上述因素都会破坏动环和静环的密封端面之间流体膜的刚度和密封的稳定性，导致气液两相流体介质的密封存在泄露量大，密封的稳定性差，适应性弱，可靠性不足等技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决工况变动时，气液两相流体介质的密封稳定性差、适应性弱的问题，本发明提供了一种变工况气液两相流体介质的密封装置来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变工况气液两相流体介质的密封装置，密封装置具有旋转轴、壳体，壳体上具有开口，壳体形成的腔用于容纳气液两相流体介质。密封装置还包括相互协同作用的迷宫密封机构和双端面的流体动压机械密封机构。迷宫密封机构和双端面的流体动压机械密封机构之间具有密封缓冲腔。其中流体动压机械密封机构具有相对抵接的左静环、左动环以及相对抵接的右静环、右动环。

左静环、右静环分别通过左金属密封环、右金属密封环固定于由壳体形成的左静环盖和右静环盖上，左动环、右动环分别通过左密封环、右密封环固定在旋转轴上。左动环、右动环密封端面在靠近其外圆周的部分具有与径向方向呈3至8度的倾斜角。

弹簧连接在左推环和右推环之间，利用弹性力将左推环和右推环分别与左动环、右动环抵接。左推环、左动环与旋转轴之间的空腔内设置有左密封填料。右推环、右动环与旋转轴之间的空腔内设置有右密封填料。流体动压机械密封机构的外圆周还设置有限位套。弹簧与旋转轴之间设置有隔离套。

迷宫密封机构具有多个轴向设置的密封齿。该密封齿是阶梯状的梯形凸齿，壳体形成的阶梯状的梯形凹槽与密封齿相配合形成迷宫密封的曲折密封流道。左静环、右静环的动压密封端面上设置有由微孔群形成的多个螺旋区域，并且每个螺旋区域在靠近左静环、右静环的外圆周的区域均具有向旋转轴旋转方向偏斜的分支区域。该分支区域也是由微孔群形成，螺旋区域、分支区域的微孔群的孔径D在径向方向逐渐减小。并且该微孔的截面形状为梯形、阶梯状的梯形中的其中一种。微孔的孔径为微孔在密封端面截面圆环的直径。

作为优选，左静环、左动环以及左动环、右动环均是由碳化硅材料制成。

作为优选，左金属密封环、右金属密封环均是由散热性好且不易受热变形的硬质合金材料制成。

作为优选，所述左静环、右静环的动压密封端面上的靠近静环的内圆周的微孔群至静环内圆周之间的部分设置为密封坝。

作为优选，左静环、右静环的动压密封端面上的相邻的微孔群之间的部分为设置密封堰。

作为优选，弹簧可以由波纹管作为一种替换选择。

作为优选，限位套的内周面上设置有与动环、推环的外圆周面相对应的限位台阶。

本发明的迷宫密封是通过在迷宫密封环的密封凸齿的结构产生的曲折密封通道，使轴与壳体之间产生节流效应和膨胀效应来密封流体。迷宫密封对于液体的密封主要是液体的摩擦阻力效应达到节流作用，对于气体密封主要是根据热力学效应的收缩和扩散将动能转变为热能达到节流作用。但是迷宫密封在变工况时会受到介质压力的波动导致密封具有少部分的泄漏量，从而需要下一步的密封。

作为迷宫密封之后的下一步密封，气液两相介质的动压密封是在动环和静环之间形成气液两相介质的压力膜并把液体介质在动压槽的粘性剪切作用下向介质腔的方向泵送回去，进一步减轻迷宫密封的负担，这就是迷宫密封与气液两相介质的动压密封的协同作用。但是这需要压力的稳定，因为动环和静环之间的流体介质膜压力的波动会导致气体的膨胀或者压缩，从而导致气液两相介质的压力膜的刚度不够稳定，导致泄露。因此为了保证气液两相介质的动压密封的密封效果和密封稳定性，需要上一阶段的迷宫密封的节流作用将气液两相流体介质的压力降下来，并在密封缓冲腔中对工况变化所导致的压力波动进行衰减之后在进行气液两相介质的动压密封。另外本申请的动压槽是由微孔群形成。

上述技术方案本发明获得了如下技术效果：

1、本发明利用迷宫式密封和气液两相介质的动压密封的相互协同作用，即利用阶梯型的梯形迷宫密封齿结构形成曲折流道更加有利于形成液体的摩阻效应和气体的热力学效应的收缩和扩散，从而实现气液两相介质良好的节流和降压，到良好的密封效果。并且迷宫式的密封降低了介质腔内变工况的介质压力，在气液两相介质压力下降的基础上，再经过密封缓冲腔对工况变化气液两相介质的压力波动进行衰减，使迷宫式密封后泄露的气液两相介质，在进行动压机械密封受时到工况变化压力波动的影响较小，保证气液两相介质动压机械密封机构中动环和静环密封端面之间气液两相流体压力膜的密封刚度和密封的稳定性。

2、对于气液两相介质的动压机械密封阶段，迷宫式密封后泄露的气液两相介质经过迷宫密封的节流作用，只具有较小的压力，因此在动环靠近外圆周的区域上开有斜角，形成切口，保证了在动压机械密封阶段，动环和静环之间密封端面的在旋转机械低速阶段也能够迅速开启形成密封的流体膜。并且在静环的动压密封端面上设置有由微孔群形成的多个螺旋区域，每个螺旋区域在靠近静环外圆周的区域均具有向旋转轴旋转方向偏斜的分支区域，分支区域也是由微孔群形成，螺旋区域和分支区域的微孔群的孔径D在径向方向逐渐减小，微孔的截面形状为梯形、阶梯状的梯形中的其中一种，这种关于微孔群的设计，更加有利于在动环和静环之间形成气液两相介质的刚度稳定压力膜，保证密封稳定性，更加有利于把液体介质在动压槽的粘性剪切作用下向密封缓冲腔的方向泵送，减轻迷宫密封的负担。

3、介质的流动有利于带走动环和静环之间的热量，动环和静环的碳化硅材料的选择，以及金属密封环材料的选择，有利于动环和静环快速的散热，防止变形，防止动环、静环的变形导致的两环之间密封端面的倾斜。限位套的内周面设置有与动环、推环的外圆周面相对应的限位台阶，有效防止动环在径向上的跳动，防止动环、静环的之间密封端面的倾斜。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是变工况气液两相流体介质的密封装置的结构示意图；

图2是图1中A区域的放大图，即变工况气液两相流体介质的密封装置关于迷宫密封机构和双端面的流体动压机械密封机构的结构示意图；

图3是变工况气液两相流体介质的密封装置的左静环、右静环密封端面上的微孔群的结构示意图；

图4是变工况气液两相流体介质的密封装置的微孔在旋转轴径向方向上的梯形的截面形状示意图；

图5是变工况气液两相流体介质的密封装置的微孔在旋转轴径向方向上的阶梯状梯形的截面形状示意图。

图1-5中，1、旋转轴，2a、左密封齿，2b、右密封齿，3、壳体，4a、左金属密封环，4b、右金属密封环，5a、左静环，5b、右静环，6a、左动环，6b、右动环，7、限位套，8、开口，9a、左推环，9b、右推环，10a、左密封填料，10b、右密封填料，11a、左密封环，11b、右密封环，12、弹簧，13、隔离套，14a、左密封缓冲腔，14b、右密封缓冲腔，Y、倾斜角，5-1、密封堰，5-2密封坝、5-3螺旋区域、5-4、分支区域。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1至图5所示，本发明提供了本发明的变工况气液两相流体介质的密封装置，具有旋转轴1、壳体3，壳体3上具有开口8。壳体3形成的腔用于容纳气液两相流体介质，密封装置还包括相互协同作用的迷宫密封机构和双端面的流体动压机械密封机构，迷宫密封机构和双端面的流体动压机械密封机构之间具有左密封缓冲腔14a，右密封缓冲腔14b。

其中流体动压机械密封机构具有相对抵接的左静环5a、左动环6a以及相对抵接的右静环5b、右动环6b，左静环5a、右静环5b分别通过左金属密封环4a、右金属密封环4b固定于由壳体3形成的左静环盖和右静环盖上，左动环6a、右动环6b分别通过左密封环11a、右密封环11b固定在旋转轴1上，弹簧12连接在左推环9a和右推环9b之间，将左推环9a和右推环9b分别与左动环6a、右动环6b抵接。左动环6a、右动环6b密封端面在靠近其外圆周的部分均具有与径向方向呈3至8度的倾斜角，在本实施例中该倾斜角设置为7度。其中，上述弹簧12可以由波纹管作为一种替换选择。

左推环9a、左动环6a与旋转轴1之间的空腔内设置有左密封填料10a，右推环9b、右动环6b与旋转轴1之间的空腔内设置有右密封填料10b，流体动压机械密封机构的外圆周设置有限位套7，弹簧12与旋转轴1之间设有隔离套13。

迷宫密封机构具有多个轴向设置的密封齿(2a，2b)，密封齿(2a，2b)是阶梯状的梯形凸齿，壳体3形成的阶梯状的梯形凹槽与密封齿(2a，2b)相配合形成迷宫密封的曲折密封流道。

左静环5a和右静环5b的动压密封端面上设置有由微孔群形成的多个螺旋区域5-3，并且每个螺旋区域在靠近左静环5a、右静环5b的外圆周的区域均具有向旋转轴1旋转方向偏斜的分支区域5-4，分支区域5-4也是由微孔群形成。螺旋区域5-3分支区域5-4的微孔群的孔径D在径向方向逐渐减小，并且微孔的截面形状为梯形或者阶梯状的梯形中的其中一种。

左静环5a、左动环5a以及左动环6a、右动环6b均是由碳化硅材料制成。左金属密封环4a、右金属密封环4b均是由散热性好且不易受热变形的硬质合金材料制成。

左静环5a、右静环5b的动压密封端面上的靠近静环的内圆周的微孔群至静环内圆周之间的部分设置为密封坝。左静环5a、右静环5b的动压密封端面上的相邻的微孔群之间的部分为设置密封堰5-1。

限位套7的内周面设置有与动环6a、6b、推环9a、9b的外圆周面相对应的限位台阶。

本发明的迷宫密封机构是通过在迷宫密封环的密封凸齿的结构产生的曲折密封通道，使轴与壳体3之间产生节流效应和膨胀效应来密封流体。曲折密封通道对于液体的密封主要是液体的摩擦阻力效应达到节流作用，对于气体密封主要是根据热力学效应的收缩和扩散将动能转变为热能达到节流作用。但是迷宫密封机构在变工况时会受到介质压力的波动导致密封具有少部分的泄漏量，从而需要下一步的密封。

流体动压机械密封机构是迷宫密封后的下一阶段的密封，其是在动环和静环之间形成气液两相介质的压力膜并把液体介质在动压槽的粘性剪切作用下向介质腔的方向泵送回去，进一步减轻迷宫密封机构的负担，这就是迷宫密封机构与流体动压机械密封机构的协同作用。但是这需要压力的稳定，因为动环和静环之间的流体介质膜压力的波动会导致气体的膨胀或者压缩，从而导致气液两相介质的压力膜的刚度不够稳定导致泄露。因此为了保证气液两相介质的动压密封的密封效果和密封稳定性，需要上一阶段的迷宫密封机构的节流作用将气液两相流体介质的压力降下来，并在密封缓冲腔中对变工况所导致的压力波动进行衰减之后在进行气液两相介质的动压密封。

该实施例的技术方案利用迷宫密封机构和流体动压机械密封机构的相互协同作用，即利用阶梯型的梯形迷宫密封齿结构形成曲折流道更加有利于形成液体的摩阻效应和气体的热力学效应的收缩和扩散，从而实现气液两相介质良好的节流和降压，到良好的密封效果。并且迷宫式的密封降低了介质腔内变工况的介质压力，在气液两相介质压力下降的基础上，再经过密封缓冲腔对工况变化气液两相介质的压力波动进行衰减，使迷宫式密封后泄露的气液两相介质在进行动压机械密封时受到工况变化压力波动的影响较小，保证气液两相介质动压机械密封机构中动环和静环密封端面之间气液两相流体压力膜的密封刚度和密封的稳定性。

该实施例的技术方案在气液两相介质的动压机械密封阶段，迷宫式密封后泄露的气液两相介质经过迷宫密封的节流作用，只具有较小的压力，在动环靠近外圆周的区域上开设斜角形成切口，保证在动压机械密封阶段，动环和静环之间的密封端面在旋转机械低速阶段也能够迅速开启形成密封的流体膜。并且在静环的动压密封端面上设置有由微孔群形成的多个螺旋区域，每个螺旋区域在靠近静环外圆周的区域均具有向旋转轴旋转方向偏斜的分支区域，分支区域也是由微孔群形成，螺旋区域和分支区域的微孔群的孔径D在径向方向逐渐减小，微孔的截面形状为梯形、阶梯状的梯形中的其中一种，这种关于微孔群的设计，有利于在动环和静环之间形成气液两相介质的刚度稳定压力膜，保证密封稳定性，有利于把液体介质在动压槽的粘性剪切作用下向密封缓冲腔的方向泵送，减轻迷宫密封的负担。

该实施例的技术方案的介质的流动有利于带走动环和静环之间的热量，动环和静环的碳化硅材料的选择，以及金属密封环材料的选择，有利于动环和静环快速的散热，防止变形，防止动环、静环的变形导致的两环之间密封端面的倾斜。限位套的内周面设置有与动环、推环的外圆周面相对应的限位台阶，有效防止动环在径向上的跳动，防止动环、静环的之间密封端面的倾斜。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种变工况气液两相流体介质的密封装置，所述密封装置具有旋转轴(1)、壳体(3)，所述壳体(3)形成的腔用于容纳气液两相流体介质，所述密封装置还包括相互协同作用的迷宫密封机构和流体动压机械密封机构，迷宫密封机构和双端面的流体动压机械密封机构之间具有密封缓冲腔(14a，14b)，其中所述流体动压机械密封机构具有相对抵接的静环(5a，5b)、动环(6a，6b)，所述静环(5a，5b)通过金属密封环(4a，4b)固定于由所述壳体(3)形成的静环盖上，所述动环(6a，6b)通过密封环(11a，11b)固定在所述旋转轴(1)上，弹簧(12)固定连接到推环(9a，9b)上，将所述推环(9a，9b)与动环(6a，6b)抵接，所述推环(9a，9b)、动环(6a，6b)与所述旋转轴(1)之间的空腔内设置有密封填料(10a，10b)，所述流体动压机械密封机构的外圆周还设置有限位套(7)，所述弹簧(12)与所述旋转轴(1)之间设置有隔离套(13)；

其特征在于，所述迷宫密封机构具有多个轴向设置的密封齿(2a，2b)，所述密封齿(2a，2b)是阶梯状的梯形凸齿，所述壳体(3)形成的阶梯状的梯形凹槽与所述密封齿(2a，2b)相配合形成迷宫密封的曲折密封流道；

所述静环(5a，5b)的动压密封端面上设置有由微孔群形成的多个螺旋区域(5-3)，并且每个所述螺旋区域在靠近静环(5a，5b)外圆周的区域均具有向所述旋转轴(1)旋转方向偏斜的分支区域(5-4)，所述分支区域(5-4)由微孔群形成，所述螺旋区域(5-3)和分支区域(5-4)的微孔群的孔径D在径向方向逐渐减小，并且所述微孔的截面形状为梯形、阶梯状的梯形中的其中一种；

所述动环(6a，6b)密封端面在靠近其外圆周的部分具有与径向方向呈3至8度的倾斜角。

2.根据权利要求1所述的变工况气液两相流体介质的密封装置，其特征在于，所述静环(5a，5b)、动环(6a，6b)均是由碳化硅材料制成。

3.根据权利要求1所述的变工况气液两相流体介质的密封装置，其特征在于，所述金属密封环(4a，4b)是由硬质合金材料制成。

4.根据权利要求1所述的变工况气液两相流体介质的密封装置，其特征在于，所述静环(5a，5b)的动压密封端面上的靠近静环的内圆周的微孔群至静环内圆周之间的部分设置为密封坝(5-2)。

5.根据权利要求1所述的变工况气液两相流体介质的密封装置，其特征在于，所述静环(5a，5b)的动压密封端面上的相邻的微孔群之间的部分为设置密封堰(5-1)。

6.根据权利要求1所述的变工况气液两相流体介质的密封装置，其特征在于，所述弹簧(12)可以由波纹管作为一种替换选择。

7.根据权利要求1所述的变工况气液两相流体介质的密封装置，其特征在于，所述限位套(7)的内周面上设置有与动环(6a、6b)、推环(9a、9b)的外圆周面相对应的限位台阶。

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