CN113062983A - 一种二级减压旋转动密封装置 - Google Patents

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张茹
高明忠
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黄伟
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张志龙
杨阳
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Abstract

本发明公开了一种二级减压旋转动密封装置，包括钻杆舱、取芯钻加长轴和动密封安装件；钻杆舱和动密封安装件之间通过锁紧卡扣连接；取芯钻加长轴和动密封安装件之间设置第一级密封腔和第二级密封腔，第一级密封腔和第二级密封腔之间通过第二级减压进口连通，且在第一级密封腔和第二级密封腔内均设置密封组件；取芯钻加长轴上设置齿轮箱，齿轮箱内包括啮合连接的第一齿轮和第二齿轮；第一齿轮与液压马达的输出轴连接，第二齿轮套设于取芯钻加长轴上，第二齿轮的上方设置与取芯钻加长轴连接的电液旋转接头。

Description

一种二级减压旋转动密封装置
技术领域
本发明属于密封装置的技术领域，具体涉及一种二级减压旋转动密封装置。
背景技术
与欧美国家资源普遍埋深小于2000m不同，我国70％以上的资源埋深超过2000m且浅部资源已经枯竭，并以每年超过10m的速度向深部延伸。油气资源开采深度已经达到8418m，我国石油对外依存度高达67％(2017年)，已远超国际公认的能源安全警戒线(50％)。
向地球深部进军，需要从3个层次逐步开展研究(深地钻探、深地工程科学规律、深地资源开发利用)，其中最关键的是深部工程科学规律研究。当前研究探索都是用“普通岩芯”，而深地原位环境非常复杂。深钻获取的“普通岩芯”释放了压力、温度、孔隙水等成分，已严重失真，导致测得的相关岩层物理力学参数与地球深部赋存环境无关。因此，需要探索不同深度真实环境下岩石物理力学差异性规律和实现深部资源储量的准确评估。
在现场科学钻探前，需要事先在室内开展实验模拟以有效验证设备的可行性和和进行相关参数的校准，且试验模拟装置的密封效果尤为重要，密封性能是保证保真取芯器在极端高温高压环境下持续安全有效工作运行的重要保障。在驱动取芯器旋转运行过程中，为保持高温高压舱体密闭，防止内部流体泄漏，必须采用动密封结构和技术，然而现有密封构件无法满足高温高压工作条件。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种二级减压旋转动密封装置，以解决现有密封构件无法满足高温高压工作条件的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种二级减压旋转动密封装置，其包括钻杆舱、取芯钻加长轴和动密封安装件；钻杆舱和动密封安装件之间通过锁紧卡扣连接；取芯钻加长轴和动密封安装件之间设置第一级密封腔和第二级密封腔，第一级密封腔和第二级密封腔之间通过第二级减压进口连通，且在第一级密封腔和第二级密封腔内均设置密封组件；
取芯钻加长轴上设置齿轮箱，齿轮箱内包括啮合连接的第一齿轮和第二齿轮；第一齿轮与液压马达的输出轴连接，第二齿轮套设于取芯钻加长轴上，第二齿轮的上方设置与取芯钻加长轴连接的电液旋转接头。
进一步地，电液旋转接头上开设进液口和信号线进口。
进一步地，齿轮箱上开设回油口和供油口，且取芯钻加长轴与齿轮箱通过第二轴承连接，取芯钻加长轴通过第一轴承和圆螺母与动密封安装件连接。
进一步地，第一级密封腔通过第一级溢流阀接口依次与溢流阀和冷却池连通；第二级密封腔通过第二级溢流阀接口和低压出口与冷却池连通。
进一步地，密封组件包括套设于取芯钻加长轴上的轴套，轴套底部设置介质侧动环，位于介质侧动环上方的轴套上设置介质侧静环座、大气侧静环座和大气侧动环；介质侧静环座上设置介质侧静环，大气侧静环座上设置大气侧静环；介质侧静环和介质侧静环之间套设第一密封圈。
进一步地，介质侧动环设置于轴套底部，且位于取芯钻加长轴和钻杆舱之间，介质侧动环内开设卡槽，远离轴套一端的卡槽内开设第一台阶和位于第一台阶上的第二台阶以及第二台阶上方的第三台阶；第一台阶的中部设置环形的支撑件。
进一步地，第一密封圈从上至下包括第一圈体、第二圈体和第三圈体；第一圈体位于第一台阶和支撑件上方，第二圈体位于第二台阶上方，第三圈体位于第三台阶上方并与介质侧静环接触连接；所述第一圈体和第一台阶之间存在间隙，第二圈体和第二台阶之间存在间隙。
进一步地，第一圈体的内圆直径为100mm；第二圈体的外圆直径为123mm；第三圈体的内圆直径为115mm，且第三圈体的高度为2.5mm，厚度为4.5mm。
进一步地，大气侧静环座的两侧分别开设溢流阀接口和密封接口；大气侧静环座的上方依次设置大气侧静环和大气侧动环；大气侧动环上方的轴套上安装上端密封盖，上端密封盖的下方依次设置倒流套和后压盖。
进一步地，介质侧静环座和钻杆舱内壁之间设置前压盖；所述大气侧动环内设有套设于轴套上的第二密封圈。
本发明提供的二级减压旋转动密封装置，具有以下有益效果：
本发明可适用于液压往复及低速旋转运动密封，尤其适合于泥浆、原油等含有颗粒状介质的恶劣工况中，可实现极端高温高压环境下(150℃，140MPa)的旋转动密封。
附图说明
图1为二级减压旋转动密封装置的结构图。
图2为密封组件的结构图。
图3为轴套结构图。
图4为第一密封圈的结构图。
其中，10、钻杆舱；101、取芯钻加长轴；102、上端密封盖；103、倒流套；104、后压盖；105、密封接口；106、前压盖；107、轴套；108、大气侧动环；109、大气侧静环；110、大气侧静环座；111、溢流阀接口；112、介质侧静环座；113、介质侧静环；114、介质侧动环；107、轴套；114、介质侧动环；115、卡槽；116、第二台阶；117；第一台阶；118、支撑件；119、第一密封圈；120、第一圈体；121、第二圈体；122、第三圈体；201、回油口；202、供油口；203、第一齿轮；204、齿轮箱盖；205、第二级溢流阀接口；206、第一级溢流阀接口；207、第二级减压进口；208、低压出口；209、第一轴承；210、圆螺母；211、第二齿轮；212、第二轴承；213、进液口；214、电液旋转接头；215、信号线进口；216、液压马达；217、齿轮箱；218、锁紧卡扣；219、动密封安装件；220、第二级密封腔；221、第一级密封腔。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的二级减压旋转动密封装置，包括钻杆舱、取芯钻加长轴和动密封安装件219，钻杆舱和动密封安装件219之间通过锁紧卡扣218连接。
取芯钻加长轴和动密封安装件219之间设置第一级密封腔221和第二级密封腔220，第一级密封腔221和第二级密封腔220之间通过第二级减压进口207连通，且在第一级密封腔221和第二级密封腔220内均设置密封组件。
取芯钻加长轴上设置齿轮箱217，齿轮箱217底部为齿轮箱217盖204，在齿轮箱217盖204上设置第一齿轮203和第二齿轮211，第一齿轮203和第二齿轮211啮合连接。
齿轮箱217上开设回油口201和供油口202，且取芯钻加长轴与齿轮箱217通过第二轴承212连接，取芯钻加长轴通过第一轴承209和圆螺母210与动密封安装件219连接。
第一齿轮203与液压马达216的输出轴连接，第二齿轮211套设于取芯钻加长轴上，第二齿轮211的上方设置与取芯钻加长轴连接的电液旋转接头214。
电液旋转接头214上开设进液口213和信号线进口215。
第一级密封腔221通过第一级溢流阀接口206依次与溢流阀和冷却池连通；第二级密封腔220通过第二级溢流阀接口205和低压出口208与冷却池连通。
其中，第一级溢流阀接口206和第二级溢流阀接口205均与溢流阀连通，并与冷却池连通。
第一级密封腔221和第二级密封腔220内均设置密封组件，两个密封组件为相同结构。
参考图2、图3和图4，密封组件包括设置于取芯钻加长轴101上套设轴套107，介质侧动环114设置于轴套107底部，且位于取芯钻加长轴101和钻杆舱10之间。
介质侧动环114内开设卡槽115，远离轴套107一端的卡槽115内开设第一台阶117和位于第一台阶117上的第二台阶116以及第二台阶116上方的第三台阶；第一台阶117的中部设置环形的支撑件118。
位于介质侧动环114上方的轴套107上设置介质侧静环座112、大气侧静环座110和大气侧动环108。
介质侧静环座112上设置介质侧静环113，大气侧静环座110上设置大气侧静环109。介质侧静环113和介质侧静环113之间套设第一密封圈119。
大气侧静环座110的两侧分别开设溢流阀接口111和密封接口105，溢流阀接口111用于与溢流阀连接，密封接口105用于连接下一级密封。
第一密封圈119从上至下包括第一圈体120、第二圈体121和第三圈体122；第一圈体120位于第一台阶117和支撑件118上方，第二圈体121位于第二台阶116上方，第三圈体122位于第三台阶上方并与介质侧静环113接触连接；第一圈体120和第一台阶117之间存在间隙，第二圈体121和第二台阶116之间存在间隙，间隙可以尽量避免加压导致的接触部位直接变形。
第一圈体120、第二圈体121和第三圈体122的设置，配合第一圈体120和第一台阶117之间存在间隙，第二圈体121和第二台阶116之间存在的间隙，可在很高的脉动压力作用下保持其形状不变。整体密封级别达到100MPa，径向密封量不受容器变形影响，容器可内含液压油、气、水、乳化液等多种介质，容器温度范围为-50～+250℃。
第一圈体120的内圆直径为100mm；第二圈体121的外圆直径为123mm；第三圈体122的内圆直径为115mm，且第三圈体122的高度为2.5mm，厚度为4.5mm，第一圈体120、第二圈体121和第三圈体122直径的不同实现了在结构上的变径。
大气侧静环座110的上方依次设置大气侧静环109和大气侧动环108。
大气侧动环108上方的轴套107上安装上端密封盖102，上端密封盖102的下方依次设置倒流套103和后压盖104。
介质侧静环座112和钻杆舱10内壁之间设置前压盖106，大气侧动环108内设有套设于轴套107上的第二密封圈。
本发明的工作原理为：
第一级密封腔221内的轴套107静止，取芯钻加长轴101相对轴套107转动，一方面，介质侧动环114安装于取芯钻加长轴101的外，依靠其自身弹力使其外圆柱面紧贴轴套107的内圆柱面，从而起到密封的作用
介质侧静环座112受工作压力作用，使其与钻杆舱10壁贴紧，形成第一道密封面，称之为主密封面；工作介质作用于介质侧动环114内，使介质侧动环114向着径向外侧涨开，压紧在轴套107的外圆柱面上，形成第二道密封面，称之为辅助密封面。
在高速、高温、高压工况下，介质侧动环114摩擦副之间发生相对运动，端面刻有圆弧槽的介质侧动环114在流体中运动时，可产生逆流泵送效应。该效应可使工作介质产生压力，起到承受外来载荷、避免摩擦副相互接触，从而减少摩擦、延长摩擦副使用寿命的作用，即流体动密封润滑机理。
随后部分溢出密封圈的工作介质再倒入第二级密封腔220内，如此构成多级降压旋转动密封装置。
本发明可适用于液压往复及低速旋转运动密封，尤其适合于泥浆、原油等含有颗粒状介质的恶劣工况中，可实现极端高温高压环境下(150℃，140MPa)的旋转动密封。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种二级减压旋转动密封装置，其特征在于：包括钻杆舱、取芯钻加长轴和动密封安装件；所述钻杆舱和动密封安装件之间通过锁紧卡扣连接；所述取芯钻加长轴和动密封安装件之间设置第一级密封腔和第二级密封腔，第一级密封腔和第二级密封腔之间通过第二级减压进口连通，且在第一级密封腔和第二级密封腔内均设置密封组件；
所述取芯钻加长轴上设置齿轮箱，齿轮箱内包括啮合连接的第一齿轮和第二齿轮；所述第一齿轮与液压马达的输出轴连接，第二齿轮套设于取芯钻加长轴上，第二齿轮的上方设置与取芯钻加长轴连接的电液旋转接头。
2.根据权利要求1所述的二级减压旋转动密封装置，其特征在于：所述电液旋转接头上开设进液口和信号线进口。
3.根据权利要求1所述的二级减压旋转动密封装置，其特征在于：所述齿轮箱上开设回油口和供油口，且取芯钻加长轴与齿轮箱通过第二轴承连接，取芯钻加长轴通过第一轴承和圆螺母与动密封安装件连接。
4.根据权利要求1所述的二级减压旋转动密封装置，其特征在于：所述第一级密封腔通过第一级溢流阀接口依次与溢流阀和冷却池连通；所述第二级密封腔通过第二级溢流阀接口和低压出口与冷却池连通。
5.根据权利要求1所述的二级减压旋转动密封装置，其特征在于：所述密封组件包括套设于取芯钻加长轴上的轴套，轴套底部设置介质侧动环，位于介质侧动环上方的轴套上设置介质侧静环座、大气侧静环座和大气侧动环；所述介质侧静环座上设置介质侧静环，大气侧静环座上设置大气侧静环；所述介质侧静环和介质侧静环之间套设第一密封圈。
6.根据权利要求5所述的二级减压旋转动密封装置，其特征在于：所述介质侧动环设置于轴套底部，且位于取芯钻加长轴和钻杆舱之间，介质侧动环内开设卡槽，远离轴套一端的卡槽内开设第一台阶和位于第一台阶上的第二台阶以及第二台阶上方的第三台阶；所述第一台阶的中部设置环形的支撑件。
7.根据权利要求6所述的二级减压旋转动密封装置，其特征在于：所述第一密封圈从上至下包括第一圈体、第二圈体和第三圈体；所述第一圈体位于第一台阶和支撑件上方，第二圈体位于第二台阶上方，第三圈体位于第三台阶上方并与介质侧静环接触连接；所述第一圈体和第一台阶之间存在间隙，第二圈体和第二台阶之间存在间隙。
8.根据权利要求5所述的二级减压旋转动密封装置，其特征在于：所述第一圈体的内圆直径为100mm；第二圈体的外圆直径为123mm；第三圈体的内圆直径为115mm，且第三圈体的高度为2.5mm，厚度为4.5mm。
9.根据权利要求5所述的二级减压旋转动密封装置，其特征在于：所述大气侧静环座的两侧分别开设溢流阀接口和密封接口；大气侧静环座的上方依次设置大气侧静环和大气侧动环；所述大气侧动环上方的轴套上安装上端密封盖，上端密封盖的下方依次设置倒流套和后压盖。
10.根据权利要求5所述的二级减压旋转动密封装置，其特征在于：所述介质侧静环座和钻杆舱内壁之间设置前压盖；所述大气侧动环内设有套设于轴套上的第二密封圈。
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