CN113294376A - 一种核主泵用平衡密封及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种核主泵用平衡密封及其制造方法，平衡密封包括旋转环、浮动环、支撑盘和基环，支撑盘安装在旋转轴的轴肩上，基环安装在旋转轴上，基环位于支撑盘的下方，在支撑盘的上端从下到上依次设有对支撑盘实现轴向固定的支撑环和锁紧环，浮动环由安装在基环圆孔内的若干弹簧弹性顶起，浮动环与基环之间通过O型圈二实现轴向静密封；旋转环和浮动环之间组成硬配硬摩擦副，且旋转环的密封端面和浮动环的密封端面均喷涂氧化铬，旋转环的密封端面和浮动环的密封端面均为锥面结构，且均包括平面坝区和锥面。本发明在运转过程中，位于摩擦副密封端面之间的液膜的压力呈现规律性的线性分布，体现静压效应，有助于密封性能的预测，运行稳定性好。

Description

一种核主泵用平衡密封及其制造方法

技术领域

本发明属于核主泵密封技术领域，尤其是涉及一种核主泵用平衡密封及其制造方法。

背景技术

核主泵是反应堆的心脏，其能否安全运行直接关系核电站的安全。本发明涉及的核主泵用静压型平衡密封主要作用是平衡轴系的轴向力并控制轴封水的泄漏量，保证核主泵的稳定运行。目前，全世界用于核主泵的机械密封主要有动压型和静压型两种，主要表现在密封端面的形状不同。核主泵用机械密封端面的不同结构形式所选择的加工方法也多种多样。常用的机械密封端面加工的方法主要有磨削加工、蚀刻加工、电解加工、电火花加工、超声波加工、激光加工和复合加工等。根据对密封端面质量的要求，选择不同的加工方法又有各自的优缺点。如磨削加工周期长效率低，电火花加工易积碳，蚀刻易受热变形，超声波加工易发生失稳现象，激光加工又容易产生热影响层和热变形区等等。由于上述制造工艺存在效率低、热变形影响、环保性差等缺点，工程应用上更加追求于设备投入低、产能高、简易高效、制造周期短、经济性高等工艺方法。研磨工艺方法，相较于上述工艺方法，则体现了简易高效、投入少、周期短以及制造表面质量高等优点，更受加工制造业青睐。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种核主泵用平衡密封及其制造方法，在运转过程中，位于摩擦副密封端面之间的液膜的压力呈现规律性的线性分布，体现静压效应，有助于密封性能的预测，运行稳定性好。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种核主泵用平衡密封，包括旋转环、浮动环、支撑盘和基环，所述的支撑盘安装在旋转轴的轴肩上，所述的基环安装在旋转轴上，所述的基环位于支撑盘的下方，在支撑盘的上端从下到上依次设有对支撑盘实现轴向固定的支撑环和锁紧环，所述的旋转环安装在支撑盘上并通过O型圈一实现轴向静密封，通过六角头螺钉将卡片紧固到支撑盘上使卡片卡紧所述旋转环，所述卡片用于防止旋转环安装时垂直向下滑落，所述的浮动环由安装在基环圆孔内的若干弹簧弹性顶起，所述的浮动环与基环之间通过O型圈二实现轴向静密封；

所述的旋转环和浮动环之间组成硬配硬摩擦副，且旋转环的密封端面和浮动环的密封端面均喷涂氧化铬，旋转环的密封端面和浮动环的密封端面均为锥面结构，且均包括平面坝区和锥面。

进一步的，旋转环的密封端面的平面坝区宽度L_r为3.5mm，旋转环的密封端面的锥面的垂直高度H_r为50.5μm。

进一步的，浮动环的密封端面的平面坝区宽度L_f为4.5mm，浮动环2的密封端面的锥面的垂直高度H_f为3.0μm。

进一步的，所述的浮动环由安装在基环圆孔内的六个弹簧弹性顶起。

进一步的，在半精加工后的旋转环的密封端面以及在半精加工后的浮动环的密封端面上分别喷涂氧化铬。

一种核主泵用平衡密封的制造方法，具体包括以下步骤：

1)研磨前准备工序：首先完成旋转环的半精加工和浮动环的半精加工，然后在密封端面处喷涂氧化铬，喷涂工序完成后进行研磨前的精加工，精加工完成后转入研磨工序；

2)研磨工序：

21)研磨平面工序：分别将旋转环的密封端面和浮动环的密封端面研磨成平面；

22)对已完成研磨的密封端面进行平面度检测，要求平面度不大于1μm；如果检测不合格，则返回步骤21)重新研磨平面；如果检测合格，则转入研磨锥面工序；

23)研磨锥面工序：分别研磨旋转环的锥面和浮动环的锥面，其中，旋转环的锥面研磨完成后要求平面坝区宽度为3.5mm，锥面的垂直高度为50.5μm；浮动环的锥面研磨完成后要求平面坝区宽度为4.5mm，锥面的垂直高度为3.0μm；

3)检测工序：

31)分别检测旋转环、浮动环的锥面高度，如果检测不合格，则返回步骤23)重新研磨锥面；如果检测合格，则转入密封性能考核；

32)密封性能考核：将旋转环和浮动环组成的平衡密封安装到试验台架进行性能试验，并测量泄漏量，要求在压力2MPa-16MPa下的泄漏量需在40-500L/h之间，不触发报警；如果泄漏量不满足要求则返回步骤2)重新研磨密封端面的平面和锥面，直到满足要求为止；如果泄漏量合格，则完成平衡密封的制造。

相对于现有技术，本发明所述的一种核主泵用平衡密封及其制造方法具有以下优势：

1、本申请是一种密封端面为锥面的静压式平衡型机械密封，正常运转时压力呈线性分布，这种压力分布特性非常有助于密封性能的预测，密封的性能主要体现在对摩擦副的泄漏量控制，而静压效应体现了泄漏量与压力呈线性分布的关系，可以通过压力-泄漏量曲线直接预测出密封在不同压力下的泄漏量，同时计算出不同压力的功率损耗；

由于平面坝区的宽度较小，可以避免发生旋转环和浮动环的抱死干摩擦而减小密封的使用寿命，同时其运行的稳定性较高。

2、密封的材料选择在不锈钢母材的基础上在摩擦端面喷涂耐磨性氧化铬，相较于传统使用硬质合金，在保证密封使用性能和寿命的前提下极大的降低了产品的制造成本。

3、本申请采用研磨工艺制造方法，使用细小颗料的研磨粉研磨密封端面，可以避免表面的热变形、表面脆裂等，而且加工时间短，效率相对较高。

4、本申请的锥面型平衡密封的制造方法主要应用研磨设备进行密封端面的平面和锥面的研磨，这一方法可以操作灵活、投入成本低，不仅可以保证密封端面要求的极高的表面精度，而且也非常便于密封端面的返修。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种核主泵用平衡密封的结构示意图；

图2为本发明的旋转环及旋转环的密封端面的形状图；

图3为图2的J处放大图；

图4为本发明的浮动环及浮动环的密封端面的形状图；

图5为图4的K处放大图；

图6为一种核主泵用平衡密封的制造方法流程图。

附图标记说明：

1-旋转环，1-1-半精加工后的旋转环，2-浮动环，2-1-半精加工后的浮动环，3-支撑盘，4-O型圈一，5-卡片，6-六角头螺钉，7-基环，8-O型圈二，9-弹簧，10-旋转轴，11-支撑环，12-锁紧环。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图5所示，一种核主泵用平衡密封，包括旋转环1、浮动环2、支撑盘3和基环7，所述的支撑盘3安装在旋转轴10的轴肩上，所述的基环3安装在旋转轴10上，所述的基环位于支撑盘3的下方，在支撑盘3的上端从下到上依次设有对支撑盘3实现轴向固定的支撑环11和锁紧环12，所述的旋转环1安装在支撑盘3上并通过O型圈一4实现轴向静密封，通过六角头螺钉6将卡片5紧固到支撑盘3上使卡片卡紧所述旋转环1，所述卡片用于防止旋转环1安装时垂直向下滑落，所述的浮动环2由安装在基环7圆孔内的六个弹簧9弹性顶起，所述的浮动环2与基环7之间通过O型圈二8实现轴向静密封；

所述的旋转环1和浮动环2之间组成硬配硬摩擦副，且旋转环1的密封端面和浮动环2的密封端面均喷涂氧化铬1-2，旋转环1的密封端面和浮动环2的密封端面均为锥面结构，且均包括平面坝区和锥面；旋转环1的密封端面的平面坝区宽度L_r为3.5mm，旋转环1的密封端面的锥面的垂直高度H_r为50.5μm；浮动环2的密封端面的平面坝区宽度L_f为4.5mm，浮动环2的密封端面的锥面的垂直高度H_f为3.0μm。

在半精加工后的旋转环1-1以及在半精加工后的浮动环2-1上分别喷涂氧化铬。在喷涂完氧化铬后，再进入精加工研磨序，研磨出密封端面的锥度和平面坝区，最终的涂层形状是经过精加工成形的，精加工研磨出的锥面来最终体现平衡密封的静压分布特性。

本申请的平衡密封为了节约成本，选择以不锈钢材料为基材，并在基材的密封端面喷涂耐磨性材料氧化铬，这样可以降低材料投入成本。

本申请的平衡密封是由旋转环1和浮动环2组成的摩擦副，其中两个环的密封端面呈现平面坝区和锥面，这种摩擦副的两个密封端面均呈现锥面结构，在运转过程中，位于摩擦副密封端面之间的液膜的压力呈现规律性的线性分布，也就是体现的静压效应，即在机械密封处于半流体润滑、边界润滑状态，可以有效减小机械密封的摩擦功率损耗。

如图6所示，一种核主泵用平衡密封的制造方法，具体包括以下步骤：

1)研磨前准备工序：首先完成旋转环的半精加工和浮动环的半精加工，然后在密封端面处喷涂氧化铬，喷涂工序完成后进行研磨前的精加工，精加工完成后转入研磨工序，即对喷涂后的密封端面的研磨；

2)研磨工序：

21)研磨平面工序：分别将旋转环的密封端面和浮动环的喷涂层密封端面研磨成平面；

22)对已完成研磨的密封端面进行平面度检测，要求平面度不大于1μm；如果检测不合格，则返回步骤21)重新研磨平面；如果检测合格，则转入研磨锥面工序；

23)研磨锥面工序：分别研磨旋转环的锥面和浮动环的锥面，其中，旋转环的锥面研磨完成后要求平面坝区宽度为3.5mm，锥面的垂直高度为50.5μm；浮动环的锥面研磨完成后要求平面坝区宽度为4.5mm，锥面的垂直高度为3.0μm；

3)检测工序：

31)分别检测旋转环、浮动环的锥面高度，如果检测不合格，则返回步骤23)重新研磨锥面；如果检测合格，则转入密封性能考核；

32)密封性能考核：将旋转环和浮动环组成的平衡密封安装到试验台架进行性能试验，并测量泄漏量，要求在压力2MPa-16MPa下的泄漏量需在40-500L/h之间，不触发报警；如果泄漏量不满足要求则返回步骤2)重新研磨密封端面的平面和锥面，直到满足要求为止；如果泄漏量合格，则完成平衡密封的制造。

本申请的平衡密封只制造不用设计专用工装工具，只需要调整研磨设备的研磨盘的锥度，将平衡密封的旋转环1或浮动环2放在研磨盘上进行旋转研磨，从而研磨出与研磨盘相同的锥度，也即平衡密封的设计状态；而现有技术则是通过变形装工具将密封环挤压变形后进行研磨，工序较多，相较于现有技术，本平衡密封技术的工序简化，极易操作和控制，制造成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种核主泵用平衡密封，其特征在于：包括旋转环(1)、浮动环(2)、支撑盘(3)和基环(7)，所述的支撑盘(3)安装在旋转轴(10)的轴肩上，所述的基环(3)安装在旋转轴(10)上，所述的基环位于支撑盘(3)的下方，在支撑盘(3)的上端从下到上依次设有对支撑盘(3)实现轴向固定的支撑环(11)和锁紧环(12)，所述的旋转环(1)安装在支撑盘(3)上并通过O型圈一(4)实现轴向静密封，通过六角头螺钉(6)将卡片(5)紧固到支撑盘(3)上使卡片卡紧所述旋转环(1)，所述卡片用于防止旋转环(1)安装时垂直向下滑落，所述的浮动环(2)由安装在基环(7)圆孔内的若干弹簧(9)弹性顶起，所述的浮动环(2)与基环(7)之间通过O型圈二(8)实现轴向静密封；

所述的旋转环(1)和浮动环(2)之间组成硬配硬摩擦副，且旋转环(1)的密封端面和浮动环(2)的密封端面均喷涂氧化铬(1-2)，旋转环(1)的密封端面和浮动环(2)的密封端面均为锥面结构，且均包括平面坝区和锥面。

2.根据权利要求1所述的一种核主泵用平衡密封，其特征在于：旋转环(1)的密封端面的平面坝区宽度L_r为3.5mm，旋转环(1)的密封端面的锥面的垂直高度H_r为50.5μm。

3.根据权利要求2所述的一种核主泵用平衡密封，其特征在于：浮动环(2)的密封端面的平面坝区宽度L_f为4.5mm，浮动环(2)的密封端面的锥面的垂直高度H_f为3.0μm。

4.根据权利要求1所述的一种核主泵用平衡密封，其特征在于：所述的浮动环(2)由安装在基环(7)圆孔内的六个弹簧(9)弹性顶起。

5.根据权利要求1所述的一种核主泵用平衡密封，其特征在于：在半精加工后的旋转环(1-1)的密封端面以及在半精加工后的浮动环(2-1)的密封端面上分别喷涂氧化铬。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种核主泵用平衡密封的制造方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

1)研磨前准备工序：首先完成旋转环的半精加工和浮动环的半精加工，然后在密封端面处喷涂氧化铬，喷涂工序完成后进行研磨前的精加工，精加工完成后转入研磨工序；

2)研磨工序：

21)研磨平面工序：分别将旋转环端面和浮动环的密封端面研磨成平面；

22)对已完成研磨的密封端面进行平面度检测，要求平面度不大于1μm；如果检测不合格，则返回步骤21)重新研磨平面；如果检测合格，则转入研磨锥面工序；

23)研磨锥面工序：分别研磨旋转环的锥面和浮动环的锥面，其中，旋转环的锥面研磨完成后要求平面坝区宽度为3.5mm，锥面的垂直高度为50.5μm；浮动环的锥面研磨完成后要求平面坝区宽度为4.5mm，锥面的垂直高度为3.0μm；

3)检测工序：

31)分别检测旋转环、浮动环的锥面高度，如果检测不合格，则返回步骤23)重新研磨锥面；如果检测合格，则转入密封性能考核；

32)密封性能考核：将旋转环和浮动环组成的平衡密封安装到试验台架进行性能试验，并测量泄漏量，要求在压力2MPa-16MPa下的泄漏量需在40-500L/h之间，不触发报警；如果泄漏量不满足要求则返回步骤2)重新研磨密封端面的平面和锥面，直到满足要求为止；如果泄漏量合格，则完成平衡密封的制造。

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