CN113775759B - 滑阀和薄膜节流器组合内置式干气密封静环结构 - Google Patents

Abstract

滑阀和薄膜节流器组合内置式干气密封静环结构，包括静环压盖、静环环体、滑阀节流器组件、薄膜节流器组件；滑阀节流器组件位于静环环体的外侧，在滑阀节流器组件中，滑阀节流腔体与阀片之间形成一级节流间隙，静环环体的一侧为密封端面，密封端面上开设有两列径向分布的节流孔；静环环体的另一侧为静环背面，静环背面上设有圆形腔室，圆形腔室内设有薄膜节流器组件；薄膜节流器组件的弹性膜片与下喷嘴之间形成二级下节流间隙，弹性膜片与上喷嘴之间形成二级上节流间隙，一级节流间隙与静环压盖上的节流气进气口相连通，二级下节流间隙与一级节流间隙、外侧节流孔相连通，二级上节流间隙与一级节流间隙、内侧节流孔相连通。

Description

滑阀和薄膜节流器组合内置式干气密封静环结构

技术领域

本发明涉及一种干气密封静环结构，特别涉及一种带滑阀和薄膜可变节流器的干气密封静环结构，可用于压缩机、离心泵和搅拌设备等各种旋转设备的轴端密封。

背景技术

静压干气密封因其受到的磨损小、适应能力强、使用寿命长等优点而在低速搅拌设备上有广泛的应用前景。然而，低速旋转设备往往旋转轴较长或工况复杂多变，轴系在运行过程中常会出现角向偏摆和轴向窜动。置于转轴轴端的静压干气密封在这种轴向和角向等多方向复杂扰动状态下运行时，容易出现密封端面碰磨，轻则出现密封端面磨损，重则出现密封环碎裂而快速失效；同时，对于一些食品级搅拌设备的应用场合，其对轴端密封的磨损控制要求极其严格，不允许密封磨屑进入设备内部而无法使用食品或药品。

采用薄膜节流器或者滑阀节流器等可变节流器有望显著提高静压干气密封对外界扰动的自适应能力。传统的薄膜节流器或者滑阀节流器虽然在一定程度上解决静压干气密封对于轴向振动的自适应问题，但是其一般置于静压干气密封外部，这带来了密封系统复杂、振动响应不及时等问题。另一方面，静压干气密封在运行过程中会受到来自轴向和角向等多方向的复杂扰动型式，现有单一薄膜节流器或滑阀节流器对于外界复杂扰动的自适应调节能力还有所不足，如何利用不同可变节流器的优势以适应复杂外界扰动的方案有待研究。

发明内容

为改善现有带薄膜节流器的静压干气密封无法在轴向和角向等多方向扰动下自适应调控且结构系统复杂的缺点，本发明提供了一种结构紧凑且能对轴向振动和角向偏摆扰动适应能力强的节流器内置式干气密封静环结构。

本发明的技术方案是：

一种滑阀和薄膜节流器组合内置式干气密封静环结构，包括静环压盖1、静环环体2、滑阀节流器组件3、薄膜节流器组件4。所述滑阀节流器组件3位于静环环体2的外侧，所述滑阀节流器组件3包括阀片31、弹簧32、阀座33、滑阀节流腔体34。所述阀片31与滑阀节流腔体34之间形成一级节流间隙R1，所述一级节流间隙R1与上一级节流后通孔361、下一级节流后通孔362相连通。

所述静环环体2的一侧为密封端面21，所述密封端面21上开设有两列径向分布的节流孔211、212，外侧节流孔211靠近密封端面外径侧，内侧节流孔212靠近密封端面内径侧。所述静环环体2的另一侧为静环背面22，所述静环背面22上设有若干周向均布的圆形腔室221；

所述圆形腔室221内设有薄膜节流器组件4，所述薄膜节流器组件4包括上喷嘴432、定位套、弹性膜片42、下喷嘴431。所述弹性膜片42与下喷嘴431之间设有二级下节流间隙R21和下节流气进口腔441，下节流气进口腔441连通下一级节流后通孔362，所述下喷嘴431与静环环体2之间设有下节流气出口腔451，所述下节流气出口腔451与外侧节流孔211相连通。所述弹性膜片42与上喷嘴432之间设有二级上节流间隙R22和上节流气进口腔442，上节流气进口腔442流通上一级节流后通孔361，所述上喷嘴432与压盖1之间设有上节流气出口腔452，所述上节流气出口腔452与内侧节流孔212相连通。

进一步，所述滑阀节流腔体2与静环压盖1之间紧固连接，所述静环环体3与静环压盖1之间紧固连接。

进一步，所述滑阀节流器组件中的阀片31的背部与阀座33之间形成滑阀压力平衡腔35，所述弹簧32位于滑阀压力平衡腔35中。

进一步，所述薄膜节流器组件4从上至下依次包括上定位套413、上喷嘴432、中定位套412、弹性膜片42、下定位套411、下喷嘴431。

进一步，所述阀片31头部为锥形结构，所述滑阀节流腔体34中与阀片31相配合的部分也为锥形腔室。

本发明的工作原理是：

薄膜节流器和滑阀节流器是静压气体轴承中常用的两种可变节流器型式，其理论上都可实现静压气体轴承流体膜的无限大轴向气膜刚度，进而提高其对外界轴向扰动的适应能力。

薄膜节流器的核心部件是弹性膜片和喷嘴，弹性膜片与喷嘴端面之间有一层节流间隙，其对流经的气体有阻流降压作用，且在该节流间隙内的气体压力的作用下弹性膜片会发生变形，利用弹性膜片的压力自适应变形特性可实现对输出压力的智能调控。具体工作原理为：当静压气体轴承受到外界扰动而间隙减小时，此时轴承间隙内的气体流阻增大，使薄膜节流器出口压力也随之增大，弹性膜片的变形增大而使节流间隙增大，导致节流间隙对气体阻流降压作用减弱，其结果是薄膜节流器出口压力进一步增大，这种气体压力增大的反馈结果是使轴承间隙的气膜承载力增大，最终使轴承间隙增大并恢复至原间隙值。

滑阀节流器的核心部分是阀片、弹簧和滑阀节流腔，阀片头部一般为锥形结构，阀片与滑阀节流腔相配合形成一层节流间隙，从而对流经气体有阻流降压作用；在阀门背部弹簧和阀片出口压力的共同作用下而维持一定的间隙，利用阀片在气体压力作用下的微小位移对节流间隙的改变，从而实现对输出压力的自适应调控。具体工作原理为：当静压气体轴承受到外界扰动而间隙减小时，此时轴承间隙内的气体流阻增大，使滑阀节流器出口压力也随之增大，阀片向弹簧侧移动而使节流间隙增大，其结果是滑阀节流器出口压力进一步增大，输出压力增大的结果也是使轴承气膜承载力增大和轴承间隙恢复至原间隙值。

常规的薄膜节流器和滑阀节流器对于轴承或密封间隙整体的变大或变小具有很强的自适应调节能力，但是对于在角向扰动下出现倾斜间隙时则显不足。为了增强干气密封对于外界扰动(特别是角向偏摆扰动)的适应能力，本发明提出一种由“滑阀节流器-薄膜节流器-节流孔固定节流器-密封间隙节流器”组成的节流气流阻系统，其中滑阀节流器承担主调节作用，薄膜节流器承担辅助调节作用。从初始入口进入的节流气首先经过滑阀节流器节流间隙的阻流降压作用后进入薄膜节流器组件。薄膜节流器组件包括位于弹性膜片上方和下方的薄膜节流器，上下两套薄膜节流器共用一个弹性膜片，也即弹性膜片的变形必然会使其中一个薄膜节流器流阻增大而另一个薄膜节流器流阻减小；从两套薄膜节流器流出的节流气分别通过密封端面上的两列节流孔而进入密封间隙，最终经密封间隙的节流作用而分别向密封端面内径和外径侧泄漏。

当本发明所述的干气密封受到外界轴向扰动而间隙整体减小时，此时密封间隙对节流气的流阻增大，节流孔出口处压力升高，因弹性膜片上方和下方受到的气体压力同时升高，故其变形量基本不变；这种介质的增大则进一步使滑阀节流器阀片头部受力增大而向弹簧侧移动，滑阀节流器流阻减小而使其出口腔压力增大，其反馈结果是使密封间隙内的气体压力升高而抵抗外界使间隙变小的扰动力，最终使密封间隙恢复至原值。由此可见，当受到轴向扰动而使密封间隙整体增大或减小时，整个节流气流阻系统的自适应调节功能主要由滑阀节流器完成。

当本发明所述的干气密封受到角向扰动而产生倾斜间隙时，此时间隙减小的一侧对节流气的流阻增大，而间隙增大的一侧对节流气的流阻减小。首先，对于密封端面周向不同位置的密封间隙整体增大或减小，其调控原理与干气密封受到轴向扰动而造成的间隙增大或减小时类似，都是滑阀节流器起主要调节作用。其次，在某一周向位置处，虽然整体间隙呈现出增大或减小趋势，但是不同径向位置处的间隙值略有差异，如对于间隙增大处，靠近密封端面外径侧的间隙略大，而靠近端面内径侧的间隙略小，使得薄膜节流器中弹性膜片两侧的受力略有不同，弹性膜片向受力较小的一侧变形，这种自适应变形使得密封间隙较大的一侧节流孔出口压力较小，而间隙较小的一侧节流孔出口压力较大，结果是使密封端面产生附加力矩以使密封间隙恢复至平行状态。

本发明的优点和有益效果

(1)通过将滑阀节流器和薄膜节流器组合使用，由滑阀节流器承担主调控作用，而薄膜节流器在密封间隙倾斜时承担辅助调控作用，使密封气膜的角向气膜刚度增大，显著提高了静压干气密封对角向偏摆扰动的适应能力。

(2)在干气密封端面设置沿径向分布的两列节流孔，相较于经典小孔节流静压干气密封在径向只有单列节流孔的结构具有更大的气膜承载力和气膜刚度。

(3).滑阀节流器设置于静环环体外侧，薄膜节流器内置于静环环体的背腔内，且两套薄膜节流器共用一个弹性膜片，所设计的干气密封静环结构简单且紧凑。

附图说明

图1是本发明实施例的干气密封静环结构剖视图；

图2是本发明实施例的滑阀节流器组件结构剖视图；

图3是本发明实施例的静环环体结构剖视图；

图4是本发明实施例的静环端面结构示意图；

图5是本发明实施例的薄膜节流器组件结构剖视图；

图6是本发明实施例的正常运行时干气密封静环与动环状态示意图；

图7是本发明实施例的节流气各级流阻及对应压力关系图；

图8是本发明实施例的干气密封受轴向扰动而间隙变小时的状态示意图；

图9是本发明实施例的干气密封受角向扰动而间隙倾斜时的状态示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施进一步详述。

参见图1、2、3、4、5，一种滑阀和薄膜节流器组合内置式干气密封静环结构，包括静环压盖1、静环环体2、滑阀节流器组件3、薄膜节流器组件4，所述静环环体2与静环压盖1之间紧固连接。所述滑阀节流器组件3位于静环环体2的外侧，所述滑阀节流器组件3与静环压盖1之间紧固连接，所述滑阀节流器组件3包括阀片31、弹簧32、阀座33、滑阀节流腔体34。所述阀片31的头部为锥形结构，所述滑阀节流腔体34中与阀片31相配合的部分也为锥形腔室，所述阀片31与滑阀节流腔体34之间形成一级节流间隙R1，所述一级节流间隙R1与上一级节流后通孔361、下一级节流后通孔362相连通。所述阀片31的背部与阀座33之间形成滑阀压力平衡腔35，所述弹簧32位于滑阀压力平衡腔35中。

所述静环环体2的一侧为密封端面21，所述密封端面21上开设有两列径向分布的节流孔211、212，外侧节流孔211靠近密封端面外径侧，内侧节流孔212靠近密封端面内径侧。所述静环环体2的另一侧为静环背面22，所述静环背面22上设有6个周向均布的圆形腔室221，所述圆形腔室221内设有薄膜节流器组件4，所述薄膜节流器组件4从上至下依次包括上定位套413、上喷嘴432、中定位套412、弹性膜片42、下定位套411、下喷嘴431。所述弹性膜片42与下喷嘴431之间设有二级下节流间隙R21和下节流气进口腔441，下节流气进口腔441连通下一级节流后通孔362，所述下喷嘴431与静环环体2之间设有下节流气出口腔451，所述下节流气出口腔451与外侧节流孔211相连通。所述弹性膜片42与上喷嘴432之间设有二级上节流间隙R22和上节流气进口腔442，上节流气进口腔442流通上一级节流后通孔361，所述上喷嘴432与压盖1之间设有上节流气出口腔452，所述上节流气出口腔452与内侧节流孔212相连通。

参见图6、图7，当所述干气密封静环与动环5匹配运行时，正常状态下静环环体端面21与动环5之间的密封间隙为平行间隙。从静环压盖1上初始进气孔11流入且压力为p0的节流气，通过滑阀节流腔体34上的通孔37进入一级节流间隙R1，经过节流降压后压力为p1，然后分别进入节流后通孔361和362。从节流后通孔361流出的节流气经静环环体2上的进气孔231进入下节流气进口腔441，经弹性膜片42与下喷嘴431之间的二级下节流间隙R21节流降压后压力为p21，并经下节流气出口腔451、静环环体2上的通气孔241、外侧节流孔211进入动环与静环之间的密封间隙内，经外侧节流孔211节流后的压力为p31；节流气再经过外侧密封间隙R41的节流降压作用后进入压力为p41的密封外腔。同理，从节流后通孔362流出的节流气经静环环体2上的进气孔232进入上节流气进口腔442，经弹性膜片42与上喷嘴432之间的二级上节流间隙R22节流降压后压力为p22，并经上节流气出口腔452、静环环体2上的通气孔242、内径节流孔212进入密封间隙内，经内侧节流孔212节流后的压力为p32；节流气经过内侧密封间隙R42的节流降压作用后进入压力为p42的密封内腔。

参见图8，当所述干气密封受到外界轴向扰动而出现密封间隙R41和R42整体减小时，密封间隙仍保持平行状态，节流孔后压力p31和p32同时等值增大，这种压力的增大通过节流孔211、212和通气孔241、242传递至下节流气出口腔451和上节流气出口腔452，此时弹性膜片42下方的二级下节流间隙R21和上方的二级上节流间隙R22保持不变，下节流气进口腔441和上节流气进口腔442内的压力p1增大，并通过静环环体2上的进气孔231、232和滑阀节流腔体34上的节流后通孔361、362传递至阀片31的头部，阀片31头部受力增大并向弹簧32侧移动微小位移，一级节流间隙R1增大，而因初始进气压力p0不变，故而使一级节流后压力p1增大，这种压力增大的反馈会使节流孔211、212节流后的压力p31、p32增大。密封间隙内增加的气体压力形成更大的气膜承载力，并使密封间隙逐渐增大并恢复至原间隙值。

参见图9，当所述干气密封受到外界角向偏摆而出现密封间隙倾斜时，其中密封端面周向一侧的密封间隙h1整体增大，周向另一侧的密封间隙h2整体减小；进一步，密封间隙增大侧靠外径侧的间隙略大于靠内径侧的间隙，密封间隙减小侧靠外径侧的间隙略小于靠内径侧的间隙。以密封间隙整体增大侧为例来说明，因密封间隙对节流气的流阻减小，节流孔211后的压力p31和节流孔212后的压力p32都整体减小，在其作用下阀片31头部的受力减小，阀片31向远离弹簧32的方向微小移动，一级节流间隙R1减小，使一级节流后压力p1减小，反馈的结果是使节流孔211、212后的压力p31、p32减小，这种滑阀节流器的调节作用是占主导的。进一步，节流后压力p31略小于节流后压力p32，故弹性膜片42下方受力小于上方受力，弹性膜片42向下喷嘴431方向变形，导致二级下节流间隙R21减小而二级上节流间隙R22增大，其反馈作用的结果是节流孔211后的压力p31略有减小，而节流孔212后的压力p32则略有增大，这种薄膜节流器的调节作用是作为辅助微调的，其调节量远小于滑阀节流器的调节效果。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能想到的同等技术手段。

Claims (3)

1.一种滑阀和薄膜节流器组合内置式干气密封静环结构，其特征在于：包括静环压盖(1)、静环环体(2)、滑阀节流器组件(3)、薄膜节流器组件(4)；所述滑阀节流器组件(3)位于静环环体(2)的外侧，所述滑阀节流器组件(3)包括阀片(31)、弹簧(32)、阀座(33)、滑阀节流腔体(34)；所述阀片(31)与滑阀节流腔体(34)之间形成一级节流间隙(R1)，所述一级节流间隙(R1)与上一级节流后通孔(361)、下一级节流后通孔(362)相连通；所述阀片(31)的背部与阀座(33)之间形成滑阀压力平衡腔(35)，所述弹簧(32)位于滑阀压力平衡腔(35)中；

所述静环环体(2)的一侧为密封端面(21)，所述密封端面(21)上开设有两列径向分布的外侧节流孔(211)、内侧节流孔(212)，外侧节流孔(211)靠近密封端面外径侧，内侧节流孔(212)靠近密封端面内径侧；所述静环环体(2)的另一侧为静环背面(22)，所述静环背面(22)上设有若干周向均布的圆形腔室(221)；

所述圆形腔室(221)内设有薄膜节流器组件(4)，所述薄膜节流器组件(4)包括上定位套(413)、上喷嘴(432)、中定位套(412)、弹性膜片(42)、下定位套(411)、下喷嘴(431)；所述弹性膜片(42)与下喷嘴(431)之间设有二级下节流间隙(R21)和下节流气进口腔(441)，下节流气进口腔(441)连通下一级节流后通孔(362)，所述下喷嘴(431)与静环环体(2)之间设有下节流气出口腔(451)，所述下节流气出口腔(451)与外侧节流孔(211)相连通；所述弹性膜片(42)与上喷嘴(432)之间设有二级上节流间隙(R22)和上节流气进口腔(442)，上节流气进口腔(442)流通上一级节流后通孔(361)，所述上喷嘴(432)与压盖(1)之间设有上节流气出口腔(452)，所述上节流气出口腔(452)与内侧节流孔(212)相连通。

2.如权利要求1所述的一种滑阀和薄膜节流器组合内置式干气密封静环结构，其特征在于：所述静环环体(2)与静环压盖(1)之间紧固连接，所述滑阀节流器组件(3)与静环压盖(1)之间紧固连接。

3.如权利要求1所述的一种滑阀和薄膜节流器组合内置式干气密封静环结构，其特征在于：所述阀片(31)的头部为锥形结构，所述滑阀节流腔体(34)中与阀片(31)相配合的部分也为锥形腔室。