CN114087367B - 一种磁悬浮干气密封系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮干气密封系统，包括动环、静环、磁悬浮构件、辅助测量控制系统，辅助测量控制系统包括位移传感器、流量计、磁悬浮构件控制器、上位机控制系统，动环随转轴一起转动，磁悬浮构件固定在壳体上，静环固定在磁悬浮构件上，静环上安装位移传感器，磁悬浮轴承由线圈、保持架、导磁环组成，磁悬浮构件与动环配合安装，动环两侧与导磁环初始磁间隙相同。动环与轴、磁悬浮构件与壳体、磁悬浮构件与静环之间采用密封圈密封。可以根据流量计实时测量泄露气的流量，通过磁悬浮构件随时调节动环与静环之间的距离，保证气体的泄漏量处于合理的范围，启动容易、控制简单、造价低、避免动环与静环的磨损，有效增加密封系统的使用寿命。

Description

一种磁悬浮干气密封系统

技术领域

本发明属于密封技术领域，涉及一种密封系统，特别涉及一种磁悬浮干气密封系统，适用于旋转机械的密封。

背景技术

随着社会经济的发展，对设备的体积、效率提出了越来也高的要求，各种动力装备向着高温、高压、高转速的方向发展，旋转机械的轴端密封问题越来越受到重视。而传统的密封结构难以适用于高温、高压、高转速的场合。干气密封有着泄漏量低、磨损小、寿命长的优点，越来越受到旋转机械轴端密封设计者的亲睐。但目前应用广泛的干气密封启动麻烦，控制系统复杂，造价高，而且频繁启停会降低密封件的使用寿命，经济性差。因此，有必要研究启动容易、控制简单、造价低、寿命长的干气密封结构。

鉴于此提出本发明。

发明内容

本发明的目的为克服现有技术的不足，提供一种磁悬浮干气密封系统，可以根据流量计实时测量泄露气的流量，通过磁悬浮构件随时调节动环与静环之间的距离，保证气体的泄漏量处于合理的范围，具有启动容易、控制简单、造价低、避免动环与静环的磨损等优点，可有效增加密封系统的使用寿命长。

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

一种磁悬浮干气密封系统，用于对旋转机械的转轴端部进行密封，所述旋转机械包括壳体和转轴，所述转轴转动设置在所述壳体中，所述壳体的内腔为高压侧，所述壳体的外部为低压侧，所述壳体的末端为带有台阶部从而直径向外部扩大的空腔，所述转轴的末端穿设在所述壳体末端的空腔中，其特征在于，

所述磁悬浮干气密封系统，包括设置在所述壳体末端空腔的动环、静环、磁悬浮构件、辅助测量控制系统，所述动环、静环、磁悬浮构件设置在所述壳体的末端空腔内，所述辅助测量控制系统位于所述壳体的末端空腔外，其中，

所述动环以在轴向上可左右移动、而在周向上相对固定的方式设置在所述转轴上并随转轴一起转动，所述动环的外周表面上形成为一环状凸起，使得所述动环的左右两侧端面均呈台阶面；

所述静环和磁悬浮构件均为静止部件，所述磁悬浮构件固定设置在所述壳体末端空腔的台阶部上，所述静环固定设置在所述磁悬浮构件的轴向外端面上，且所述静环套设在所述转轴的周向外侧，所述磁悬浮构件装配套设在所述动环的周向外侧，且所述动环在轴向上位于所述静环的靠近所述壳体高压侧的一侧；当所述动环与静环之间的轴向距离减小时，二者之间的间隙减小，所述壳体的高压侧向低压侧的气体泄漏随之减小，反之，所述壳体的高压侧向低压侧的气体泄漏随之增大；

所述磁悬浮构件为电磁悬浮构件，通过控制其通电电流的大小可调节其电磁力的大小，在其电磁力的作用下，所述动环可在轴向上沿所述转轴左右移动；

所述辅助测量控制系统用以实时检测所述壳体的高压侧向低压侧的气体泄漏流量，并在所述气体泄漏流量超过设定阈值时，通过控制所述磁悬浮构件的电磁力大小以调节所述动环在轴向上向所述静环移动，使得所述动环与静环之间的距离减小，从而保证气体的泄漏量处于合理的范围。

在本发明优选的实例中，所述磁悬浮构件，包括线圈、环形保持架、第一导磁环、第二导磁环，所述线圈固定设置在所述环形保持架上，所述环形保持架固定夹持在所述第一导磁环、第二导磁环之间，且所述第一导磁环与第二导磁环固定连接且在二者之间形成一开口相内的环形夹持槽，所述动环的环状凸起配合安装在所述第一导磁环与第二导磁环之间的环形夹持槽中。进一步地，所述动环的环状凸起的左右两侧与所述第一导磁环、第二导磁环的初始轴向磁间隙相同，可以实现所述动环在轴向位置上的双向调整，从而调节所述动环与静环之间的距离大小。

在本发明优选的实例中，所述动环与转轴之间、磁悬浮构件与壳体的台阶面之间、磁悬浮构件与静环之间均设置有密封元件(例如密封圈)。

在本发明优选的实例中，所述壳体末端的空腔在其外端部与所述转轴之间设置有篦齿密封构件。

在本发明优选的实例中，所述辅助测量控制系统，包括位移传感器、流量计、磁悬浮构件控制器、上位机控制系统，所述位移传感器、流量计、磁悬浮构件控制器均与所述上位机控制系统通信连接，其中，所述位移传感器设置在所述静环的靠近所述壳体高压侧的一侧端面上，用于测量所述动环与静环之间的轴向距离；所述流量计设置在所述壳体末端的空腔侧壁上的泄露气出口处，用于测量泄漏气体的流量，并将流量信号传递给所述上位机控制系统，在所述上位机控制系统中通过与设定泄漏流量比较，给所述磁悬浮构件控制器下发命令，如果泄露气流量大于设定流量，所述磁悬浮构件控制器通过磁悬浮构件向动环施加向右的电磁力，以控制所述动环向右移动，从而减小所述动环与静环的距离，减少气体泄漏量。

在本发明优选的实例中，所述动环的临近所述静环的一侧端面上开有槽，使得该端面形成为动压面和节流面，所述动环旋转时，在其动压面的内外两侧形成一定的压力梯度，阻止气体泄漏，而其节流面通过与静环表面保持较小的间隙，形成节流效应，减少气体泄漏。

本发明的磁悬浮干气密封系统，包括：磁悬浮干气密封系统包括动环、静环、磁悬浮构件、辅助测量控制系统四部分，辅助测量控制系统包括位移传感器、流量计、磁悬浮构件控制器、上位机控制系统，动环随转轴一起转动，磁悬浮构件和静环为静止部件，磁悬浮构件固定在壳体上，静环固定在磁悬浮构件上，静环上安装位移传感器，磁悬构件由线圈、保持架、导磁环组成，磁悬浮构件与动环配合安装，动环两侧与导磁环初始磁间隙相同,动环与轴、磁悬浮构件与壳体、磁悬浮构件与静环之间采用密封圈密封。

通过上述技术方案，可以根据流量计实时测量泄露气的流量，通过磁悬浮构件随时调节动环与静环之间的距离，保证气体的泄漏量处于合理的范围，启动容易、控制简单、造价低、避免动环与静环的磨损，有效增加密封系统的使用寿命。

本发明的磁悬浮干气密封系统中，所述动环表面一侧为光滑阶梯面，另一侧分为三个区域，外圆环面、中间圆环面和内圆环面，动环直径为D，0<D<1000mm，外圆环面是磁悬浮构件作用面，直径区间为0.8D-D，磁悬浮构件将磁力作用在动环外圆环面上，力的方向与外圆环表面垂直，中间圆环面表面开有槽，是动压面和节流面，直径区间为0.4D-0.8D，动环旋转时，会在动压面的内外两侧形成一定的压力梯度，阻止气体泄漏，节流面通过与静环表面保持较小的间隙，形成节流效应，减少气体泄漏，内圆环面是位移传感器测量面，直径区间为0.3D-0.4D，用于测量动环与静环之间的距离。

通过上述技术方案，可以通过控制线圈电流的大小调节电磁力的大小，从而实现主动调节动环与静环距离的目的，减少气体泄漏，同时，电磁力还可以用于平衡转子的轴向力。

所述位移传感器是电涡流传感器或电感式传感器。

通过上述技术方案，可以根据不同的压力、温度、尺寸等应用环境，选择合适的传感器类型，增加了干气密封系统的环境适应能力。

所述磁悬构件与动环的初始安装磁间隙相同，间隙为x，0<x<10mm。

通过上述技术方案，可以实现动环位置的双向调整，从而调节动环与静环之间的距离的大小，调节范围宽。

所述中间圆环面表面开有槽,槽的形状为螺旋槽、长方形槽等，槽深为y，0≤y<10mm。

通过上述技术方案，可以在动压面的内外两侧形成一定的压力梯度，减少气体泄漏量。

所述辅助测量控制系统包括位移传感器、流量计、磁悬浮构件控制器、上位机控制系统，流量计为体积流量计或质量流量计，安装于泄露气出口位置，用于测量泄漏气体的流量，并将流量信号传递给上位机控制系统，通与设定泄漏流量比较，给磁悬浮机构控制器下发命令，如果泄露气流量大于设定流量，表面泄漏超过标准，需要减小动环与静环的距离，磁悬浮构件控制器通过磁悬浮构件给动环向右的电磁力，控制动环向右移动，减小动环与静环的距离，从而减少气体泄漏量。

通过上述技术方案，可以实时监测泄露气的流量，动环与静环的距离，保证气体泄漏量处于合理的范围。

同现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1.本发明包括动环、静环、磁悬浮构件、辅助测量控制系统四部分，辅助测量控制系统包括位移传感器、流量计、磁悬浮构件控制器、上位机控制系统，动环随转轴一起转动，静环为静止部件，静环上安装位移传感器，磁悬构件由线圈、保持架、导磁环组成，磁悬浮构件与动环配合安装，动环两侧与导磁环初始磁间隙相同,动环与轴、磁悬浮构件与壳体、磁悬浮构件与静环之间采用密封圈密封。可以根据流量计实时测量泄露气的流量，通过磁悬浮构件随时调节动环与静环之间的距离，保证气体的泄漏量处于合理的范围，启动容易、控制简单、造价低、避免动环与静环的磨损，有效增加密封系统的使用寿命。

2.本发明动环表面一侧为光滑阶梯面，另一侧分为三个区域，外圆环面、中间圆环面和内圆环面，外圆环面是磁悬浮构件作用面，磁悬浮构件将磁力作用在动环外圆环面上，力的方向与外圆环表面垂直，中间圆环面表面开有槽，是动压面和节流面，内圆环面是位移传感器测量面，用于测量动环与静环之间的距离。可以通过控制线圈电流的大小调节电磁力的大小，从而实现主动调节动环与静环距离的目的，在动压面的内外两侧形成一定的压力梯度，阻止气体泄漏，形成节流效应，减少气体泄漏，同时，电磁力还可以用于平衡转子的轴向力。

3.本发明位移传感器是电涡流传感器或电感式传感器，可以根据不同的压力、温度、尺寸等应用环境，选择合适的传感器类型，增加了干气密封系统的环境适应能力。

4.本发明磁悬构件与动环的初始安装磁间隙相同，可以实现动环位置的双向调整，从而调节动环与静环之间的距离的大小，调节范围宽。

5.本发明中间圆环面表面开有槽,槽的形状为螺旋槽、长方形槽等，可以在动压面的内外两侧形成一定的压力梯度，减少气体泄漏量。

附图说明

图1是本发明中磁悬浮干气密封系统剖视图；

图2是本发明中动环的主视图；

图3是本发明中动环的左视图；

图4是本发明中动环的右视图；

图5是本发明中磁悬浮构件的剖视图；

图6是本发明中导磁环A的剖视图；

图7是本发明中导磁环B的剖视图；

图8是本发明中静环的剖视图；

附图标记说明：

1、壳体；2、动环；3、静环；4、位移传感器；5、磁悬浮构件；6、第一导磁环；7、第二导磁环；8、保持架；9、线圈；10、篦齿密封构件；11、转轴；12、密封圈；13、泄露气出口；14、槽；15、流量计；16、上位机控制系统；17、磁悬浮构件控制器；18、外圆环面；19、中间圆环面；20、内圆环面。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-8所示，本发明的磁悬浮干气密封系统，用于对旋转机械的转轴端部进行密封，旋转机械包括壳体1和转轴11，转轴11转动设置在壳体1中，壳体1的内腔为高压侧，壳体1的外部为低压侧，壳体1的末端为带有台阶部从而直径向外部扩大的空腔，转轴11的末端穿设在壳体1末端的空腔中。磁悬浮干气密封系统，包括设置在壳体1末端空腔的动环2、静环3、磁悬浮构件5、辅助测量控制系统，动环2、静环3、磁悬浮构件5设置在壳体1的末端空腔内，辅助测量控制系统位于壳体1的末端空腔外，其中，

动环2以在轴向上可左右移动、而在周向上相对固定的方式设置在转轴11上并随转轴11一起转动，动环2的外周表面上形成为一环状凸起，使得动环2的左右两侧端面均呈台阶面；静环3和磁悬浮构件5均为静止部件，磁悬浮构件5固定设置在壳体1末端空腔的台阶部上，静环3固定设置在磁悬浮构件5的轴向外端面上，且静环3套设在转轴11的周向外侧，磁悬浮构件5装配套设在动环2的周向外侧，且动环2在轴向上位于静环3的靠近壳体1高压侧的一侧；当动环2与静环3之间的轴向距离减小时，二者之间的间隙减小，壳体1的高压侧向低压侧的气体泄漏随之减小，反之，壳体1的高压侧向低压侧的气体泄漏随之增大；磁悬浮构件5为电磁悬浮构件，通过控制其通电电流的大小可调节其电磁力的大小，在其电磁力的作用下，动环2可在轴向上沿转轴11左右移动；辅助测量控制系统用以实时检测壳体1的高压侧向低压侧的气体泄漏流量，并在气体泄漏流量超过设定阈值时，通过控制磁悬浮构件5的电磁力大小以调节动环2在轴向上向静环3移动，使得动环2与静环3之间的距离减小，从而保证气体的泄漏量处于合理的范围。

在本发明优选的实例中，如图5所示，磁悬浮构件5，包括线圈9、环形保持架8、第一导磁环6、第二导磁环7，线圈9固定设置在环形保持架8上，环形保持架8固定夹持在第一导磁环6、第二导磁环7之间，且第一导磁环6与第二导磁环7固定连接且在二者之间形成一开口相内的环形夹持槽，动环2的环状凸起配合安装在第一导磁环6与第二导磁环7之间的环形夹持槽中。进一步地，动环2的环状凸起的左右两侧与第一导磁环6、第二导磁环7的初始轴向磁间隙相同，可以实现动环在轴向位置上的双向调整，从而调节动环与静环之间的距离大小。

在本发明优选的实例中，如图1所示，动环2与转轴11之间、磁悬浮构件5与壳体1的台阶面之间、磁悬浮构件5与静环3之间均设置有密封元件(例如密封圈12)。

在本发明优选的实例中，如图1所示，壳体1末端的空腔在其外端部与转轴11之间设置有篦齿密封构件10。

在本发明优选的实例中，如图1所示，辅助测量控制系统，包括位移传感器4、流量计15、磁悬浮构件控制器17、上位机控制系统16，位移传感器4、流量计15、磁悬浮构件控制器17均与上位机控制系统16通信连接，其中，位移传感器4设置在静环3的靠近壳体1高压侧的一侧端面上，用于测量动环2与静环3之间的轴向距离；流量计15设置在壳体1末端的空腔侧壁上的泄露气出口13处，用于测量泄漏气体的流量，并将流量信号传递给上位机控制系统16，在上位机控制系统16中通过与设定泄漏流量比较，给磁悬浮构件控制器17下发命令，如果泄露气流量大于设定流量，磁悬浮构件控制器17通过磁悬浮构件向动环施加向右的电磁力，以控制动环向右移动，从而减小动环与静环的距离，减少气体泄漏量。

在本发明优选的实例中，如图1-4所示，动环2的临近静环3的一侧端面上开有槽，使得该端面形成为动压面和节流面，动环旋转时，在其动压面的内外两侧形成一定的压力梯度，阻止气体泄漏，而其节流面通过与静环表面保持较小的间隙，形成节流效应，减少气体泄漏。

动环2一侧端面为光滑阶梯面，另一侧端面沿其径向由外向内划分为外圆环面18、中间圆环面19和内圆环面20三个区域，环状凸起的一侧端面形成为在径向上位于最外侧的外圆环面18，

更加具体的，如图1～8所示，外圆环面18是磁悬浮构件5作用面，磁悬浮构件5将磁力作用在动环2的外圆环面18上，力的方向与外圆环面18的表面垂直，中间圆环面19的表面上沿周向均匀开有多个槽14，是动压面和节流面，内圆环面20是位移传感器4的测量面，用于测量动环2与静环3之间的距离。可以通过控制线圈电流的大小调节电磁力的大小，从而实现主动调节动环2与静环3之间的距离的目的，在动压面的内外两侧形成一定的压力梯度，阻止气体泄漏，形成节流效应，减少气体泄漏，同时，电磁力还可以用于平衡转子的轴向力。

静环3为静止部件，静环3上安装位移传感器4，磁悬浮构件5由线圈9、保持架8、导磁环6、7组成，磁悬浮构件5与动环2配合安装，动环2两侧与导磁环6、7初始磁间隙相同，动环2与转轴11、磁悬浮构件5与壳体1、磁悬浮构件5与静环3之间采用密封圈12密封。可以根据流量计15实时测量泄露气的流量，通过磁悬浮构件5随时调节动环2与静环3之间的距离，保证气体的泄漏量处于合理的范围，启动容易、控制简单、造价低、避免动环与静环的磨损，有效增加密封系统的使用寿命。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (6)

1.一种磁悬浮干气密封系统，用于对旋转机械的转轴端部进行密封，所述旋转机械包括壳体和转轴，所述转轴转动设置在所述壳体中，所述壳体的内腔为高压侧，所述壳体的外部为低压侧，所述壳体的末端为带有台阶部从而直径向外部扩大的空腔，所述转轴的末端穿设在所述壳体末端的空腔中，

其特征在于，

所述磁悬浮干气密封系统，包括设置在所述壳体末端空腔的动环、静环、磁悬浮构件、辅助测量控制系统，所述动环、静环、磁悬浮构件设置在所述壳体的末端空腔内，所述辅助测量控制系统位于所述壳体的末端空腔外，其中，

所述动环以在轴向上可左右移动、而在周向上相对固定的方式设置在所述转轴上并随转轴一起转动，所述动环的外周表面上形成为一环状凸起，使得所述动环的左右两侧端面均呈台阶面；

所述静环和磁悬浮构件均为静止部件，所述磁悬浮构件固定设置在所述壳体末端空腔的台阶部上，所述静环固定设置在所述磁悬浮构件的轴向外端面上，且所述静环套设在所述转轴的周向外侧，所述磁悬浮构件装配套设在所述动环的周向外侧，且所述动环在轴向上位于所述静环的靠近所述壳体高压侧的一侧；当所述动环与静环之间的轴向距离减小时，二者之间的间隙减小，所述壳体的高压侧向低压侧的气体泄漏随之减小，反之，所述壳体的高压侧向低压侧的气体泄漏随之增大；

所述磁悬浮构件为电磁悬浮构件，通过控制其通电电流的大小可调节其电磁力的大小，在其电磁力的作用下，所述动环可在轴向上沿所述转轴左右移动；

所述辅助测量控制系统用以实时检测所述壳体的高压侧向低压侧的气体泄漏流量，并在所述气体泄漏流量超过设定阈值时，通过控制所述磁悬浮构件的电磁力大小以调节所述动环在轴向上向所述静环移动，使得所述动环与静环之间的距离减小，从而保证气体的泄漏量处于合理的范围；

所述磁悬浮构件，包括线圈、环形保持架、第一导磁环、第二导磁环，所述线圈固定设置在所述环形保持架上，所述环形保持架固定夹持在所述第一导磁环、第二导磁环之间，且所述第一导磁环与第二导磁环固定连接且在二者之间形成一开口相内的环形夹持槽，所述动环的环状凸起配合安装在所述第一导磁环与第二导磁环之间的环形夹持槽中。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮干气密封系统，其特征在于，所述动环的环状凸起的左右两侧与所述第一导磁环、第二导磁环的初始轴向磁间隙相同，以实现所述动环在轴向位置上的双向调整，从而调节所述动环与静环之间的距离大小。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮干气密封系统，其特征在于，所述动环与转轴之间、磁悬浮构件与壳体的台阶面之间、磁悬浮构件与静环之间均设置有密封元件。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮干气密封系统，其特征在于，所述壳体末端的空腔在其外端部与所述转轴之间设置有篦齿密封构件。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮干气密封系统，其特征在于，所述辅助测量控制系统，包括位移传感器、流量计、磁悬浮构件控制器、上位机控制系统，所述位移传感器、流量计、磁悬浮构件控制器均与所述上位机控制系统通信连接，其中，所述位移传感器设置在所述静环的靠近所述壳体高压侧的一侧端面上，用于测量所述动环与静环之间的轴向距离；所述流量计设置在所述壳体末端的空腔侧壁上的泄露气出口处，用于测量泄漏气体的流量，并将流量信号传递给所述上位机控制系统，在所述上位机控制系统中通过与设定泄漏流量比较，给所述磁悬浮构件控制器下发命令，如果泄露气流量大于设定流量，所述磁悬浮构件控制器通过磁悬浮构件向动环施加向右的电磁力，以控制所述动环向右移动，从而减小所述动环与静环的距离，减少气体泄漏量。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮干气密封系统，其特征在于，所述动环的临近所述静环的一侧端面上开有槽，使得该端面形成为动压面和节流面，所述动环旋转时，在其动压面的内外两侧形成一定的压力梯度，阻止气体泄漏，而其节流面通过与静环表面保持较小的间隙，形成节流效应，减少气体泄漏。