CN114352568B - 一种机械密封结构及衬氟泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械密封结构及衬氟泵，动力轴的轴端固定有刚性骨架，叶轮的后盖板包覆在刚性骨架上；所述刚性骨架的架体包括沿径向延伸形成的圆盘状的第一基段，所述第一基段的外缘沿远离叶轮方向延伸形成与动力轴同轴布置的环状的第二基段；泵体与输送介质的接触面以及叶轮均为耐腐蚀材质；以叶轮半径为D2，第二基段的轴向长度为L，刚性骨架的径向长度为d，其中：本发明通过在泵体内加入刚性骨架和刚性支撑架，经实验验证，使后盖板和泵体内氟塑料整体弹性性质下降，在高温流体介质通过腔体时能够承受更多的热量而产生相对较小的形变，降低了密封端面的磨损量，大幅提高整体机械密封的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及流体输送领域，具体是一种机械密封结构及衬氟泵。
背景技术
衬氟泵顾名就是内衬氟塑料的泵，其被广泛应用于化工、炼药、石油、电镀等行业，主要用来输送腐蚀性介质，可以在-20℃～120℃温度条件下长期输送任意浓度的硫酸、盐酸、氢氟酸、硝酸、王水、强碱、强氧化剂等强腐蚀介质而毫不受损。
在衬氟泵中为了防止流体介质的泄露，大多采用性能优良的机械密封。最常用的机械密封结构是端面密封，在端面密封中有一对由动环、静环组成的摩擦副，摩擦副的作用是防止泄露。
但机械密封正常运转受到工作环境的影响，在长期输送高温流体介质的过程中，叶轮的叶片由于其内部材料不同，各个部分受热不均匀并且产生的形变不同，其叶片刚性会有所下降，以至于部分流体介质会流入叶轮后端腔体内部。因此流体介质中的固体颗粒进入密封端面，将会加快密封端面的磨损，致使动环不能补偿磨耗位移，并且固体颗粒会嵌入石墨密封面内。而且输送流体介质时，叶轮产生的压力脉动会影响密封端面的比压，液膜难以形成，会进一步加快密封端面的磨损，发热量增多，造成密封端面变形，机械密封因此失效，因此亟待解决。
发明内容
为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种机械密封结构，降低了密封端面的磨损量，防止密封端面产生变形；本发明还提供了一种应用该机械密封结构的衬氟泵。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种机械密封结构：动力轴的轴端固定有刚性骨架，叶轮的后盖板包覆在刚性骨架上；所述刚性骨架的架体包括沿径向延伸形成的圆盘状的第一基段，所述第一基段的外缘沿远离叶轮方向延伸形成与动力轴同轴布置的环状的第二基段；泵体与输送介质的接触面以及叶轮均为耐腐蚀材质；
以叶轮半径为D2，第二基段的轴向长度为L，刚性骨架的径向长度为d，其中：
作为本发明进一步的方案：该机械密封结构还包括与叶轮的后盖板密封配合的动环以及与泵体密封配合的静环，所述动环与静环同轴装配在动力轴上，并配合形成摩擦副以防止泵腔内的介质泄露；
位于第一基段与动环之间的耐腐蚀材质轴向厚度为h1，位于第二基段和动环之间的耐腐蚀材质径向厚度为h2，其中：
作为本发明再进一步的方案：所述第一基段上贯穿开设有与叶轮后盖板易形变部位相接触的第一轴向孔；所述第二基段上贯穿开设有与叶轮后盖板易形变部位相接触的第二轴向孔；所述第一轴向孔的半径r2＝4.63mm；所述第一轴向孔的半径r1＝2.56mm。
作为本发明再进一步的方案：所述动环与叶轮的后盖板的接触面处设置有O型的第一密封圈。
作为本发明再进一步的方案：所述泵体内设置有用于固定静环的静环座；与静环位置对应的刚性支撑架被泵体的耐腐蚀材质包覆，所述刚性支撑架呈与动力轴同轴布置的圆盘状构造，刚性支撑架的架体沿远离叶轮方向延伸形成与动力轴同轴布置的环状的第三基段；位于第三基段与静环座之间的耐腐蚀材质径向厚度为h5，位于刚性支撑架和泵腔之间的耐腐蚀材质轴向厚度为h4，其中：
作为本发明再进一步的方案：所述刚性支撑架上贯穿开设有与泵体易形变部位相接触的第三轴向孔，所述第三轴向孔的半径r3＝11.4mm。
作为本发明再进一步的方案：所述刚性支撑架的外缘呈凸台状从而与泵体外缘相适配；所述泵体与静环的配合面处设置有隔环，隔环和静环之间设置有O型的第二密封圈。
作为本发明再进一步的方案：副叶轮通过螺纹配合固定在叶轮的后盖板上，且副叶轮与叶轮的旋向相反；所述副叶轮的外缘与泵体之间的径向距离h3＝3.52mm。
一种衬氟泵：所述机械密封结构设置在该衬氟泵的泵腔内。
作为本发明再进一步的方案：所述机械密封结构中的动环以及静环为石墨材质。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过在泵体内加入刚性骨架和刚性支撑架，经实验验证，使后盖板和泵体内氟塑料整体弹性性质下降，在高温流体介质通过腔体时能够承受更多的热量而产生相对较小的形变，降低了密封端面的磨损量，大幅提高整体机械密封的可靠性。
2、本发明通过对刚性骨架以及刚性支撑架尺寸的合理设计，最大化的提高了密封效果。
3、本发明在叶轮后盖板上设置副叶轮，将泵腔内的流体介质运输到衬氟泵出口，使进入叶轮后盖板腔体内的流体介质大幅减少，以此降低进入泵腔内的固体颗粒量，有效减缓了密封端面的磨损量，提高了密封端面的密封性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2a为本发明中刚性骨架的主视图。
图2b为本发明中刚性骨架的侧视图。
图3a为本发明中刚性支撑架的主视图。
图3b为本发明中刚性支撑架的侧视图。
图4a为图1中A处的放大图。
图4b为图1中B处的放大图。
图4c为图1中C处的放大图。
图4d为图1中D处的放大图。
图5a为本发明中叶轮后盖板未增加刚性骨架时的热-结构耦合分析形变云图。
图5b为本发明中叶轮后盖板增加刚性骨架后的热-结构耦合分析形变云图。
图5c为本发明泵体内的氟塑料内未增加刚性支撑架时的热-结构耦合分析形变云图。
图5d为本发明泵体内的氟塑料内增加刚性支撑架后的热-结构耦合分析形变云图。
图中：
1、泵体；2、叶轮；3、动力轴；
4、动环；41、第一密封圈；
5、静环；51、第二密封圈；52、静环座；
6、刚性骨架；
61、第一基段；611、第一轴向孔；
62、第二基段；621、第二轴向孔；
7、刚性支撑架；
71、第三轴向孔；72、第三基段；
8、副叶轮。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1～5d，本发明实施例中，一种机械密封结构及衬氟泵，包括衬氟泵的泵体1，泵体1内与输送介质的接触面以及设置在泵体1内的叶轮2均为耐腐蚀材料，这里的耐腐蚀材料优选为氟塑料。为方便理解，如图1所示，网格状剖面线区域为氟塑料，斜线状剖面线区域为金属材料。
动力轴3的轴端固定有刚性骨架6，刚性骨架6的架体沿径向延伸形成圆盘状的第一基段61，第一基段61的外缘沿远离叶轮2方向延伸形成第二基段61，第二基段62呈与动力轴3同轴布置的环状构造。
以叶轮半径为D2，第二基段62的轴向长度为L，刚性骨架6的径向长度为d，其中：
位于第一基段61与动环4之间的耐腐蚀材质轴向厚度为h1，位于第二基段62和动环4之间的耐腐蚀材质径向厚度为h2，其中：
第一基段61上贯穿开设有与叶轮2后盖板易形变部位相接触的第一轴向孔611；第二基段62上贯穿开设有与叶轮2后盖板易形变部位相接触的第二轴向孔621；各第二轴向孔621以及第一轴向孔611均环绕动力轴3均匀布置。
第一轴向孔611的半径r2＝4.63mm；第一轴向孔611的半径r1＝2.56mm。
叶轮2的后盖板整体包覆在刚性骨架6上，刚性骨架6优选为金属骨架。
副叶轮8与叶轮2的后盖板螺纹配合，且副叶轮8与叶轮2的旋向相反，副叶轮8的外缘与泵体1之间的径向距离h3＝3.52mm。
静环5固定在泵体1内的静环座51上，静环座51螺纹配合于泵体1内。泵体1与静环5的配合面处设置有隔环，隔环与静环5的配合面处设置有O型的第二密封圈51。
动环4与叶轮2的后盖板密封配合，且配合面处设置有O型的第一密封圈41。动环4以及静环5均同轴套设在动力轴3上，且动环4与静环5配合形成摩擦副以防止泵腔内的介质泄露。静环4以及动环5优选为石墨材质。
刚性支撑架7与静环5位置对应且刚性支撑架7被氟塑料包覆。支撑架7的架体呈圆盘状，与动力轴3同轴布置；刚性支撑架7的架身沿远离叶轮2方向凸设有与动力轴3同轴的环状的第三基段72，位于第三基段72与静环座52之间的耐腐蚀材质径向厚度为h5，位于刚性支撑架7和泵腔之间的耐腐蚀材质轴向厚度为h4，其中：
刚性支撑架7的架身上贯穿开设有与泵体1易形变部位相接触的第三轴向孔71，第三轴向孔71的半径r3＝11.4mm。刚性支撑架7的外缘呈凸台状，装配时恰好与泵体1的外缘相适配。
通过WORKBANCH对叶轮后盖板和壳体内氟塑料结构进行热-结构耦合仿真，改善前后其形变量有明显下降。
参见图5a-图5b，在对叶轮后盖板进行仿真分析时，通过对后盖板前端面施加120℃的稳态热源，使后盖板均匀受热产生形变，未增加刚性骨架前，后盖板整体最大形变量达5.868mm，对应图5a云图中心区域的深色区域；增加刚性骨架后，后盖板整体最大形变量仅为1.312mm，对应图5b云图中心的浅色区域。
参见图5c-图5d，同样施加120℃的稳态热源对泵体内的氟塑料进行仿真分析时，增加刚性支撑架前，氟塑料最大形变量为4.541mm，对应图5c，云图整体着色区域代表均存在较大形变量；增加刚性支撑架后，对应图5d，氟塑料最大形变量为1.955mm，对应图5d，参照云图，整体形变量较小且均匀。
分析可知，通过加入刚性骨架和刚性支撑架，使后盖板和泵体内氟塑料整体弹性性质下降，在高温流体介质通过腔体时能够承受更多的热量而产生相对较小的形变，以提高整体机械密封的可靠性，仿真结果与理论分析比较吻合。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (8)
1.一种机械密封结构，其特征在于，动力轴(3)的轴端固定有刚性骨架(6)，叶轮(2)的后盖板包覆在刚性骨架(6)上；所述刚性骨架(6)的架体包括沿径向延伸形成的圆盘状的第一基段(61)，所述第一基段(61)的外缘沿远离叶轮(2)方向延伸形成与动力轴(3)同轴布置的环状的第二基段(62)；泵体(1)与输送介质的接触面以及叶轮(2)均为耐腐蚀材质；
以叶轮半径为D2，第二基段(62)的轴向长度为L，刚性骨架(6)的径向长度为d，其中：
该机械密封结构还包括与叶轮(2)的后盖板密封配合的动环(4)以及与泵体(1)密封配合的静环(5)，所述动环(4)与静环(5)同轴装配在动力轴(3)上，并配合形成摩擦副以防止泵腔内的介质泄露；
位于第一基段(61)与动环(4)之间的耐腐蚀材质轴向厚度为h1，位于第二基段(62)和动环(4)之间的耐腐蚀材质径向厚度为h2，其中：
所述泵体(1)内设置有用于固定静环(5)的静环座(52)；与静环(5)位置对应的刚性支撑架(7)被泵体(1)的耐腐蚀材质包覆，所述刚性支撑架(7)呈与动力轴(3)同轴布置的圆盘状构造，刚性支撑架(7)的架体沿远离叶轮(2)方向延伸形成与动力轴(3)同轴布置的环状的第三基段(72)；位于第三基段(72)与静环座(52)之间的耐腐蚀材质径向厚度为h5，位于刚性支撑架(7)和泵腔之间的耐腐蚀材质轴向厚度为h4，其中：
2.根据权利要求1所述的一种机械密封结构，其特征在于，所述第一基段(61)上贯穿开设有与叶轮(2)后盖板易形变部位相接触的第一轴向孔(611)；所述第二基段(62)上贯穿开设有与叶轮(2)后盖板易形变部位相接触的第二轴向孔(621)；所述第一轴向孔(611)的半径r2＝4.63mm；所述第一轴向孔(611)的半径r1＝2.56mm。
3.根据权利要求1所述的一种机械密封结构，其特征在于，所述动环(4)与叶轮(2)的后盖板的接触面处设置有O型的第一密封圈(41)。
4.根据权利要求1所述的一种机械密封结构，其特征在于，所述刚性支撑架(7)上贯穿开设有与泵体(1)易形变部位相接触的第三轴向孔(71)，所述第三轴向孔(71)的半径r3＝11.4mm。
5.根据权利要求1所述的一种机械密封结构，其特征在于，所述刚性支撑架(7)的外缘呈凸台状从而与泵体(1)外缘相适配；所述泵体(1)与静环(5)的配合面处设置有隔环，隔环和静环(5)之间设置有O型的第二密封圈(51)。
6.根据权利要求1所述的一种机械密封结构，其特征在于，副叶轮(8)通过螺纹配合固定在叶轮(2)的后盖板上，且副叶轮(8)与叶轮(2)的旋向相反；所述副叶轮(8)的外缘与泵体(1)之间的径向距离h3＝3.52mm。
7.一种衬氟泵，其特征在于，如权利要求1～6中任意一项所述的机械密封结构设置在该衬氟泵的泵腔内。
8.根据权利要求7所述的一种衬氟泵，所述机械密封结构中的耐腐蚀材质为氟塑料，所述机械密封结构中的动环(4)以及静环(5)为石墨材质。
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|---|---|
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