CN114526258A - 三级串联轴封装置及核主泵设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种三级串联轴封装置及核主泵设备，涉及密封技术领域，三级串联轴封装置其包括轴套和同轴设于所述轴套外的第一泵壳和第二泵壳，第一泵壳和第二泵壳固定连接，所述轴封装置还包括：一级密封机构；二级密封机构，设置于所述第一泵壳与所述轴套形成的第一密封腔中；三级密封机构，设置于所述第二泵壳与所述轴套形成的第二密封腔中，所述第二密封腔与所述二级密封机构的泄露端连通；所述三级密封机构包括动环组件和静环组件；液封机构，设置于所述第二密封腔并与所述静环组件连接，用于向所述动环组件与所述动环组件的密封面中部注入液体；核主泵设备包括上述的三级串联轴封装置。该申请具有降低泄漏率的优点。
Description
技术领域
本申请涉及密封技术领域，尤其是涉及一种三级串联轴封装置及核主泵设备。
背景技术
轴封结构为主泵的关键部件之一，尤其对于核电站，起到了防止放射性介质逃逸到环境中的作用。目前核电站的主泵轴封主要有静压轴封、动压轴封。
静压轴封一般由第一级带有环形轴对称锥面的氮化硅密封面板组成，第二级由可变形式的接触式机械密封组成，在一级密封失效的情况下，可变成静压形式的密封承受全压，在这两级密封背部设置第三级阻隔密封来达到环境隔离的作用。
针对上述相关技术，静压轴封的泄漏量较大。
发明内容
为了改善目前静压轴封泄漏量大的问题，本申请提供一种三级串联轴封装置及核主泵设备。
第一方面，本申请提供一种三级串联轴封装置采用如下的技术方案：
一种三级串联轴封装置，包括轴套和同轴设于所述轴套外的第一泵壳和第二泵壳，第一泵壳和第二泵壳固定连接，所述轴封装置还包括依次串联设置的：
一级密封机构，连接于所述第一泵壳远离所述第二泵壳的一侧，通过流体静压效应在密封面处呈非接触转动；
二级密封机构，设置于所述第一泵壳与所述轴套形成的第一密封腔中，通过气体动压效应在密封面处密封；
三级密封机构，设置于所述第二泵壳与所述轴套形成的第二密封腔中，所述第二密封腔与所述二级密封机构的泄露端连通；所述三级密封机构包括动环组件和静环组件；
液封机构，设置于所述第二密封腔并与所述静环组件连接，用于向所述动环组件与所述动环组件的密封面中部注入液体。
通过采用上述技术方案，即使一级密封机构在使用过程中存在泄漏，二级密封机构能够对泄漏量进行减小，三级密封机构对二级密封机构的泄露进行进一步减小。液封机构注入冲洗水至静环中间，分别润滑和冷却密封的两个端面，一部分冲洗水对密封外侧端面进行冷却和润滑后排入二级密封机构的泄漏侧，另一部分冲洗水则对密封内侧端面进行冷却和润滑后排入RPE系统。
可选的，所述一级密封机构包括一级动环和一级静环，所述一级动环和所述一级静环的横截面远离密封面的一侧呈阶梯状。
通过采用上述技术方案，一级动环和一级静环的截面能够控制和调整密封环的变形，在失压或者密封受到扰动时，在端面发生间隙变小存在碰摩危险时发挥作用，增强密封端面的润滑效应，减轻或避免密封环在特殊条件下发生碰撞及磨损，延长保持高密封性的寿命。
可选的，所述一级密封机构还包括一级动环座和一级静环座，所述一级动环安装于所述一级动环座，所述一级静环安装于所述一级静环座；所述第一泵壳上固定有与所述轴套同轴设置的密封套，所述一级静环座套设于所述密封套并能相对密封套作轴向浮动非转动。
通过采用上述技术方案，一级密封能够在静压下起到主要的密封效果。
可选的，所述一级静环座与所述密封套之间设有密封组件；
具体的，所述密封组件为槽型密封组件；所述槽型密封组件由同轴套设的O形橡胶圈和聚四氟乙烯环组成；
具体的，所述聚四氟乙烯环靠近所述密封槽的槽口设置，所述聚四氟乙烯环的外周面设有用于套设所述O形橡胶圈的装配槽，所述聚四氟乙烯环的内周面为等径的通孔。
通过采用上述技术方案，密封套在非动能停车时起到密封作用。装配一级静环座时，一级静环座与密封套之间的密封性极大提高。这是由于槽型密封组件受力变形时，主要是O形橡胶圈在径向方向变形，聚四氟乙烯环的通孔仍然平整贴合零件表面不会褶皱，减小了泄露的可能性。
可选的，所述二级密封机构包括二级动环座和二级动环、二级静环座和二级静环，所述二级动环与所述二级静环形成干气密封结构；
具体的，所述二级动环上开设有螺旋状的流体动压槽。
通过采用上述技术方案，螺旋槽是一种动压效应很强的槽型，常用于非接触式气体密封中。在液体粘性较高的工况应用时，润滑性能好很多，具有高液膜刚度、低泄漏率等。
可选的，所述二级动环和二级静环的材质为碳化硅、氮化硅、硬质合金、碳石墨中的一种；
优选的，所述二级动环由碳化硅制作，所述二级静环由硬质合金制作。
通过采用上述技术方案，硬质合金与碳化硅配对润滑性好。由于采用硬对硬的配对形式，在当一级密封损坏时，二级密封可以承受全压155bar的压差，在此工况下压力变形小，对高压工况的适应性好。使得密封可以在全压工况下在规定时间内工作，防止放射性介质泄漏至环境侧。
可选的，所述动环组件包括三级动环座和三级动环，所述静环组件包括三级静环座和三级静环；
具体的，所述三级动环与所述三级动环座可拆卸固定；
具体的，所述三级动环座远离所述三级动环的一侧端面呈锥面。
通过采用上述技术方案，组合式动环采用浮装方式，避免了金属环表面堆焊的工艺型式，工艺性更好，可靠性得到提高。
可选的，所述轴封装置还包括端盖，所述端盖固定于所述第二泵壳远离第一泵壳的一端；所述液封机构包括水管，所述端盖上开设有注水孔，所述三级静环的密封面开设有出水孔，所述水管的一端与所述注水孔连通且连接处密封，所述水管的另一端与所述出水孔连通且连接处密封。
通过采用上述技术方案，在三级密封机构工作时，水管注水可以起到冷却和润滑作用，延长密封机构的连续工作时间。
可选的，所述三级动环和三级静环材质为碳化硅、氮化硅、硬质合金、碳石墨中的一种；
优选的，所述三级动环由硬质合金制作，所述三级静环由碳石墨制作。
通过采用上述技术方案，三级密封机构的自润滑性能高。
第二方面，本申请提供的一种核主泵设备采用如下的技术方案：
一种核主泵设备，包括上述的三级串联轴封装置。
通过采用上述技术方案，通过三级串联的密封结构，能够防止放射性介质泄漏至环境侧，运行更安全。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：通过三级串联的密封结构，能够防止放射性介质泄漏至环境侧，运行更安全。
附图说明
图1为本申请实施例三级串联轴封装置的结构示意图；
图2为图1中的左视图；
图3为本申请实施例的一级密封机构的结构示意图；
图4为本申请实施例的槽型密封组件的结构示意图；
图5为本申请实施例的二级密封机构的结构示意图；
图6为本申请实施例的三级密封机构的结构示意图；
图7为本申请实施例的液封机构与三级密封机构连接关系的结构示意图。
附图标记说明：
1、轴套；11、水套；
2、第一泵壳；21、第一密封腔；22、安装槽；
3、第二泵壳；31、第二密封腔；
4、端盖；41、泄漏口；42、注水孔；43、限位套；
5、密封套；51、套座；52、槽型密封组件；521、O形橡胶圈；522、聚四氟乙烯环；5221、通孔；5222、装配槽；
6、一级密封机构；61、一级动环座；62、一级静环座；63、压紧环；64、一级动环；65、一级静环；
7、二级密封机构；71、定位环；72、二级动环座；73、二级动环；74、二级静环；75、限位环；76、二级静环座；77、二级弹簧座；
8、三级密封机构；81、三级动环座；82、三级动环；83、三级静环；831、水道；832、出水孔；84、三级静环座；85、三级弹簧座；
9、液封机构；91、水管。
具体实施方式
以下结合附图1-7对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开了一种三级串联轴封装置及核主泵设备。
参考图1和图2，三级串联轴封装置包括轴套1以及同轴套设于轴套1外部的第一泵壳2、第二泵壳3和端盖4，第一泵壳2远离第二泵壳3的一端连接有一级密封机构6，第一泵壳2与轴套1之间设有二级密封机构7，第二泵壳3与轴套1之间设有三级密封机构8，通过三级串联密封能够降低泄漏量。
参考图3，一级密封机构6包括一级动环组件和一级静环组件。一级动环组件包括一级动环座61和一级动环64，一级静环组件包括一级静环座62和一级静环65，一级动环64与一级静环65抵接，一级静环座62与第一泵壳2连接。一级动环座61和一级静环座62互相靠近的一面外周均设有安装槽，一级动环64和一级静环65分别同轴套设于安装槽处，一级动环64与一级动环座61之间、一级静环65与一级静环座62之间分别设有压紧环63，压紧环63分别与一级动环座61和一级静环座62通过螺栓固定。一级动环64与一级动环座61之间、一级静环65与一级静环座62之间均设有密封圈。此处一级动环64和一级静环65均可以由氮化硅或者碳化硅材质制作而成，优选使用氮化硅制作以具有更好的韧性。一级动环64和一级静环65远离密封面的一侧且靠近内圆周处形成台阶状。
一级静环座62与第一泵壳2之间设有密封套5，密封套5的一端沿远离轴线方向延伸形成有套座51。第一泵壳2的端面设有截面呈阶梯状的安装槽22，密封套5带有套座51一端同轴设于安装槽22，密封套5的另一端伸入至一级静环座62内。套座51沿周向固定有多个导向柱，一级静环座62远离一级静环65的一侧沿周向开设有多个导向孔，导向孔与导向柱一一对应，导向柱的一端伸入到导向孔中并能相对滑动，使得一级静环组件能够相对第一泵壳2轴向浮动非旋转。
一级静环座62与密封套5接触面间设有密封组件，密封组件此处为槽型密封组件52，以提高一级静环座62与密封套5之间的密封性。参考图4，槽型密封组件52由同轴套设的O形橡胶圈521和聚四氟乙烯环522组成，聚四氟乙烯环522上设有等径的通孔5221，聚四氟乙烯环522远离中心轴线的外壁沿周向设有装配槽5222，装配槽5222的轮廓线为弧线，用于配合O形橡胶圈521表面。槽型密封组件52与传统的橡胶密封圈相比，在一级静环座62在密封套5作轴向浮动时不会发生弯折，聚四氟乙烯环522的通孔5221表面与密封套5紧密接触，大大降低了泄漏可能性。
参考图5，第一泵壳2与轴套1之间形成第一密封腔21，轴套1上套设有水套11，二级密封机构7设置于第一泵壳2与水套11之间的第一密封腔21中。二级密封机构7包括二级动环组件和二级静环组件。二级动环组件包括二级动环座72和二级动环73，二级静环组件包括二级静环座76和二级静环74，二级动环73与二级静环74的密封面抵接，二级动环73与二级动环座72之间、二级静环74与二级静环座76之间分别固设有限位环75，限位环75分别与二级动环座72、二级静环座76通过螺栓固定。
二级动环组件还包括同轴固定于轴套1上的定位环71，二级动环座72通过螺栓与定位环71同轴固定，二级动环座72与定位环71之间设有密封圈。
二级静环组件还包括固定于第二泵壳3端面的二级弹簧座77，二级弹簧座77可以为截面呈L形的回转体，二级弹簧座77通过螺栓与第二泵壳3固定的部分为固定部，二级弹簧座77与轴套1同轴设置的部分为套接部。套接部沿周向固定有多个导向柱，二级静环座76的固定部沿周向开设有多个导向孔，导向孔与导向柱一一对应，导向柱的一端伸入到导向孔中并能相对滑动，使得二级静环座76套设于二级弹簧座77的套接部并能轴向浮动且非旋转。二级静环座76与二级弹簧座77的固定部之间还连接有弹簧，二级静环座76与二级弹簧座77的套接部之间也设有槽型密封组件52。
二级动环73和二级静环74均可以从碳化硅、氮化硅、硬质合金、碳石墨中选择。此处二级动环73优选由碳化硅材质制作，二级静环74优选由硬质合金制作，硬质合金与碳化硅配对润滑性好。由于采用硬对硬的配对形式，在当一级密封损坏时，二级密封可以承受全压155bar的压差，在此工况下压力变形小，对高压工况的适应性好。
此处二级动环73的流体动压槽可以选用螺旋槽，是一种动压效应很强的槽型，常用于非接触式气体密封中。在液体粘性较高的工况应用时，润滑性能好很多，具有高液膜刚度、低泄漏率等。
二级密封机构7在正常工况下承受小压差，在事故工况下依靠变形板结构产生收敛型密封间隙，从而形成流体静压效应，使得密封可以在全压工况下在规定时间内工作，防止放射性介质泄漏至环境侧。
参考图6，第二泵壳3与端盖4之间通过螺栓固定且连接处设有密封圈进行密封。第二泵壳3、端盖4轴套1之间形成第二密封腔31，三级密封机构8位于第二密封腔31中。
三级密封机构8包括三级动环组件和三级静环组件，三级动环组件包括三级动环座81和三级动环82，三级静环组件包括三级静环座84和三级静环83，三级动环82与三级静环83的密封面抵接。第二密封腔31靠近二级密封机构7的一侧为锥面，三级动环座81远离三级动环82的一面为锥面，两个锥面之间形成导流通道。三级动环座81同轴固定在轴套1上。三级动环座81远离锥面一侧开设有环形的容纳槽，容纳槽的轮廓直径与三级动环82的外径相同，三级动环82放置于容纳槽中。三级静环座84呈环形且内径与三级静环83的外径相同，三级静环83同轴嵌固在三级静环座84上。
三级静环组件还包括三级弹簧座85，三级弹簧座85与二级弹簧座77的整体结构可以相同，三级弹簧座85的套接部同轴套设于轴套1上。端盖4中部设有轴孔，端盖4同轴套设于轴套1上。三级弹簧座85的固定部与端盖4之间固定连接有弹簧，三级弹簧座85的套接部插入到端盖4的轴孔中并能相对轴孔滑移，套接部与轴套1之间形成泄水口41。三级弹簧座85的套接部沿周向固定有多个导向柱，三级静环座84沿周向开设有多个导向孔，导向孔与导向柱一一对应，导向柱的一端伸入到导向孔中并能相对滑动，三级静环座84的导向孔内设有弹簧。三级弹簧座85的套接部与端盖4的轴孔内壁之间也设有槽型密封组件52。
三级动环82和三级静环83的材质均可以从碳化硅、氮化硅、硬质合金、碳石墨中选择。此处三级动环82优选由硬质合金制作，三级静环83优先由碳石墨制作以具有良好的自润滑性。
硬质合金的三级动环82在三级动环座81上采用浮装方式，避免了金属环表面堆焊的工艺型式，工艺性更好，可靠性得到提高。
参考图6和图7，液封机构9包括水管91、开设于端盖4上的注水孔42以及开设于三级静环83上的水道831，水管91螺旋缠绕分布于三级静环座84外，水管91的一端与注水孔42连接且连接处密封，水管91的另一端穿过三级静环座84与水道831连接并密封。水道831环绕三级静环83的外圆周面设置，三级静环83开设有延伸至密封面的出水孔832，出水孔832与水道831连通。端盖4通过螺栓还固定有限位套43，限位套43的轮廓外径小于水管91的缠绕直径，限位套43的内径与三级弹簧座85的固定部的轮廓外径相适配，使得三级弹簧座85与三级静环座84相对轴套1在径向方向固定位置。
由水管91注入冲洗水至静环中间，分别润滑和冷却密封的两个端面。其中，一部分冲洗水对密封外侧端面进行冷却和润滑后排入二级密封机构7的泄漏侧，另一部分冲洗水则对密封内侧端面进行冷却和润滑后排入RPE系统。
三级串联轴封装置的工作原理为：一级密封机构6在流体压差的作用下产生流体静压效应，在密封环间形成十几微米至几十微米的间隙，密封呈非接触式运转。一级动环64和一级静环65的截面能够控制和调整密封环的变形，在失压或者密封受到扰动时，在端面发生间隙变小存在碰摩危险时发挥作用，增强密封端面的润滑效应，减轻或避免密封环在特殊条件下发生碰撞及磨损，延长保持高密封性的寿命。
即使一级密封机构6在使用过程中存在泄漏，二级密封机构6中的螺旋槽是一种动压效应很强的槽型，可用于非接触式气体密封中（其他波形、深槽等槽型不能应用于气体）。而且液体粘性高很多，润滑性能好很多。此外还能具有液膜刚度性能优异的效果。使得密封可以在全压工况下在规定时间内工作，防止放射性介质泄漏至环境侧。
即使二级密封机构6存在微量泄漏，三级密封机构8能够进一步进行密封以防止泄漏。此外，液封机构9注入冲洗水至静环中间，分别润滑和冷却密封的两个端面。
本申请实施例还公开了一种核主泵设备，应用该三级串联轴封装置。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三级串联轴封装置，包括轴套(1)和同轴设于所述轴套(1)外的第一泵壳(2)和第二泵壳(3)，第一泵壳(2)和第二泵壳(3)固定连接，其特征在于，所述轴封装置还包括依次串联设置的：
一级密封机构(6)，连接于所述第一泵壳(2)远离所述第二泵壳(3)的一侧，通过流体静压效应在密封面处呈非接触转动；
二级密封机构(7)，设置于所述第一泵壳(2)与所述轴套(1)形成的第一密封腔(21)中，通过气体动压效应在密封面处密封；
三级密封机构(8)，设置于所述第二泵壳(3)与所述轴套(1)形成的第二密封腔(31)中，所述第二密封腔(31)与所述二级密封机构(7)的泄露端连通；所述三级密封机构(8)包括动环组件和静环组件；
液封机构(9)，设置于所述第二密封腔(31)并与所述静环组件连接，用于向所述静环组件与所述动环组件的密封面中部注入液体。
2.根据权利要求1所述的三级串联轴封装置，其特征在于：所述一级密封机构(6)包括一级动环(64)和一级静环(65)，所述一级动环(64)和所述一级静环(65)的横截面远离密封面的一侧呈阶梯状。
3.根据权利要求2所述的三级串联轴封装置，其特征在于：所述一级密封机构(6)还包括一级动环座(61)和一级静环座(62)，所述一级动环(64)安装于所述一级动环座(61)，所述一级静环(65)安装于所述一级静环座(62)；所述第一泵壳(2)上固定有与所述轴套(1)同轴设置的密封套(5)，所述一级静环座(62)套设于所述密封套(5)并能相对密封套(5)作轴向浮动非转动。
4.根据权利要求3所述的三级串联轴封装置，其特征在于：所述一级静环座(62)与所述密封套(5)之间设有密封组件；
具体的，所述密封组件为槽型密封组件(52)；所述槽型密封组件(52)由同轴套设的O形橡胶圈(521)和聚四氟乙烯环(522)组成；
具体的，所述聚四氟乙烯环(522)靠近所述密封槽的槽口设置，所述聚四氟乙烯环(522)的外周面设有用于套设所述O形橡胶圈(521)的装配槽(5222)，所述聚四氟乙烯环(522)的内周面为等径的通孔(5221)。
5.根据权利要求1所述的三级串联轴封装置，其特征在于：所述二级密封机构(7)包括二级动环座(72)和二级动环(73)、二级静环座(76)和二级静环(74)，所述二级动环(73)与所述二级静环(74)形成干气密封结构；
具体的，所述二级动环(73)上开设有螺旋状的流体动压槽。
6.根据权利要求5所述的三级串联轴封装置，其特征在于：所述二级动环(73)和二级静环(74)的材质为碳化硅、氮化硅、硬质合金、碳石墨中的一种；
优选的，所述二级动环(73)由碳化硅制作，所述二级静环(74)由硬质合金制作。
7.根据权利要求1所述的三级串联轴封装置，其特征在于：所述动环组件包括三级动环座(81)和三级动环(82)，所述静环组件包括三级静环座(84)和三级静环(83)；
具体的，所述三级动环(82)与所述三级动环座(81)可拆卸固定；
具体的，所述三级动环座(81)远离所述三级动环(82)的一侧端面呈锥面。
8.根据权利要求7所述的三级串联轴封装置，其特征在于：所述轴封装置还包括端盖(4)，所述端盖(4)固定于所述第二泵壳(3)远离第一泵壳(2)的一端；所述液封机构(9)包括水管(91)，所述端盖(4)上开设有注水孔(42)，所述三级静环(83)的密封面开设有出水孔(832)，所述水管(91)的一端与所述注水孔(42)连通且连接处密封，所述水管(91)的另一端与所述出水孔(832)连通且连接处密封。
9.根据权利要求7或8所述的三级串联轴封装置，其特征在于：所述三级动环(82)和三级静环(83)材质为碳化硅、氮化硅、硬质合金、碳石墨中的一种；
优选的，所述三级动环(82)由硬质合金制作，所述三级静环(83)由碳石墨制作。
10.一种核主泵设备，其特征在于：包括权利要求1-9任一所述的三级串联轴封装置。
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