CN116733975A - 一种动静压组合型气膜密封装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械密封技术领域，具体为一种动静压组合型气膜密封装置，包括动环、静环、静环座、轴套、密封件、弹簧和六角头螺栓，所述动环通过六角头螺栓固定在所述轴套上，随所述轴套一起随轴转动；所述动环和轴套之间设置密封垫，所述动环内径和轴配合处设置密封圈三；所述静环上设置防转销孔，所述静环座上设置防转销，所述防转销放置在所述静环上的防转销孔内，可以防止所述静环转动，所述静环座上径向开设用于通入隔离气体的进气口A，所述静环座上轴向开设有环形槽二，所述静环放置在环形槽二内，工作时，动环与静环之间的间隙只有10微米左右，相较于迷宫密封的500微米间隙量级和碳环密封100微米间隙量级，泄漏量大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及机械密封技术领域，尤其是涉及一种动静压组合型气膜密封装置。
背景技术
随着石油、化工、航天、天然气输送等行业技术的发展，特别是高端装备的工况条件越发苛刻，对密封部件要求越来越高，目前在一些压缩机、膨胀机、风机等设备上，碳环密封、迷宫密封和干气密封使用广泛。传统的干气密封对密封气的要求严格，密封系统的气体介质不允许掺杂液体、颗粒等杂质，密封控制系统复杂，系统材质的规格参数要求也更高。碳环密封和迷宫密封虽然更加简单，成本更低，但是泄漏量过大。为解决上述问题，本发明提出一种动静压组合型气膜密封装置，既可以保持和传统干气密封类似的运行间隙，保证类似的低泄漏量指标，又能够大幅降低成本，并有效提高运行的稳定性和可靠性。
目前干气密封装置因其出色的综合使用性能被广泛的应用于生产活动中，但因碰磨、磨损、破裂等相关密封失效模式依旧存在，制约设备性能的进一步提升，影响生产工作效率，无形中也会对用户造成损失，增加用户使用成本。
为此，提出一种动静压组合型气膜密封装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动静压组合型气膜密封装置，既可以保持和传统干气密封类似的运行间隙，保证类似的低泄漏量指标，又能够大幅降低成本，并提高运行的稳定性，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种动静压组合型气膜密封装置，包括动环、静环、静环座、轴套、密封件、弹簧和六角头螺栓，所述动环通过六角头螺栓固定在所述轴套上，随所述轴套一起随轴转动；
所述动环和轴套之间设置密封垫，所述动环内径和轴配合处设置密封圈三；
所述静环上设置防转销孔，所述静环座上设置防转销，所述防转销放置在所述静环上的防转销孔内，可以防止所述静环转动；
所述静环座上径向开设用于通入隔离气体的进气口A，所述静环座上轴向开设有环形槽二，所述静环放置在环形槽二内，所述静环与静环座配合处设置密封件，密封件包括密封圈一和密封圈二，起密封作用；
两道所述密封圈一和密封圈二形成的密闭空间内周向均匀分布若干弹簧，避免杂质进入到弹簧内部。
优选地，所述静环轴向开有若干通气孔，所述通气孔对应的端面上开设有环形槽一，所述环形槽一深度在0.5~2mm，所述环形槽一内外侧密封端面部分分别为外径侧密封坝和内径侧密封坝。
优选地，所述静环端面开设流动动压槽，且流动动压槽呈机翼形、梯形、半圆形中任意一种设计，所述流动动压槽根据使用工况设置为双向槽和单向槽。
优选地，所述流动动压槽形状分为对称型和非对称型，对称型槽型能够满足双向旋转设备使用。
优选地，隔离气体由进气口A进入静环座内部，从所述静环背面流经静环内部通气孔中，在所述静环端面环形槽一内汇集，分别通过外径侧密封坝和内径侧密封坝，泄漏至外径工艺气体侧和内径大气侧，形成气膜，实现对工艺气体的密封作用。
优选地，所述通气孔截面设计为梯形截面、倒梯形截面，根据使用工况的不同，调节气体到达端面的流体压力，控制密封间隙尺寸，并防止杂质颗粒进入密封端端面间隙。
优选地，所述动环和所述静环均可以采用高硬度不锈钢、不锈钢表面堆焊硬质合金、不锈钢表面喷涂高硬度陶瓷制备，精加工至平面度0.3~0.6微米。
优选地，该气膜密封装置采用单独使用与串联式使用两种方式，串联式使用时，进气口A设计为三组分别为进气口B、排气口C、进气口D，进气口B通入一级密封隔离气，进气口D通入二级密封隔离气，排气口C为一级泄漏气出口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.工作时，动环与静环之间的间隙只有10微米左右，相较于迷宫密封的500微米间隙量级和碳环密封100微米间隙量级，泄漏量大大降低。
2.端面开启力由气体静压力和气体动压力两部分组成，静压时即可以实现端面的非接触状态，在启动和停止过程中，动静环没有碰磨、摩擦，因此避免了磨损失效问题。
3.由于在任何时刻均不存在动静摩擦副间的固相磨损，因此，对于动环与静环材质的要求大大降低，动环与静环材料均可以采用高硬度不锈钢制作，相较于目前常用的干气密封动静环材质，例如硬质合金、陶瓷类、石墨类等材质，具有价格低、制造容易、韧性好、强度高、弹性模量大等优势，更能适用于高速、高压、大轴径、高低温环境等高参数工况条件下。
4.动环与静环端面间的气体静压力构成了大部分的开启力，因此开启力受气体中液体含量的影响很小，比传统的动压型干气密封的不允许带液，有了更宽广的应用范围，同时也可以大大简化传统干气密封配套控制系统的配置，去掉过滤单元、除液单元、加热单元等部分，成本大幅降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构剖面图；
图2为本发明的静环密封端面的结构示意图；
图3为本发明的对称型槽型结构示意图；
图4为本发明的非对称型槽型结构示意图；
图5为本发明的作为串联式密封的结构示意图。
附图标记说明：
1、六角头螺栓；10、密封圈一；11、密封圈二；12、密封垫；13、密封圈三；2、动环；3、静环；30、通气孔；31、环形槽一；32、内径侧密封坝；33、外径侧密封坝；34、环形槽二；4、静环座；5、轴套；6、弹簧；9、防转销；100、流动动压槽。
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至图5，本发明提供技术方案：
实施例1
一种动静压组合型气膜密封装置，包括动环2、静环3、静环座4、轴套5、密封件、弹簧6和六角头螺栓1，所述动环2通过六角头螺栓1固定在所述轴套5上，随所述轴套5一起随轴转动；
所述动环2和轴套5之间设置密封垫12，所述动环2内径和轴配合处设置密封圈三13；
所述静环3上设置防转销孔，所述静环座4上设置防转销9，所述防转销9放置在所述静环3上的防转销孔内，可以防止所述静环3转动；
所述静环座4上径向开设用于通入隔离气体的进气口A，所述静环座4上轴向开设有环形槽二34，所述静环3放置在环形槽二34内，所述静环3与静环座4配合处设置密封件，密封件包括密封圈一10和密封圈二11，起密封作用；
两道所述密封圈一10和密封圈二11形成的密闭空间内周向均匀分布若干弹簧6，避免杂质进入到弹簧6内部。
密封圈一10设置在静环3内径处主要作用是阻止密封气泄漏至大气侧，密封圈二11设置在静环3外径处主要是为了防止密封气与介质气互窜。在密封圈一10和密封圈二11形成的密闭空间内周向均匀分布若干弹簧6，可以有效避免杂质进入到弹簧6内部，最大程度上保护了弹簧6的缓冲力。工作状态下，动环2在弹簧6的缓冲力和通入隔离气体形成的压力共同作用下趋近于静环3运动，和静环3之间形成密封面起到密封作用，动环2密封面可为光滑面，也可开设动压槽。其中动环2与静环3之间的间隙只有10微米左右，相较于迷宫密封的500微米间隙量级和碳环密封100微米间隙量级，动环2与静环3相对运动时更有利于气膜的形成，并且泄漏量大大降低
进一步地，所述静环3轴向开有若干通气孔30，所述通气孔30对应的端面上开设有环形槽一31，所述环形槽一31深度在0.5~2mm，所述环形槽一31内外侧密封端面部分分别为外径侧密封坝33和内径侧密封坝32。
进一步地，所述静环3端面开设流动动压槽100，且流动动压槽100呈机翼形、梯形、半圆形中任意一种设计，所述流动动压槽100根据使用工况设置为双向槽和单向槽。
进一步地，所述流动动压槽100形状分为对称型和非对称型，对称型槽型能够满足双向旋转设备使用。
进一步地，隔离气体由进气口A进入静环座4内部，从所述静环3背面流经静环3内部通气孔30中，在所述静环3端面环形槽一31内汇集，分别通过外径侧密封坝33和内径侧密封坝32，泄漏至外径工艺气体侧和内径大气侧，形成气膜，实现对工艺气体的密封作用。
进一步地，所述通气孔30截面设计为梯形截面、倒梯形截面，根据使用工况的不同，调节气体到达端面的流体压力，控制密封间隙尺寸，并防止杂质颗粒进入密封端端面间隙。
进一步地，所述动环2和所述静环3均可以采用高硬度不锈钢、不锈钢表面堆焊硬质合金、不锈钢表面喷涂高硬度陶瓷制备，精加工至平面度0.3~0.6微米。
为了增强运转时的气膜刚度，外径侧密封坝33和内径侧密封坝32上可以开设流动动压槽100，流动动压槽100在密封间隙形成流体的收敛、发散流动，形成流体动压效应，提高润滑气膜的刚度和承载能力，完成润滑增效作用。根据工况需求，流动动压槽100的槽型有多种形式可以选择，如机翼形动压槽，开设的动压槽形状分为对称型和非对称型，对称型槽型能够满足双向旋转设备的使用要求；非对称形成动压槽可有效提高气膜的压力峰值，提高润滑膜的承载能力与稳定性。流动动压槽100的槽型在径向上增加收敛角的数量，有效控制润滑气膜厚度，在保证润滑效果的前提下控制泄漏流量。动压槽的结构设置能够引导气体的均匀分布，减小对于密封动环的冲击。特别是在周向上完成流体的引流和提高局部气体压力，缓解启停过程中气体对于密封环的冲击。
端面开启力由气体静压力和气体动压力两部分组成。密封静止状态时，隔离气通过静环座4上的进气口A，进入到密封内部，再通过通气孔30进入到流动动压槽100内，在密封面处形成1-2微米的气膜，实现端面的非接触状态。密封运转过程中，依靠一定的转速，密封面处的气膜达到10微米作用，因此在启动和停止过程中，端面处于非接触状态，动静环没有固相摩擦，有效避免了磨损问题。
由于在任何时刻均不存在动静摩擦副间的固相磨损，因此，对于动环2和静环3材质的要求大大降低，动环2和静环3材料均可以采用表面静加工至平面度0.3~0.6微米高硬度不锈钢、不锈钢表面堆焊硬质合金、不锈钢表面喷涂高硬度陶瓷等材料制作，相较于目前常用的干气密封动静环材质，例如硬质合金、陶瓷类、石墨类等材质，具有价格低、制造容易、韧性好、强度高、弹性模量大等优势，更能适用于高速、高压、大轴径、高低温环境等高参数工况条件下。
动环2和静环3端面间的气体静压力构成了大部分的开启力，因此开启力受气体中液体含量的影响很小，比传统的动压型干气密封的不允许带液，有了更宽广的应用范围，同时也可以大大简化传统干气密封配套控制系统的配置，去掉过滤单元、除液单元、加热单元等部分，成本大幅降低。所述的气膜密封装置可以替代充气式碳环密封和迷宫密封，以及单端面干气密封、双端面干气密封。
实施例2
如图5所示，该气膜密封装置采用单独使用与串联式使用两种方式，串联式使用时，进气口A设计为三组分别为进气口B、排气口C、进气口D，进气口B通入一级密封隔离气，进气口D通入二级密封隔离气，排气口C为一级泄漏气出口。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种动静压组合型气膜密封装置，包括动环（2）、静环（3）、静环座（4）、轴套（5）、密封件、弹簧（6）和六角头螺栓（1），其特征在于：所述动环（2）通过六角头螺栓（1）固定在所述轴套（5）上，随所述轴套（5）一起随轴转动；
所述动环（2）和轴套（5）之间设置密封垫（12），所述动环（2）内径和轴配合处设置密封圈三（13）；
所述静环（3）上设置防转销孔，所述静环座（4）上设置防转销（9），所述防转销（9）放置在所述静环（3）上的防转销孔内，可以防止所述静环（3）转动；
所述静环座（4）上径向开设用于通入隔离气体的进气口A，所述静环座（4）上轴向开设有环形槽二（34），所述静环（3）放置在环形槽二（34）内，所述静环（3）与静环座（4）配合处设置密封件，密封件包括密封圈一（10）和密封圈二（11），起密封作用；
两道所述密封圈一（10）和密封圈二（11）形成的密闭空间内周向均匀分布若干弹簧（6），避免杂质进入到弹簧（6）内部。
2.根据权利要求1所述的一种动静压组合型气膜密封装置，其特征在于：所述静环（3）轴向开有若干通气孔（30），所述通气孔（30）对应的端面上开设有环形槽一（31），所述环形槽一（31）深度在0.5~2mm，所述环形槽一（31）内外侧密封端面部分分别为外径侧密封坝（33）和内径侧密封坝（32）。
3.根据权利要求1所述的一种动静压组合型气膜密封装置，其特征在于：所述静环（3）端面开设流动动压槽（100），且流动动压槽（100）呈机翼形、梯形、半圆形中任意一种设计，所述流动动压槽（100）根据使用工况设置为双向槽和单向槽。
4.根据权利要求3所述的一种动静压组合型气膜密封装置，其特征在于：所述流动动压槽（100）形状分为对称型和非对称型，对称型槽型能够满足双向旋转设备使用。
5.根据权利要求4所述的一种动静压组合型气膜密封装置，其特征在于：隔离气体由进气口A进入静环座（4）内部，从所述静环（3）背面流经静环（3）内部通气孔（30）中，在所述静环（3）端面环形槽一（31）内汇集，分别通过外径侧密封坝（33）和内径侧密封坝（32），泄漏至外径工艺气体侧和内径大气侧，形成气膜，实现对工艺气体的密封作用。
6.根据权利要求5所述的一种动静压组合型气膜密封装置，其特征在于：所述通气孔（30）截面设计为梯形截面、倒梯形截面，根据使用工况的不同，调节气体到达端面的流体压力，控制密封间隙尺寸，并防止杂质颗粒进入密封端端面间隙。
7.根据权利要求6所述的一种动静压组合型气膜密封装置，其特征在于：所述动环（2）和所述静环（3）均可以采用高硬度不锈钢、不锈钢表面堆焊硬质合金、不锈钢表面喷涂高硬度陶瓷制备，精加工至平面度0.3~0.6微米。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种动静压组合型气膜密封装置，其特征在于：该气膜密封装置采用单独使用与串联式使用两种方式，串联式使用时，进气口A设计为三组分别为进气口B、排气口C、进气口D，进气口B通入一级密封隔离气，进气口D通入二级密封隔离气，排气口C为一级泄漏气出口。
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