CN201772069U - 中间旋转环机械密封装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种中间旋转环机械密封装置，其特征是：在机械密封静止环(1)和旋转环(4)之间增加中间旋转环(2)，该中间旋转环(2)的转速可通过中间旋转环驱动件(3)调控，可高于或低于被密封机组转轴的转速，该中间旋转环(2)的两侧面都为密封端面。其优点是：与传统机械密封相比，被密封机组转轴的转速不再决定该机械密封端面间的相对旋转速度，可使低(高)转速机组密封端面间具有较高(低)的相对旋转速度，使不同转速的机组都能保持一个合理的端面相对旋转速度。本实用新型适用于各种旋转机械的轴端密封装置，尤其是低转速和高转速机组的密封装置。

Description

中间旋转环机械密封装置 

技术领域

本实用新型属于旋转机器的轴端密封，特别涉及一种中间旋转环机械密封装置，此中间旋转环机械密封装置可用于各种型式的压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜等旋转类机器的轴端密封。 

背景技术

机械密封广泛应用于众多的旋转机械轴端，因其工作状况的复杂性，对机械密封的深入研究将是一个长期、艰巨而又必须不断推进的过程，特别是高速和低速机组轴端密封的稳定性，始终是困扰研究人员的两个难点问题。具体表现在：接触式机械密封在高速状态下密封面间相对转速过高，导致密封面摩擦、磨损、发热、变形等现象严重，密封性能迅速下降，甚至不能正常工作；而非接触式机械密封在低转速状态下端面间流体膜不能生成足够的开启力和刚度，无法保证密封面的正常分离及间隙的稳定性。因此，很有必要研究一种密封面相对转速可调控的机械密封技术，一方面降低高速接触式机械密封端面的相对转速，另一方面提高低速非接触式机械密封端面的相对转速，使不同的机械密封都能够工作在一个合理的转速范围内，从而增加密封的稳定性，延长其使用寿命。 

对于高转速接触式机械密封，为了降低密封面摩擦、磨损、发热、变形等严重现象，主要通过有以下一些应对措施： 

(1)摩擦副材料研究 

常用的摩擦副硬环面材料有：硬质合金、陶瓷、特殊钢、铸造金属这几大类，而其中又以硬质合金和陶瓷类材料使用较多，实用中以碳化硅、氮化硅、碳化钨居多。特别的是，近年来有研究报道金刚石材料在密封中的应用，少数公司已计划开发超纳米晶体金刚石技术密封端面。常用的摩擦副软环面有：碳石墨、铜合金、树脂，其中碳石墨以其良好的自润滑性、耐腐蚀性、易加工性和较好的传热性成为使用率最高的常用的软环面材料。 

(2)密封体特别是动、静环散热状况研究 

主要采取：选用散热性好的材料、改善密封的冲洗条件、优化设计密封结构等措施。因受密封相关介质流量(冲洗量)大小的限制，多数密封中热量无法通过大幅增加流体流量来带走，而摩擦副因受耐腐蚀、低摩损等其它条件的约束，很难同时找到动静环散热性都非常好的材料配对，因此，此方向的研究只能在一定程度上提高密封的稳定性，难以摆脱高转速的根本性影响 

摩擦副材料研究受材料技术的限制，目前尚不能根本改善高速状况密封的稳定性，但其效果随着研究的深入在不断推进。 

对于非接触式机械密封，以等槽深螺旋槽和“T”形槽端面密封最为典型。如何增强端面流体动压效应，以增大端面流体膜承载能力和流体膜刚度，从而提升密封运行稳定性，延长使用寿命，拓展密封运用场合是非接触式机械密封研究和未来发展的一个主要方向。而配对的密封端面间的相对旋转速度是影响端面流体膜承载能力和流体膜刚度的一个关键因素，端面流体膜承载能力和流体膜刚度基本跟端面间相对旋转速度呈线性正比关系变化。一直以来由于思维定势的影响和机组条件的限制，并未出现脱离被密封机组转速来寻找合适的密封端面相对旋转速度的研究报道和实用产品，这使一些转速较高和较低机组的轴端密封稳定性和寿命显著降低，特别是低转速机组。目前的研究仍主要集中在密封端面槽型及其参数的优化上。 

中国专利02146449.9公开了一种双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，如图1所示。其特征是：螺旋槽的上游即高压侧更宽、下游即低压侧更窄，且螺旋槽的深度从上游即高压侧到 下游即低压侧逐渐变浅，从而形成一种三维收敛形螺旋槽。该双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置可获得更大的流体膜刚度，但其倾斜的槽底加工非常困难。 

中国专利02132978.8公开了一种由角形微槽族组成的螺旋槽端面机械密封，如图3所示。该角形微槽走向与螺旋槽方向一致，该密封端面浅槽结构显得比较复杂，因该角形微槽沿螺旋槽走向分布，且不存在明显的收缩形状，难以大幅提升端面流体膜刚度。 

根据目前的密封端面槽型，螺旋槽是一种具有最大流体膜承载能力和流体膜刚度的槽型结构，但对于转速较低的机组，因其过低的端面相对旋转速度，已成影响其端面流体动压效应强弱的瓶颈，端面槽型的优化已难以从根本上改善流体动压的形成。 

综上所述原因，设计出一种中间旋转环机械密封装置，该中间旋转环机械密封装置能使不同转速机组密封端面都能获得一个合适的相对旋转速度，从而摆脱被密封机组转速对密封性能的影响，提升较高(低)转速机组密封的使用寿命。 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种中间旋转环机械密封装置，该机械密封装置能适应更大转速范围的机组，特别是高(低)转速机组。 

本实用新型的目的是这样实现的：一种中间旋转环机械密封装置，由带有密封端面的静止环1、带有密封端面的中间旋转环2、带有密封端面的旋转环4和其它相关零件组成，静止环1与中间旋转环2、中间旋转环2与旋转环4的密封端面呈面对面安装，密封面之间可直接贴合，也可以一个很小的间隙分离。其特征是：在静止环1和旋转环4之间放置有转速可调控的中间旋转环2。 

本实用新型主要采用以下技术措施来实现： 

所述中间旋转环机械密封装置的密封面相对转速是可调控的，被密封机组的转速不直接决定密封端面的转速。 

所述中间旋转环机械密封装置的密封面相对转速的调控是通过调整中间旋转环2的旋转速度来实现。 

所述中间旋转环机械密封装置的布置可以是只有一个中间旋转环2的单级密封，也可以是由两个以上中间旋转环2及其配对的环体组成的串联式密封或双端面密封。 

所述中间旋转环机械密封装置可以是接触式或非接触式。 

所述中间旋转环机械密封装置的端面上可根据需要设置流体动压槽。 

本实用新型具有以下特点： 

1.密封端面相对转速可调控； 

2.被密封机组转速不直接决定密封端面相对转速； 

3.使高速接触式机械密封和低速非接触式机械密封具有更高的稳定性。 

附图说明

图1、2是中国专利02146449.9公开的一种双螺旋角三维螺旋槽端面结构示意图。 

图3是中国专利02132978.8公开的一种由角形微槽族组成的螺旋槽端面结构示意图。 

图4是本实用新型中间旋转环驱动方式为接触式，且驱动位置位于环体外径侧的一种结构示意图。 

图5是本实用新型中间旋转环驱动方式为接触式，且驱动位置位于环体内径侧的一种结构示意图。 

图6是本实用新型中间旋转环驱动方式为非接触式的一种结构示意图。 

图7是本实用新型端面浅槽位于中间旋转环两侧端面上的一种结构示意图。 

图8是本实用新型端面浅槽位于的一种结构示意图。 

图9是本实用新型端面浅槽位于中间旋转环和跟中间旋转环一侧端面配对的环面上的一种结构示意图。 

附图中符号含义如下： 

R₁——端面流体动压槽内半径。 

R₂——端面流体动压槽外半径。 

h₁——端面流体动压槽高压侧槽深度。 

h₂——端面流体动压槽低压侧槽深度。 

S_α1——端面流体动压槽主槽壁型线。 

S_α2——端面流体动压槽副槽壁型线。 

a——端面有槽区。 

b——密封堰。 

c——密封坝。 

ω₁——旋转环旋转角速度。 

H——上游(高压侧)。 

L——下游(低压侧)。 

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型进行分析。 

本实用新型具体实施种类繁多，在此根据中间环驱动方式、驱动位置及端面设置流体动压槽的位置不同举例分析说明。 

实施例1：参阅图4 

图4是本实用新型实施例1的结构示意图。该中间旋转环机械密封装置包括静止环1、中间旋转环2、中间旋转环驱动件3、旋转环4、“O”形圈5、轴套6、公差环7、压紧套8、推环9、弹簧10、防转销11、静环座12等。本实施例的特点是：中间旋转环跟驱动件3直接接触，并被驱动，且驱动位置处于密封端面的外径侧。 

根据图4，中间旋转环跟动力源相连，并在外径侧直接驱动中间旋转环，中间旋转环的转速受驱动件3动力源转速和其中间变速机构影响。静止环1、中间旋转环2和旋转环4呈面对面同轴线安装。旋转环通过轴套6、公差环7、压紧套8跟被密封轴周向固定在一起，并使用“O”形圈5防止接触表面间泄漏的发生，静止环通过推环9、弹簧10、防转销11、跟静环座12周向固定在一起，中间旋转轴向放置于旋转环和静止环之间，静止环与中间旋转环之间形成一组密封端面F₁，中间旋转环与旋转环之间形成另一组密封端面F₂。被密封机组主轴转速等于旋转环转速为ω₁，中间旋转环转速为ω₂。 

两密封端面间或相对旋转速度可计算如下： 

ω_F1＝ω₂                      (1)式 

ω_F2＝|ω₁±ω₂|               (2)式 

ω_F1，ω_F2分别表示密封端面F₁，F₂间的相对旋转速度。 

对于低转速机组： 

假定：ω₁＝50(rpm) 

因中间旋转环2的转速可变，可将其调整为：ω₂＝10000(rpm) 

则： 

由(1)式：ω_F1＝10000(rpm) 

由(2)式：ω_F2＝10050(rpm)，或ω_F2＝9950(rpm) 

可见，对于被密封轴转速仅为50(rpm)的机组，通过使用并适当调整中间旋转环2的转速，能够使其密封端面F₁，F₂都获得足够高的相对旋转速度。 

对于高转速机组： 

假定：ω₁＝16000(rpm) 

因中间旋转环2的转速可变，可将其调整为：ω₂＝8000(rpm) 

则： 

由(1)式：ω_F1＝8000(rpm) 

由(2)式：ω_F2＝8000(rpm)(取ω₁，ω₂同向) 

可见，对于被密封轴转速为15000(rpm)的机组，通过使用并适当调整中间旋转环2的转速，能够使其密封端面F₁，F₂的相对旋转速度显著下降。如果增加中间旋转环2的数量，则密封端面的相对旋转速度将进一步下降。 

以上计算中，转速的具体数值无特定意义，仅为说明加入中间旋转环后密封端面F₁，F₂间相对旋转速度的变化。 

实施例2：参阅图5 

图5是本实用新型实施例2的结构示意图。其密封结构和关键技术要求跟实施例1基本相同，主要的区别是在实施例2中，中间旋转环2的驱动位置设在内径侧，密封端面F₁，F₂间相对旋转速度的计算和变化情况跟实施例1相同。 

实施例3：参阅图6 

图6是本实用新型实施例3的结构示意图。其关键性特征是中间旋转环2和中间旋转环驱动件3不直接接触，通过非接触的方式实现中间旋转环2的驱动。密封端面F₁，F₂间相对旋转速度的计算和变化情况跟实施例1相同。 

实施例4：参阅图7 

图7是本实用新型实施例4的结构示意图。其关键性特征是：在中间旋转环2两侧端面上设置流体动压槽。密封端面F₁，F₂间相对旋转速度的计算和变化情况跟实施例1相同。 

实施例5：参阅图8 

图8是本实用新型实施例5的结构示意图。其关键性特征是：在跟中间旋转环2两侧端面配合的密封面上设置流体动压槽。密封端面F₁，F₂间相对旋转速度的计算和变化情况跟实 施例1相同。 

实施例6：参阅图9 

图9是本实用新型实施例6的结构示意图。其关键性特征是：一组密封端面的流体动压槽设置在中间旋转环2上，而另一组密封端面的流体动压槽设置在跟中间旋转环2配合的密封面上。密封端面F₁，F₂间相对旋转速度的计算和变化情况跟实施例1相同。 

在以上分析中，重点在于体现中间旋转环2的驱动方式、驱动位置、对密封面相对转速的影响，这是因为加入中间旋转环2的目的就是要调整密封端面的相对转速到合理的范围，打破被密封轴转速即为密封面相对转速的传统局面。为了更清楚地描述核心问题，以上实施例中均只涉及单级密封结构，而在实际使用过程中，密封总体布局根据需要可有多种型式如：单端面密封、双端面密封、串联式密封(两级以上)、串联带中间迷宫(两级以上)，还可跟浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封型式组成组合式密封。 

Claims (15)

1.一种中间旋转环机械密封装置，由带有密封端面的静止环(1)、带有密封端面的中间旋转环(2)、中间旋转环驱动件(3)、带有密封端面的旋转环(4)和其它相关零件组成，静止环(1)与中间旋转环(2)、中间旋转环(2)与旋转环(4)的密封端面呈面对面安装，密封端面之间可直接贴合，也可以一个很小的间隙分离，其特征是：在静止环(1)和旋转环(4)之间放置有转速可调控的中间旋转环(2)。

2.根据权利要求1所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：中间旋转环(2)的转速大于或等于零，转向跟旋转环转向同向或反向。

3.根据权利要求1所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：中间旋转环(2)的个数为大于或等于1的任一整数。

4.根据权利要求1所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：中间旋转环(2)的动力源可以是被密封机组，也可以是其它外加动力源。

5.根据权利要求1所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：中间旋转环(2)的驱动方式可以是接触式的，也可以是非接触式的。

6.根据权利要求1所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：中间旋转环(2)的驱动位置可以在内、外环面上，或中间旋转环环体的任何一个位置。

7.根据权利要求1所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：静止环(1)与中间旋转环(2)之间形成一组密封端面，中间旋转环(2)与旋转环(4)之间形成另一组密封端面。

8.根据权利要求1所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：每组密封端面中，可在一个或同时在两个端面上设置流体动压槽，或两个端面都不设置流体动压槽。

9.根据权利要求1或8所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：端面上设置的流体动压槽的槽深可以是深槽也可以是浅槽，其范围在0.1微米～3毫米之间。

10.根据权利要求1或8所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：端面上设置的流体动压槽的槽型可以是螺旋槽、圆弧槽、“T”形槽、直线槽，也可以是各种槽型的组合。

11.根据权利要求1所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：中间旋转环(2)及其两侧的静止环(1)和旋转环(4)组成一级密封。

12.根据权利要求1所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：密封的布置可以是单级密封，也可以是串联式密封或双端面密封。

13.根据权利要求1或12所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：多级密封布置中，可以是中间旋转环密封跟其它形式动密封形成的组合密封。

14.根据权利要求1所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：被密封的介质和所使用的阻塞流体可以是气体也可以是液体。

15.根据权利要求1所述的中间旋转环机械密封装置，其特征是：可以是内流式机械密封也可以外流式机械密封。 

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