CN202867851U - 带自支承型中间差速环的机械密封装置 - Google Patents

Abstract

带自支承型中间差速环的机械密封装置，在可随旋转轴转动的旋转环和位于静止环座上的静止环的相对密封端面之间，设置有两侧轴向端面分别与旋转环和静止环的密封面作密封配合并具有转速差的中间环结构。中间环结构中包括有中间环本体和环状布置连接在其外圆柱面上的磁性结构体，在与该环状布置的磁体结构间隔相对的静止环座的对应圆周部位，设有至少带有两组间隔布置的电磁线圈绕线槽的定子组件，中间环本体经其内孔面空套于随旋转轴同步转动的轴套之外。该密封装置不仅能实现密封端面的相对转速可调控，使被密封机组转速不直接决定密封端面的相对转速，还解决了中间环需单独支承和单独驱动件驱动的问题，同时消除了两级或多级密封时的相互干涉，降低了安装误差、振动、工作变形等的影响，使高速接触式/低速非接触式机械密封都更为稳定。

Description

带自支承型中间差速环的机械密封装置

技术领域

本实用新型涉及在旋转轴机械密封技术领域中的一种带有中间差速环结构的机械密封装置，可适用于压缩机、泵、反应釜、搅拌器等旋转式机械旋转轴间的端面密封。

背景技术

    流体端面机械密封装置中的核心构件，是面对面设置的旋转环（旋转环）和静止环（静止环），通过其轴向相对端的密封面直接接触或小间隙分离实现介质的密封（即端面密封）。传统机械密封的旋转环与被密封机组的旋转轴固连而保持为同步旋转，静止环则周向固定在机座（静止环座）上，因此动/静环密封端面间的相对转速，即为被密封机组旋转轴的转速。由于其两密封面之间的相对转速完全由被密封机组的旋转轴的转速决定，无法进行调控，使得密封面间的相对转速会严重影响密封的正常使用，特别是影响高速和低速机组轴向端面密封的稳定性。例如：接触式机械密封在高速状态下密封面间的相对转速过高，会导致密封面产生严重的摩擦、磨损、发热、变形等现象，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，导致了无法保证密封面的正常分离及间隙的稳定性。此外，当被密封机组旋转轴速度波动时，特别是启、停时，密封面间的接触状况更会急剧恶化。

为此，中国专利公开号CN101806362A和公告号CN201772069U中，公开了一种通过在旋转环和静止环之间设置了具有旋转差速的中间旋转环的方式，可以改变机械密封中两密封面之间的相对转速，并使其密封面的相对转速可调控。在该结构中，所说的中间旋转环的结构、支承及转速的调整和控制是实现其功能的关键。

在201220148219.2号专利中，本申请人曾在此基础上提出了一种带中间差速环的机械密封装置，由具有主驱动轴的行星轮系变速单元驱动该中间环旋转。由于其对中间环的驱动始终需由一个单独的动力源并经一系列机械传动，来带动同样需要进行独立支承的中间环旋转，因而其虽可保证单级密封的实现，但在对两级或有更多级密封时，在各级密封驱动件之间会出现难以消除的相互干涉。此外，由于对中间环的支承，以及其驱动/传动件的结构较为复杂，驱动件和轴承等结构部件的安装误差、运转过程中的振动、工作变形等，都会刚性地传入中间环，也是影响其工作稳定性的不可忽视因素。

实用新型内容

    针对上述情况，本实用新型提供了一种带自支承型中间差速环的机械密封装置，特别是通过电磁作用原理实现中间差速旋转环的自支承和转速调控的机械密封装置，简化了结构，并可以有效消除各级密封之间的相互干涉，提高了在较高/较低转速以及频繁启停型机组密封的使用寿命。

    本实用新型带自支承型中间差速环的机械密封装置，其基本结构同样是在可随旋转轴转动的旋转环和位于静止环座上的静止环的相对密封端面之间，设置有其两侧轴向端面分别与旋转环和静止环的密封面作密封配合并具有转速差的中间环结构。所说的中间环结构中，包括有中间环本体和以环状方式布置连接在其外圆柱面上的磁性结构体；在与该环状布置的磁体结构间隔相对的静止环座的对应圆周部位，相应设有至少带有两组间隔布置有用于设置电磁线圈绕组的绕线槽的定子组件。所说该中间环本体，经其内孔面空套于随旋转轴同步转动的轴套之外，使其可相对于随旋转轴转动的轴套外圆柱面能产生轴向的移动和径向的偏心。所说定子组件绕线槽中的电磁线圈绕组，可以与直流或交流电源连接，其中优选为使用三相交流电，绕线槽中的电磁线圈绕组则相应采用能与三相交流电匹配的三相绕线组。

本实用新型上述机械密封装置中该中间差速旋转环的自支承和旋转，是通过与电动机电磁能量转换的同样原理实现的：在静止环座的圆周部位的定子组件中间隔布置的电磁线圈绕组中以旋转方式依次通入电流后产生的旋转磁场，作用于中间环本体外圆柱面上环状方式布置连接的磁性结构体，即可驱动中间环本体旋转，并带动空套于旋转轴轴套之外的中间环结构，自动处于悬浮空套于轴套外的状态旋转运行。改变定子通入组件中绕线组的电流强度或频率，即可实现对中间旋转环转速的调整和控制。

在应用电磁转换原理的电动机中，目前可有永磁驱动和电励磁驱动之分。永磁驱动机构是由永磁体建立励磁磁场，实现机电能量转换的装置。随着永磁材料性能的不断提高，特别是稀土永磁材料，加工工艺的进一步完善以及控制技术的发展，永磁驱动的应用范围越来越广，并向更高水平发展。相对于电励磁驱动机构，永磁驱动机构具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点，且尺寸和结构形式灵活多样，可以拓扑出很多种结构形式。由于永磁驱动机构取消了电励磁系统，从而提高了驱动机构的效率，并使得结构简单，运行可靠，可以实现电励磁驱动机构难以达到的高性能。因此，本实用新型上述结构中所说的磁性结构体优选为永磁材料结构体，并更特别优选为钐钴或钕铁硼材料结构体。

为方便进一步对附加结构的设置，便于对零部件的精加工，以及一定程度上减小中间环本体的径向尺寸，上述的机械密封装置中，在所说随旋转轴同步转动的轴套上，还可以进一步固定有旋转套筒，所说的中间环本体则经其内孔面以具有所说径向单边间隙的方式空套于该旋转套筒的外圆柱面之外。

考虑到实际生产中的表面加工粗糙度和圆柱度误差等因素、材料的热膨胀性差异、装配过程和受力不均匀的影响，以及中间环本体在旋转时径向受动压力的可浮动情况，上述结构中所说空套于该旋转轴套或旋转套筒外圆柱面之外的径向单边间隙，可优选为0.001~0.2毫米。试验显示，过大的间隙会不同程度减小旋转所产生的动压力，并会增大径向颤震的可能性和幅度。

上述结构中所说以环状方式布置连接在中间环本体外圆柱面上的磁性结构体，可以直接连接在中间环本体外圆柱面上。但为减少和抵消设置在中间环本体外圆柱面上该磁性结构体在随中间环结构旋转、特别是高速旋转时所产生的离心应力带来的不利影响，甚至在高速旋转时可能发生的爆裂，优选采用使所说的磁性结构体经导磁性的保护结构设置在中间环本体外圆柱面上的方式。

所说的保护结构可以为多种形式的辅助性加强或加固结构。例如，一种可选择的方式，是由两个以内孔面过盈装配于中间环本体外圆柱面上并径向扩展的平面盘，并与在其径向外侧端呈圆柱面形式的封闭套所形成的腔体结构，所说该磁性结构体则可以间隙式轴向装配在该两平面盘之间，并配合于封闭套的内孔面侧。为保证电磁传导，其中至少该封闭套应具有导磁性，以保证其以电磁方式正常工作。

上述所说的由轴向间隔的两个平面盘及其径向外侧端圆柱面形式的封闭套所构成的腔体型保护结构，可以是整体型的腔体结构，更优选的是使其中的封闭套与其两侧的平面盘以间隙式轴向装配，其间并经传动销等方式传动连接的装配式腔体结构。

在上述结构基础上，在所说的中间环本体的内孔面与旋转轴套或转旋套筒的外圆柱面之间的相对配合面中，至少一侧的配合面上以环绕其周面的等间距方式分布有凹入其表面内的浅槽。这里所说的浅槽，可以按目前在密封端面上开设浅槽的同样或类似方式设置，浅槽的深度也可按通常方式，优选为0.001~0.2毫米。浅槽的形式同样也可以在如常用的直线槽、斜线槽、螺旋槽、圆孤槽、人字槽、T形槽等中选择。

根据计算以及试验结果显示，一般情况下，所说的上述圆柱配合面之间相对旋转时产生的流体动压力，在一定范围内会随浅槽设置数量的增多而相应增加。例如，当浅槽的开设数量≤8个时，流体动压力会随浅槽数量的增大而迅速增加；当浅槽数量继续增多到12个以上后，流体动压力随浅槽数量的增大只有较小的增加；当浅槽数量多于20个以后，浅槽数量的增大对流体动压力的影响已非常微弱。因此，所说在中间环本体的内孔面和/或，轴套或转旋套筒的外圆柱面上所说的等间距分布的浅槽数量，优选为6~24个。

所说在中间环本体的内孔面和/或，轴套或转旋套筒的外圆柱面间相对配合面上所说的浅槽，可以为以贯穿其两侧端面的贯通槽方式设置；也可以为由其配合面的两侧端面向位于其轴向宽度对称中心线部位的圆周隔挡结构延伸的非贯通槽形式。其中，以所说位于圆周隔挡结构的轴向两侧方式设置非贯通槽时，更优选的是采用在圆周隔挡结构的轴向两侧对称分布的形式。

    本实用新型上述带自支承型中间差速环的机械密封装置，通过电磁能量转换的原理和流体动压原理，既实现了使中间差速环的自支承，同时又实现了对中间差速环的驱动和转速的调控，而且解决了目前对中间环需解决的单独支承和单独驱动件驱动问题，也解决了在进行两级或多级密封时其驱动和传动间的相互干涉，以及其因安装误差、振动、工作变形等刚性传入中间环所不可避免带来的影响，使高速接触式机械密封和低速非接触式机械密封都能具有更高的稳定性。

以下结合由附图所示实施例的具体实施方式，对本实用新型的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本实用新型上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本实用新型的范围内。

附图说明

    图1是本实用新型带自支承型中间差速环的机械密封装置的一种结构示意图。

图2是图1中中间环结构的一种放大结构示意图。

图3是中间环本体与其外侧结构的圆周配合面间设置内凹浅槽的一种结构示意图。

图4是图1中静止环座上与中间环结构对应圆周部设置的一种定子组件的示意图。

具体实施方式

    如图所示的是本实用新型带自支承型中间差速环的机械密封装置的一种结构形式。该密封装置主要由旋转环1、具有转速差的中间环结构2、定子组件3、静止环4、静止环座5、防转销6、弹簧7、推环8、卡环9、公差环10、轴套11等构成。

中间环结构2设置在旋转环1与静止环4之间，其左端面211与旋转环1的右端面呈面对面设置，形成第一组密封面；右端面212与静止环4的左端面呈面对面设置，形成第二组密封面。定子组件3设置在中间环结构2的径向外侧，以间隔相对的方式固定连接在静止环座5上。定子组件3由定子冲片沿轴向叠压而成，沿其圆周布置有数组至数十组用于设置能与三相交流电匹配的三相电磁线圈绕组的绕线槽301。转子套筒205由径向的公差环10胀紧在轴套11上，其轴向左侧的端面209与旋转环右侧面接触进行定位，右侧端面206由卡环9限位。

中间环结构2中，包括有中间环本体204，优选为钐钴或钕铁硼材料的永磁体201，为圆柱面形式的铁磁材料封闭套202，和以轴向间隔方式过盈装配于中间环本体204外圆柱面上的两个径向扩展平面盘203。两平面盘203在封闭套202的两侧端面部，分别以间隙为0.01~0.2毫米的非接触式轴向装配，并经两侧的传动销214与封闭套202传动连接，形成对永磁体201的腔体式保护结构。永磁体201在该保护结构中，两侧面以同样的小间隙非接触式装配于两平面盘203之间，并以其外圆柱面与封闭套202的内孔面过盈配合或间隙配合连接。中间环本体204的内孔面208以径向单边间隙h为0.001~0.2毫米的方式空套在转子套筒205的外圆柱面210上。中间环本体204、连接于其外周面由封闭套202、平面盘203构成的保护结构，以及设置于该保护结构中的永磁体201，即构成可以围绕旋转轴207的共同轴线旋转的整体型中间环结构2。

试验显示，永磁体201的外圆柱面与封闭套202的内孔面以过盈配合或间隙配合时，过盈配合时的过盈量宜不大于30微米，间隙配合时的间隙值宜不大于100微米。由于封闭套202与永磁体201的外圆柱面形成配合，该配合当旋转时的离心应力大于介质压应力时为过盈配合，并由此产生一定的预应力，以抵消永磁体201旋转时产生的离心应力，从而防止高速旋转时永磁体201爆裂；当离心应力小于介质压应力时为间隙配合，此时封闭套202在介质压力作用下径向收缩，最终与永磁体201的外表面接触，并形成一定的压应力，以抵消永磁体201旋转时产生的离心应力。

在中间环本体204的内孔面208和/或转旋套筒205外圆柱面210中，可以按照目前在端面密封的密封面上的同样方式，环绕其相对配合周面等间距地分布有6~24个凹入表面内0.001~0.2毫米的直线槽、斜线槽、螺旋槽、圆孤槽、人字槽、T形槽等形式的浅槽215。该浅槽可以为贯穿其配合周面两侧端面的贯通式槽，也可以是如图3所示的方式，为由其配合面的两侧端面向其轴向宽度的对称中心线213部的圆周隔挡结构（坝）217延伸的非贯通斜线槽，各周向相邻的浅槽215间，经相应的堰216相互分隔。圆周隔挡结构217轴向两侧的各非贯通槽，以对称形式分布于圆周隔挡结构217的轴向两侧。

在上述密封装置的工作过程中，被密封机组旋转轴207的转速为n₁，中间环结构2的转速为n₂。旋转环1的转速与旋转轴207的转速同为n₁，则旋转环1与中间环结构2所构成密封面的相对转速为n₂±n₁，中间环结构2与静止环4的构成密封面的相对转速为n₂。n₁不可变，但n₂可以根据需要，通过调整定子组件3 中绕线组的电流强度进行调整，就可以改变中间旋转环的转速，从而实现对两组密封面间的相对转速进行调控，而不受被密封机组旋转轴207转速的影响。

例如，本实施例中如密封面的相对转速最佳范围为8000~12000 rpm，正常工作转速为1000 rpm，下面分别就几种工况对两密封面的相对转速进行计算。

（一）被密封机组旋转轴207停止，即机组停车，此时n₁=0rpm。

传统机械密封则此时的密封面相对无转动，因而其在启/停过程中可能对密封造成剧烈的摩擦磨损。在本实施例中，可直接调整中间环结构2的转速为n₂=10000 rpm，则第一组密封面的相对转速为n₂±n₁=10000 rpm，第二组密封面的相对转速为n₂ =10000 rpm，密封面相对转速均在最佳范围内。

（二）被密封机组旋转轴207启动或停车过程中，此时n₁=100rpm。

传统机械密封中此时的密封面相对转速即为100rpm。在本实施例中，可直接调整中间环结构2的转速为n₂=10000 rpm，则第一组密封面的相对转速为n₂+n₁=10100 rpm，n₂-n₁=9900 rpm，第二组密封面的相对转速为n₂ =10000 rpm，密封面相对转速均在最佳范围内。

（三）被密封机组旋转轴207在正常工作状态下，此时n₁=1000rpm。

传统机械密封此时的密封面相对转速即为1000rpm。在本实施例中，可直接调整中间环结构2的转速为n₂=10000 rpm，则第一组密封面的相对转速为n₂+n₁=11000 rpm，n₂-n₁=9000 rpm，第二组密封面的相对转速为n₂ =10000 rpm，密封面相对转速均在最佳范围内。

以上实施例只以单级密封的结构及其工作过程，对本实用新型的密封装置进行说明。在实际使用过程中，密封总体布局根据需要，还可以在本实用新型上述结构的基础上进行适当变化，实现如单端面密封、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），还可以和浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封型式组成相应的组合式密封。

Claims (10)

1.带自支承型中间差速环的机械密封装置，在可随旋转轴转动的旋转环（1）和位于静止环座（5）上的静止环（4）的相对密封端面之间，设置有两侧轴向端面分别与旋转环（1）和静止环（4）的密封面作密封配合并具有转速差的中间环结构（2），其特征是中间环结构（2）中包括有中间环本体（204）和以环状方式布置连接在其外圆柱面上的磁性结构体（201），在与该环状布置的磁体结构（201）间隔相对的静止环座（5）的对应圆周部位，相应设有至少带有两组间隔布置的用于设置电磁线圈绕组绕线槽（301）的定子组件（3），中间环本体（204）经其内孔面（208）空套于随旋转轴（207）同步转动的轴套（11）之外。

2.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是所说在随旋转轴同步转动的轴套（11）上固定有旋转套筒（205），中间环本体（204）经其内孔面（208）以具有径向单边间隙（h）的方式空套于旋转套筒（205）的外圆柱面（210）之外，径向单边间隙（h）优选为0.001~0.2毫米。

3.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是所说的磁性结构体（201）经导磁性的保护结构设置在中间环本体（204）外圆柱面上。

4.如权利要求3所述的机械密封装置，其特征是所说的保护结构为由以内孔面过盈装配于中间环本体（204）外圆柱面上径向扩展的两个平面盘（203），和在其径向外侧端圆柱面形式的封闭套（202）所形成的腔体结构，磁性结构体（201）以间隙式轴向装配在该两平面盘（203）之间，并配合于封闭套（202）的内孔面侧，至少该封闭套（202）具有导磁性。

5.如权利要求4所述的机械密封装置，其特征是所说的封闭套（202）与其两侧的平面盘（203）间隙式轴向装配，其间经传动销（214）传动连接。

6.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征是所说的磁性结构体（201）为永磁材料结构体，优选为钐钴或钕铁硼材料结构体。

7.如权利要求1至6之一所述的机械密封装置，其特征是在所说的中间环本体（204）的内孔面（208）与轴套（11）或转旋套筒（205）的外圆柱面（210）之间的相对配合面中，至少一侧的配合面上以环绕其周面的等间距方式分布有凹入其表面内的浅槽（215），包括直线槽、斜线槽、螺旋槽、圆孤槽、人字槽、T形槽中的任一种。

8.如权利要求7所述的机械密封装置，其特征是所说中间环本体（204）的内孔面（208）和/或轴套（11）、转旋套筒（205）的外圆柱面（210）间相对配合面上所说的等间距分布的浅槽（215）数量为6~24个。

9.如权利要求7所述的机械密封装置，其特征是所说中间环本体（204）的内孔面（208）和/或轴套（11）、转旋套筒（205）的外圆柱面（210）间相对配合面上的浅槽（215）为贯穿其两侧端面的贯通式槽。

10.如权利要求7所述的机械密封装置，其特征是所说中间环本体（204）的内孔面（208）和/或轴套（11）、转旋套筒（205）的外圆柱面（210）间相对配合面上的浅槽（215），为由其配合面的两侧端面向位于其轴向宽度对称中心线（213）部位的圆周隔挡结构（217）延伸的非贯通槽，位于所说该圆周隔挡结构（217）的轴向两侧非贯通槽，优选为在圆周隔挡结构（217）的轴向两侧对称分布。

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