CN207989740U - 可调型机械密封装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及流体密封技术领域，特别是涉及一种可调型机械密封装置，包括密封环，密封环沿密封环的周向设有多个流道；密封环上对应流道设有调节阀，调节阀用于调节流道的通断；调节阀包括阀腔和阀芯，阀芯可滑动地设置于阀腔中；流道设有与阀芯配合的阀口；阀腔内填充有调节工质，调节工质在受热时体积发生变化而推动阀芯运动，以打开或者关闭阀口。该可调型机械密封装置，可以在外界信号的控制下调节机械密封的工作状态，且可在较大的密封压差下正常工作，同时不对机械密封本身的运行造成干扰。通过各流道通断的多种组合模式，能以不同的形式，或者不同程度地调节机械密封的工作状态，从而满足多种调节要求。

Description

可调型机械密封装置

技术领域

本实用新型涉及流体密封技术领域，特别是涉及一种可调型机械密封装置。

背景技术

机械密封是旋转机械设备中一种常见的轴端密封形式，其配对的动环(随轴转动)和静环(不随轴转动)间的端面形成一层流体膜。经过精心设计，机械密封在一定的工作条件下，所受的闭合力和开启力达到相互平衡时，端面间的流体膜厚度薄且均匀，从而使流体的泄漏受到极大的限制，同时使动环和静环的固体接触被减弱甚至消除。

然而，一方面机械密封有时需要在变工况下工作，例如变转速(包含了密封起动、停车的过程)、变压力等，另一方面机械密封会受到诸如装配误差、零部件老化或损坏、意外扰动等异常因素的影响。这两方面原因使机械密封实际上无法总是工作在其被设计的高性能工作状态下，甚至可能导致密封失效。若机械密封可以依照用户的指令或/和自身反馈控制系统的指令来调节自身的工作状态，机械密封就可以在更大的工况变化范围或是更严重的异常因素下保持较优的性能。

已有一些专利提出了可控型密封的理念和具体方法：专利CN101776152A提出了通过调节通入密封气膜的外部气源压力来对机械密封进行调节的方案，然而当这一方案应用于以静环为补偿环的密封时，其需要将高压气体接到本应具有良好浮动性的静环上，会对静环的浮动性造成较大的牺牲。专利CN104179975A提出了通过对密封环施加电磁力来调节机械密封的方案，其主要问题在于磁力在单位面积上可能提供的作用力受限于材料的磁化饱和特性，因而实践上在介质压力较高时需要庞大的电磁铁来施加足够的调控力。

实用新型内容

基于此，有必要针对如何解决对机械密封的主动控制的问题，提供一种能够对机械密封迅速有效的调节的可调型机械密封装置。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种可调型机械密封装置，包括：密封环，密封环沿密封环的周向设有多个流道，每个流道贯穿密封环的侧壁与密封环的密封端面；密封环上对应流道设有调节阀，调节阀用于调节流道的通断；

调节阀包括阀腔和阀芯，阀芯可滑动地设置于阀腔中；流道设有与阀芯配合的阀口；阀腔内填充有调节工质，调节工质在受热时体积发生变化而推动阀芯运动，以打开或者关闭阀口。

在其中一个实施例中，流道包括第一流道和第二流道，第一流道沿密封环的径向延伸，第二流道沿密封环的轴向延伸；

阀口设置于第二流道的与第一流道连接的一端，第二流道通过阀口与第一流道导通。

在其中一个实施例中，调节阀还包括加热结构，加热结构与阀腔内的调节工质接触，用于加热调节工质。

在其中一个实施例中，加热结构为电阻丝，电阻丝的一端伸入阀腔内并与调节工质接触，另一端与加热电源连接。

在其中一个实施例中，阀腔包括第一腔体和第二腔体，第二腔体靠近阀口；阀芯呈柱状，阀芯滑设于第二腔体中；调节工质填充于第一腔体中。

在其中一个实施例中，第一腔体的横截面积大于第二腔体的横截面积。

在其中一个实施例中，调节阀还包括端盖，端盖设置于密封环，用于密封第一腔体远离第二腔体的一端。

在其中一个实施例中，阀芯包括阀芯体和阀芯盖，阀芯体和阀芯盖一体成型；

阀芯体靠近阀芯盖的部分与阀腔之间具有间隔，阀芯盖与间隔形成用于填充调节工质的密封空间。

在其中一个实施例中，调节工质为石蜡。

在其中一个实施例中，多个流道沿所述密封环的周向均匀分布。

上述可调型机械密封装置，密封环沿周向设有多个流道，每个流道均通过调节阀控制通断。这样，该可调型机械密封装置可以在外界信号的控制下调节机械密封的工作状态。并且，其可以在较大的密封压差下正常工作，且不对机械密封本身的运行造成干扰。通过各流道通断的多种组合模式，能以不同的形式，或者不同程度地调节机械密封的工作状态，从而满足多种调节要求。

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供的可调型机械密封装置的主视图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为图1所示的可调型机械密封装置应用于轴端密封的结构示意图；

图4为本实用新型另一实施例提供的可调型机械密封装置的主视图；

图5为图4中B-B剖视图；

图6为图4所示的可调型机械密封装置在装配初始时调节工质的结构示意图。

其中：

100-密封环(静环)；101-动环；

110-流道；111-阀口；112-第一流道；113-第二流道；

200-调节阀；

210-阀腔；211-第一腔体；212-第二腔体；

220-阀芯；221-阀芯体；222-阀芯盖；

230-端盖；240-调节螺钉；

300-调节工质；

400-加热结构。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本实用新型的可调型机械密封装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

本实用新型的可调型机械密封装置，用于旋转机械设备中的轴端密封。如图1和图2所示，本实用新型一实施例的可调型机械密封装置包括密封环100；

密封环100沿密封环100的周向设有多个流道110，流道110贯穿密封环100的侧壁与密封环100的密封端面；密封环100上对应流道110设有调节阀200，调节阀200用于调节流道110的通断；

调节阀200包括阀腔210和阀芯220，阀芯220可滑动地设置于阀腔210中；流道110设有与阀芯220配合的阀口111；阀腔210内填充有调节工质300，调节工质300在受热时体积发生变化而推动阀芯220运动，以打开或者关闭阀口111。

其中，密封环100可以是随轴转动的动环，也可以是不转动的静环。较佳地，密封环100为静环。参见图3，密封环100为静环，密封环100与其配对的动环101之间形成流体膜。

每个流道110贯穿密封环100的侧壁与密封环100的密封端面。多个流道110可以是沿密封环100的周向均匀分布，这样有助于流体均匀充满动环101和密封环100间的间隙，以形成均匀的流体膜。一实施例中，流道110包括第一流道112和第二流道113，第一流道112沿密封环100的径向延伸，第二流道113沿密封环100的轴向延伸；阀口111设置于第二流道113的与第一流道112连接的一端，第二流道113通过阀口111与第一流道112导通。这样，可利于调节阀200的安装设置，且使得阀芯220与阀口111的密封端面为规则的圆环面，使得调节阀200的控制更加准确。当然，在其他实施例中，第一流道112也可以是与密封环100的径向呈一定角度的设置。第二流道113也可以是与密封环100的轴向呈一定角度的设置。

调节阀200用于调节流道110的通断，因此通过调节阀200可以在外界信号的控制下调节机械密封的工作状态。例如，对于利用了动压效应的机械密封，在转速较低于设计值时(这在密封起停阶段必然会发生)，密封动压效应不足，流体膜压强分布整体低于设计值，导致两密封环间发生严重摩擦。此时，可在密封即将起动时通过调节阀200使各流道110导通，以增大密封开启力，避免起动过程中动环101和密封环100的接触。待转速正常后再通过调节阀200控制相应流道110的通断，以形成厚度薄且均匀的流体膜，使流体的泄漏受到极大的限制，同时使动环101和密封环100的固体接触被减弱甚至基本消除。

调节工质300指的是一种在吸收热量时体积显著改变，散失热量时体积相应恢复的材料。通过使调节工质300吸热或者散热而使调节工质300具有相应的体积变化，从而移动阀芯220，改变流道110的通断。可选择地，调节工质300为石蜡。石蜡的特性为熔化膨胀，凝固收缩。采用石蜡作为调节工质，是因为石蜡在相变时发生很大的体积变化(熔化膨胀率约11％～15％)。且无论是固态石蜡还是液态石蜡都具有不可压缩性，故石蜡体积变化对阀芯220的驱动力很大，驱动过程在很高的密封介质压力下依然可以正常进行。当然，调节工质300也可以为其他材料，例如低熔点合金等吸热时体积改变，散失热量时体积相应恢复的材料。

一实施例中，调节阀200还包括加热结构400，加热结构400与阀腔210内的调节工质300接触，用于加热调节工质300。可选择地，加热结构400为电阻丝，电阻丝的一端伸入阀腔210内并与调节工质300接触，另一端与加热电源连接。当电阻丝通电发热时，调节工质300吸热，体积改变，从而导致阀芯220在阀腔210内发生移动。电阻丝断电后热量散失，调节工质300体积恢复，阀芯220返回。这样，阀芯220的运动便被电阻丝的通/断电所控制。只要调节工质300选择得当，利用热的作用进行调节可以提供很大的调节力，从而可以克服高的介质压力。同时，由于这一调节方法对机械密封工作状态的调节能力来自密封介质本身，因此调节能力随着密封介质压力本身的增加而增加。

对应于电阻丝的通/断电，阀芯220的两个位置对应着流道110的通/断(具体设计时可以为：电阻丝通电时流道110导通，对应地，电阻丝断电时流道110切断。或者，电阻丝断电时流道110导通，电阻丝通电时流道110切断)。

本实施例的可调型机械密封装置，密封环100沿周向设有多个流道110，每个流道110均通过调节阀200控制通断。这样，该可调型机械密封装置可以在外界信号的控制下调节机械密封的工作状态。并且，其可以在较大的密封压差下正常工作，且不对机械密封本身的运行造成干扰。此外，如前所述，密封环100上设置有多个流道110，而每个流道110均分别对应设有调节阀200，因此对各流道110的通断控制可以是不完全同步的，甚至可以是完全相互独立的。通过各流道110通断的多种组合模式，能以不同的形式，或者不同程度地调节机械密封的工作状态，从而满足多种调节要求。

下面结合图1-图6具体说明本实用新型的可调型机械密封装置的结构，并以密封环100为静环，调节工质300为石蜡具体阐述本实用新型的可调型机械密封装置的工作过程。

实施一

参见图1、图2和图3，密封环100(静环)上设有6个流道110，每个流道110均设置有调节阀200(a～f)。以调节阀200a处密封环100的结构为例，密封环100在图2中的右方为其与配对的动环101相互配合的密封端面，图2中上方即密封端面外径之外为密封高压区，图2中下方即密封端面内径之内为密封低压区。

密封环100上设置流道110，当流道110导通时，该流道110成为密封高压区与端面内部的额外通路。

本实施例中，阀腔210包括第一腔体211和第二腔体212，第二腔体212靠近阀口111；阀芯220呈柱状，阀芯220滑设于第二腔体212中；调节工质300填充于第一腔体211中。其中，第一腔体211的横截面积大于第二腔体212的横截面积。这样，调节工质300可全面覆盖阀芯220的远离阀口111一端，能够增大阀芯220的移动的距离。进一步地，调节阀200还包括端盖230，端盖230设置于密封环100，用于密封第一腔体211远离第二腔体212的一端。端盖230与密封环100采用密封的方式连接。端盖230上可开设有用于引出电阻丝的通孔，电阻丝通过通孔自第一腔体211中引出，电阻丝与通孔之间由密封胶进行密封固定。此外，端盖230上还开设有用于安装调节螺钉240的螺孔。

本实施例的可调型机械密封装置在安装时：首先将密封环100的密封端面朝下放置，然后将阀芯220装入第二腔体212中并推到关闭阀口111的位置，在端盖230上装好电阻丝(并密封)和调节螺钉240。之后，向第一腔体211中注入熔化的石蜡，然后在石蜡开始凝固之前迅速将端盖230用密封胶粘在密封环100上。此时调节螺钉240下应还有少量未被石蜡填满的空间充满空气，拧紧调节螺钉240从而沿螺纹排出这些空气。进一步地，端盖230上位于调节螺钉240的四周设置有密封槽，在密封槽中注入密封胶，至此第一腔体211被完全密封。

本实施例的可调型机械密封装置在工作时：由于第一腔体211内部空气在装配过程中已被排出，初始时液态石蜡冷却凝固，阀芯220在流道110中的流体的作用下(高压差)向左推(按图2所示方位，下同)，阀芯220与阀口111脱离接触，流道110导通。在电阻丝中通入电流，则电阻丝发热并使第一腔体211内的石蜡熔化，熔化后石蜡体积膨胀，推动阀芯220向右移动，使阀芯220关闭阀口111，则流道110切断。若停止对电阻丝通电，则会重复前述的石蜡冷却凝固、流道110导通的过程。这样一来，便实现了通过电阻丝通电与否来改变流道110的通断。

通过调节a～f共6个调节阀200，对应对6个流道110的通断进行设置，可以将机械密封调节到多种不同状态：

(1)在不涉及倾斜校正时，通过下表的方式对称地设定各流道110的通断(注意表中所列为流道110的通断，而非电阻丝的通断电状态)可以使机械密封工作在5级不同的膜厚下。

a

b

c

d

e

f

调节效果

断

断

断

断

断

断

最小膜厚

通

断

断

通

断

断

次小膜厚

通

断

通

断

通

断

中等膜厚

断

通

通

断

通

通

次大膜厚

通

通

通

通

通

通

最大膜厚

例如，以干气密封为例，干气密封正常工作时利用动压效应隔开密封环100和动环101，但在起动和停止过程中，动压效应不足，会造成密封环100和动环101间的严重摩擦。为解决这一问题，可在密封即将起动时令所有流道110导通，使密封开启力增大，避免起动过程中密封环100和动环101的接触。待转速达到正常工作转速后再切断调节阀b、d和f所对应的流道110，避免膜厚过大导致较大的泄漏。密封的停止过程类似。

又例如，当干气密封需要在不同转速和/或不同介质压力下工作时，其膜厚将不相同(甚至发生接触)，此时调整其膜厚使之在各种工况下都能工作在泄漏尽量低但不致密封环100和动环101接触的状态下。

(2)进一步，通过不对称地设定各流道110的通断，能以不同的程度对密封环100由于安装或运行过程中出现异常而产生的倾斜进行补偿。

例如，导通a所在流道110而切断其他流道110，会使a所在流道110附近的膜压局部升高，使密封环100产生相应的倾斜，从而抵消某些其他异常因素造成的倾斜。导通b和f所在流道110而切断其他流道110，则会产生与上述调节方式相同的倾斜，但其量会更大。这样，通过合理地设定各流道110的通断，可以对机械密封的多种工况变化或异常因素做出补偿，将机械密封调节到具有较高性能的工作状态。

又如，密封环100的数个支承弹簧中，与b所在流道110在同一角度处的弹簧性能发生变化，提供推力增大，致使静环发生偏斜，在该位置与动环101发生接触。假设原本机械密封在仅导通a、c和e所在流道110的状态下工作，此时可以将b所在流道110接通，或在导通b所在流道110的同时切断e所在流道110，以补偿静环的偏斜。

实施二

参见图4和图5，密封环100(静环)上设有4个流道110，每个流道110均设置有调节阀200(a～d)。以调节阀200a处密封环100的结构为例，密封环100在图5中的右方为其与配对的动环101相互配合的密封端面，图5中上方即密封端面外径之外为密封高压区，图5中下方即密封端面内径之内为密封低压区。

密封环100上设置流道110，当流道110导通时，该流道110成为密封高压区与端面内部的额外通路。

本实施例中，阀芯220包括阀芯体221和阀芯盖222，阀芯体221和阀芯盖222一体成型；阀芯体221靠近阀芯盖222的部分与阀腔210之间具有间隔，阀芯盖222与间隔形成用于填充调节工质300的密封空间。需要说明的是，阀芯220仅是靠近阀芯盖222的部分与阀腔210之间具有间隔，阀芯220的远离阀芯盖222的部分与阀腔210贴合滑动，阀芯220的阀芯盖222也与阀腔210贴合滑动。

密封环100上可开设有用于引出电阻丝的通孔，电阻丝通过通孔自填充有调节工质300的密封空间中引出，电阻丝与通孔之间由密封胶进行密封固定。此外，密封环100上还开设有用于安装调节螺钉240的螺孔。

本实施例的可调型机械密封装置在安装时：先将电阻丝在密封环100上装好，然后将石蜡块(形状如图6所示)和阀芯220依次装入阀腔210中。将螺孔朝上放置密封环100，向电阻丝通电使之发热将石蜡块熔化。将阀芯220推到关闭阀口111的位置，断电使石蜡冷却凝固，同时在阀腔210内远离调节螺钉240的一侧施冷，以保证远离调节螺钉240的石蜡先凝固。石蜡凝固后，拧紧调节螺钉240以沿螺纹排出空气。进一步地，密封环100上位于调节螺钉240的四周设置有密封槽，在密封槽中注入密封胶，至此填充有调节工质300的空间被完全密封。

本实施例的可调型机械密封装置在工作时：在电阻丝中通入电流，则电阻丝发热并使石蜡熔化，熔化后石蜡体积膨胀，推动阀芯220向左移动(按图5所示方位，下同)，使阀芯220与阀口111脱离接触，流道110导通。停止对电阻丝通电，则石蜡冷却凝固，由于填充有调节工质300的空间为密封空间，在介质压力的作用下阀芯220向右移动，使阀芯220关闭阀口111，则流道110切断。这样一来，便实现了通过电阻丝通电与否来改变流道110的通断。

通过调节a～d共4个调节阀200，对应对4个流道110的通断进行设置，可以将密封调节到多种不同状态下：

(1)在不涉及倾斜校正时，通过下表的方式对称地设定各流道110的通断(注意表中所列为流道110的通断，而非电阻丝的通断电状态)可以使机械密封工作在3级不同的膜厚下。

a	b	c	d	调节效果
					断	断	断	断	最小膜厚
通	断	通	断	中等膜厚
					通	通	通	通	最大膜厚

(2)进一步，通过不对称地设定各流道110的通断，能对密封环100由于安装或运行过程中出现异常而产生的倾斜进行补偿。例如，导通a所在流道110而切断其他流道110，会使a所在流道110附近的膜压局部升高，使密封环100产生相应的倾斜。这样，通过合理地设定各流道110的通断，可以对机械密封的多种工况变化或异常因素做出补偿，将机械密封调节到具有较高性能的工作状态。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种可调型机械密封装置，其特征在于，包括：密封环，所述密封环沿密封环的周向设有多个流道，每个所述流道贯穿所述密封环的侧壁与所述密封环的密封端面；所述密封环上对应所述流道设有调节阀，所述调节阀用于调节所述流道的通断；

所述调节阀包括阀腔和阀芯，所述阀芯可滑动地设置于所述阀腔中；所述流道设有与所述阀芯配合的阀口；所述阀腔内填充有调节工质，所述调节工质在受热时体积发生变化而推动所述阀芯运动，以打开或者关闭所述阀口。

2.根据权利要求1所述的可调型机械密封装置，其特征在于，所述流道包括第一流道和第二流道，所述第一流道沿所述密封环的径向延伸，所述第二流道沿所述密封环的轴向延伸；

所述阀口设置于所述第二流道的与所述第一流道连接的一端，所述第二流道通过所述阀口与所述第一流道导通。

3.根据权利要求1所述的可调型机械密封装置，其特征在于，所述调节阀还包括加热结构，所述加热结构与所述阀腔内的所述调节工质接触，用于加热所述调节工质。

4.根据权利要求3所述的可调型机械密封装置，其特征在于，所述加热结构为电阻丝，所述电阻丝的一端伸入所述阀腔内并与所述调节工质接触，另一端与加热电源连接。

5.根据权利要求1所述的可调型机械密封装置，其特征在于，所述阀腔包括第一腔体和第二腔体，所述第二腔体靠近所述阀口；

所述阀芯呈柱状，所述阀芯滑设于所述第二腔体中；所述调节工质填充于所述第一腔体中。

6.根据权利要求5所述的可调型机械密封装置，其特征在于，所述第一腔体的横截面积大于所述第二腔体的横截面积。

7.根据权利要求5所述的可调型机械密封装置，其特征在于，所述调节阀还包括端盖，所述端盖设置于所述密封环，用于密封所述第一腔体远离所述第二腔体的一端。

8.根据权利要求1所述的可调型机械密封装置，其特征在于，所述阀芯包括阀芯体和阀芯盖，所述阀芯体和所述阀芯盖一体成型；

所述阀芯体靠近所述阀芯盖的部分与所述阀腔之间具有间隔，所述阀芯盖与所述间隔形成用于填充所述调节工质的密封空间。

9.根据权利要求1所述的可调型机械密封装置，其特征在于，所述调节工质为石蜡。

10.根据权利要求1-9任一项所述的可调型机械密封装置，其特征在于，所述多个流道沿所述密封环的周向均匀分布。