CN105114626A - 具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，具有可随旋转轴同步转动的动环和与静环座连接的非旋转的静环，动环和静环间轴向相对的端面为各自的密封面，至少一个密封面为平面结构，沿具有平面结构密封面的静环和/或动环的周向设有间隔排布且与密封面保持间距的电发热结构，所述的电发热结构与控制系统连接。本发明具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，在保持现有端面波形工艺的基础上，能够将密封面加工为高精度的平面，并且可通过对电发热结构的加热控制，在平面上获得高表面质量而且可控制的波形密封面，从而能有效消除和避免各种因素对密封效果的影响，能够产生极好的流体动压效应，获得非常理想的流体膜开启力和刚度。
Description
技术领域
本发明涉及端面密封的装置，具体的讲是具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置。
背景技术
机械密封装置和技术广泛应用于众多的旋转机械轴向端面密封的应用中，例如各种型式的泵、压缩机、膨胀机、分离机、反应釜等旋转类机器的轴端密封。如图1所示，目前已有报道和/或使用的流体端面非接触式机械密封装置的基本结构中，通常包括有静止环(静环)1、旋转环(动环)2、静环座3、轴套4、传动销5、公差环7、压紧套8、推环9、弹簧10、防转销11等构成组件。静环1和动环2共轴线相对设置，其相对的端面为密封面。静环1径向空套在静环座3上，轴向由推环9和弹簧10浮动支撑，周向由防转销11定位，使静环1只可沿轴向自由浮动而不能随轴旋转。动环2径向由公差环7胀紧在轴套4的外圆柱面上，轴向与轴套4的台阶面接触并被压紧套8轴向压紧，周向由传动销5与轴套4固定在一起，使动环2可随轴套4与旋转轴6一起同步旋转。
机械密封可分为接触式和非接触式两种。非接触式机械密封根据其密封端面流体膜开启力的形成方式不同，又可大致分为动压型和静压型两种，当然两种类型的机械密封端面开启力构成中都可能同时具有流体动压力和静压力，区别是其中某一种类型的压力是构成该密封开启力的主要因素。动压型非接触式机械密封一般是利用介质在密封面间的流动形成充分的流体动压效应，以获得足够的流体膜开启力和更高的流体膜刚度。端面流体动压效应主要与密封面相对转速、介质粘度、密封面表面结构相关，这其中密封面相对转速和介质粘度往往是取决于使用密封机组的现场条件，技术上更多可改进的是密封面表面结构。目前通常的密封面表面结构设置措施是在其两密封端面中的一侧或两侧端面上，开设有经具有端平面高度的相同形式隔离部分(堰区)分隔成均匀排布的浅槽形式，其中以等槽深螺旋槽、“T”形槽、波形面的端面密封最为典型。
波形面机械密封作为一种有效的动压型机械密封装置，在泵和压缩机特别是核主泵轴端密封中得到了应用。但其难点是静环和0/或动环端面波形的加工、检测、装配和保持。考虑介质流经端面时能形成充分的流体动压效应，以获得更大流体膜开启力和刚度，该类型机械密封端面上波形的波幅一般仅为几微米至数十微米，况且开设有波形面的密封端面的表面质量(主要指表面粗糙度、波纹度、形状度)要求非常高，这就导致一般的加工工艺和设备难以获得高精度的波形表面。另一方面，在加工精度能有效保证的情况下，因检测手段和装配精度及工作时介质压力和温度的影响等因素都可能导致该密封端面波形的大小发生改变。这就使得波形面机械密封实际工作时的表面波形难以跟设计波形保持一致，从而影响密封工作的稳定性。
因此，对于波形端面机械密封，在其端面波形的波幅非常小且表面质量要求非常高的情况下，加工、检测、装配和运行时的任一环节都可能对该波形的大小和形状产生显著的影响，从而导致不能产生足够的端面流体动效应，难以获得足够的端面流体膜开启力和刚度，使密封无法正常工作。
综上，波形面机械密封作为一种有效的非接触式机械密封装置，存在两个显著的问题：其一是表面波形的加工难度大，工艺要求非常高；其二是实际工作时的表面波形难以跟设计波形保持一致，且无法调整。
发明内容
本发明提供了一种具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，在较低端面工艺要求的基础上，能获得高表面质量的波形面密封环，以避免工艺、检测、装配及运行等诸多因素的影响，产生更好的流体动压效应，获得更为理想的流体膜开启力和刚度。
本发明具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，其基本结构中同样具有可随旋转轴同步转动的动环和与静环座连接的非旋转的静环，动环和静环间轴向相对的端面为各自的密封面，其中至少静环或动环之一的密封面为平面结构，沿所述具有平面结构密封面的静环和/或动环的周向设有间隔排布且与密封面保持间距的电发热结构，所述的电发热结构与控制系统连接。
本发明机械密封装置中上述静环和/或动环的密封端面在加工时可直接加工为平面，并可进行高精度的表面研磨或抛光处理，从而获得极高表面质量的密封面。相比于传统波形表面结构，在加工过程中无需要求考虑在端面加工微小波形，从而极大的降低了密封面加工的成本和难度。所述的电发热结构可以根据密封面的要求设在该静环和/或动环的径向外侧部位、与密封面的相背侧，或其它适合的位置。当电发热结构通电发热后，其对应部分的密封面受热后因物理特性会根据其温度差的情况形成相应的微小变形或不变形，从而在周向上呈现出波状起伏，这样整个密封面便形成具有波形起伏的平面。通过调整电发热结构的温度，即可调整密封面波形的波幅，以消除或降低因其它多种因素，例如包括但不限于装配过程中的位置误差及工作时介质压力和温度对密封面造成的变形等因素导致的密封面变形，并最终使密封面获得更合理的表面波形，以产生更为理想的开启力和更高的刚度及承载能力。由于在加工时只须保证密封面的平整和光洁，无须在密封表面直接加工波形，因此极大程度降低了密封面的加工难度。
其中所述的控制系统，可以采用常规的电流/电压等控制装置和密封泄漏量检测装置实现，例如控制系统可以包括流量变送器、A/D转换器、CPU(中央处理器)、电流调节器、变压器及电源等构成。控制系统由流量变送器检测密封泄漏量，根据泄漏量计算出密封面间隙，由密封面间隙获得端面波状热变形的程度及大小，调节流经与电流调节器相连的电发热结构的电流而改变与其对应的密封环表面温度差，从而实现密封面热波状变形的调控。本发明装置的密封原理和结构可以适用于多种型式的机械密封结构/装置，如单端面密封、双端面密封、串联式密封(两级以上)、串联带中间密封(两级以上)等，还可将其与浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封型式组成组合式密封结构/装置等。
在上述基本结构的基础上，所述电发热结构的一种优选的简单设置方式，可采用以相同方式设置在静环和/或动环径向外侧靠近密封面部位的凹槽中，并且电发热结构的发热面至少与凹槽的一个侧壁面相接触，接触形式可以为直接接触，也可以通过导热硅胶等导热剂间接接触。电发热结构都以相同方式设置更有利于控制静环和/或动环的受热量，而采用相同形式的凹槽设置，则更有利于实现和保证各电发热结构在设置上的一致性，从而在密封面产生相同的波形面。电发热结构的发热面可以直接或间接与静环和/或动环上的所述凹槽的至少一个侧面接触。
进一步的，各电发热结构以其对应的相同发热部位与所在密封环的密封面保持等间距的方式设置是另一种优选的设置方式(例如可使各电发热结构的内侧和外侧分别位于同一圆周/圆环上)，这样能够进一步有利于控制静环和/或动环密封面上不同受热部位的受热均匀性，有利于形成具有更均匀的相同波形的密封面。
在此基础上，所述的电发热结构在其所在的静环和/或动环上，沿以其径向中心点(即旋转轴中心)为中心的圆周等间距间隔设置，也是一种有利于进一步实现和保证形成具有更均匀的相同波形的密封面的可选择方式。所述的沿圆周等间距间隔设置，可以为以相同的弧度、以静环或动环的径向中心点为顶点的相同角度或弧长等相应计量单位的间隔设置。
在本发明上述密封装置中，一种优选的方式，是使所述的静环密封面为平面结构，从而将所述的电发热结构设于静环上，这样加工更加容易。
上述密封装置中所述的电发热结构，一种优选的方式是在电发热件之外还包覆有保护结构的形式，保护结构能够起到保护内空发热材料及导线、绝缘、防爆等作用。所述的发热件可以为铬镍合金、铬镍铁合金、铁铬铝合金、铁铝合金、铂、铝铂、碳化硅、铬酸镧、氧化锆、二硅化钼或石墨等常用形式，也可以是其它具有类似发热功能的元件或结构，例如目前成熟的电流带等。
进一步的实验显示，当密封面受热后形成的波数如果少于6个，密封面流体动压效应和稳定性会有较明显下降；如果波数大于20，增加波数对密封面流体膜性能的提升也会变弱。因此优选的是使电发热结构沿其所在的静环和/或动环的周向等间距设有6～25个。
优选的，电发热结构以所述方式设有9～15个。在此基础上，电发热结构一般设为9个通常都能取得更好的密封效果。
本发明具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，在保持现有端面波形工艺的基础上，可以直接将密封面加工为平面，可进行高精度的表面研磨或抛光处理，从而获得较高表面质量的密封面。相比于传统波形表面结构，不会要求在加工过程中考虑端面具有的微小波形，从而大大降低表面加工的成本和难度。然后可通过控制电热件的温度实现在密封端面上产生所需的波形，并调整密封端面波形的波幅，有效消除或降低其它非有利因素导致的密封环表面变形及对密封效果的影响。例如在装配过程中的位置误差及工作时介质压力和温度对密封端面造成的变形等因素，都可通过控制电热件的温度差来协调或修复以上过程中形成的表面形状变化，并最终使密封端面获得更合理的表面波形，以产生更大的开启力和更高的刚度及承载能力。
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明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，均应包括在本发明的范围内。
附图说明
图1为目前普通端面密封的机械密封装置的基本结构示意图。
图2为本发明具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置中静环的轴向剖视图。
图3为图2的A-A视图。
图4为控制系统的主要部件结构框图。
图5为图4中电流调节器的一种电路示意图。
图6为密封面产生波状变形后密封面径向外侧处的波状变形的周向展开示意图。
具体实施方式
如图1所示的是目前常用端面密封的机械密封装置的基本结构形式，具有静环1、动环2、静环座3、轴套4、传动销5、公差环7、压紧套8、推环9、弹簧10和防转销11等组成构件。静环1和动环2共轴线相对设置，其相对的端面为密封面。静环1径向空套在静环座3上，轴向由推环9和弹簧10浮动支撑，周向由防转销11定位，使静环1只可沿轴向自由浮动。动环2径向由公差环7胀紧在轴套4的外圆柱面上，轴向与轴套4的台阶面接触并被压紧套8轴向压紧，周向由传动销5与轴套4固定在一起，因此动环2可随轴套4与旋转轴6一起同步旋转。
如图2和图3所示的是本发明密封装置中将静环1的密封面19设置为平面结构的形式。在靠近密封面19处，沿所述静环1的周向以等间距间隔设有9个相同形式的凹槽，各凹槽均排布在静环1的同一圆周上(即各凹槽的径向内侧和外侧分别都位于同一圆周或圆环上)，在各凹槽中设有相同结构和形状的电发热结构12，从而使各电发热结构12对应的相同发热部位与静环的密封面19能保持等间距，并且电发热结构12的发热面至少与凹槽的一个侧壁面、特别是靠近密封面19侧壁面相接触，接触形式可以为直接接触，也可以通过导热硅胶等导热剂间接接触。电发热结构12由内部的发热件(未示出)和包裹于发热件外的保护结构(未示出)组成。其中内部的发热件可以为铬镍合金、铬镍铁合金、铁铬铝合金、铁铝合金、铂、铝铂、碳化硅、铬酸镧、氧化锆、二硅化钼或石墨等电热材料构成，并将其表面包裹保护层后做成一个柔性电流带。各电发热结构12通过信号传导线缆与控制电流输出量的控制系统(未示出)连接。在工作时，通过控制系统控制电发热结构12的加热温度，受电热件12传来的热作用，在静环1的密封面19形成温度差，与电发热结构12对应部分的密封面19受热后会有微米级的略微外凸，密封面19的其余部分则保持原状，这样整个密封面19便形成了具有波形起伏的平面，该波形表面的波幅大小受电热件12传到静止环1上的热量多少控制，从而实现可通过调节调控系统而最终改变并获得最优的静止环密封面波幅，确保了密封面流体膜获得较优的特性，提高密封工作的稳定性。
如图4所示，控制系统包括有相互连接的流量变送器、A/D转换器、CPU(中央处理器)和电流调节器。电发热结构12与电流调节器相连。控制系统由流量变送器检测密封泄漏量，根据泄漏量计算出静环1和动环2的密封面间隙，由密封面间隙获得静环1端面波状热变形的程度及大小，调节流经电发热结构12的电流改变密封面19上波峰和波谷之间的温度差，从而实现密封面19波状变形的调控。
如图5所示，电流调节器的组成元件包括了三极管T、数字可调电阻器R1、电阻R2以及电源U1、U2。其中三极管T可为合金型，数字可调电阻器R1与控制系统的CPU相连，并可通过CPU调控其电阻值的大小；电阻R2可以直接为电发热结构12；电源U1、U2与同一电源相连，该电源与220伏特50赫兹交流电源相连，并具有多路电压输出。电流调节器接收CPU传来的信号，调节数字可调电阻器R1的电阻值的大小，从而改变流经三极管T的基极电流I1，基极电流I1的变化就会同步放大到集电极电流I2上，如基极电流的变化量为ΔI1，集电极电流变化量为ΔI2，则有：β＝(ΔI2)/(ΔI1)。其中β为三极管的动态电流放大系数，其值取决于三极管T，常用的取值范围为20～200。这样就通过改变数字可调电阻器R1的阻值，改变了集电极电流I2，集电极电流I2的变化又改变了电发热结构12的发热量，电发热结构12发热量的变化最终将调节密封面19的温度差，从而实现密封面19波状变形的调节。其外部电源除使用220伏特50赫兹交流电源之外，也可根据密封现场情况使用其它交流电源或直接电源。对电发热结构12的温度调控方式除了电流调节，也可使用电压调节。其中的电流调节方式除数字调节之外，也可使用模拟调节等其它常用方式。
所述静环1密封面19产生波状变形后密封面19径向外侧处的波状变形的周向展开示意图如图6所示，其中θ为各波形间距的圆周角度，λ为起波形中波峰的起伏波幅。
以密封面19内直径为238毫米，外直径为310毫米的密封端面为例进行计算，沿静环圆周方向等间距均匀设置9个温度可控的电发热结构12，通过调节9个电发热结构12的电流或电压改变其发热量，从而改变密封面19不同位置的温度差，即可获得具有9个均匀分布波形的密封端面，进一步调节密封面19上波峰和波谷的温度差在3～18摄氏度，就可获得密封面19径向外侧波幅约为1～25微米的表面波形，以此来进行消除或降低因各种因素对密封面19流体膜性能的影响。
Claims (9)
1.具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，具有可随旋转轴同步转动的动环(2)和与静环座(3)连接的非旋转的静环(1)，动环(2)和静环(1)间轴向相对的端面为各自的密封面(19)，其特征为：至少静环(1)或动环(2)之一的密封面(19)为平面结构，沿所述具有平面结构密封面(19)的静环(1)和/或动环(2)的周向设有间隔排布且与密封面(19)保持间距的电发热结构(12)，所述的电发热结构(12)与控制系统连接。
2.如权利要求1所述的具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，其特征为：所述电发热结构(12)以相同方式设置在静环(1)和/或动环(2)径向外侧靠近密封面(19)部位的凹槽中，并且电发热结构(12)的发热面至少与凹槽的一个侧壁面相接触。
3.如权利要求1所述的具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，其特征为：各电发热结构(12)以其对应的相同发热部位与所在密封环的密封面(19)保持等间距的方式设置。
4.如权利要求1所述的具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，其特征为：所述的电发热结构(12)在其所在的静环(1)和/或动环(2)上，沿以其径向中心点为中心的圆周等间距间隔设置。
5.如权利要求1所述的具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，其特征为：电发热结构(12)具有发热件和包覆于发热件外的保护结构。
6.如权利要求1至5之一所述的具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，其特征为：所述的电发热结构(12)设于静环(1)上。
7.如权利要求6所述的具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，其特征为：电发热结构(12)以所述方式设有6～25个。
8.如权利要求6所述的具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，其特征为：电发热结构(12)以所述方式设有9～15个。
9.如权利要求6所述的具有可控波形密封端面密封环的机械密封装置，其特征为：电发热结构(12)以所述方式设有9个。
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