CN108757945B - 一种动静压混合润滑端面密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动静压混合润滑端面密封结构，包括双端面密封结构、单端面密封结构和串联密封结构。双端面密封结构引入缓冲气对有毒、危险工艺气进行零泄漏密封。密封结构包括具有轴向自由度的静环和随转轴旋转的动环。静环具有润滑气通道、润滑气稳压腔、多孔介质摩擦副和高精度位移传感器等结构，通过引入压力可调的润滑气产生可控气体静压力。润滑气稳压腔沿径向具有一个或多个周向贯通的环形腔室。动环端面可为光滑端面，或加工动压槽结构。动压槽的槽型具有多种形式，可以为传统的螺旋槽、T形成等，也可为的新型菱形槽结构。本发明可实现对在高温、高压、高转速，以及超低温等极端条件下，频繁启停机和变工况下运行的叶轮机械轴端的密封。

Description

一种动静压混合润滑端面密封结构

技术领域：

本发明涉及一种密封结构，特别涉及一种叶轮机械轴端使用的可实现零泄漏密封的非接触式气体动压静压混合润滑端面密封。

背景技术：

轴端密封作为叶轮机械的关键部件之一，其运行的可靠性和稳定性对叶轮机械运行效率和安全性具有显著地影响。特别是在石化行业中普遍使用的离心压缩机，其输送的工艺气体大多具有易燃、易爆、有毒及强腐蚀的特性，而且通常处于超高压、超高温工作环境，一旦密封失效，工艺气体泄漏往往会导致环境污染、火灾、爆炸等重大事故。

干气密封是一种非接触式气体润滑机械密封，是在气体动压润滑轴承的基础上发展起来的先进轴端密封技术。干气密封利用流体动压效应，通过在密封端面上开设动压槽使两个密封端面被具有一定刚度的气膜分开，实现非接触气体润滑，是目前叶轮机械轴端密封中最先进、密封效果最好(零泄漏)的一种密封装置。

目前工程应用中，干气密封面临严重的动静环磨损和碎裂失效、泄漏量过大、振动等问题。这主要是由于干气密封的稳定运行依赖于动静环端面间动压槽动压效应形成的润滑气膜，而具有一定刚度的润滑气膜的形成需要严格的运行条件。干气密封抗扰动性能、变工况性能较差，在叶轮机械启停机、低速运行时，干气密封端面动压效应产生的开启力不足，无法使动静端面分开形成稳定气膜，进而造成了动静端面磨损；过载运行时，干气密封端面动压效应产生的开启力过大，造成动静端面间隙增大，泄漏量过大。此外，对于目前叶轮机械领域研究热点问题超临界CO₂透平和压气机的轴端密封运行在超高压、超高温和超高转速下，对密封的运行稳定性要求极高，而干气密封运行中存在动静端面间高温腐蚀、工质凝结、碰磨失效等问题，无法满足轴端密封要求。对于低温膨胀机、液氢液氧涡动泵等超低温流体叶轮机械轴端密封，干气密封动静端面间存在超低温运行、工质空化等问题，无法形成稳定润滑气膜，易造成碰磨失效。可见，基于动压效应原理的干气密封并不能满足叶轮机械启停机和变工况运行，特别是对于超临界高温流体和超低温流体叶轮机械的轴端密封。

因此，研发适用于在高温、高压、高转速，以及超低温等极端条件下，频繁启停和变工况下运行的叶轮机械轴端的新型密封技术，提高轴端密封运行的可靠性和稳定性，对保证叶轮机械高效、稳定和安全运行具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种动静压混合润滑端面密封结构，用于针对叶轮机械对减小轴端泄漏量(甚至零泄漏)、提高运行效率和安全稳定性的要求，以及干气密封无法满足启停、变工况和极端条件下的轴封要求的问题，其具有多孔介质摩擦副、润滑气体通道、润滑气体稳压腔室和高精度位移传感器的静环和具有新型动压槽的动环，能够实现动压气体润滑和静压气体润滑的动静压混合气体润滑端面密封结构，使其能够适用于在高温、高压、高转速，以及超低温等极端条件下，频繁启停和变工况下运行的叶轮机械轴端的密封。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种动静压混合润滑端面密封结构，该密封结构包括转动部件和静止部件，具有双端面密封结构、单端面密封结构和串联密封结构；其中，

转动部件包括转轴、轴套、动环座、动环和防转销；

动环通过动环座、防转销和轴套安装于转轴上，动环座安装于转轴上，能够随转轴一起旋转；

防转销沿周向等弧度布置有2～4个；

静止部件包括密封外环套、压紧套、弹簧座、中环、弹簧、推环、静环和高精度位移传感器；

静止部件通过密封外环套安装于内缸或外缸轴端处，密封外环套为密封静止部件的支撑部件，通过压紧套对弹簧座和中环进行固定；

弹簧安装于弹簧座上，固定于弹簧座和推环之间，能够轴向伸缩，并通过推环对静环施加轴向闭合力；

弹簧采用沿周向等弧段布置的4～8个弹簧结构，或者采用波纹管结构；

静环由弹簧座进行径向固定，轴向位于推环和动环之间，具有0～10μm轴向自有度，能够沿轴向移动；

密封外环套、弹簧座和静环上加工有沿周向等弧度分布的径向圆孔，为润滑气通道，且密封外环套、弹簧座和静环上径向圆孔的个数、周向和轴向位置相同；

静环一侧布置有环形的多孔介质摩擦副，静环上加工有周向贯通的环形腔室，为润滑气体稳压腔；润滑气体稳压腔连接着润滑气通道和多孔介质摩擦副，用于为多孔介质摩擦副提供周向压力均匀的润滑气A或润滑气B；

双端面密封结构的密封外环套、中环上加工有沿周向等弧度分布的径向圆孔，为缓冲气通道，且密封外环套和中环上径向圆孔的个数、周向和轴向位置相同；

静环上安装有高精度位移传感器，传感器探头正对动环，能够实时监测静环与动环间的相对位移，从而获得动环端面和静环端面的端面间润滑气膜的厚度。

本发明进一步的改进在于，润滑气通道沿周向等弧度分布，个数为2～8个；

密封外环套和弹簧座上的径向圆孔采用直通孔结构，弹簧座上的径向圆孔直径大于密封外环套上的径向圆孔直径；

静环上径向圆孔采用阶梯孔结构，在静环和弹簧座连接面处，静环上径向圆孔直径大于弹簧座上的径向圆孔直径；

润滑气通道连接着高压润滑气源和润滑气体稳压腔，润滑气源与润滑气通道之间安装有调节阀，能够对润滑气体稳压腔中压力进行调节控制；

润滑气A和润滑气B工质气体相同、压力不同，其压力由设备运行工况决定，通过调节阀调节，保证开启力F_O和闭合力F_C相平衡；

润滑气A和润滑气B均采用无毒的惰性气体。

本发明进一步的改进在于，双端面密封结构还具有压力可调的缓冲气；其中，

密封外环套和中环上径向圆孔的个数为2～8；

密封外环套上径向圆孔采用阶梯孔结构，中环上径向圆孔采用直通孔结构；

在密封外环套和中环连接面处，密封外环套上径向圆孔直径大于中环上的径向圆孔直径；

缓冲气采用对工艺气体无污染、且无毒的惰性气体；

缓冲气的压力高于工艺气体压力0.1～0.3MPa；

双端面密封结构的泄漏气中包含缓冲气和润滑气B成分，无工艺气体成分，实现对有毒、危险工艺气体的零泄漏密封。

本发明进一步的改进在于，静环上的润滑气体稳压腔的腔室压力可调；其中，

润滑气体稳压腔沿径向个数为1～6个；

润滑气体稳压腔中的压力可调，通过调节润滑气体稳压腔中的压力，能够控制动静环端面间的端面间润滑气膜的压力、厚度和刚度大小，达到控制泄漏、防止碰磨的目的。

本发明进一步的改进在于，多孔介质摩擦副采用石墨、碳或碳化硅制成。

本发明进一步的改进在于，动环的动环端面为光滑端面，或者加工有动环端面动压槽；其中，

动环端面动压槽的槽型具有多种形式，为传统的螺旋槽、T型槽，或者为菱形槽结构。

本发明进一步的改进在于，高精度位移传感器沿周向等弧度布置有4～8个，实现对转轴扭振的监测；

依据高精度位移传感器测量结果获得的端面间润滑气膜厚度变化，通过调节润滑气体稳压腔中的压力，控制端面间润滑气膜的厚度在3～5μm范围内，达到控制泄漏、防止碰磨的目的。

本发明进一步的改进在于，端面间润滑气膜厚度的自适应动态调节方法，如下：

设备启停机、变工况运行工程中：依据高精度位移传感器实时监测获得的端面间润滑气膜厚度动态变化，通过调节阀控制润滑气A和润滑气B的压力，调节润滑气体稳压腔中的压力，保证开启力F_O和闭合力F_C相平衡，控制端面间润滑气膜的厚度在3～5μm范围内。

本发明进一步的改进在于，静环、动环和端面间润滑气膜冷却、加热方法，如下：

通过控制缓冲气、润滑气A和润滑气B的温度，实现对静环、动环以及静环端面和动环端面间的端面间润滑气膜的冷却与加热；

当工艺气体为高温气体时，缓冲气、润滑气A和润滑气B采用温度较低的气体，实现对静环、动环和端面间润滑气膜的冷却，防止密封件烧蚀；

当工艺气体为超低温气体或临近凝结气体时，缓冲气、润滑气A和润滑气B采用温度较高的气体，实现对静环、动环和端面间润滑气膜的加热，避免工艺气体的空化和凝结产生的端面间润滑气膜内的两相流动。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明的总体技术思路是针对传统干气密封，引入一个具有多孔介质摩擦副、润滑气体通道、润滑气体稳压腔室和高精度位移传感器的静环和具有新型动压槽的动环。在静环上，沿周向等弧度布置若干润滑气体通道，以及周向贯通的润滑气体稳压腔室。在润滑气体稳压腔一侧布置有环形的多孔介质摩擦副。多孔介质摩擦副端面，即静环端面，与动环端面间形成密封端面。设备停机时：静环在弹簧力作用下，静环端面与动环端面闭合。设备运行时：高压润滑气体通过润滑气体通道进入润滑气体稳压腔，然后渗透通过多孔介质摩擦副，并在静环端面和动环端面间形成气体静压力；动环和静环相对高速转动时，动环端面加工的动压槽产生流体动压效应，静环端面和动环端面间形成气体动压力。在气体静压力和气体动压力共同作用下，静环端面和动环端面分开，并在两个端面间形成润滑气膜，进而使密封端面得到充分润滑、冷却或加热，达到阻止泄漏、减小磨损、延长密封寿命，保证设备正常运转的目的。

进一步，通过在动环端面开设新型的菱形动压槽，动、静环相对高速转动时，新型菱形动压槽能够满足转子正反转动要求，提高端面间润滑气膜的刚度和稳定性。

进一步，通过在静环外径安装高精度位移传感器，监测动环和静环间的相对轴向位移，从而获得多孔介质摩擦副端面和动环端面间润滑气膜的厚度。根据监测的动静环间的相对轴向位移，调节润滑气体压力，保证端面间润滑气膜厚度在3～5μm范围内，达到阻止泄漏、且减小磨损的目的。

进一步，本发明的密封可采用单端面密封结构，双端面密封结构和串联多级密封结构。单端面密封结构适用于低压(<3.0MPa)、无毒气体(N₂，CO₂，空气)的密封；对于两个动环、静环轴向相对安装的双端面密封结构，通过引入高压缓冲气，可实现对有毒、危险气体的零泄漏密封；通过单端面密封和双端面密封轴向串联形成串联多级密封结构，可实现超高压气体密封。

具体特征包括：

(1)密封外环套结构。密封外环套结构在叶轮机械中可通过螺栓安装于内缸或外缸轴端处。密封外环套为密封静子件的支撑部件，通过压紧套结构对弹簧座、中环进行固定。密封外环套布置有沿周向等弧度分布的径向圆孔，形成缓冲气体或润滑气体流动通道，称为缓冲气通道或润滑气通道。

(2)弹簧推力系统结构。弹簧推力系统包括弹簧座、中环、弹簧和推环。弹簧座和中环由密封外环套和压紧套进行固定。弹簧安装于弹簧座上，固定于弹簧座和推环之间，可轴向伸缩。弹簧座布置有沿周向等弧度分布的径向圆孔，形成润滑气体流动通道，称为润滑气通道；中环布置有沿周向等弧度分布的径向圆孔，形成缓冲气体流动通道，称为缓冲气通道。弹簧通过推环对静环施加轴向闭合力。

(3)静环。静环由弹簧座进行径向固定，轴向位于推环和动环之间，具有轴向自由度。静环上加工有沿周向等弧度分布的径向圆孔，形成润滑气体流动通道，称为润滑气通道。静环轴向一侧布置有环形的多孔介质摩擦副，多孔介质摩擦副轴向外侧面形成静环端面。静环上加工有周向贯通的润滑气体稳压腔室。高压润滑气通过密封外环套、弹簧座和静环上的润滑气通道进入润滑气体稳压腔，形成周向压力稳定的润滑气，通过多孔介质摩擦副的渗析作用在静环端面形成稳定均匀的静压润滑气膜。

(4)动环。动环安装于动环座上，并由轴套进行轴向固定。动环和动环座之间通过防转销进行周向固定，防止动环与动环座发生相对转动。动环座可通过键槽或螺纹安装于转轴。动环、动环座和轴套随转轴一起旋转。动环端面与静环端面组成密封面。动环端面可以为光滑端面，也可以加工动压槽。动环端面动压槽的槽型具有多种形式，可以为传统的螺旋槽、T形成等，也可为本发明的新型菱形槽。动静环高速相对运动时，动压槽的动压效应会在动环和静环端面间形成动压润滑气膜。

(5)润滑气通道结构。润滑气通道是在密封外环套、弹簧座和静环上布置的沿周向等弧度分布的径向圆孔。密封外环套、弹簧座和静环上径向圆孔的个数、周向和轴向位置相同。润滑气通道沿周向等弧度分布，个数为2～8个。密封外环套和弹簧座上的径向圆孔采用直通孔结构，弹簧座上的径向圆孔直径大于密封外环套上的径向圆孔直径；静环上径向圆孔采用阶梯孔结构，在静环和弹簧座连接面处，静环上径向圆孔直径大于弹簧座上的径向圆孔直径。润滑气通道连接着高压润滑气源和润滑气稳压腔，润滑气源与润滑气通道之间安装有调节阀，可对润滑气稳压腔中压力进行调节控制。润滑气可采用无毒的惰性气体，如N₂，CO₂和空气等。

(6)润滑气稳压腔。润滑气稳压腔是加工于静环上的周向贯通的环形腔室。润滑气稳压腔连接着润滑气通道和多孔介质摩擦副，为多孔介质摩擦副提供周向压力均匀的润滑气。通过调节润滑气稳压腔中的压力，可控制动静环端面间的气膜压力、厚度和刚度大小，达到控制泄漏、防止碰磨的目的。润滑气体稳压腔沿径向个数可为1个或多个(2～6)。

(7)缓冲气通道结构。缓冲气通道结构是在本发明的双端面密封结构的密封外环套、中环上布置的沿周向等弧度分布的径向圆孔。密封外环套和中环上径向圆孔的个数、周向和轴向位置相同。密封外环套上径向圆孔采用阶梯孔结构，中环上径向圆孔采用直通孔结构，在密封外环套和中环连接面处，密封外环套上径向圆孔直径大于中环上的径向圆孔直径。缓冲气可采用无毒的惰性气体，如N₂，CO₂和空气等，可实现有毒、危险工艺气体的零泄漏密封。

(8)高精度位移传感器。高精度位移传感器安装于静环外径附件，探头正对动环，可实时监测静环与动环间的相对位移，从而获得动静环端面间润滑气膜厚度。根据高精度位移传感器测量结果获得的润滑气膜厚度变化，通过调节润滑气稳压腔中的压力，控制润滑气膜厚度在3～5μm范围内，达到控制泄漏、防止碰磨的目的。高精度位移传感器沿周向等弧度布置4～8个，可实现对转子扭振的监测。

综上所述，本发明提供的动静压混合润滑端面密封结构是一种适用于在高温、高压、高转速，以及超低温等极端条件下，频繁启停和变工况下运行的叶轮机械轴端的新型端面密封技术，可实现对密封端面的充分润滑、冷却或加热，达到阻止泄漏、减小磨损、延长密封寿命，保证设备正常运转的目的。本发明的旋转密封结构对目前各类叶轮机械轴端密封具有普遍适用性，特别适用于超临界高温流体(如超临界CO2透平)和超低温流体(如低温膨胀机、液氢液氧涡动泵等)叶轮机械的轴端密封。

附图说明：

图1是本发明的双端面密封结构的示意图，图2是本发明的单端面密封结构的示意图；

图3是本发明的双端面密封结构的配气示意图，图4是本发明的单端面密封结构的配气示意图；

图5是本发明的密封结构的动静环端面气膜润滑示意图(单润滑气稳压腔)，图6是本发明的密封结构的动静环端面气膜润滑示意图(多润滑气稳压腔)；

图7是本发明的密封结构的静环三维结构示意图；

图8是本发明的密封结构的动环螺旋槽端面示意图；图9是本发明的密封结构的动环菱形槽端面示意图；图10是本发明的密封结构的动环光滑端面示意图；

图11是本发明的密封结构的动静压混合润滑密封原理图。

图中：1-转轴，2-压紧套，3-弹簧座，4-弹簧，5-推环，6-静环，7-多孔介质摩擦副，8-动环，9-中环，10-轴套，11-动环座，12-密封外环套，13-润滑气A，14-缓冲气，15-润滑气B，16-工艺气，17-泄漏气，18-润滑气通道，19-润滑气体稳压腔，20-缓冲气通道，21-高精度位移传感器，22-端面间润滑气膜，23-动环端面动压槽，24-静环端面，25-动环端面，26-防转销。

具体实施方式：

以下结合附图和技术原理对本发明作进一步的详细说明。

本发明的具体结构参见附图1～6，设计思路如下：

参见图1和图2，本发明提供的一种动静压混合润滑端面密封结构，该密封结构可采用双端面密封结构(图1所示)对有毒、危险气体实现零泄漏密封，也可采用单端面密封结构(图2所示)对允许少量泄漏的无害工艺气体密封，或将双端面密封结构、单端面密封结构进行轴向串联对超高压工艺气体密封。

参见图1和图2，本发明提供的一种动静压混合润滑端面密封结构包括转动部件和静止部件。转动部件包括：转轴1、轴套10、动环座11、动环8和防转销26；静止部件包括：密封外环套12、压紧套2、弹簧座3、中环9、弹簧4、推环5、静环6和高精度位移传感器21。转动部件通过动环座11和轴套10安装于转轴1。

参见图1和图2，本发明的密封结构的静止部件通过密封外环套12螺栓安装与内缸或外缸轴端处。密封外环套12为密封静止部件的支撑部件，通过压紧套2对弹簧座3、中环9进行固定。

参见图1和图2，本发明的密封结构的弹簧座3、中环9、弹簧4和推环5组成弹簧推力系统。弹簧4安装于弹簧座3上，固定于弹簧座3和推环5之间，可轴向伸缩，通过推环5对静环6施加轴向闭合力。弹簧4可采用沿周向等弧段布置的4～8个弹簧结构，也采用波纹管结构。

参见图1和图2，本发明的密封结构的动环8安装于动环座11上，并由轴套10压紧进行轴向固定。动环8和动环座11之间通过防转销26进行周向固定，防止动环8与动环座11发生相对转动。防转销26沿周向等弧度布置2～4个。动环座11可通过键槽或螺纹安装于转轴1。动环8、动环座11和轴套10随转轴1一起旋转。

参见图1和图2，本发明的密封结构的静环6一侧布置有环形的多孔介质摩擦副7。静环6具有0～10μm轴向自有度，可沿轴向移动。多孔介质摩擦副7的材料可选择石墨、碳或碳化硅。

参见图3和图4，本发明的密封结构具有润滑气通道18。润滑气通道18由在密封外环套12、弹簧座3和静环6上布置的沿周向等弧度分布的径向圆孔组成。密封外环套12、弹簧座3和静环6上径向圆孔的个数、周向和轴向位置相同。润滑气通道18沿周向等弧度分布，个数为2～8个。密封外环套12和弹簧座3上的径向圆孔采用直通孔结构，弹簧座3上的径向圆孔直径大于密封外环套12上的径向圆孔直径；静环6上径向圆孔采用阶梯孔结构，在静环6和弹簧座3连接面处，静环6上径向圆孔直径大于弹簧座3上的径向圆孔直径。润滑气通道18连接着高压润滑气源和润滑气体稳压腔19，润滑气源与润滑气通道18之间安装有调节阀，可对润滑气体稳压腔19中压力进行调节控制。润滑气A13和润滑气B15工质相同、压力不同，其压力由设备运行工况决定，可通过调节阀调节。润滑气A13和润滑气B15需采用无毒的惰性气体，如N₂，CO₂和空气等。双端面密封结构(图3所示)的泄漏气17中包含缓冲气14和润滑气B15成分，无工艺气体16成分；单端面密封结构(图4所示)的泄漏气17中包含工艺气体16和润滑气B15成分。

参见图3，本发明的双端面密封结构具有缓冲气通道20。缓冲气通道20是由本发明的双端面密封结构的密封外环套12、中环9上布置的沿周向等弧度分布的径向圆孔。密封外环套12和中环9上径向圆孔的个数、周向和轴向位置相同。密封外环套12上径向圆孔采用阶梯孔结构，中环9上径向圆孔采用直通孔结构。在密封外环套12和中环9连接面处，密封外环套12上径向圆孔直径大于中环9上的径向圆孔直径。缓冲气20需采用对工艺气体16无污染、且无毒的惰性气体，如N₂，CO₂和空气等，可实现有毒、危险工艺气体16(如H₂，氟利昂等)的零泄漏密封。缓冲气20的压力高于工艺气体16压力0.1～0.3MPa。

参见图3、图4和图7，本发明的静环6上加工有润滑气体稳压腔19。润滑气稳压腔是加工于静环6一侧的周向贯通的环形腔室。润滑气体稳压腔19连接着润滑气通道18和多孔介质摩擦副7，为多孔介质摩擦副7提供周向压力均匀的润滑气。

参见图5和图6，设备运行时：高压润滑气体A13通过润滑气体通道18进入润滑气体稳压腔19，然后渗透通过多孔介质摩擦副7，并在静环端面24和动环端面25间形成气体静压力；动环8和静环6相对高速转动时，动环端面25上加工的动环端面动压槽23产生流体动压效应，在静环端面24和动环端面25间形成气体动压力。在气体静压力和气体动压力共同作用下，静环6的静环端面24和动环8的动环端面25分开，并在静环端面24和动环端面25之间形成具有一定厚度的端面间润滑气膜22。为减小泄漏同时防止动静碰磨，端面间润滑气膜22的厚度应保持在3～5μm范围。

参见图5和图6，本发明的静环6的外径附近安装有高精度位移传感器21，传感器探头正对动环8，可实时监测静环6与动环8间的相对位移，从而获得动静环的端面间润滑气膜22的厚度。依据高精度位移传感器21测量结果获得的端面间润滑气膜22厚度变化，通过调节润滑气体稳压腔19中的压力，控制端面间润滑气膜22的厚度在3～5μm范围内，达到控制泄漏、防止碰磨的目的。高精度位移传感器21沿周向等弧度布置4～8个，可实现对转轴1扭振的监测。

参见图5和图6，本发明的润滑气体稳压腔19沿径向个数可为1个或多个(2～6)。当多孔介质摩擦副7的径向尺寸较大时，为满足多孔介质材料强度要求，润滑气体稳压腔19沿径向个数可设为2～6个。

参见图8、图9和图10，本发明的动环8的动环端面25可以为光滑端面(图10所示)，也可以加工动环端面动压槽23。动环端面25的动环端面动压槽23的槽型具有多种形式，可以为传统的螺旋槽(图8所示)、T型槽等，也可为本发明的菱形槽结构(图9所示)。本发明的动环端面动压槽23能够满足转子正反转动要求，提高端面间润滑气膜22的刚度和稳定性。

本发明的技术原理如下：

参见图1和图2，本发明的密封结构的动环8由动环座11和轴套10固定于转轴1，叶轮机械设备工作时，动环8随转轴高速旋转；静环6通过弹簧座3、密封外环套12和压紧套2固定于与内缸或外缸轴端处，叶轮机械设备工作时，静环6周向是静止的。设备停机时，静环6和动环8相对静止，静环面24和动环面25(参见图5和图6)相接触，二者间没有间隙。

参见图1、图2和图11，对静环6进行轴向受力分析：静环6通过推环5与弹簧4相连，弹簧4安装时是有预压缩的，对静环6产生一个指向动环8的推力F_sp；当设备运行时：静环6左侧面受到高压端气体压力F₁和低压端气体压力F₂的作用，F₁和F₂的方向指向动环8。因此，设备运行时，静环6受力F_sp，F₁，F₂共同作用，使静环端面24和动环端面25趋于闭合，称为闭合力F_C＝F_sp+F₁+F₂。设备运行时，静环6和动环8之间存在高速相对旋转运动：为防止碰磨，必须使静环端面24和动环端面25分离；为了减小泄漏，必须使静环端面24和动环端面25之间的间隙尽量小(3～5μm)；同时为适应启停机、变工况的需要(闭合力F_C＝F_sp+F₁+F₂是变化的)。因此，需对静环6施加一个背离动环7的开启力F_O，且F_O的大小需是可控的，静环端面24和动环端面25之间的间隙是可实时监测的。本发明通过引入具有润滑气A13、润滑气B15、润滑气通道18、润滑气体稳压腔19和多孔介质摩擦副7等结构的静环6，对静环端面24施加一个背离动环的气体静压力F_S；通过加工有动环端面动压槽23的动环8对静环端面24施加一个背离动环的气体动压力F_d。F_S和F_d共同作用使静环端面24和动环端面25分离，称为开启力F_O＝F_S+F_d。通过调节润滑气A13、润滑气B15的压力大小，实现对开启力F_O的控制；设备运行中，必须保证开启力F_O和闭合力F_C相平衡，即F_C＝F_O。通过安装于静环6上的高精度位移传感器21，实现对静环端面24和动环端面25之间的间隙的实时监测；基于高精度位移传感器21的测量结果，通过调节润滑气A13、润滑气B15的压力，使静环端面24和动环端面25之间形成稳定可靠的3～5μm厚的端面间润滑气膜22。

参见图5、图6和图11，设备运行时：高压润滑气体A13通过润滑气体通道18进入润滑气体稳压腔19，然后渗透通过多孔介质摩擦副7。根据多孔介质气体静压轴承润滑原理：渗透通过多孔介质的高压气体会附着在多孔介质表面，并形成稳定的端面间润滑气膜22。因此，高压润滑气体A13会在静环端面24和动环端面25之间形成具有一定厚度的端面间润滑气膜22，对静环端面24施加一个背离动环8的气体静压力F_S。端面间润滑气膜22的厚度决定了泄漏量的大小：厚度越大，泄漏量越大。端面间润滑气膜22的厚度和气体静压力F_S的大小可以通过调节润滑气体稳压腔19的压力，即高压润滑气体A13的压力进行控制。端面间润滑气膜22的厚度一般控制在3～5μm。动环和静环相对高速转动时：动环端面25上加工的动环端面动压槽23产生流体动压效应，即泵吸效应将高压端气体吸入动环端面动压槽23中增压，在静环端面24和动环端面25间形成施加于静环端面24的一个背离动环8的气体动压力F_d。F_d的大小由高压端气体压力、动环8的转速和动环端面动压槽23的结构决定。对于一个加工好的动环端面动压槽23，在设备启停机和变工况过程中(转速和高压端气体压力发生变化)，气体动压力F_d的大小是不断变化的。在设备启停机和变工况过程中，主动调节润滑气体稳压腔19的压力、控制气体静压力F_S，可弥补气体动压力F_d的变化对开启力F_O的影响，保证开启力F_O和闭合力F_C相平衡F_C＝F_O。在气体动压力F_d和可调的气体静压力F_S共同作用下，静环端面24和动环端面25保持分离，并在静环端面24和动环端面25之间形成具有一定厚度(3～5μm)的稳定端面间润滑气膜22。

参见图5、图6和图11，本发明的静环6的外径附近安装有高精度位移传感器21，传感器探头正对动环8，可实时监测静环6与动环8间的相对位移，从而获得端面间润滑气膜22的厚度。依据端面间润滑气膜22厚度变化，调节润滑气体稳压腔19中的压力，控制端面间润滑气膜22的厚度在3～5μm范围内，达到控制泄漏、防止碰磨的目的。

参见图8、图9、图10和图11，本发明的动环8的动环端面25可以为光滑端面(图10所示)，也可以加工动环端面动压槽23。当动环端面25为光滑端面时：气体动压力F_d为零，开启力F_O的大小由气体静压力F_S决定，即在气体静压力F_S作用下，静环端面24和动环端面25保持分离。当动环端面25加工有动环端面动压槽23时：静环6受到气体动压力F_d和气体静压力F_S共同作用，使静环端面24和动环端面25保持分离。动环端面动压槽23的槽型具有多种形式，可以为传统的螺旋槽(图8所示)、T形成等，也可为本发明的新型菱形槽结构(图9所示)。本发明的菱形动压槽具有对称几何结构，能够满足转子正反转动要求，提高端面间润滑气膜22的刚度和稳定性。

参见图1、图3和图5，对于双端面密封结构，通过引入缓冲气14作为动环8和静环6的高压端气体，缓冲气20采用对工艺气体16无污染、且无毒的惰性气体，如N₂，CO₂和空气等。缓冲气20的压力高于工艺气体16压力0.1～0.3MPa。此时，工艺气体16无法通过动环端面25和静环端面24间的端面间润滑气膜22，泄漏气17中只包含缓冲气14和润滑气B15的成分，无工艺气体16成分，可实现对有毒、危险工艺气体(如H₂，氟利昂等)的零泄漏密封。

参见图3、图4、图5和图6，通过控制缓冲气14、润滑气A13和润滑气B15的温度，可实现对静环6、动环8、以及静环端面24和动环端面25间的端面间润滑气膜22的冷却与加热。当工艺气体16为高温气体时，缓冲气14、润滑气A13和润滑气B15采用温度较低的气体，可实现对静环6、动环8和端面间润滑气膜22的冷却；当工艺气体16为超低温气体或临近凝结气体时，缓冲气14、润滑气A13和润滑气B15采用温度较高的气体，可实现对静环6、动环8和端面间润滑气膜22的加热，并避免工艺气体16的空化和凝结产生的润滑气膜内的两相流动。

因此，本发明的动静压混合润滑端面密封结构通过引入润滑气体润A13、润滑气B15、缓冲气14、高精度位移传感器21、具有多孔介质摩擦副7、润滑气体通道18、润滑气体稳压腔室19的静环6和具有菱形动压槽的动环8等结构，实现了对在高温、高压、高转速，以及超低温等极端条件下，频繁启停机和变工况下运行的叶轮机械轴端的密封，可实现对密封端面的充分润滑、冷却或加热，达到阻止泄漏、减小磨损、延长密封寿命，保证设备正常运转的目的。

数值模拟结果已初步证明了本发明的端面密封结构能够达到预期密封效果。

Claims (9)

1.一种动静压混合润滑端面密封结构，其特征在于，该密封结构包括转动部件和静止部件，具有双端面密封结构、单端面密封结构或者双端面密封结构和单端面密封结构组合构成的串联密封结构；其中，

转动部件包括转轴(1)、轴套(10)、动环座(11)、动环(8)和防转销(26)；

动环(8)通过动环座(11)、防转销(26)和轴套(10)安装于转轴(1)上，动环座(11)安装于转轴(1)上，能够随转轴(1)一起旋转；

防转销(26)沿周向等弧度布置有2～4个；

静止部件包括密封外环套(12)、压紧套(2)、弹簧座(3)、中环(9)、弹簧(4)、推环(5)、静环(6)和高精度位移传感器(21)；

静止部件通过密封外环套(12)安装于内缸或外缸轴端处，密封外环套(12)为密封静止部件的支撑部件，通过压紧套(2)对弹簧座(3)和中环(9)进行固定；

弹簧(4)安装于弹簧座(3)上，固定于弹簧座(3)和推环(5)之间，能够轴向伸缩，并通过推环(5)对静环(6)施加轴向闭合力；

弹簧(4)采用沿周向等弧段布置的4～8个弹簧结构，或者采用波纹管结构；

静环(6)由弹簧座(3)进行径向固定，轴向位于推环(5)和动环(8)之间，能够沿轴向移动，且轴向位移大小在0～10μm之间；

密封外环套(12)、弹簧座(3)和静环(6)上加工有沿周向等弧度分布的径向圆孔，为润滑气通道(18)，且密封外环套(12)、弹簧座(3)和静环(6)上径向圆孔的个数、周向和轴向位置相同；

静环(6)一侧布置有环形的多孔介质摩擦副(7)，静环(6)上加工有周向贯通的环形腔室，为润滑气体稳压腔(19)；润滑气体稳压腔(19)连接着润滑气通道(18)和多孔介质摩擦副(7)，用于为多孔介质摩擦副(7)提供周向压力均匀的润滑气A(13)或润滑气B(15)；

双端面密封结构的密封外环套(12)、中环(9)上加工有沿周向等弧度分布的径向圆孔，为缓冲气通道(20)，且密封外环套(12)和中环(9)上径向圆孔的个数、周向和轴向位置相同；

静环(6)上安装有高精度位移传感器(21)，传感器探头正对动环(8)，能够实时监测静环(6)与动环(8)间的相对位移，从而获得动环端面(25)和静环端面(24)的端面间润滑气膜(22)的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种动静压混合润滑端面密封结构，其特征在于，润滑气通道(18)沿周向等弧度分布，个数为2～8个；

密封外环套(12)和弹簧座(3)上的径向圆孔采用直通孔结构，弹簧座(3)上的径向圆孔直径大于密封外环套(12)上的径向圆孔直径；

静环(6)上径向圆孔采用阶梯孔结构，在静环(6)和弹簧座(3)连接面处，静环(6)上径向圆孔直径大于弹簧座(3)上的径向圆孔直径；

润滑气通道(18)连接着高压润滑气源和润滑气体稳压腔(19)，润滑气源与润滑气通道(18)之间安装有调节阀，能够对润滑气体稳压腔(19)中压力进行调节控制；

润滑气A(13)和润滑气B(15)工质气体相同、压力不同，其压力由设备运行工况决定，通过调节阀调节，保证开启力F_O和闭合力F_C相平衡；

润滑气A(13)和润滑气B(15)均采用无毒的惰性气体。

3.根据权利要求1所述的一种动静压混合润滑端面密封结构，其特征在于，双端面密封结构还具有压力可调的缓冲气(14)；其中，

密封外环套(12)和中环(9)上径向圆孔的个数为2～8；

密封外环套(12)上径向圆孔采用阶梯孔结构，中环(9)上径向圆孔采用直通孔结构；

在密封外环套(12)和中环(9)连接面处，密封外环套(12)上径向圆孔直径大于中环(9)上的径向圆孔直径；

缓冲气(14)采用对工艺气体(16)无污染、且无毒的惰性气体；

缓冲气(14)的压力高于工艺气体(16)压力0.1～0.3MPa；

双端面密封结构的泄漏气(17)中包含缓冲气(14)和润滑气B(15)成分，无工艺气体(16)成分，实现对有毒、危险工艺气体(16)的零泄漏密封。

4.根据权利要求1所述的一种动静压混合润滑端面密封结构，其特征在于，静环(6)上的润滑气体稳压腔(19)的腔室压力可调；其中，

润滑气体稳压腔(19)沿径向个数为1～6个；

润滑气体稳压腔(19)中的压力可调，通过调节润滑气体稳压腔(19)中的压力，能够控制动静环端面间的端面间润滑气膜(22)的压力、厚度和刚度大小，达到控制泄漏、防止碰磨的目的。

5.根据权利要求1所述的一种动静压混合润滑端面密封结构，其特征在于，多孔介质摩擦副(7)采用石墨、碳或碳化硅制成。

6.根据权利要求1所述的一种动静压混合润滑端面密封结构，其特征在于，动环(8)的动环端面(25)为光滑端面，或者加工有动环端面动压槽(23)；其中，

动环端面动压槽(23)的槽型具有多种形式，为传统的螺旋槽、T型槽，或者为菱形槽结构。

7.根据权利要求1所述的一种动静压混合润滑端面密封结构，其特征在于，高精度位移传感器(21)沿周向等弧度布置有4～8个，实现对转轴(1)扭振的监测；

依据高精度位移传感器(21)测量结果获得的端面间润滑气膜(22)厚度变化，通过调节润滑气体稳压腔(19)中的压力，控制端面间润滑气膜(22)的厚度在3～5μm范围内，达到控制泄漏、防止碰磨的目的。

8.根据权利要求1或7所述的一种动静压混合润滑端面密封结构，其特征在于，端面间润滑气膜(22)厚度的自适应动态调节方法，如下：

设备启停机、变工况运行工程中：依据高精度位移传感器(21)实时监测获得的端面间润滑气膜(22)厚度动态变化，通过调节阀控制润滑气A(13)和润滑气B(15)的压力，调节润滑气体稳压腔(19)中的压力，保证开启力F_O和闭合力F_C相平衡，控制端面间润滑气膜(22)的厚度在3～5μm范围内。

9.根据权利要求1所述的一种动静压混合润滑端面密封结构，其特征在于，静环(6)、动环(8)和端面间润滑气膜(22)冷却、加热方法，如下：

通过控制缓冲气(14)、润滑气A(13)和润滑气B(15)的温度，实现对静环(6)、动环(8)以及静环端面(24)和动环端面(25)间的端面间润滑气膜(22)的冷却与加热；

当工艺气体(16)为高温气体时，缓冲气(14)、润滑气A(13)和润滑气B(15)采用温度较低的气体，实现对静环(6)、动环(8)和端面间润滑气膜(22)的冷却，防止密封件烧蚀；

当工艺气体(16)为超低温气体或临近凝结气体时，缓冲气(14)、润滑气A(13)和润滑气B(15)采用温度较高的气体，实现对静环(6)、动环(8)和端面间润滑气膜(22)的加热，避免工艺气体(16)的空化和凝结产生的端面间润滑气膜(22)内的两相流动。