用于动静压型干气密封的内置密封介质节流调控装置

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用于动静压型干气密封的内置密封介质节流调控装置\n(一)技术领域\n[0001] 本发明涉及动静压组合式干气密封结构设计领域，具体涉及一种带有内置密封介质节流调控装置的动静压组合式干气密封结构，特别适用于低速或处于变工况条件的旋转设备的轴端密封装置。\n(二)背景技术\n[0002] 干气密封是一种旋转型密封装置，因为具有无液、低泄漏、环保、节能、长寿命的特点，研究人员试图在更多的旋转机器动密封中采用干气密封。但经过实践和理论分析发现，干气密封的稳定性在很大程度上依赖于机组的转速，这是因为干气密封要求小间隙非接触式运转，而要形成所需的小间隙，必须要求被密封机组具有足够高的转速，否则，密封性能将下降，甚至无法正常工作。因为离心压缩机的主轴转速一般都比较高(10000r/min左右)，这就保证了干气密封实现小间隙非接触运转的要求，所以干气密封在此类机组中使用获得了巨大的成功。但大多数旋转设备存在频繁启停、转速变化、压力变化等变工况，这将影响干气密封的密封性能，例如：会出现密封端面磨损、密封环碎裂等现象。对于如反应釜等低转速机器，过低的转速难以形成足够的气膜开启力和刚度，无法保证密封的正常运转。\n[0003] 针对上述问题，很多研究者提出干气密封静压开启技术，这种结构一般是在干气密封静环上开轴向静压孔，通以一定压力的密封介质，在密封端面形成静压开启力，从而使干气密封在设备转速很低的情况下仍有良好的密封性。国外如Chesterton公司很早就对低速旋转设备如搅拌釜的轴封采用静压干气密封结构(美国专利US5052694“Hydrostatic face seal and bearing”)，还有德国专利DE2444544“Contact free gas seal rings with gas barrier-have curved radial grooves to produce aerostatic axial force”，美国专利US5755817“Hydrostatic seal”、US8206083B2“Carbon hydrostatic face seal”和日本专利JP2002333022“hydrostatic gas bearing”均有公开报道，日本皮拉密封有限公司研制的气体静压型干气密封(http://www.pillar.co.jp/pillar_eng/contents/product/44/product.html)和英国埃伊斯的流体动静压型压缩机干气密封(http://www.aesseal.com/)，近年来我国在静压干气密封的性能研究与结构分析方面取得一定成就，如刘飞(“静压干气密封研究”，2010)、刘婷(“浅谈静压干气密封的研制”，\n2011)、李蕾磊(“化工高压设备静压干气密封特性研究”，2011)、李双喜(“动静压混合式气体密封的特性分析”，2012)、王永宝(“静压式干气密封国产化研究与应用”，2016)等也对机械密封的静压开启技术进行了不同程度的研究，对密封静环的节流孔位置、静环端面的均压槽深度等进行了优化设计。但是对于如何控制密封介质的压力，减少泄漏量，提高干气密封结构对转速、压力变化的适应能力，仍然存在许多关键问题需要解决。此外，目前国内外所采用动静压机械密封结构，一般都需要额外缓冲介质，这不仅增加了密封结构的复杂性，也提高了整个密封装置的造价，而且密封介质压力受到更多外在因素的影响。\n[0004] 利用干气密封静压开启技术，可以设计一套内置密封介质节流调控装置，在不需要额外提供缓冲介质的情况下，既能保证有稳定的密封介质，又不增加密封结构的复杂性，密封介质压力可以根据工况的变化进行调节，对压缩机等高速旋转设备和搅拌釜等低速设备都有广泛的适用性。\n(三)发明内容\n[0005] 本发明要克服现有技术的上述缺点，一种用于动静压型干气密封的内置密封介质节流调控装置，该内置密封介质节流调控装置可以实现对干气密封静压开启力的控制并具有适应变工况特别是不同速度和压力的能力。\n[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现：\n[0007] 一种用于动静压型干气密封的内置密封介质节流调控装置，安装在密封压盖27内，由轴向台阶通孔25、垫片2、弹簧5、阀芯6、顶杆11、螺母13、法兰9组成。轴向台阶通孔25中加工有第一环形凸台3和第二环形凸台8，两个凸台之间形成第一封气腔，法兰9安装在压盖27的大气侧且与轴向台阶通孔25同心，法兰9与第二环形凸台8之间形成第二封气腔；第一封气腔与密封腔20之间通过第一气孔24连通，第二封气腔与静环背腔15之间通过第二气孔14连通，封气经由静环背腔通过若干静环节流孔19进入密封端面均压槽22。阀芯6靠近垫片2的一端开有轴向盲孔，盲孔内安装弹簧5，弹簧5位于阀芯6和垫片2之间，阀芯外圆周面与第一环形凸台内圆周上设置的第一密封圈4配合确保封气无法进入阀芯弹簧侧；阀芯另一端加工成楔形，楔形面与第二环形凸台8形成节流口，楔形面端部安装有顶杆11，顶杆11与法兰9内设的第二密封圈10配合以防止封气向外泄漏，顶杆另一端由螺母13支撑，螺母13安装在法兰9上并与轴向台阶通孔25同心。通过调节螺母13调节阀芯6在轴向位置，进而改变节流口的开度，实现干气密封端面均压槽内气体压力与流量的调控。\n[0008] 进一步，密封介质经过所述内置密封介质节流调控装置分为两路，一路经第一通孔24流向密封腔20，另一路经第二通孔14流向密封静环背腔15。\n[0009] 进一步，所述静环18端面上加工有均压槽22，或所述动环23端面加工有均压槽22，或所述静环18和动环23的密封端面上均加工有均压槽22。\n[0010] 再进一步，所述阀芯一端的楔形结构可以是锥形面、球形面、抛物面。\n[0011] 本发明所称的径向是指静环或动环的径向，本发明所称的轴向是指静环或动环的旋转轴或平行于该旋转轴的方向。\n[0012] 本发明具有以下有益效果：\n[0013] 本发明提供的带有内置密封介质节流调控装置的动静压机械密封装置，采用了内置密封介质节流调控装置，将密封介质分为两路具有不同压力的介质。一路通过压盖内通孔流向密封腔，为密封介质，一路通过压盖内通孔流向静环背腔，通过静环节流孔流向密封端面，为缓冲介质，形成静压开启力。静压开启力可以通过节流装置的顶杆进行调节，顶杆的轴向位移改变节流口的节流面，进而改变两路介质的压差，进而适应压力、转速波动等变工况。顶杆位置不变，则两路密封介质压差不变，这样既能保证有稳定压力的密封介质，又不需要增加缓冲介质装置，降低了密封结构的复杂性，密封介质压力可以根据工况的变化进行调节，对透平泵、搅拌釜和压缩机等旋转机器设备都有广泛的适用性。\n(四)附图说明\n[0014] 图1为本发明带内置密封介质节流调控装置的动静压机械密封的整体结构示意图。\n[0015] 图2为本发明密封静环端面的结构示意图。\n[0016] 图3为本发明密封动环端面的结构示意图。\n[0017] 其中：\n[0018] 1—壳体；2—垫片；3—第一环形凸台；4—第一密封圈；5—弹簧；6—阀芯；7—进气孔；8—第二环形凸台；9—法兰；10—第二密封圈；11—顶杆；12—法兰螺纹孔；13—螺母；\n14—第二通孔；15—静环背腔；16—紧钉螺钉；17—推环；18—静环；19—静环内节流孔；\n20—密封腔；21—轴套；22—端面均压槽；23—动环；24—第一通孔；25—压盖内轴向台阶通孔；26—干气密封弹簧；27—压盖。\n(五)具体实施方式\n[0019] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。\n[0020] 参照图1至图3，本发明用于动静压型干气密封的内置密封介质节流调控装置，安装在密封压盖27内，由轴向台阶通孔25、垫片2、弹簧5、阀芯6、顶杆11、螺母13、法兰9组成。\n轴向台阶通孔25中加工有第一环形凸台3和第二环形凸台8，两个凸台之间形成第一封气腔，法兰9安装在压盖27的大气侧且与轴向台阶通孔25同心，法兰9与第二环形凸台8之间形成第二封气腔；第一封气腔与密封腔20之间通过第一气孔24连通，第二封气腔与静环背腔\n15之间通过第二气孔14连通，封气经由静环背腔通过若干静环节流孔19进入密封端面均压槽22。阀芯6靠近垫片2的一端开有轴向盲孔，盲孔内安装弹簧5，弹簧5位于阀芯6和垫片2之间，阀芯外圆周面与第一环形凸台内圆周上设置的第一密封圈4配合确保封气无法进入阀芯弹簧侧；阀芯另一端加工成楔形，楔形面与第二环形凸台8形成节流口，楔形面端部安装有顶杆11，顶杆11与法兰9内设的第二密封圈10配合以防止封气向外泄漏，顶杆另一端由螺母13支撑，螺母13安装在法兰9上并与轴向台阶通孔25同心。通过调节螺母13改变阀芯6的轴向位置，进而改变节流口的开度，实现干气密封端面均压槽内气体压力与流量的调控。\n[0021] 密封介质经过所述内置密封介质节流调控装置分为两路，一路经第一通孔24流向密封腔20，压力略有减小；另一路经第二通孔14流向密封静环背腔15，压力经节流下降。\n[0022] 所述静环18端面上加工有均压槽22，或所述动环23端面加工有均压槽22，或所述静环18和动环23的密封端面上均加工有均压槽22。由此产生的效果是使干气密封结构可以在低速下或机器启动期间快速开启，通过旋转螺母调节顶杆轴向位移可以调节流向静环密封介质的压力，适应变转速工况。\n[0023] 所述阀芯一端的楔形结构可以是锥形面、球形面、抛物面。\n[0024] 本说明书所述内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。