CN111188653A - 一种微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，所述微型高速透平膨胀机包括壳体，所述壳体内部设有主轴和叶轮组件，所述叶轮组件固定在主轴上，所述叶轮组件的外部设有轴承组件，所述轴承组件套设在主轴上，所述密封装置介于叶轮组件和轴承组件之间，包括动环和静止组件，所述动环套设在所述主轴上，且所述动环的两端夹持在所述叶轮组件和所述轴承组件之间，所述静止组件固定在壳体上，且所述静止组件的一个端面和所述动环贴合形成密封面，所述动环上与静止组件贴合的端面上设有流体动压槽。与现有技术相比，本申请的密封装置应用在微高速透平膨胀机上，可以实现轴承侧润滑油向膨胀机出口侧的零泄漏，且对膨胀机内部气体损耗极小。
Description
技术领域
本申请涉及机械密封技术领域，具体涉及一种微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置。
背景技术
目前，重型卡车用柴油发动机的尾气排放已经成为了一种必须加以考虑和重视的对大气环境的污染源。随着政府对汽车包括重型卡车尾气排放标准的逐年提高，一种以重型卡车排放尾气为工作介质、对外做功发电的微型透平膨胀机应运而生。由于该微型透平膨胀机的主轴尺寸极小，轴径一般只有不到10mm，但其转速极高，往往可达到100,000rpm以上，有的甚至更高。对于如此高转速的微型透平膨胀机，其排气侧与轴承间的密封是个关键。考虑到主轴转速高，常用的密封形式为非接触的迷宫密封，用空气作为隔离气来吹扫从迷宫密封泄漏出来的膨胀机排气。由于采用的非接触的迷宫密封与主轴间的工作间隙比较大，由此会带来三个方面的问题：一是空气吹扫的流量较大；二是会造成轴承润滑油的损失；三是含有添加剂的润滑油可能会进入微型膨胀机的工作腔室，对微型膨胀机的工作造成不利影响。由此可见，目前的轴端密封形式很难满足微型高速透平膨胀机的工作需要。
发明内容
本申请的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种气耗量小、密封性好的微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置。
为了实现本申请之目的，本申请提供以下技术方案。
在第一方面中，本申请提供一种微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，所述微型高速透平膨胀机包括壳体，所述壳体中内设有主轴及叶轮组件，所述叶轮组件固定在主轴上，所述叶轮组件的外部设有轴承组件，所述轴承组件套设在主轴上，所述密封装置介于叶轮组件和轴承组件之间，包括动环和静止组件，所述动环套设在所述主轴上，且所述动环的两端夹持在所述叶轮组件和所述轴承组件之间，所述静止组件固定在壳体上，且所述静止组件的一个端面和所述动环贴合形成密封面，所述动环上与静止组件贴合的端面上设有流体动压槽。在本申请中，叶轮组件和轴承组件为现有技术，与动环抵接的可能是叶轮的本体，也可能是叶轮一端的轴套，根据膨胀机的具体结构来决定；同样，轴承组件中与动环抵接的也可为轴承组件的轴套。
当该微型高速透平膨胀机工作时，由于动环被叶轮组件及轴承组件夹持，因此动环会随着叶轮组件一起高速旋转，因此在流体动压槽中会产生泵吸作用，从微型高速透平膨胀机中吸入极其少量的气体，并填充在动环及静止组件之间(即密封面)，利用流体动压效应，在密封面之间形成一层微米量级的气膜，对密封面起着润滑和隔离的作用，实现密封的非接触运转。由于膨胀机的转速极高，密封面这层极薄的气膜的刚度非常大，可以保证密封长周期稳定运转；同时能有效地隔离轴承侧的润滑油，即使得膨胀机壳体内的介质压力低于壳体外的气体压力，也能保证轴承侧(即壳体外)润滑油向膨胀机出口侧的零泄漏；另外，由于密封面间隙极小，膨胀机出口侧工艺介质的消耗量也是非常小的，即借助该气体润滑的动压密封装置，仅仅靠极低的膨胀机出口气消耗量，就能保证轴承侧润滑油向膨胀机侧的零泄漏。
在第一方面的一种优选方案中，所述动环呈T字形，包括旋转环和轴套，且位于旋转环一端的第四端面的中央与轴套的一端一体化固定连接，所述旋转环和轴套均套设在所述主轴外部，位于所述旋转环另一端的第三端面与所述轴承组件抵接，位于所述轴套另一端的第六端面与叶轮组件抵接，所述第四端面设有所述流体动压槽，所述第四端面和所述静止组件贴合并形成密封面。在本申请中，密封面呈环状，即第四端面上除去与轴套一体化连接的部分，即为密封端面。
在第一方面的一种优选方案中，所述流体动压槽为单向旋转的槽型或双向旋转的槽型，常见的单向旋转的槽型包括圆弧槽或螺旋槽等，常见的双向旋转的槽型包括U型槽、T型槽等，所述流体动压槽的槽深为3～20μm。优选的，在第四端面通过喷涂或堆焊的方式形成高硬度耐磨涂层或堆焊层，在涂层或堆焊层上用特殊加工方式加工出沿周向均匀分布的微米量级的流体动压槽，流体动压槽位于密封面的内径处，与微型膨胀机的内部相通，密封面的外径处为无槽的坝区。动环的基体材料优先推荐高强度的沉淀硬化不锈钢，对于转速不是很高的工况可以选用马氏体不锈钢或双相钢。对于高硬度耐磨涂层，使用的材料为超音速火焰喷涂的硬质合金，对于高硬度堆焊层，使用的材料为硬质合金。
在第一方面的一种优选方案中，所述第四端面的***为不开设流体动压槽的坝区，所述坝区的宽度占整个密封面宽度的0.2～0.7。当坝区的宽度太小，流体动压槽内形成的气膜太厚，介质气体容易越过坝区向外泄露，从而降低密封的性能；当坝区的宽度太大，意味着流体动压槽的宽度小，不易形成气膜，也会影响密封的寿命性能。
在第一方面的一种优选方案中，所述静止组件包括弹簧座、弹簧和静环，其中，所述弹簧座固定在壳体上，且所述弹簧座设置在所述主轴的***，所述静环放置在弹簧座内，位于静环一端的第一端面与动环贴合形成密封面，位于静环另一端的第二端面由一组周向均布的弹簧进行轴向支撑，用于静环的轴向支撑，所述弹簧与密封面垂直，且弹簧的另一端放置于弹簧座内的弹簧孔中。本申请的一组弹簧包括多个弹簧，且沿周向均匀分布。膨胀机运行时，静环依靠弹簧的轴向压紧力和轴承侧隔离气或膨胀机出口介质气的气体压力来实现静环端面与动环端面的贴合。静环材料为优质浸树脂碳石墨或浸锑碳石墨。
在第一方面的一种优选方案中，所述静环和弹簧座通过突耳和凹槽结构来实现静环与弹簧座之间的防转；且所述静环和弹簧座内壁的配合面之间设有密封圈。该密封圈是为了防止膨胀机内部气体从弹簧座和静环之间的缝隙中泄漏。
在第一方面的一种优选方案中所述密封圈为X型密封圈，由于弹簧的存在和主轴的高速旋转，因此弹簧座和静环之间的密封圈有轴向的微动和变形，采用X型密封圈，可以很好地跟随和补偿这些微动和变形，而且X型密封圈还有较好的抗反压能力，尤其是在X型密封圈处可设置防反压的限位结构后。。
在第一方面的一种优选方案中，所述弹簧座内壁设有卡环，所述卡环用于限制静环从弹簧座内脱离。在静止组件未装配时，由于静环的第一端面处不会有轴向限位，因此静环会在弹簧的作用下从弹簧座中脱离。因此本申请在弹簧座中设置卡环，在密封组装时时，静环在卡环及弹簧的作用下保持静止，便于该密封装置的装配。当设备上完成安装之后，静环的第一端面受到动环的压力，从而与卡环脱离，卡环不会对密封装置的运行产生影响。
在第一方面的一种优选方案中，所述弹簧座与壳体之间设有O型密封圈。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
(1)由于膨胀机的转速极高，密封面这层极薄的气膜的刚度非常大，可以保证密封长周期稳定运转；同时能有效地隔离轴承侧的润滑油，即使得膨胀机壳体内的介质压力低于壳体外的气体压力，也能保证轴承侧(即壳体外)润滑油向膨胀机出口侧的零泄漏；
(2)由于密封面间隙极小，膨胀机出口侧工艺介质的消耗量也是非常小的，即借助该气体润滑的动压密封装置，仅仅靠极低的膨胀机出口气消耗量，就能保证轴承侧润滑油向膨胀机侧的零泄漏。
附图说明
图1为本发明中密封装置的结构示意图；
图2为实施例1中第四端面的表面结构图；
图3为本申请流体动压槽为双向槽的结构示意图。
其中，1为动环，11为旋转环，12为轴套，13为第三端面，14为第四端面，16为第六端面，17为流体动压槽，18为坝区，2为静环，21为第一端面，22为第二端面，3为弹簧座，4为X型密封圈，5为弹簧，6为卡环，7为O型圈，8为主轴，9为壳体，91为轴承，92为叶轮，A为一体化连接区域。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，其结构如图1所示，由动环1和静止组件两部分组成。动环1由旋转环11和轴套12做成一个整体，呈T字形，其中旋转环11的两端分别为第三端面13和第四端面14，第四端面14和轴套12的一端同轴心一体化连接，形成一体化连接区域A，如图2所示。动环1由沉淀硬化不锈钢制成，并在第四端面14除去一体化连接区域A之外的区域喷涂或堆焊高硬度耐磨涂层，在涂层或堆焊层上用特殊加工方式加工出沿周向均匀分布的微米量级的流体动压槽17，流体动压槽17为螺旋槽，且螺旋槽的方向与动环1的转动方向相反，如在图2中，螺旋槽为顺时针，动环1的转动方向为逆时针，流体动压槽17的槽深为3～20μm。流体动压槽17的槽区位于密封面的内径处，与微型膨胀机的出口气相通，外径处为无槽的坝区18，在本实施例中，密封面即为第四端面14除去一体化连接区域A之外的区域。第三端面13与轴承组件91抵接，轴套的另一端(即第六端面16)与叶轮组件92抵接，因此动环1依靠膨胀机叶轮组件92和轴承组件91的压紧来传递扭矩，实现动环1随主轴8一起高速旋转。本实施例所采用的的流体动压槽也可为双向槽，如T型槽，其结构如图3所示。
静止组件由碳石墨静环2、弹簧5、X型密封圈4、弹簧座3构成，依靠弹簧5的轴向压紧力和轴承组件91侧隔离气或膨胀机出口介质气的气体压力来实现静环2端面与动环1端面的贴合。静环2的两端分别为第一端面21和第二端面22，其中第一端面21与第四端面14形成密封面，第二端面22和弹簧座3之间设有一组沿轴心环状分布的弹簧5，依靠弹簧5的轴向压紧力和轴承侧隔离气或膨胀机出口介质气的的气体压力来实现静环2与动环1的贴合。静环2和弹簧座3间通过突耳和凹槽结构来实现静环2的防转，比起常用的防转销其结构更紧凑；弹簧座3上设置卡环槽，并在其中设置卡环6，通过卡环6的轴向限位作用，可使静止组件中静环2、弹簧5、动态密封圈、弹簧座3集成为一个整体，便于密封装配。在弹簧座3和壳体9之间设置O型圈7。
在微型膨胀机工作时，动环1高速旋转，利用动环1端面内径处刻蚀的微米量级的流体动压槽17的泵吸作用，将膨胀机出口气吸入动环1与静环2间的密封面间，利用流体动压效应，在密封面间形成一层微米量级的气膜，对密封面起着润滑和隔离的作用，实现密封的非接触运转。由于膨胀机的转速极高，密封面这层极薄的气膜的刚度非常大，可以保证密封长周期稳定运转；同时能有效地隔离轴承91侧的润滑油，即使膨胀机出口侧的介质压力低于轴承91侧的气体压力，也能保证轴承91侧润滑油向膨胀机出口侧的零泄漏；另外，由于端面间隙极小，膨胀机出口侧工艺介质的消耗量也是非常小的，即借助该气体润滑的动压密封装置，仅仅靠极低的膨胀机出口气消耗量，就能保证轴承91侧润滑油向膨胀机侧的零泄漏。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。
Claims (9)
1.一种微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，所述微型高速透平膨胀机包括壳体，所述壳体内设有主轴及叶轮组件，所述叶轮组件固定在主轴上，所述叶轮组件的外部设有轴承组件，所述轴承组件套设在主轴上，其特征在于，所述密封装置介于叶轮组件和轴承组件之间，包括动环和静止组件，所述动环套设在所述主轴上，且所述动环的两端夹持在所述叶轮组件和所述轴承之间，所述静止组件固定在壳体上，且所述静止组件的一个端面和所述动环贴合形成密封面，所述动环上与静止组件贴合的端面上设有流体动压槽。
2.如权利要求1所述的微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，其特征在于，所述动环呈T字形，包括旋转环和轴套，且位于旋转环一端的第四端面的中央与轴套的一端一体化固定连接，所述旋转环和轴套均套设在所述主轴外部，位于所述旋转环另一端的第三端面与所述轴承组件抵接，位于所述轴套另一端的第六端面与叶轮组件抵接，所述第四端面设有所述流体动压槽，所述第四端面和所述静止组件贴合并形成密封面。
3.如权利要求2所述的微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，其特征在于，所述流体动压槽为单向旋转的槽型或双向旋转的槽型，所述流体动压槽的槽深为3～20μm。
4.如权利要求2所述的微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，其特征在于，所述第四端面的***为不开设流体动压槽的坝区，所述坝区的宽度占整个密封面宽度的0.2～0.7。
5.如权利要求1所述的微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，其特征在于，所述静止组件包括弹簧座、弹簧和静环，其中，所述弹簧座固定在壳体上，且所述弹簧座设置在所述主轴的***，所述静环放置在弹簧座内，位于静环一端的第一端面与动环贴合形成密封面，位于静环另一端的第二端面由一组周向均布的弹簧进行轴向支撑，用于所述静环的轴向支撑，所述弹簧与密封面垂直，且所述弹簧的另一端放置于弹簧座内的弹簧孔中。
6.如权利要求5所述的微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，其特征在于，所述静环和弹簧座通过突耳和凹槽结构来实现静环与弹簧座之间的防转，且所述静环和弹簧座内壁的配合面之间设有密封圈。
7.如权利要求6所述的微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，其特征在于，所述密封圈为X型密封圈。
8.如权利要求5所述的微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，其特征在于，所述弹簧座内壁设有卡环，所述卡环用于限制静环从弹簧座内脱离。
9.如权利要求5所述的微型高速透平膨胀机用气体润滑动压密封装置，其特征在于，所述弹簧座与壳体之间设有O型密封圈。
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