CN117450259A - 一种动静压结合可控间隙的干气密封结构 - Google Patents
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Abstract
一种动静压结合型收敛间隙的干气密封结构，包括动环和静环；动环的密封端面分为膜片配对面、开有流体动压槽的槽区端面和密封坝，槽区端面上未开槽区为密封堰。静环由静环密封端面、膜片组件、引流通道、流体均压槽和静压孔组成。静环密封端面开有周向均布轴向引流孔，通过引流通道连通流体均压槽，并通过静压孔与外部供气管路连通，供气管路靠静压孔侧安装有单向阀。本发明通过静压孔在干气密封启动前将气体经轴向引流孔引入密封端面并使其开启，在密封运行正常时动压槽根部高压气体被压入均压槽，使膜片因两侧受力不同产生不同形变，构成沿介质径向泄漏方向的收敛间隙，最终成为动静压结合型收敛间隙的干气密封结构。
Description
技术领域
本发明涉及各种高速压缩机、涡轮泵等旋转机械的轴端密封技术领域，尤其涉及一种动静压结合可控间隙的干气密封结构。
背景技术
密封端面通过开设各种动静压型槽以增强流体膜的承载能力和刚度，实现密封副之间的非接触运行是气体或液体润滑机械密封的常用技术。机械密封副由随轴转动的动环和与其配对的静环组成，当动环旋转时，动环端面的动压型槽将密封腔内的流体介质泵入密封间隙，在介质压差和周向剪切的共同作用下，流体介质在型槽内朝着下游低压侧和迎风侧流动，在槽内不断被压缩，从而使迎风侧和槽根的气膜压力升高，形成动压效应，进而在密封端面间形成一层厚度几微米的气膜，保证密封副在端面不接触的情况下运转。干气密封在非工作阶段的密封间隙比稳定工作阶段的要小很多，而从端面开启到形成稳定气膜这一过程往往会带来不必要的损耗。传统的干气密封在加工完成后，只能在装配过程中通过施加预变形来调整密封间隙，在工作阶段则依靠具有刚度的气膜形成密封间隙。干气密封动、静环端面在开启阶段往往因气膜承载力和刚度不够大、抗外界扰动能力不足而发生端面碰磨或振动失稳等失效情况。如何在干气密封端面开启阶段或低膜厚运行过程中减少端面碰磨或振动失稳现象的发生，实现快速进入稳定运行阶段的适应能力，成为干气密封在各种高速压缩机、涡轮泵等旋转机械设备的轴端密封中设计应用的关键。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种动静压结合可控间隙的干气密封结构。
本发明采用的技术方案是：一种动静压结合可控间隙的干气密封结构，该干气密封结构由动环(1)和静环(2)组成，所述静环(2)的内径侧为低压侧，外径侧为高压侧；所述动环(1)的密封端面分为膜片配对面(11)、开有流体动压槽(121)的槽区端面(12)和密封坝(123)，所述槽区端面(12)上未开槽区为密封堰(122)；
所述静环(2)包括静环密封端面(21)、膜片组件(22)、引流通道(23)、流体均压槽(24)和静压孔(25)，所述膜片组件(22)包括膜片(221)、膜片配合面(26)、紧固螺钉(222)和压环(223)；所述静环密封端面(21)开有周向均布的轴向引流孔(231)，通过引流通道(23)连通流体均压槽(24)，并通过静压孔(25)与外部供气管路连通，供气管路靠静压孔(25)侧安装有单向阀(3)；所述膜片(221)由高强度弹性金属材料制成，通过所述紧固螺钉(222)与压环(223)一起固定在所述膜片配合面(26)上；所述静环(2)的引流通道(23)由轴向引流孔(231)、径向通流孔(232)和轴向出流孔(233)构成。其中，轴向引流孔(231)连通静环密封端面(21)，轴向出流孔(233)连通流体均压槽(232)，径向通流孔(232)与位于静环(2)外侧面的静压孔(25)连通，且呈中心对称分布；
所述膜片(221)在干气密封运行正常时，膜片(221)内侧(2211)受流体均压槽(24)内来自轴向引流孔(231)的恒定气压作用，膜片(221)外侧(2212)受到动静环密封端面间的泄漏气体压力作用，内侧(2211)和外侧(2212)的压力差沿介质泄漏方向逐渐升高导致膜片(221)的径向微变形相应增大，最终与膜片配对面(11)构成沿介质径向泄漏方向的收敛型间隙。
进一步，所述静环密封端面(21)的轴向引流孔(231)的中心连线半径与动环(2)密封端面的动压槽(121)槽根半径相等。
进一步，所述动环(1)的槽区端面(12)相对于膜片配对面(11)不在同一平面上，槽区端面(12)相对于膜片配对面(11)的凸出高度为0.02～0.10mm。
进一步，所述静压孔(25)与外部供气管路相连通，并通过单向阀(3)避免来自轴向引流孔(231)的高压气体进入供气管路。
进一步，所述膜片(221)的膜片外端面(2212)与静环密封端面(21)在同一平面上，所述膜片(221)的厚度为0.05～0.20mm。
进一步，所述膜片(221)采用多个紧固螺钉(222)分别穿过其内、外圈的通孔，借助压环(223)将其紧密固定在静环(2)上。
本发明的原理是：
经典干气密封端面主要由动压槽、密封堰和密封坝三部分组成，相邻动压槽周向之间的区域为密封堰，在干气密封运转过程中起着阻挡密封介质周向流动的作用，密封坝则用于阻挡密封介质的径向流动。当动环旋转时，密封介质通过动压槽被泵入密封间隙内，并因密封堰和密封坝的阻流作用而升压，从而在迎风侧壁和槽根处附近形成明显的高压区，并且在低膜厚和高转速的情况下，这种动压效应更为显著。大量理论研究和工程应用经验表明，干气密封在启停阶段和低膜厚下运行时，存在密封间隙小、密封气体难以泵入的特点，这一过程中极易产生密封失稳和端面碰磨的现象。
当本发明的干气密封作为轴端密封时，密封端面在开启阶段通过静压孔引入高压气体进入密封间隙，使端面快速开启。随着动环旋转，密封介质由外径侧泵入密封槽，于槽内不断被压缩，导致迎风侧和槽根部的气膜压力升高，槽根处的高压密封气体通过静环端面的进气槽进入进气道，通过引流通道进入流体均压槽，在膜片的内端面形成高于端面间隙压力的高压环，与密封间隙间形成压差，从而使膜片发生微凸的弯曲形变。当干气密封进入稳定运行阶段，单向调压阀关闭，流体均压槽内的压力因道尔顿分压定律而沿径向均匀分布，气膜间隙的气体压力却从外径到内径不断降低，因此，膜片内外径的压差不一致，越靠近内径侧压差越大，作用在膜片上的载荷越大，使膜片产生的变形越大，从而导致动环和静环端面间形成收敛型间隙，有利于密封气体的泵入。本发明的动静压结合的静环端面中间进气可变间隙的干气密封结构能够实现密封端面的快速开启，强化干气密封在低膜厚运行下的稳定性，且膜片的变形和转速压力相适应，适用于各种工况下旋转机械的轴端密封。
本发明的有益效果是：
(1)通过静压孔引气，可使密封端面迅速开启，避免端面碰磨现象的产生。
(2)密封端面的膜片在引入高压气体进入流体均压槽后，能够发生变形产生收敛型间隙，强化干气密封在运行过程中的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施案例的动环静环配对副的折断截面图；
图2是本发明实施案例的动静压结合型收敛间隙的干气密封结构的***图；
图3是本发明实施案例的动环端面示意图；
图4是本发明实施案例的安装膜片的静环端面示意图；
图5是本发明实施案例的静环局部剖三维立体示意图；
图6是本发明实施案例的膜片受力变形形成收敛间隙的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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，如出现术语“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1、2、3、4、5和6一种动静压结合型收敛间隙的干气密封结构。干气密封由动环1和静环2组成，所述静环2的内径侧为低压侧，外径侧为高压侧。动环1的密封端面按功能不同分为膜片配对面11、开有流体动压槽121的槽区端面12和密封坝123，所述槽区端面12上未开槽区为密封堰122。所述静环2由静环密封端面21、膜片组件22、引流通道23、流体均压槽24和静压孔25组成，所述膜片组件22由膜片221、膜片配合面26和压环223组成。所述静环密封端面21开有周向均布的轴向引流孔231，通过引流通道23连通流体均压槽24，并通过静压孔25与外部供气管路连通，供气管路靠静压孔25侧安装有单向阀3。所述膜片221由高强度弹性金属材料制成，通过所述紧固螺钉222和压环223固定在所述膜片配合面26上。
静环2的引流通道23由轴向引流孔231、径向通流孔232和轴向出流孔233构成。其中，轴向引流孔231连通静环密封端面21，轴向出流孔233连通流体均压槽232，径向通流孔232与静环2的外侧面的静压孔25连接，且呈中心对称分布。静压孔25的作用是在密封开启阶段从外部供气管路注入静压气体，在密封端面间形成静压气膜，使端面迅速开启。
动环1转动状态下，密封气体沿动压槽121流向槽根的过程中压力不断升高，通过静环端面的轴向引流孔231进入流体均压槽24，使流体均压槽24和密封端面间产生正压差。膜片221可在流体均压槽24和密封间隙间气流压差的作用下发生微变形，与膜片配对面11形成收敛型间隙。静环密封端面21的轴向引流孔231的中心连线半径与动环2密封端面的动压槽121槽根半径相等。
动环1的动环密封端面12相对于膜片配对面11有高度差，以避免膜片因变形量过大而接触动环密封端面，产生端面碰磨的不利影响。凸出高度取值范围为0.02～0.10mm。静压孔25与外部供气管路相连通，并通过单向阀3控制进气压力。
膜片221采用多个紧固螺钉222分别穿过其内、外圈的通孔，借助压环223将其紧密固定在静环2上。膜片221的膜片外端面2212与静环密封端面21在同一平面上，膜片221的厚度为0.05～0.20mm。
参照图6，主要解释本发明动静压结合型收敛间隙的干气密封结构的收敛型间隙形成机制。密封副的内径侧为高压侧，外径侧为低压侧，密封端面在开启阶段通过静压孔25引入高压气体进入密封间隙，使动环密封端面12快速开启。随着动环1旋转，密封介质由外径侧泵入动压槽121，于槽内不断被压缩，导致迎风侧和槽根部的气膜压力升高，槽根处的高压密封气体通过静环密封端面21的轴向引流孔233进入引流通道23，通过轴向出流孔233进入流体均压槽24，在流体均压槽24内形成压力高于端面间隙的高压气环，与密封间隙间形成压差，此时，作用在膜片内端面2211的载荷从F1大于膜片外端面2212的载荷F2，从而使膜片221发生微凸的弯曲形变。当干气密封进入稳定运行阶段，单向调压阀3关闭，流体均压槽24内的压力因道尔顿分压定律而沿径向均匀分布，端面间隙的气膜压力却从外径到内径不断降低，因此，膜片221内外径的压差不一致，越靠近内径侧压差越大，作用在膜片上的载荷越大，使膜片产生的变形越大，从而导致动环和静环端面间形成收敛型间隙，有利于密封气体的泵入
本说明书实施例所述的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实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于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。
Claims (6)
1.一种动静压结合可控间隙的干气密封结构，该干气密封结构由动环(1)和静环(2)组成，所述静环(2)的内径侧为低压侧，外径侧为高压侧；其特征在于：所述动环(1)的密封端面分为膜片配对面(11)、开有流体动压槽(121)的槽区端面(12)和密封坝(123)，所述槽区端面(12)上未开槽区为密封堰(122)；
所述静环(2)包括静环密封端面(21)、膜片组件(22)、引流通道(23)、流体均压槽(24)和静压孔(25)，所述膜片组件(22)包括膜片(221)、膜片配合面(26)、紧固螺钉(222)和压环(223)；所述静环密封端面(21)开有周向均布的轴向引流孔(231)，通过引流通道(23)连通流体均压槽(24)，并通过静压孔(25)与外部供气管路连通，供气管路靠静压孔(25)侧安装有单向阀(3)；所述膜片(221)由高强度弹性金属材料制成，通过所述紧固螺钉(222)与压环(223)一起固定在所述膜片配合面(26)上；所述静环(2)的引流通道(23)由轴向引流孔(231)、径向通流孔(232)和轴向出流孔(233)构成。其中，轴向引流孔(231)连通静环密封端面(21)，轴向出流孔(233)连通流体均压槽(232)，径向通流孔(232)与位于静环(2)外侧面的静压孔(25)连通，且呈中心对称分布；
所述膜片(221)在干气密封运行正常时，膜片(221)内侧(2211)受流体均压槽(24)内来自轴向引流孔(231)的恒定气压作用，膜片(221)外侧(2212)受到动静环密封端面间的泄漏气体压力作用，内侧(2211)和外侧(2212)的压力差沿介质泄漏方向逐渐升高导致膜片(221)的径向微变形相应增大，最终与膜片配对面(11)构成沿介质径向泄漏方向的收敛型间隙。
2.如权利要求1所述的一种动静压结合可控间隙的干气密封结构，其特征在于：所述静环密封端面(21)的轴向引流孔(231)的中心连线半径与动环(2)密封端面的动压槽(121)槽根半径相等。
3.如权利要求1所述的一种动静压结合可控间隙的干气密封结构，其特征在于：所述动环(1)的槽区端面(12)相对于膜片配对面(11)不在同一平面上，槽区端面(12)相对于膜片配对面(11)的凸出高度为0.02～0.10mm。
4.如权利要求1所述的一种动静压结合可控间隙的干气密封结构，其特征在于：所述静压孔(25)与外部供气管路相连通，并通过单向阀(3)避免来自轴向引流孔(231)的高压气体进入供气管路。
5.如权利要求1所述的一种动静压结合可控间隙的干气密封结构，其特征在于：所述膜片(221)的膜片外端面(2212)与静环密封端面(21)在同一平面上，所述膜片(221)的厚度为0.05～0.20mm。
6.如权利要求1所述的一种动静压结合可控间隙的干气密封结构，其特征在于：所述膜片(221)采用多个紧固螺钉(222)分别穿过其内、外圈的通孔，借助压环(223)将其紧密固定在静环(2)上。
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