專利名稱：外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及到一種外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，適用于攪拌釜、壓縮機、離
心泵等旋轉式流體機械的密封氣體(或液體)的軸端密封，可應用于化工、食品、醫藥、航天、航空等行業。適用的轉速范圍很大，不僅可用于高達每分鐘幾萬轉的情況，也適用于轉速很小或接近靜止的情況，可用于雙向運轉。其適用的壓力范圍較大，也適用于壓力波動的場合。適用于高低溫各種工況。
背景技術：
長期以來，密封裝置被認為是旋轉流體機械最大的難點，是其發生故障的主要原因。這就引起了對旋轉密封裝置的廣泛研究，進而出現了各種各樣的密封形式，其重要的一種密封型式是微槽面氣體動壓密封即干氣密封，并得到了廣泛的應用。干氣密封具有較多的優點運行穩定、可靠、易操作，輔助系統少，大大降低了操作人員維護的工作量；密封消耗的只是氣體，既節能又環保，泄漏量少、磨損小、能耗低，被密封的流體不受油污染。干氣密封是一種徑向流體動壓式機械密封，是非接觸式機械密封中一種新發展起來的密封裝置。它是在機械密封的動環或靜環的密封端面上開有微槽，當動環高速旋轉時，被密封氣體在微槽和圍堰的作用下在動靜環之間形成幾微米的氣膜。該氣膜具有一定剛度，將動靜環推開，使兩密封端面不接觸，也阻止密封氣體的外漏。氣體潤滑密封的一大特點就是需要動環高速旋轉才能產生所需要的開啟力，這一特點一直制約著氣體潤滑密封的廣泛使用。在一些生產過程中，特別是食品、醫藥行業，流體機械的工況總是在不停地變化，變工況對密封的影響是很大的。當干氣密封裝置在非設計工況下工作時，會引起密封狀態的變化，使得普通干氣密封從全氣體潤滑密封過渡為邊界潤滑密封，甚至無潤滑介質密封狀態，而且旋轉流體機械開停機階段，轉速也比較低，密封動靜環之間形成的動壓力也很低，動、靜環往往是接觸摩擦狀態，所以采用干氣密封的旋轉機械，不能低速下長期運轉。
靜壓密封僅利用密封的靜壓效應來形成液膜或氣膜，主要有自加壓靜壓密封和外加壓靜壓密封。自加壓靜壓密封主要用于流體自身的壓力，外加壓靜壓密封需要外部液壓源或氣壓源。靜壓密封僅利用流體的靜壓力而未利用旋轉的動壓力，其在泄漏量的控制和密封的穩定性上還有些問題需要解決。
發明內容
本發明的目的在于，通過提供一種外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，以更好地解決單一的靜壓或動壓密封存在的問題，實現流體動靜壓密封優勢的互補。 本發明是采用以下技術手段實現的 —種外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，包括固定于動環座上并隨轉軸旋轉的動環，固定于密封腔體和密封端蓋的密封靜環；在密封靜環內開有從外界引入外加壓氣體的通道，通道以一定數量均勻分布在密封靜環內；通道中設置有節流裝置，在通道的出口設置有一定深度的均壓槽；動環或密封靜環的端面上形成動壓效應的多種動壓槽，均壓槽的內側和外側均設有與其不連通的密封壩；通過調節外加壓氣體的壓力實現在線監控。 前述的外加壓氣體的壓力高于被密封介質的壓力0. 15 0. 45MPa。 前述的密封靜環如不能軸向補償，通過密封腔體與密封靜環外徑和兩個O形密封
圈形成的環形空間將外加氣體引入到密封端面間；如密封靜環具有軸向補償能力時，通過
柔性管道或螺旋環管將外加壓氣體引入到密封端面間。 前述的密封靜環內開有一定數量沿周向均布的通道，通道中設置的節流裝置為節流孔。 在密封靜環端面外加壓氣體出口處開有一定寬度和深度的環形均壓槽。 前述的動環或密封靜環密封端面上開有動壓槽，動壓槽以一定數量沿周向均勻分
布在密封環端面上。 前述的動壓槽形狀可以是螺旋槽、圓弧槽、燕尾槽、T型槽。 前述的動壓槽的位置如下在密封靜環或動環的最外側和最內側同時布置或僅在最外側或最內側布置；與環形均壓槽內側和外側同時布置或單側布置，并與環形均壓槽連通。 前述的環形均壓槽內側或外側都有與外徑或內徑不相通的密封壩。
前述的在線監控，可采用信號控制，也可采用比例控制閥根據密封介質壓力控制。
本發明一種外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，與現有技術相比，具有以下明顯的優勢和有益效果 外加壓式動靜壓氣體混合潤滑密封是一種同時利用氣體靜壓和動壓效應的非接觸密封，以其特有的高低速度適應性、可雙向旋轉以及在線可調控能力，克服了單純的靜壓氣體潤滑或動壓氣體潤滑密封的一些不足。本發明的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封，包括常用的旋轉端面密封的動環和靜環，采取在動靜環上設置引入外加壓氣體的帶有節流裝置的通道，通過出口設置均壓槽，及在密封環端面加工微槽的方式實現動靜壓的結合，提高密封能力，減小摩擦磨損，擴大密封使用范圍。 通常情況下，密封環外側的流體是高壓區，內側為低壓區，在壓力的作用下在密封動靜環密封端面間形成一層氣膜，以減小密封動靜環之間的摩擦和磨損，該氣膜對于旋轉密封的密封能力是有很大影響的。前人通過很多例如改進結構、開槽等方式來改善該氣膜以提高密封能力。本發明在兩個相對旋轉的動靜密封環端面間引入高于被密封氣體的外加壓氣體，如空氣或氮氣。為了達到減小泄漏控制氣體流量的目的，外加壓氣體經過節流裝置，如小孔節流，進入到密封的動靜環端面間的均壓槽內。均壓槽為幾十到幾百微米左右的環向槽，其作用在于使小孔后的壓力在密封端面間均勻分布，同時均壓槽也起到節流，減小泄漏的作用。經小孔節流后，外加壓氣體的壓力下降，通過均壓槽向密封介質側和大氣側流動。同時密封端面的均壓槽兩側上設置微米級動壓槽，動壓槽起到改變端面開啟力和密封泄漏特性。這樣在密封動、靜環兩端面就依靠流體靜壓和動壓效應形成了一層微米級的氣膜，將密封動靜環隔開，形成非接觸密封。密封的開啟力由這層氣膜提供，閉合力由彈簧力和被密封介質壓力提供。外加壓式動靜壓氣體潤滑密封大大降低了阻力矩，減小功耗，改進了傳統的端面密封磨損嚴重的現象。 外加壓式動靜壓氣體潤滑密封，需要把外加壓氣體引入到密封端面之間，外加壓氣體的壓力高于被密封介質的壓力0. 15 0. 45MPa。若被密封介質壓力不波動，則可采用固定外加壓力源的方法；若被密封介質壓力波動或經常變化，可以根據被密封介質壓力手動調節外加壓氣體的壓力或采用比例調節閥根據被密封介質壓力自動設定外加壓氣體的壓力。
圖1是補償機構旋轉的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封中動環和靜環端面示意圖； 圖2是補償機構靜止的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封中動環和靜環端面的示意圖； 圖3是密封環端面雙吸入式結構示意圖； 圖4是密封環端面雙泵出式結構示意圖； 圖5是密封環端面外側吸入式結構示意圖； 圖6是密封環端面外側泵出式結構示意圖； 圖7是密封環端面內側吸入式結構示意圖； 圖8是密封環端面內側泵出式結構示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖所示實施的具體實施方式
，對本發明內容再做進一步的詳細說明。
請參閱圖1 、圖2所示，將外加壓氣體弓I入到密封端面間的方式可為圖1所示，密封靜環不能軸向補償，靜止不動的情況下通過密封腔體2與密封靜環11外徑和兩個0形密封圈IO形成的環形空間引入到密封端面間。當靜環具有軸向補償能力時，即彈簧3靜止不旋轉，可通過柔性管道15或螺旋環管引入到密封端面間，如圖2所示。 在靜環中引入外加壓氣體的流體通道上設置節流裝置，如小孔節流。節流孔數對泄漏量的影響較大，但對開啟力的影響較小。這是因為均壓槽的存在，使壓力分布較均勻，節流孔數量變化時，壓力分布變化不明顯，所以節流孔數對開啟力的影響較小；但更多的節流孔提供更多的氣體流入密封端面間地通道，所以泄漏量增加較多。因此，為了控制加工成本，靜壓氣體密封可以采用較少地節流孔，達到所需要的開啟力，保持較小地泄漏量并具有
較大地剛度，節流孔數量一般4 12個為佳。 同時，本發明密封裝置在密封靜環外加壓氣體引入通道出口設置均壓槽。均壓槽的主要作用是沿周向均勻地分布通道出口的壓力，并起到二次節流的作用。無均壓槽的靜壓氣體密封泄漏量比有均壓槽的泄漏量要大，膜厚增加時，兩種結構泄漏量的差值更大，說明均壓槽具有再次節流的作用，可以有效地降低泄漏量，這對靜壓氣體密封是相當有利的。
在動環5或是密封靜環11密封端面上開有微米級動壓槽6，動壓槽形狀可以是螺旋槽、圓弧槽、燕尾槽、T型槽等不同的槽形。動壓槽的主要作用是利用旋轉軸的旋轉動能來產生動壓效應。通過設置不同的動壓槽形式，密封可以達到不同的效果，以控制泄漏，增加密封穩定性，如圖3為雙吸入式，可減少外加壓氣體的泄漏量；圖4為雙泵出式，可增加外加壓的泄漏量，方便測量和控制，同時增加密封的開啟力；圖5為外側吸入式，可減少外加壓氣體向被密封介質的泄漏量；圖6為外側泵出式，可增加外加壓氣體向被密封介質的泄漏量，減少被密封介質向外側泄漏的可能性，同時開啟力有增加；圖7為內側吸入式，可減少空氣側的總泄漏量；圖8為內側泵出式，可增加向大氣側的泄漏量，同時開啟力有增加；
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密封端面上均壓槽內側或外側都有與內徑和外徑不相通的密封壩。這樣可保證密封工作時泄漏量小，密封壩起到節流的作用；同時密封靜止狀態下，若外加壓氣體壓力為零時，保證被密封介質不泄漏到大氣中。 通過在線監測密封狀態，調節外加壓氣體的壓力以達到更好的動靜壓潤滑密封效果。在線可調控。可采用信號控制，也可采用比例控制閥根據密封介質壓力控制如圖l所示為補償機械旋轉的外加壓動靜壓壓氣體混合潤滑密封裝置的結構，包括采用兩個0形密封圈10固連于腔體2和密封壓蓋12的密封靜環11，和經0形密封圈4與旋轉軸或軸套等旋轉體單元1連接而隨之轉動的動環5，軸套與軸之間采用0形密封圈13密封，并用頂絲14傳動，彈簧3安裝于軸套1和密封動環5之間，用于產生部分閉合力。在靜環11的徑向內外兩側密封面上，設置有不同形式的流體動壓槽6 ;在靜環11中間部分的密封面上，設置有流體均壓槽7和節流孔8。 圖2所示的是補償機構靜止的外加壓動靜壓氣體混合潤滑密封裝置的結構，包括有經柔性接管15和0形密封圈4固連于密封壓蓋12和密封腔體2的靜環11和，經0形密封圈10與旋轉軸套1連接而能隨之轉動的動環5。軸套與旋轉軸之間采用0形密封圈13密封，采用頂絲14傳動。靜環11后側安裝有彈簧3，與密封壓蓋之間采用0形密封圈4密封。在靜環11的徑向內外兩側密封面上，設置有不同形式的流體動壓槽6，在靜環11中間部分的密封面上，設置有流體均壓槽7和節流孔8，內部設置引入外加壓氣體的通道9。
圖3 圖8所示的是多種密封端面的結構形式，分別為圖3為雙吸入式、圖4為雙泵出式、圖5為外側吸入式、圖6為外側泵出式、圖7為內側吸入式、圖8為內側泵出式等。均壓槽7的位置設置在密封端面中間附近，寬度為1 4mm可根據密封面寬度進行選擇，深度為5iim 800iim選擇，太淺加工困難，太深對密封的高速動態性影響較壞。靜環上的節流孔8數量一般為4 12個，節流孔直徑一般在0. 1 0. 6mm范圍內選擇，長度為1 5mm左右，位置在密封端面的中間附近。動壓槽6的個數為8 20個左右，布置的方式除了圖3 圖8所給出的方式外，為了不同的目的還可以由圖4 圖7組合而成，動壓槽深度為3 9 ii m左右。動壓槽6不應直接連通均壓槽7和密封環的內徑或外徑，之間應有不連通的密封壩16。在正常工作狀態下，動、靜環端面間要保持合適的液膜厚度2 lOym。
權利要求
一種外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，包括固定于動環座(1)上并隨轉軸旋轉的動環(5)，固定于密封腔體(2)和密封端蓋(12)上的密封靜環(11)；其特征在于在所述的密封靜環(11)內開有從外界引入外加壓氣體的通道(9)，所述的通道(9)以一定數量沿周向均勻分布在密封靜環(11)內；所述的通道(9)中設置有節流裝置(8)，在通道(9)的出口設置有一定深度的均壓槽(7)；所述的動環(5)或密封靜環(11)的端面上形成動壓效應的多種動壓槽(6)，均壓槽(7)的內側和外側均設有與其不連通的密封壩；通過調節外加壓氣體的壓力實現在線監控。
2. 根據權利要求1所述的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，其特征在于所述的外加壓氣體的壓力高于被密封介質的壓力0. 15 0. 45MPa。
3. 根據權利要求1或2所述的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，其特征在于所述 的密封靜環(11)如不能軸向補償，通過密封腔體(2)與密封靜環(11)外徑和兩個0形密 封圈(10)形成的環形空間將外加氣體引入到密封端面間；如密封靜環(11)具有軸向補償 能力時，通過柔性管道(15)或螺旋環管將外加壓氣體引入到密封端面間。
4. 根據權利要求1所述的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，其特征在于在所述密封靜環(11)內開有一定數量的通道(9)，通道中設置節流孔(8)。
5. 根據權利要求1所述的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，其特征在于在密封靜環(11)端面外加壓氣體出口處開有一定寬度和深度的環形均壓槽(7)。
6. 根據權利要求1所述的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，其特征在于在所述動環(5)或密封靜環(11)密封端面上開有動壓槽(6)，動壓槽以一定數量沿周向均勻分布在密封環端面上。
7. 根據權利要求1或6所述的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，其特征在于所述的動壓槽形狀可以是螺旋槽、圓弧槽、燕尾槽、T型槽。
8. 根據權利要求1或6所述的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，其特征在于所述 的動壓槽(6)的位置如下在密封靜環(11)或動環(5)的最外側和最內側同時布置或僅在最外側或最內側布置；與環形均壓槽(7)內側和外側同時布置或單側布置，并與環形均壓 槽(7)連通。
9. 根據權利要求1或6所述的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，其特征在于所述 的環形均壓槽(7)內側或外側都有與外徑或內徑不相通的密封壩。
10. 根據權利要求1或2所述的外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，其特征在于所述的在線監控，可采用信號控制，也可采用比例控制閥根據密封介質壓力控制。
全文摘要
一種外加壓式動靜壓氣體潤滑密封裝置，包括固定于動環座(1)上并隨轉軸旋轉的動環(5)，固定于密封腔體(2)和密封端蓋(12)上的密封靜環(11)；在密封靜環(11)內開有從外界引入外加壓氣體的通道(9)，通道(9)以一定數量沿周向均勻分布在密封靜環(11)內；通道(9)中設置有節流裝置(8)，在通道(9)的出口設置有一定深度的均壓槽(7)；動環(5)或密封靜環(11)的端面上形成動壓效應的多種動壓槽(6)，均壓槽(7)的內側和外側均設有與其不連通的密封壩；通過調節外加壓氣體的壓力實現在線監控。加壓式動靜壓氣體潤滑密封大大降低了阻力矩，減小功耗，改進了傳統的端面密封磨損嚴重的現象。
文檔編號F16J15/48GK101776152SQ20101011954
公開日2010年7月14日 申請日期2010年3月5日 優先權日2010年3月5日
發明者張秋翔, 李雙喜, 查盛, 蔡紀寧, 許洋, 陳聰 申請人:北京化工大學