[发明专利]耐高压机械密封装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转设备轴向端面的机械密封装置，特别是一种耐高压的轴向端面机械密封装置，可用于各种型式的压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜等旋转类机器的轴向端面密封。

背景技术

一种典型的机械密封结构如图1所示，包括轴向固定并可随轴（20）旋转的动环（1），以及经轴端密封面与动环（1）相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环（2），静环（2）则经与其非密封轴向端相接触设置的推环及弹性结构（6）浮动支承于推环座之间。其中的推环座为由内侧筒状周壁（18）和外侧筒状周壁（29）与径向环平面结构形成的一“环槽”式结构；与静环的端面直接接触的基本呈单一径向平面结构的推环（4），则以其内孔面间隙配合在推环座内侧圆筒结构（18）的外周面上。作为密封核心构件的动环轴向固定，静环轴向浮动，通过其轴向相对的密封端面直接接触或小间隙分离实现介质的密封。实践显示，密封的稳定性与被密封介质的压力密切相关。密封介质的压力较低时，密封的结构设计、工艺精度、装配要求、材料选取等都有较大的余地，并能很好地满足被密封机组的现场条件，确保密封的稳定运行；但随着被密封介质压力的升高，密封的泄漏量、变形、端面摩擦磨损等一系列参数都在恶化。实际上，当介质压力高于15MPa时，密封状况会急剧恶化，目前从结构、工艺、装配、材料等方面的一般处理措施已难以有效改善密封的性能。

经理论计算和试验发现，静环的端面变形是引起密封泄漏量增大、端面摩擦磨损加剧的主要原因之一，而与静环相连的推环和推环座又关系到静环的约束位置、受力状况和浮动性，这些都会在一定程度上影响静环的端面变形。由于在介质压力较高的情况下，推环和推环座会出现变形量大，局部应力高，甚至出现塑性变形、局部裂纹等，导致密封失效。在介质压力较高时其存在的问题主要表现在：

1）推环沿径向的压缩变形和垂直于周向的扭转变形增大。其中径向过大的压缩变形可能影响推环的内孔面与推环座内侧筒状周壁的圆周外表面的配合，导致推环的浮动性变差；扭转变形增大则可能使其与静环接触的端面改变静环的约束位置；

2）推环座的变形大，局部应力集中。与径向环平面连接的内、外侧筒状周壁均呈悬臂状结构，在高压介质压力的作用下变形大，特别是关键的内侧筒状周壁结构会呈现近锥状的变形，可显著影响推环的浮动性和密封圈的密封性能；且径向环平面与内、外侧筒状周壁连接的两转角部（16，17）还都存在非常显著的应力集中，可能出现塑性变形或局部裂纹；

3）由于外侧筒状周壁结构的存在，使推环座中关键的内侧筒状周壁的外圆柱面不便于精加工，最终会影响推环的浮动性。

因此，合理设计推环和推环座是提升机械密封稳定性的一个重要关键。

发明内容

    鉴于此，本发明提供了一种采用改进结构的推环和推环座的机械密封装置，特别是一种具有耐高压特性的机械密封装置。

本发明耐高压机械密封装置的基本结构，同样包括有轴向固定并可随轴旋转的动环和经轴端密封面与动环相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环，静环经与其非密封轴向端相接触设置的推环及弹性结构与推环座浮动支承。其中，所说由弹性结构与推环座浮动支承的推环，为在与一轴向端相邻的外周部设有径向外展盘片的筒状结构，与盘片相邻的该筒状结构外伸端面与静环的轴向端面相接触；推环座为带有包括轴向中心孔在内的阶梯孔的筒状结构。推环的筒状结构以其外圆柱面与推环座径向环平面结构的中心孔内孔面间隙配合，并在其配合部位设有密封圈。

由于本发明上述密封装置中的推环结构采用了一种在其一轴向端相邻的外周部设有径向外展盘片的筒状结构，并且只以盘片所邻该筒状结构的外伸端面与静环的非密封轴向端面相接触，而盘片部分则轴向后退而只与静环相邻，因此即使盘片产生变形也不会显著影响静环的浮动性，并且也更便于对推环中用于与推环座配合的筒状结构外圆柱面的精加工，有利于保障推环的浮动性。同时，与静环轴向端面相接触的该筒状结构端面的减小，同样也更有利于其加工并获得足够的表面形状精度，保证和提高其接触面的密封性能。由于本发明该推环与推环座间配合方式的改变，相应的推环座则相应改为了只有外侧筒状周壁的筒状结构，而不再是如传统结构那样同时具有内、外侧筒状周壁的“环槽”式结构，从而有利于减小介质压力对推环座的作用范围，推环座的变形也减小为只会产生对推环浮动性无显著影响的外侧筒状周壁结构的径向膨胀变形，和/或带轴向中心孔的径向环平面结构的扭转变形，并且只会在推环座中形成一个应力集中的位置，使推环座的局部应力集中显著降低。