一种自强制冷却耐高温机械密封装置的制作方法

本实用新型涉及密封技术领域，具体涉及一种自强制冷却耐高温机械密封装置。

背景技术：

现有技术中涡轮泵组件是液体火箭发动机推进剂供应系统的核心部件，主要实现对来流介质增压，并按设计要求流量和压力向燃烧室输送推进剂，通常在液体火箭发动机涡轮泵中的泵入口和涡轮之间的转轴上设置一套机械密封装置，目的是为了实现推进剂介质微量或无推进剂泄漏至涡轮腔里。

现有的机械密封装置工作时，最大PV值接近60MPa.m/s，这样一来就会存在以下问题：

1、机械密封摩擦副端面温度快速上升，摩擦副出现干磨、热裂、变形等现象。

2、涡轮腔温度高达650～800℃，现有的机械密封装置没有辅助冷却功能只能依靠自身能力进行散热，摩擦副周边液体介质会出现汽化，导致机械密封出现不稳定工作、密封面泄漏甚至密封失效等问题。

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本实用新型提供了一种在高温环境下密封性能好且结构简单的自强制冷却耐高温机械密封装置。

本实用新型的技术方案是：

本实用新型提供一种自强制冷却耐高温机械密封装置，包括O型橡胶圈、动环、石墨环、静环座、环形膜片组、环形壳体以及隔热环；

动环固定套装在转轴靠近泵入口的一端且动环的内环壁与转轴外表面之间安装O型橡胶圈，静环座套装在转轴远离泵入口的一端；动环和静环座之间设置有石墨环，石墨环一个端面与动环接触，石墨环的另一个端面与静环座间隙配合；

隔热环套装在转轴远离泵入口的一端且位于静环座的后方；环形壳体套装在隔热环和静环座上，并且环形壳体一侧与隔热环固定密封，环形壳体的另一侧内壁与静环座的外圆表面形成一个液体介质环形入口，环形膜片组套装在隔热环上且与隔热环的外环壁具有间隙，环形膜片组的两侧外边缘分别与静环座、隔热环在圆周方向上进行满焊；从而环形壳体、环形膜片组之间形成一个腔体；所述环形壳体的外壁上沿圆周方向均匀设置有与腔体连通的至少两个小孔；所述液体介质环形入口、所述腔体以及小孔形成一个冷却通道。

进一步地，为了使防止动环周围液态介质因高温汽化，所述动环的外圆表面沿圆周方向设置有多条导流槽。

进一步地，导流槽与液体介质流向之间的夹角为α°，25°＜α°＜45°。

进一步地，为了有效消除轴系波动对动环密封性能的影响，浮动性好，同时为了确保转轴顺时针和逆时针旋转时机械动环导流槽的散热能力相同，需要对动环进行拆装，所述动环为分体式结构，包括环本体以及衬套；所述衬套包括圆形环以及设置在圆形环端面的环形凸起，所述环本体套装在环形凸起上；环本体与环形凸起之间也设置有O型橡胶圈；环本体的端面与所述圆形环的端面之间间隙配合；所述导流槽设置环本体的外圆表面上。

进一步地，为了使环本体与圆形环之间不相对转动，所述环本体与所述圆形环间隙配合的端面设置有第一防转槽，所述圆形环上设置有与第一防转槽相适配的第一防转耳。

进一步地，为了使静环座与环形壳体之间不相对转动，所述静环座外圆表面设置有第二防转耳；所述环形壳体内壁设置有与第二防转耳相适配的第二防转槽。

进一步地，所述环形膜片组由N个环形片沿着转轴的轴向从左至右依次焊接而成；其具体的焊接方式是：第一个环形片的内孔右侧外边缘与第二环形片的内孔左侧外边缘焊接，第二环形片的外圆表面右侧外边缘与第三环形片的外圆表面左侧外边缘焊接，依照此规律直至焊接完N个环形片；N≥10。

进一步地，环形片的截面呈波浪形。

进一步地，所述静环座与石墨环接触的端面上设有环形凸台，所述环形凸台的内表面与石墨环的外圆表面紧密贴合；所述环形凸台的内表面上设置有应力释放环形槽。

进一步地，石墨环的端面与静环座之间的间隙≤0.03mm，环形膜片组与隔热环的外环壁之间的间隙为≤5mm；导流槽槽深为0.5～1.5mm，导流槽槽宽为3～5mm。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的机械密封结构采用在摩擦副(摩擦副是由动环、石墨环构成)后端设置冷却通道，使得摩擦副产生的高温，能够通过液体介质进行热交换，从而避免了摩擦副出现干磨、热裂、变形等现象，同时也避免了摩擦副周边液体介质会出现汽化，导致机械密封出现不稳定工作、密封面泄漏甚至密封失效等问题。

2、本实用新型动环外圆侧设置有多个导流槽，工作时螺旋槽随转轴旋转，可以加快机械密封摩擦副附近的介质流速，进一步地防止摩擦副周围液态介质因高温汽化。

3、本实用新型动环采用分体式结构，动环的环本体和衬套之间设置有O型橡胶圈，该结构有效消除轴系波动对动环密封性能的影响，浮动性好，同时分体结构增强了机械密封工作过程中动环的散热能力，并且由于转轴逆时针转动和顺时针转动时，动环的外表面导流槽需要满足不同的旋转方向，便于对动环进行拆换。

4、本实用新型采用多个截面为波浪形的环形片组成的环形膜片组用于为静环座、石墨环和动环之间提供轴向压力使得密封效果更好，同时环形膜片组的两侧与静环座、隔热环采用满焊的方式进行固定密封，使得液体介质通过冷却通道时不会泄露。

5、本实用新型静环座设置有应力释放环形槽，可有效消除静环座在贮存、装配、使用过程中的应力释放对石墨环的影响，减轻石墨环的变形量，提高机械密封的工作可靠性。

6、本实用新型隔热环可以有效阻挡涡轮高温燃气对机械密封的影响，改善了机械密封的工作环境，降低了膜盒高温环境下塑性变形的趋势，提高了密封的工作可靠性。

7、本实用新型中间隙配合的部位采用了合理的尺寸，使得机械密封工作时(最大PV值接近60MPa.m/s)，密封性能稳定，摩擦副对磨区域均匀、平滑，摩擦副间润滑膜连续。

附图说明

图1是本实用新型机械密封装置的整体结构示意图；

图2是分体式动环的装配示意图；

图3是环本体正面视图；

图4是转轴逆时针旋转时图3的A向视图；

图5是转轴顺时针旋转时图3的A向视图；

图6是静环座结构示意图；

图7是现有机械密封装置的动环端面温度仿真效果图；

图8是本实用新型机械密封装置的动环端面温度仿真效果图；

图9是现有机械密封装置的动环端面温度与本实用新型动环端面温度试验结果对比曲线图。

附图说明

1-O型橡胶圈、2-转轴、3-环形膜片组、4-动环、5-石墨环、6-静环座、7-环形片、8-腔体、9-环形壳体、10-隔热环、11-导流槽、12-小孔、17-衬套、18-环本体、181-圆形环、182-环形凸起、19-环形凸台、20-应力释放环形槽、21-第一防转槽、22-第一防转耳、23-第二防转耳、24-第二防转槽、25-液体介质环形入口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步的详细描述：

本实用新型提供的自强制冷却耐高温机械密封装置，主要设置于液体火箭发动机涡轮泵泵入口和涡轮之间，目的是实现密封自强制冷却耐高温，提高密封工作的可靠性。本实用新型也可用于船舶、核工业等领域密封装置，以及其他必须保证密封、尺寸空间狭小、要求多次起停、长寿命的旋转装置中。

如图1～图6所示，本实用新型提供的自强制冷却耐高温机械密封装置，主要包含O型橡胶圈1、动环4、石墨环5、静环座6、环形膜片组3、环形壳体9、隔热环10。

动环4固定套装在转轴2靠近泵入口的一端且动环4的内环壁与转轴2外表面之间安装O型橡胶圈1，静环座6套装在转轴远离泵入口的一端；动环4和静环座6之间设置有石墨环5，石墨环5一个端面与动环4接触，石墨环5的另一个端面与静环座6间隙配合(此处间隙≤0.03mm)；

隔热环10套装在转轴2远离泵入口的一端且位于静环座6的后方；环形壳体9套装在隔热环10和静环座6上，并且环形壳体9一侧与隔热环10固定密封，环形壳体9的另一侧内壁与静环座6的外圆表面形成一个液体介质环形入口25，环形膜片组3套装在隔热环10上且与隔热环10的外环壁具有间隙，环形膜片组3的两侧外边缘分别与静环座6、隔热环10在圆周方向上进行满焊；从而环形壳体9、环形膜片组3之间形成一个腔体8；环形壳体9的外壁上沿圆周方向均匀设置有与腔体8连通的至少两个小孔12(通常情况下沿圆周方向设置4-6个)；所述液体介质环形入口25、所述腔体8以及小孔12形成一个冷却通道，该冷却通道能够将摩擦副产生的热量通过热交换的形式带走，从而起到了降温的作用。

为了使防止动环周围液态介质因高温汽化，动环4的外圆表面沿圆周方向设置有多条导流槽11。导流槽与液体介质流向之间的夹角为α°，25°＜α°＜45°，导流槽槽深为0.5～1.5mm，导流槽槽宽为3～5mm。

由此就衍生出来动环的另外一种分体式的结构，如图2所示：

动环4为分体式结构，包括环本体17以及衬套18；衬套18包括圆形环181以及设置在圆形环181端面的环形凸起182，环本体17套装在环形凸起182上；环本体17与环形凸起182之间也设置有O型橡胶圈1；环本体17的端面与所述圆形环181的端面之间间隙配合(此处的间隙为0.2～0.5mm)。采用分体式结构时，导流槽设置在环本体上。除此之外，该分体设计还能够有效消除轴系波动对动环密封性能的影响，浮动性好，同时还增强了机械密封工作过程中动环的散热能力。

导流槽11的具体设置方式是由转轴2的旋转方向决定的目的是使的动环外的流体无论在转轴顺时针转动或者逆时针转动时均具有良好的流通性，在实际工作时，当转轴顺时针转动时，导流槽的设置方式如图4所示(导流槽设置在环本体上)，当转轴逆时针转动时，导流槽的设置方式如图5所示(导流槽设置在环本体上)，因此，为了适应转轴的不同旋转方向，需要根据实际情况对动环进行更换。

为了持续对动环4、石墨环5以及静环座6提供轴向压力，同时确保使得液体介质通过冷却通道时不会泄露，本实用新型的环形膜片组设计成了一种类似于密封波纹管的结构：其具体结构是：环形膜片组3由N个环形片7沿着转轴2的轴向从左至右依次焊接而成；其具体的焊接方式是：第一个环形片的内孔右侧外边缘与第二环形片的内孔左侧外边缘焊接，第二环形片的外圆表面右侧外边缘与第三环形片的外圆表面左侧外边缘焊接，依照此规律直至焊接完N个环形片；N≥10；为了确保环形膜片组的刚度和挠度，每一个环形片的截面呈波浪形。

为了有效消除静环座在贮存、装配、使用过程中的应力释放对石墨环的影响，该密封装置还做出了一下优化设计：静环座6与石墨环5接触的端面上设有环形凸台19，所述环形凸台19的内表面与石墨环5的外圆表面紧密贴合；环形凸台19的内表面上设置有应力释放环形槽20。

当整个密封装置在转轴旋转时，保证每个零件之间运动状态，该机械密封装置的多个零件之间均采用了防转设计，具体是：环本体17与所述圆形环181间隙配合的端面设置有第一防转槽21，圆形环181上设置有与第一防转槽21相适配的第一防转耳22，并且静环座6外圆表面设置有第二防转耳23；所述环形壳体9内壁设置有与第二防转耳23相适配的第二防转槽24。

需要说明的一点是：动环的硬度HRC≥35，石墨环为纯碳石墨，环形片可采用1Cr18Ni9Ti、GH4169材料制成，其他金属零件的材料一般为9Cr18，O型橡胶圈一般为F207、S8104。

工作时，转轴2带动动环4高速旋转，静环座6带动石墨环5相对环形壳体9静止，环形膜片组3提供轴向压紧力，使动环4和石墨环5始终保持端面贴合，实现密封功能，同时动环表面的导流槽11使其周围的液体介质流通更加顺畅，泵入口与涡轮之间的液体介质从环形壳体9与静环座之间的液体介质环形入口25流入腔体8内，再从环形壳体9上的小孔12流出，从而将前段摩擦副产生的高温通过液体热交换的方式进行冷却。

仿真结果：图7为不设置导流槽以及没有冷却通道时现有密封装置中动环端面温度分布，图8为设置导流槽以及有冷却通道时本实用新型中动环的端面温度分布，在相同的边界条件和工况下，采用本实用新型的结构设计，摩擦副周围介质搅动增强，摩擦副温度梯度平缓，有利于防止摩擦副热变形等问题，温度降低了7～9℃，大大降低的摩擦副周围介质汽化的概率。

试验结果：对不同结构进行试验验证，动环端面温度分布见图9，在相同的边界条件和工况下，采用导流槽和冷却通道结构后，摩擦副相同位置温度比不设置导流槽和冷却通道的动环端面温度低10℃，与仿真结果相近，试验效果良好。