密封端面间局部膜厚可调控型机械密封装置的制作方法

本发明涉及轴端机械密封装置，特别适合需要对密封端面流体膜厚和流体膜刚度进行在线调节的机械密封应用场合。

背景技术：

在诸如反应堆冷却剂主泵等关键透平机械中，机械密封发挥着至关重要的作用。机械密封长寿命和高可靠性的关键是持续全膜润滑，既不能过度泄漏，又不能为了追求过低的泄漏率而使端面间缺少润滑。当出现泄漏率过高或端面间缺少润滑时，会导致密封装置中温度和压力的变化，密封可靠性下降，甚至失效。当密封失效后只能通过关闭反应堆冷却剂泵来维修密封，而关闭反应堆冷却剂泵而造成的经济损失是巨大的。

由于泄漏过度或缺乏润滑都是因为动静环端面间的流体膜厚发生变化造成的，而密封稳定性差则是因为端面间流体膜刚度小甚至出现负刚度造成，因此通过控制端面间的膜厚大小及其沿径向的分布是调控泄漏率，确保密封稳定运行的重要有效手段之一。为了在不需要关闭反应堆冷却剂泵或其他关键透平机械的前提下，解决密封过度泄漏或缺乏润滑的问题，一些学者进行了相关的研究并得到了一定的解决办法，salant(salantrf,paynejw,johnsonwr,etal.simulationofahydraulicallycontrollablereactorcoolantpumpseal[j].tribologyinternational,2018.)通过使用液压驱动的密封件来改变密封端面间的膜厚，但是其装置比较复杂，实现实用化的路途还很长；etsion等人(etsioni,palmorz,hararin.feasibilitystudyofacontrolledmechanicalseal.lubr.eng.1991；47:621–5.)和zou等人(zoum,greeni.clearancecontrolofamechanicalfaceseal.triboltrans1999；42:535–40.)的研究认为可以通过对密封闭合力的调控，从而调节端面间的流体膜厚，进而来调控泄漏率大小。

本发明的提出，就是为了解决上述机械密封泄漏率和流体膜刚度难以有效调控及已有调节技术与装置复杂且实用性不高的迫切问题。

技术实现要素：

针对现有的机械密封装置泄漏率和流体膜刚度难以调控的问题，本发明提供一种通过调节密封端面变形进而调控端面间局部膜厚，实现泄漏率和流体膜刚度调控的可调控型机械密封装置。该装置通过改变静环内置活塞上的流体压力，使静环端面发生不同程度的局部变形，在端面间形成沿径向方向的收敛状流体膜厚，最终实现调控泄漏率，增大液膜刚度，提高机械密封运行稳定性的目的。

本发明的技术方案是：

密封端面间局部膜厚可调控型机械密封装置，包括定位环11、动环6、动环座5、静环4、静环座3、密封端盖2；定位环11将静环4压实在静环座3上，防止静环相对静环座产生轴向位移；动环6的端面与静环4的端面轴向配合，动环6安装在动环座5上并随轴旋转，动环6与动环座5之间装有顶推弹簧；静环4安装在静环座3上，静环座3安装在密封端盖2上；以静环4面对动环6的一面为端面，静环4背对动环6的一面为背面，静环4内设置有储油腔1c，储油腔1c是开口于静环4背面的盲孔，储油腔1c的顶端靠近静环4的端面；静环座3内设有活塞腔1a，活塞腔1a是开口于静环座3与静环4的贴合面的盲孔，活塞腔1a与储油腔1c对接成平行于轴向的统一腔体；统一腔体内设有双头活塞1b，双头活塞1b一端位于储油腔1c内，另一端位于活塞腔1a内，双头活塞1b沿统一腔体轴向移动以改变储油腔1c内压力，活塞腔1a通过穿过静环座3和密封端盖2的进气通道1d连通调压阀1e，以调节活塞腔1a内压力。

优选地，储油腔1c的顶端与静环4的端面间的距离为0.5-2.5mm。

进一步，静环4上设有多个活塞调压结构1，各活塞调压结构1的储油腔1c的深度按照各活塞调压结构1从静环4端面外侧向内侧的距离依次增加。

进一步，各活塞调压结构1的储油腔1c的深度的增幅为0.05-0.25mm。

优选地，储油腔1c的直径b1小于活塞腔1a的直径b2；双头活塞1b位于储油腔1c的一端直径为a1，另一端的直径为a2，a1比a2小2-10mm。

优选地，内活塞腔1a远离静环侧设有双头活塞1b的限位台阶，限制双头活塞1b远离静环侧的行程。

优选地，储油腔1c、活塞腔1a、双头活塞1b三者的轴心线位于同一条平行于轴线的直线上。

本发明的工作原理如下：

本发明中由于双头活塞会受到静环内储油腔内的压力作用和静环座内活塞腔内的压力作用，前者通过活塞受后者作用力传递，受储油腔压力的作用，该部分端面产生变形。为防止静环受储油腔压力和活塞摩擦力的作用向动环方向产生位移，在静环和静环座上设置定位环，采用紧定螺钉将定位环与静环座固结在一起，并将静环与静环座贴紧，防止静环受活塞腔压力和活塞密封圈摩擦力的共同作用产生向动环方向的滑动位移，确保静环与静环座之间不会产生相对轴向位移和可能的液压流体的泄漏。若静环内部设置活塞调压结构仅一个，则端面沿径向方向上仅在设置储油腔的径向位置处产生变形，此处端面间的膜厚较小，形成由端面外径到该处的径向局部收敛状；若静环内部设置两个及两个以上活塞调压结构，则储油腔的深度沿径向由端面外径到内径逐渐加深，在储油腔压力相同的前提下，静环端面发生的局部变形相应产生由小到大的变化规律，其结果在端面形成由端面外径到内径整体上呈收敛状的膜厚分布。具有这种膜厚变化规律的机械密封，不仅泄漏率得到了调控，而且液膜刚度提升，密封运行稳定性和使用寿命也得到提高。此外，在保持储油腔深度或储油腔端部距离密封端面的厚度一致相等的条件下，可以通过从低到高设定静环座内活塞腔内的压力数值大小，因此同样获得由端面外径到内经整体上呈收敛状的膜厚分布，最终实现调控泄漏率，增大液膜刚度，提高机械密封运行稳定性的目的。

本发明提出的技术方案采用液压气动驱动方式，通过改变静环的端面变形及其沿径向的分布与变化规律，实现端面膜厚的调控，进而实现对泄漏率的高效调控。

本发明的优点是：以简单可靠的机械结构获得由端面外径到内经整体上呈收敛状的膜厚分布，最终实现调控泄漏率，增大液膜刚度，提高机械密封运行稳定性。

附图说明

图1是本发明装置中有一个活塞调压结构的结构示意图；

图2a是本发明静环内储油腔和活塞腔的结构示意图；

图2b是本发明静环内储油腔和活塞腔的另一种结构示意图；

图3是本发明包含三个活塞调压结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

参照图1、图2和图3：

如图1所示，密封端面间局部膜厚可调控型机械密封装置，包括定位环11、动环6、动环座5、静环4、静环座3、密封端盖2；定位环11将静环4压实在静环座3上，防止静环相对静环座产生轴向位移；动环6的端面与静环4的端面轴向配合，动环6安装在动环座5上并随轴旋转，动环6与动环座5之间装有顶推弹簧；静环4安装在静环座3上，静环座3安装在密封端盖2上；以静环4面对动环6的一面为端面，静环4背对动环6的一面为背面，静环4内设置有储油腔1c，储油腔1c是开口于静环4背面的盲孔，储油腔1c的顶端靠近静环4的端面；静环座3内设有活塞腔1a，活塞腔1a是开口于静环座3与静环4的贴合面的盲孔，活塞腔1a与储油腔1c对接成平行于轴向的统一腔体；统一腔体内设有双头活塞1b，双头活塞1b一端位于储油腔1c内，另一端位于活塞腔1a内，双头活塞1b沿统一腔体轴向移动以改变储油腔1c内压力，活塞腔1a通过穿过静环座3和密封端盖2的进气通道1d连通调压阀1e，以调节活塞腔1a内压力。

如图2a和图2b所示，所述静环4内的储油腔1c靠近动环侧的壁面与静环端面间的距离为0.5-2.5mm。

如图2a所示，储油腔1c的直径b1小于活塞腔1a的直径b2；双头活塞1b位于储油腔1c的一端直径为a1，另一端的直径为a2，a1比a2小2-10mm。也可以采用如图2b所示的结构，储油腔1c的直径b1大于活塞腔1a的直径b2，双头活塞1b位于储油腔1c的一端直径a1大于另一端的直径a2。

如图3所示，所述活塞调压结构1在一个密封装置中可以有多个，其数量范围为1-6个；当所述活塞调压结构1的数量为两个及两个以上时，各活塞调压结构1的静环内储油腔1c的深度按照活塞调压结构1从端面外侧向内侧的距离依次增加，增幅为0.05-0.25mm。

活塞腔1a远离静环侧设有双头活塞的限位台阶，用于限制双头活塞远离静环侧的运动行程。

所述静环内储油腔1c、静环座内活塞腔1a和双头活塞1b三者保持同心。

本说明书所述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所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括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。