一種基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，包括相對旋轉(zhuǎn)的非浮動環(huán)和浮動環(huán)，兩者之間的密封間隙形成流體膜，相對靜止或微動的間隙處設有副密封；將流體膜的一部分與流體膜之外存在流體介質(zhì)的區(qū)域通過節(jié)流結構相連通，節(jié)流結構中包含有磁性液體或磁流變液；由磁場控制裝置提供的可控磁場改變磁性液體或磁流變液的特性和受力，改變節(jié)流結構的節(jié)流特性，以影響密封間隙內(nèi)的壓強分布，對機械密封進行主動控制。受控磁場中磁性液體或磁流變液的特性和受力改變，影響節(jié)流結構中密封介質(zhì)流動從而改變密封端面內(nèi)的壓強分布，調(diào)節(jié)浮動環(huán)的受力，從而實現(xiàn)對密封的主動控制，實現(xiàn)對機械密封迅速的、有較強抗干擾能力的調(diào)節(jié)。
【專利說明】
一種基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于機械密封技術領域，涉及一種基于磁性液體節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置。
【背景技術】
[0002]機械密封一般用作旋轉(zhuǎn)機械設備中的軸端密封，其通過在隨軸轉(zhuǎn)動的動環(huán)和不轉(zhuǎn)動的靜環(huán)之間的端面上形成潤滑，使得兩者間形成的摩擦副足以有效限制流體泄漏，但又不至于帶來太大摩擦扭矩。通常機械密封能在一定的穩(wěn)定工況下正常運行，但在某些情況下(例如工作條件發(fā)生較大變化時、運行過程中受到較大擾動時、利用動壓效應的機械密封在啟停過程中)，可能出現(xiàn)密封端面遠離或接觸力過大的異常狀況。對密封進行主動控制可以及時針對機械密封中的異常狀況做出調(diào)節(jié)，使機械密封恢復正常工作，盡可能地減少損失。
[0003]在機械密封的主動控制上已有一些研究，如中國專利CN101776152中提出從外部氣源向密封膜內(nèi)導入氣體的結構，并提出了通過調(diào)節(jié)外部氣源壓力來對機械密封進行調(diào)節(jié)的理念；中國專利CN104179975設計了通過對靜環(huán)施加電磁力來調(diào)節(jié)機械密封的加載方案。中國專利CN1825083中提出了用電機帶動絲杠螺母機構推動浮動環(huán)從而實現(xiàn)加載的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的問題在于提供一種基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，在機械密封結構中引入磁性液體或磁流變液節(jié)流，實現(xiàn)對機械密封迅速的、有較強抗干擾能力的調(diào)節(jié)。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0006]—種基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，包括相對旋轉(zhuǎn)的非浮動環(huán)和浮動環(huán)，兩者之間的密封間隙形成流體膜，相對靜止或微動的間隙處設有副密封;將流體膜的一部分與流體膜之外存在流體介質(zhì)的區(qū)域通過節(jié)流結構相連通，節(jié)流結構中包含有磁性液體或磁流變液;磁場控制裝置根據(jù)控制信號提供可控磁場改變磁性液體或磁流變液的特性和受力，從而改變節(jié)流結構的節(jié)流特性，以影響密封間隙內(nèi)的壓強分布，對機械密封進行主動控制。
[0007]所述的流體膜與存在流體介質(zhì)的區(qū)域的連通為:非浮動環(huán)或浮動環(huán)的端面上設有均壓槽，均壓槽與節(jié)流結構相連接；當節(jié)流結構的節(jié)流特性變化時，均壓槽內(nèi)的壓強會改變，進而將影響整個密封間隙內(nèi)的壓強分布，影響密封流體膜的開啟力和力矩。所述的流體膜之外存在流體介質(zhì)的區(qū)域為高壓區(qū)、低壓區(qū)或外部氣源。
[0008]所述的均壓槽為減小流體流動阻礙的空間，設置為一個或多個;均壓槽中的流體相對于密封間隙內(nèi)的其他區(qū)域更自由；
[0009]所述的均壓槽通過一個或多個節(jié)流孔與節(jié)流結構相連通。
[0010]所述的非浮動環(huán)和/或浮動環(huán)的端面上還設有改善密封性能的端面形貌特征，其端面形貌為固定形式、或具有自適應特性的、或由主動控制途徑所要求的形式，包括但不限于錐度、波度、槽和微織構。
[0011]所述非浮動環(huán)和浮動環(huán)形成的相對旋轉(zhuǎn)的密封端面將兩側有壓力差的流體介質(zhì)隔離開。
[0012]所述的流體介質(zhì)為液體或氣體。
[0013]所述的節(jié)流結構為有流體流過時能使其兩端的流體形成穩(wěn)定壓強差的結構，其幾何形式包括能夠形成穩(wěn)定壓強差的結構以及其組合。
[0014]所述的磁性液體或磁流變液的特性和受力狀況隨磁場控制裝置提供的可控磁場而改變，使節(jié)流結構的節(jié)流特性(即節(jié)流結構兩端壓強與節(jié)流結構中的磁性液體流量的關系)隨一定規(guī)律改變；當節(jié)流結構的節(jié)流特性改變時，與之連通的流體膜的開啟力和力矩隨之改變；
[0015]磁場控制裝置根據(jù)單路或多路的控制信號而改變可控磁場。
[0016]所述的磁性液體是將納米尺度的磁性固體顆粒分散在基載液中形成的穩(wěn)定膠體溶液，具有鐵磁性和流動性，在磁場中會受力，且粘度會發(fā)生改變；
[0017]所述的磁流變液是將微米或納米尺度的磁性固體顆粒分散在基載液中形成的固液兩相膠體懸濁液，具有鐵磁性，在磁場中會受力，在無磁場或低磁場時表現(xiàn)為液體而在磁場強時表現(xiàn)為固體。
[0018]當與磁性液體或磁流變液不互溶亦不反應的流體流過處于磁場中的磁性液體或磁流變液時，該流體的流動受到限制，從而產(chǎn)生壓降；當磁場發(fā)生改變時，流體的流動會相應受到影響。
[0019]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果:
[0020]本發(fā)明提供的基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，節(jié)流結構中包含有磁性液體或磁流變液，通過改變控制信號可以調(diào)節(jié)浮動環(huán)的受力，實現(xiàn)對機械密封的調(diào)節(jié)。采用磁性液體或磁流變液設計的可控節(jié)流結構可以很小，便于在對現(xiàn)有機械密封產(chǎn)品的結構作較小改動的情況下進行改進，從而保留了現(xiàn)有機械密封產(chǎn)品的優(yōu)點；合理的可控節(jié)流結構可以實現(xiàn)快速響應的控制，便于對機械密封的異常運行狀況及時做出反應，也便于抵抗高頻率的外部干擾;在高壓強的機械密封中，通過將節(jié)流結構連接到被密封的高壓流體介質(zhì)，可以借助流體介質(zhì)自身的壓強來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，從而較方便地產(chǎn)生較強的調(diào)節(jié)力。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明的整體結構示意圖；
[0022]圖2為實施例1端面結構示意圖；
[0023]圖3為實施例2端面結構不意圖；
[0024]圖4為實施例3端面結構不意圖；
[0025]圖5為實施例4采用的多套磁場控制裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0027]目前被廣泛運用的機械密封裝置中，非浮動環(huán)和通過彈性元件彈性支撐的浮動環(huán)相對旋轉(zhuǎn)，二者的微小間隙中形成流體膜，間隙兩端的高壓區(qū)和低壓區(qū)之間存在壓強差。對于相對靜止或只有微小相對運動的有壓差的縫隙，通過副密封阻止泄漏。
[0028]在上述的被廣泛使用的機械密封裝置基礎上，進行以下的改進:
[0029]將機械密封流體膜的一部分與流體膜之外的存在流體介質(zhì)的區(qū)域通過節(jié)流結構相連通。
[0030]所述的流體介質(zhì)可以是液體或氣體；
[0031]所述的流體膜之外的存在流體介質(zhì)的區(qū)域可以是機械密封所阻隔的兩個區(qū)域之一或其他的外部氣源；
[0032]所述的節(jié)流結構為有流體流過時能使其兩端的流體形成穩(wěn)定壓強差的結構，其幾何形式為單一形式或多種幾何形式的組合。具體的，所述的節(jié)流結構的幾何形式可以是縫隙等各種能在流體流過時在結構兩端形成穩(wěn)定壓強差的結構。亦可以是多個、多種此類幾何結構的組合，比如孔(各種截面形狀的)、縫隙、徑向間隙、軸向間隙及其組合。除固體結構夕卜，所述的節(jié)流結構中包含磁性液體或磁流變液，其特性和受力受到磁場的影響。
[0033]所述的磁性液體是一種將納米尺度的磁性固體顆粒分散在基載液中形成的穩(wěn)定膠體溶液。其具有類似于鐵等材料的鐵磁性，同時具有液體的流動性。其在磁場中會受力，且粘度會發(fā)生改變。
[0034]所述的磁流變液是一種將微米或納米尺度的磁性固體顆粒分散在基載液中形成的固液兩相膠體懸濁液。其具有類似于鐵等材料的鐵磁性。磁流變液在磁場中會受力，并且在無磁場或低磁場時表現(xiàn)為液體而在磁場較強時表現(xiàn)為固體。
[0035]當令與磁性液體或磁流變液不互溶亦不反應的流體流過磁場中的磁性液體或磁流變液時，該流體的流動受到限制，從而產(chǎn)生壓降。當磁場發(fā)生改變時，流體的流動也會相應受到影響。
[0036]節(jié)流結構的節(jié)流特性會隨控制磁場的控制信號的改變而以一定規(guī)律改變。
[0037]所述的節(jié)流特性指節(jié)流結構兩端壓強與通過結構中通道的流體的流量的關系。在改變控制信號時，磁性液體或磁流變液的特性和受力狀況會改變，從而使節(jié)流特性隨之改變。這一改變過程的規(guī)律是可知的。
[0038]在一件所述的可控型機械密封設備中，可以由單路或多路控制信號通過磁場控制對節(jié)流結構進行控制。
[0039]節(jié)流結構的節(jié)流特性改變時，密封流體膜的開啟力和力矩一一即由密封間隙中流體的壓強帶來的力和力矩——會隨之改變。
[0040]為此，可以在任一密封環(huán)的端面上設置均壓槽15，它是一個便于流體在較小的阻礙小流動的空間。均壓槽可以是一個或多個，可以是多種形狀。前述節(jié)流結構連接到均壓槽，因而節(jié)流特性變化時，均壓槽內(nèi)的壓強會改變。均壓槽內(nèi)壓強的改變將影響整個密封間隙內(nèi)的壓強分布，從而影響開啟力。
[0041]除可以設置均壓槽外，在相對的兩密封環(huán)中任一密封環(huán)的端面上可以添加其他的端面形貌特征，包括(但不限于)錐度、波度、各種槽和微織構等，以改善密封的性能。這些端面形貌可以是固定的，也可以是具有自適應特性的或由任何途徑主動控制的。
[0042]這樣一來，密封流體膜的開啟力和力矩便可以隨控制信號而改變，從而實現(xiàn)對機械密封的主動控制。若配合合適的檢測設備和控制算法，則可以增強密封的穩(wěn)定性。
[0043]參見圖1，本發(fā)明提出的一種基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，包括相對旋轉(zhuǎn)的非浮動環(huán)2和浮動環(huán)5，兩者之間的密封間隙形成流體膜3，相對靜止或微動的間隙處的副密封8;將流體膜3的一部分與流體膜之外3存在流體介質(zhì)的區(qū)域通過節(jié)流結構相連通，節(jié)流結構中包含有磁性液體或磁流變液；由磁場控制裝置提供的可控磁場通過改變磁性液體或磁流變液的特性和受力，改變節(jié)流結構的節(jié)流特性，以影響密封間隙內(nèi)的壓強分布，對機械密封進行主動控制。
[0044]所述的流體膜3與流體膜之外存在流體介質(zhì)的區(qū)域的連通為:非浮動環(huán)2或浮動環(huán)5的端面上設有均壓槽15，均壓槽15與節(jié)流結構相連通；
[0045]當節(jié)節(jié)流結構的流特性變化時，均壓槽15內(nèi)的壓強會改變，進而將影響整個密封間隙內(nèi)的壓強分布，影響密封流體膜的開啟力和力矩。
[0046]所述的流體膜之外存在流體介質(zhì)的區(qū)域為高壓區(qū)1、低壓區(qū)16或外部氣源。
[0047]所述的均壓槽15為減小流體流動阻礙的空間，設置為一個或多個;均壓槽15中的流體相對于密封間隙內(nèi)的其他區(qū)域更自由；
[0048]所述的均壓槽15通過一個或多個節(jié)流孔與節(jié)流結構相連通。
[0049]進一步的，所述的非浮動環(huán)2和/或浮動環(huán)5的端面上還設有改善密封性能的端面形貌特征，其端面形貌為固定形式、或具有自適應特性的形式、或由主動控制途徑所要求的形式，包括但不限于錐度、波度、槽和微織構。
[0050]所述的磁性液體或磁流變液的特性和受力狀況隨磁場控制裝置提供的可控磁場而改變，使節(jié)流結構的節(jié)流特性隨一定規(guī)律改變;所述的節(jié)流特性為節(jié)流結構兩端壓強與節(jié)流結構中的磁性液體流量的關系；當節(jié)流結構的節(jié)流特性改變時，與之連通的流體膜的開啟力和力矩隨之改變；
[0051 ]磁場控制裝置根據(jù)單路或多路的控制信號而改變可控磁場。
[0052]實施例1
[0053]本發(fā)明實施例1的整體結構如圖1所示。
[0054]一種基于磁性液體節(jié)流主動控制的機械密封裝置，包括固定在軸4上的動環(huán)2及相應的固定裝置、與之相對旋轉(zhuǎn)的靜環(huán)5和用于其彈性支承的彈簧6、用于施加可控磁場的線圈1、鐵芯9和極靴11、在磁場作用下影響節(jié)流結構中介質(zhì)流動的磁性液體12、相對靜止或微動的間隙處的副密封8。動環(huán)2(非浮動環(huán))隨軸一同轉(zhuǎn)動。靜環(huán)5(浮動環(huán))通過彈簧6彈性支承在靜環(huán)座7上。高壓區(qū)I為壓力穩(wěn)定的被密封氣體，低壓區(qū)16為大氣，它們被動環(huán)2和靜環(huán)5分隔開來，以微米級厚度的流體膜3相連通。
[0055]靜環(huán)座7固定在密封腔上，將環(huán)狀鐵芯10固定在其上。浮動環(huán)5彈性支撐在靜環(huán)座7上。在需要密封的相對靜止或微動的間隙處采用O形圈作為副密封8。
[0056]線圈9套在環(huán)狀鐵芯10上，鐵芯端部有極靴11，其中放置磁性液體12。線圈9通電后，極靴11的間隙中形成磁場，磁場中的磁性液體12將獲得抵抗壓差的能力，氣體流過時將產(chǎn)生壓降。保持密封間隙處于密封介質(zhì)流通并提供壓差的狀態(tài)，改變線圈9中電流的大小即可改變磁性液體12在間隙中的受力，從而改變高壓區(qū)I和背部氣室13兩端的壓強差。
[0057]背部氣室13經(jīng)由節(jié)流孔14與均壓槽15相連通，節(jié)流孔14的節(jié)流特性不可主動調(diào)節(jié)，但其壓強差隨流量的變化使其可以為密封流體膜提供剛度，增強密封的穩(wěn)定性。均壓槽的形狀如圖2所示。
[0058]在本實施例中，以線圈9中的電流作為控制信號，增強線圈9中的電流，則磁場增強，高壓區(qū)I與背部氣室13間壓差增大，從而背部氣室13壓強下降，均壓槽15壓強隨之下降，密封端面的壓強整體下降，從而減少沿軸向的開啟力，使流體膜3厚度減小。反之，減弱線圈9中的電流時，沿軸向的開啟力增大，使流體膜3厚度增大。
[0059]實施例2
[0060]在實施例1的基礎上，將均壓槽改為4個。如圖3所示。
[0061 ] 實施例3
[0062]在實施例1的基礎上，增加螺旋槽17，以提供動壓效應，改善機械密封性能。如圖4所示。
[0063]實施例4
[0064]在實施例2的基礎上，將設置在靜環(huán)背后的背部氣室13改為4個(每個背部氣室經(jīng)由節(jié)流孔通到一個均壓槽)，并將施加可控磁場的裝置(鐵芯9、線圈10、極靴11)相應地改為4套(每個線圈套在單個鐵芯上)，并在4路相互獨立的控制信號控制下調(diào)節(jié)極靴間磁性液體12的節(jié)流特性。如圖5所示。
[0065]實施例5
[0066]在實施例1的基礎上，將磁性液體改為磁流變液(當然，在實施例5的基礎上依然可以進行類似于實施例2至4的改進，不再贅述)。
[0067]以上給出的實施例是實現(xiàn)本發(fā)明較優(yōu)的例子，本發(fā)明不限于上述實施例。本領域的技術人員根據(jù)本發(fā)明技術方案的技術特征所做出的任何非本質(zhì)的添加、替換，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，其特征在于，包括相對旋轉(zhuǎn)的非浮動環(huán)(2)和浮動環(huán)(5)，兩者之間的密封間隙形成流體膜(3)，相對靜止或微動的間隙處設有副密封(8);將流體膜(3)的一部分與流體膜之外(3)存在流體介質(zhì)的區(qū)域通過節(jié)流結構相連通，節(jié)流結構中包含有磁性液體或磁流變液;磁場控制裝置提供可控磁場改變磁性液體或磁流變液的特性和受力，改變節(jié)流結構的節(jié)流特性，以影響密封間隙內(nèi)的壓強分布，對機械密封進行主動控制。2.如權利要求1所述的基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，其特征在于，所述的流體膜(3)與流體膜之外存在流體介質(zhì)的區(qū)域的連通為:非浮動環(huán)(2)或浮動環(huán)(5)的端面上設有均壓槽(15)，均壓槽(15)與節(jié)流結構相連通；當節(jié)流結構的節(jié)流特性變化時，均壓槽(15)內(nèi)的壓強會改變，進而將影響整個密封間隙內(nèi)的壓強分布，影響密封流體膜的開啟力和力矩;所述的流體膜之外存在流體介質(zhì)的區(qū)域為高壓區(qū)(I)、低壓區(qū)(16)或外部氣源。3.如權利要求2所述的基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，其特征在于，所述的均壓槽(15)為減小流體流動阻礙的空間，設置為一個或多個;均壓槽(15)中的流體流動相對于密封間隙內(nèi)的其他區(qū)域更自由； 所述的均壓槽(15)與節(jié)流結構相連通。4.如權利要求2所述的基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，其特征在于，所述的非浮動環(huán)(2)和/或浮動環(huán)(5)的端面上還設有改善密封性能的端面形貌特征，其端面形貌為固定形式、或具有自適應特性的形式、或?qū)崿F(xiàn)主動控制所需要的形式，包括但不限于錐度、波度、槽和微織構。5.如權利要求1所述的基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，其特征在于，所述非浮動環(huán)(2)和浮動環(huán)(5)形成的相對旋轉(zhuǎn)的密封端面將兩側有壓力差的流體介質(zhì)隔離開； 所述的流體介質(zhì)為液體或氣體。6.如權利要求1或2所述的基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，其特征在于，所述的節(jié)流結構為有流體流過時能使其兩端的流體形成穩(wěn)定壓強差的結構。7.如權利要求1所述的基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，其特征在于，所述的磁性液體或磁流變液的特性和受力狀況隨磁場控制裝置提供的可控磁場而改變，使節(jié)流結構的節(jié)流特性隨一定規(guī)律改變;所述的節(jié)流特性為節(jié)流結構兩端壓強與節(jié)流結構中的磁性液體流量的關系；當節(jié)流結構的節(jié)流特性改變時，與之連通的流體膜(3)的開啟力和力矩隨之改變； 磁場控制裝置根據(jù)單路或多路的控制信號改變可控磁場。8.如權利要求1或2所述的基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，其特征在于，所述的磁性液體是將納米尺度的磁性固體顆粒分散在基載液中形成的穩(wěn)定膠體溶液，具有鐵磁性和流動性，在磁場中會受力，且粘度會發(fā)生改變； 所述的磁流變液是將微米或納米尺度的磁性固體顆粒分散在基載液中形成的固液兩相膠體懸池液，具有鐵磁性，在磁場中會受力，在無磁場或低磁場時表現(xiàn)為液體而在磁場強時表現(xiàn)為固體。 當與磁性液體或磁流變液不互溶亦不反應的流體流過處于磁場中的磁性液體或磁流變液時，該流體的流動受到限制，從而產(chǎn)生壓降；當磁場發(fā)生改變時，流體的流動會相應受到影響。9.如權利要求1或2所述的基于節(jié)流結構主動控制的機械密封裝置，其特征在于，所述的非浮動環(huán)(2)固定在旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)軸(4)上，與之相對旋轉(zhuǎn)的浮動環(huán)(5)通過彈性元件(6)彈性支承在靜環(huán)座(7)上； 所述的節(jié)流結構包括背部氣室(13)，背部氣室(13)的底端經(jīng)由節(jié)流孔(14)與非浮動環(huán)(2)或浮動環(huán)(5)端面上設置的均壓槽(15)相連通;背部氣室(13)的開口端設置套有線圈(9)的環(huán)狀鐵芯(10)，環(huán)狀鐵芯(10)端部設有極靴(11)，極靴(11)中含有磁性液體(12)。10.如權利要求9所述的基于磁性液體或磁流變液節(jié)流主動控制的機械密封裝置，其特征在于，所述的均壓槽(15)設置為多個，每個均壓槽(15)與一個背部氣室(13)相連接，每個背部氣室(13)設有由線圈(9)的環(huán)狀鐵芯(10)組成的磁控裝置，并分別由相互獨立的控制信號控制。
【文檔編號】F16J15/34GK106015579SQ201610562222
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月15日
【發(fā)明人】黃偉峰, 尹源, 劉向鋒, 何強, 李德才
【申請人】清華大學