[发明专利]一种基于改变闭合力的可控型机械密封

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于改变闭合力的可控型机械密封，可用于航空航天、石油化工、能源动力等相关工程领域，在燃气轮机、各类泵、压缩机、反应釜、膨胀机、分离机等工程装备中均可适用。

背景技术

机械密封已经在许多工业生产中得以广泛的应用，尤其在石油化工、航空航天、能源动力等领域。大多数正在开发的机械密封专利都致力于研究通过增加密封级数和改变密封表面形状实现对密封的稳定性、耐磨损，进而提高其使用寿命和可靠性；如申请专利200880117493.X提出了一种机械密封及串联式密封，该机械密封在密封的压力低或高的情形等任何条件下，都能获得合适的滑动特性，因此将拓展密封的适用范围。申请专利201010583081.4提出了一种穗形排布微孔端面机械密封结构；申请专利201010180728.9提出了一种旋转机械动静间隙的密封结构，用于控制高温高压流体沿动静间隙泄漏，避免大流量泄漏影响下一级部件的稳定运行和安全运作。

普通的机械密封一般只能在设计点稳定运行。当环境工作条件发生变化时，其端面可能产生高的轴向载荷或者瞬时脉动，举例来说，对于泵类旋转机械主轴用机械密封系统，由于其受到了泵体轴向载荷的极大影响，载荷较大可能导致密封端面的剧烈磨损，而间隙较大则可能导致密封失效。因此研究不同载荷下的机械密封端面间接触特性及其液膜特性就变得非常重要；同时对于密封系统的主动性控制而言，若设计一种通过检测端面温升和端面摩擦力的可控型机械密封并付诸于工程应用中，将对提高机械密封的工作寿命和可靠性具有重要的工程实践价值。可控型机械密封概念自提出以来，一直受到众多学者研究。

国外I.Etsion针对航空航天领域的液氧涡轮泵机械密封监控系统发展需求，较早地提出了通过监测机械密封端面温度的方法实现对密封的控制[Etsion I,Palmor Z J,Harari N.Feasibility study of a controlled mechanical seal[J].Lubrication Eng.,1991,47(8):621-625.]；他设计了一种通过调节闭合力来控制密封运转的闭环可控型机械密封系统。它是将端面温度作为闭环控制系统的反馈信号，而温度的测量采用热电偶传感器，并在端面上安装了5个温度传感器，闭环控制系统采用最简单的线性控制器。随后R.F.Salant等对非接触式端面密封的可控性进行了分析[Wolff P,Salant R F.Electronically controlled mechanical seal for aerospace applications—Part II:Transient tests[J].Tribology Trans.,1995,38(1):51-56.]，进一步发展了通过对端面温升和密封泄漏量结合的监测来控制密封特性的研究思路；设计了一种通过调节开启力来控制密封运转的闭环可控型机械密封系统。它是针对液氧涡轮泵密封，在其原有锥面密封的基础上，通过在石墨静环背面装入压电材料，由压电材料的变形来控制石墨静环锥面的角度，从而调节开启力。此闭环控制系统的反馈信号是端面温度或泄漏量。Zou M等提出了一种新型的可控型机械密封[Zou M,Dayan J,Green I.Dynamic simulation and monitoring of a noncontacting flexibly mounted rotor mechanical face seal[J].IMechE,J.Mech.Eng.Sci.,2000,214(9):1195-1206.]，直接将电涡流传感器测得的间隙作为闭环控制系统的反馈信号。在柔性支撑组件上形成一个腔体，通过改变腔体内空气的压力来达到调节闭合力的目的。控制系统分为两层，内循环控制系统通过调节腔内压力使密封间隙保持在希望的值，如果发生了接触，外循环控制系统就会根据传感器的值将密封间隙调整到新的合适位置。