[发明专利]一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封

说明书

本专利提供一种基于磁性液体密封与流体动压机械密封的组合型非接触式双端面密封，以保证熔盐泵轴封的零泄漏和长周期安全稳定运行。它设置于旋转设备的壳体与转轴之间，该组合型非接触式双端面密封由“泵入式”流体动压机械密封和磁性液体密封组成，动环的上下两端面为动环密封端面，每一动环密封端面都设有槽台区和密封坝，槽台区开设有均布的螺旋槽；集流环槽位于密封端面外径侧，引流孔道将集流环槽与阻塞流体腔连通，磁力发生机构位于密封端面内径侧部位；动环与静环相对转动时，螺旋槽泵入阻塞流体，产生端面开启力，密封端面脱开，此时流体动压形成的端面开启距离δ加上极靴距静环端面的距离d，构成运转状态磁性液体密封间隙d+δ。

技术领域

本专利属于机械密封技术领域，涉及自泵送流体动压机械密封和磁性液体密封技术，特别适用于气体保护泵或压缩机的转轴与壳体之间的密封。

背景技术

本世纪以来，由于世界范围内的能源和资源紧缺程度日趋严重，温室气体效应等相关环境问题日益突出，因此寻求可持续、安全稳定且环境友好的能源受到了各国关注。2002年第四代核能国际论坛(GIF)政策组发布了技术路线图，提出了几乎为所有核能国家所接受的6种堆型，其中3种分别是钠冷快堆、铅冷快堆和气冷快堆，另3种是超高温堆、超临界水堆和熔盐堆。其中，熔盐堆因效率高、废弃物排放少、在堆芯区域压力低等优点备受世界各国关注。

图1为熔盐堆的一回路熔盐泵简图。熔盐泵外壳内液态熔盐的自由液面上部充满氩气，在距离熔盐液面一定高度处设置热屏，在热屏上方安装机械密封，放止泵腔内介质沿转轴而泄漏。这种设计形式避免了密封与温度高达700℃的熔盐直接接触，消除了密封装置对材料、结构等方面的诸多苛刻限制。

按照现有技术，熔盐泵借鉴轻水堆(包括压水堆和沸水堆)、重水堆、石墨气冷堆的第3级密封，即采用润滑油作阻塞流体的双端面机械密封或采用气体作阻塞流体的干气密封来实现密封。然而，机械密封动环、静环之间的相对转动产生的端面摩擦磨损，以及辅助密封O型圈的老化，都会导致机械密封失效；这种情况下，就需要更换或拆卸维修机械密封。由于现行使用的机械密封均为整体式的，在更换易损件时必须拆卸轴端的配合件，工程量大、耗时长、费用高，因此，自90年代就有人开始研究剖分式机械密封，期待以此取而代之。然而，密封环的剖分面和剖分式O形圈的接头的密封可靠性，难以在工作条件下得到保证。为此，人们试图采用流体动压机械密封来解决接触式机械密封的寿命短以及剖分式机械密封的可靠度低的问题，但以牺牲密封性能换取寿命的流体动压机械密封，无法满足熔盐堆核主泵的零泄漏的要求。

US 3782737报道了一种可用于多种液体如水、钠或油的低泄漏螺旋槽密封，利用静环上的通道将工作流体(润滑液)引入至密封面的槽台区，当带有螺旋槽的动环旋转时，螺旋槽的自动泵送作用使得液体流向密封腔，并随着螺旋槽流通界面的增大流体流速降低而转化为流体动压的提升，似乎克服了机械密封对工作流体洁净度的敏感性，但静环通道与螺旋槽间隙性连通，一方面使得流体动压呈脉动状态，不利于机械密封的稳定运行，另一方面导致静环通道进入的流体间隙性流入密封面的堰区，引发密封面磨损；ZL201310201473.3提出了一种自泵送流体动压型机械密封，通过密封介质在密封端面和密封腔之间循环，实现了密封端面自润滑、自冲洗，保证了密封的稳定性和长久性，但泵出式自泵送流体动压型机械密封工作时，需要提供阻塞液体以便形成足够的开启力，减小动静环之间的摩擦磨损，而泵出阻塞流体时在型槽根部形成的低压区，不利于实现对密封面内径侧氩气的密封。