基于环状弹性体柔性支撑结构的开启强化干气密封装置

本发明属于机械密封，具体涉及基于环状弹性体柔性支撑结构的开启强化干气密封装置。

背景技术：

1、相较于传统接触式密封易泄漏、易磨损、寿命短、经济效益低等缺点，干气密封具有使用寿命长、稳定可靠、低泄漏、经济环保等特点，在石化、炼化和能源动力等领域得到了广泛应用。动压型干气密封的动环端面一般分为两个功能区：槽区和坝区，当动环旋转时，流体动压槽把外径侧的高压润滑气体泵入密封端面之间，气体在动压槽内被压缩增速并流动至坝区进口受阻降速，即自外径至槽坝交界处气体得以增压，在槽根部附近形成局部高压区，产生动压效应。在密封间隙内气膜力与静环背部闭合力相互平衡的状态下，形成一定厚度的稳定气膜。

2、根据干气密封工作原理，干气密封开启力与闭合力的受力平衡始终存在于密封运行过程中，其中开启力由密封间隙内的气膜产生并由气膜压力分布决定，而闭合力则由高压气体、弹簧、大气压在静环背面协同诱发，其中由高压气体作用于静环背部而产生的背压载荷在闭合力中占主导作用。干气密封的选型设计一般是根据其配套主机工况开展的，在目前干气密封应用工况趋向于高压重载的大环境中，高压进口会使静环的背压载荷大大提升，这种工况下干气密封开启困难，动环和静环长时间贴合，会导致密封环端面损坏或端面温度过高，降低干气密封装置的使用寿命。干气密封的迅捷开启能够为其后续的平稳运行奠定坚实的基础，在密封工作工况确定的前提下，要实现干气密封易开启以及开启后密封能够快速达到平衡工作状态，可以考虑从调节背压载荷着手对闭合力进行调控，使其具备“开启可控”的特征。

3、中国专利cn102128272a提出一种闭合力可控的机械密封装置，通过在静环外表面与密封腔体内表面间的通道处设置梳齿结构，并于静环背部腔室开设泄漏通道并连接调节阀，调节调节阀的开度大小，改变润滑气体流经梳齿结构后的压降，实现调节闭合力目标。要达到上述目的，必须严格控制梳齿密封与静环外缘端的间隙，但是在高压高速工况下，密封环的径向跳动将会对这一间隙形成影响，制约节流效应的效果。

4、中国专利cn104896104a公布了一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，其核心思想是在静环后设计一活塞结构，通过调节供气压力实现活塞对弹簧的压缩，进而达到改变弹簧压缩量调节闭合力的目的。这一方案在低压工况中的可行性尚可，但是对于高压重载环境，弹簧力相较于静环背压载荷，其大小可以忽略不计。

5、为此，研发一种用于非接触式机械密封，实现快速开启并达到稳定工作状态，有效解决在高压重载工况下干气密封难开启的基于环状弹性体柔性支撑结构的开启强化干气密封装置是非常必要的。

技术实现思路

1、本发明针对高压进口工况中，干气密封启动伊始静环背部承压载荷较高，动静环端面脱离不畅，且高速环境下干气密封角向偏摆严重等技术问题，本发明的目的在于提供基于环状弹性体柔性支撑结构的开启强化干气密封装置，基于环状弹性体受压后与静环接触面积的增大，降低静环背部高压润滑气体及环境压力的作用面积，促成干气密封启动过程中闭合力的持续降低，进而实现快速开启并达到稳定工作状态，静环背部支撑和启动能力均得以强化。

2、本发明的目的是这样实现的，包括动环以及与动环配对的静环，所述动环与静环相对的一面开有动压槽，还包括环状弹性体、环状支撑安装座，所述环状支撑安装座位于静环后方，所述环状弹性体固设于环状支撑安装座上，且环状弹性体紧密贴合静环背面，所述环状弹性体、静环、动环、环状支撑安装座处于同一轴线。

3、优选地，所述环状弹性体的材质为硅橡胶，硅橡胶弹性体对静环柔性支撑，强化干气密封的启动能力，让干气密封快速达到平衡工作状态，增强干气密封在高压重载工况下的适应能力，延长使用寿命；所述环状弹性体与环状支撑安装座之间粘接，在将环状弹性体与环状支撑安装座粘接时，对安装面进行机械处理或化学处理，保证粘接金属表面干净、光滑；在具体安装时，可将环状支撑安装座与静环的限位台阶接触。

4、优选地，所述环状弹性体与环状支撑安装座接触的一端为较宽一端，且环状弹性体的接触面为平面，所述环状弹性体与静环接触的一端为较窄一端；定义环状弹性体窄端与静环背部接触点到轴心的半径为 rc，静环的外径为 ri，静环与环状支撑安装座配合处的限位台阶的半径为 rb，静环背部高压区和低压区的面积之比为 s=（ ri2- rc2）/（ rc2- rb2），环状弹性体与静环的接触点在距离轴心 rc处，接触点处 s控制在0.6~0.8；接触面积为1mm~1.5mm宽的环形带，接触面积是指未工作时的接触面积，即最小预紧量。

5、优选地，所述环状弹性体横截面呈半椭圆形，半椭圆形的长半轴 a与短半轴为 b的比值为2.8，接触点处 s为0.7。

6、优选地，所述环状弹性体横截面呈半月牙形，半月牙形的尖端与静环接触，接触点处 s为0.6。

7、优选地，所述环状弹性体横截面呈u形，u形的窄部与静环接触，接触点处 s为0.8。

8、优选地，所述环状弹性体横截面呈钩状，钩状前端向前凸起形成窄部，窄部与静环接触，接触点处 s为0.8，钩状后部为金属骨架，金属骨架与环状支撑安装座固接，钩状前端相对的背面一侧设有卡紧弹簧，将钩状前端卡紧。

9、优选地，在机械正常运行时，通过环状弹性体的强化开启作用，动环、静环始终为非接触状态，密封端面维持一层3~5µm厚度气膜；在非运行状态时，动环、静环始终为接触状态。

10、优选地，所述静环2背面粗糙度0.2µm~0.6µm，

11、优选地，所述环状支撑安装座4呈u形。

12、本发明的有益效果：

13、1、本发明不同于现有的机械密封调节装置，本发明在静环背部使用环状结弹性体取代常规干气密封静环背部的弹簧、o型圈，具有既能柔性支撑静环，又能防止静环背部高压气体泄漏的“一体两用”功能；环状弹性体固定于环状支撑安装座中，环状弹性体的窄部与静环背部经过预紧处理形成微小环带面接触，当干气密封开始工作时，动环随轴旋转，动环与静环之间形成气膜，静环背离动环发生轴向位移，开始挤压其后的环状弹性体导致两者的接触面积增大，从而缩减高压润滑气体在静环背部的作用面积，最终导致干气密封的背压载荷减小，闭合力逐渐减小，干气密封更容易开启并达到平衡工作状态；

14、2、本发明能使干起密封在高压重载的工况下能快速开启、更容易达到稳定工作状态；在密封工作环境确定的前提下，可以选择合适的环状弹性体截面尺寸、形状，改变环状弹性体与静环的初始接触面积，能够有效调控干气密封的初始闭合力；

15、3、本发明能有效避免高压重载条件下密封不能及时开启导致的端面磨损，增强静环支撑刚度，削弱角向偏摆，提高密封装置的使用寿命；在高压重载的工况下，尽管高压气体产生的背压依然占据闭合力的大部分，但相较于现有技术干气密封的弹簧装置，本发明支撑面更大的环状弹性体所提供的支撑力有了更高的占比，故而在高速运行工况中能够有效抵抗静环的角向偏摆，提高密封运行稳定性；此外，环状弹性体自身即具有良好的密封特性，可以实现对现有技术o型圈的替代，使得干气密封结构更加简单。