具有可控波形密封端面密封環的機械密封裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及端面密封的裝置，具體的講是具有可控波形密封端面密封環的機械密封裝置。
【背景技術】
[0002]機械密封裝置和技術廣泛應用于眾多的旋轉機械軸向端面密封的應用中，例如各種型式的栗、壓縮機、膨脹機、分離機、反應釜等旋轉類機器的軸端密封。如圖1所示，目前已有報道和/或使用的流體端面非接觸式機械密封裝置的基本結構中，通常包括有靜止環(靜環)1、旋轉環(動環)2、靜環座3、軸套4、傳動銷5、公差環7、壓緊套8、推環9、彈簧10、防轉銷11等構成組件。靜環I和動環2共軸線相對設置，其相對的端面為密封面。靜環I徑向空套在靜環座3上，軸向由推環9和彈簧10浮動支撐，周向由防轉銷11定位，使靜環I只可沿軸向自由浮動而不能隨軸旋轉。動環2徑向由公差環7脹緊在軸套4的外圓柱面上，軸向與軸套4的臺階面接觸并被壓緊套8軸向壓緊，周向由傳動銷5與軸套4固定在一起，使動環2可隨軸套4與旋轉軸6 —起同步旋轉。
[0003]機械密封可分為接觸式和非接觸式兩種。非接觸式機械密封根據其密封端面流體膜開啟力的形成方式不同，又可大致分為動壓型和靜壓型兩種，當然兩種類型的機械密封端面開啟力構成中都可能同時具有流體動壓力和靜壓力，區別是其中某一種類型的壓力是構成該密封開啟力的主要因素。動壓型非接觸式機械密封一般是利用介質在密封面間的流動形成充分的流體動壓效應，以獲得足夠的流體膜開啟力和更高的流體膜剛度。端面流體動壓效應主要與密封面相對轉速、介質粘度、密封面表面結構相關，這其中密封面相對轉速和介質粘度往往是取決于使用密封機組的現場條件，技術上更多可改進的是密封面表面結構。目前通常的密封面表面結構設置措施是在其兩密封端面中的一側或兩側端面上，開設有經具有端平面高度的相同形式隔離部分(堰區)分隔成均勻排布的淺槽形式，其中以等槽深螺旋槽、“T”形槽、波形面的端面密封最為典型。
[0004]波形面機械密封作為一種有效的動壓型機械密封裝置，在栗和壓縮機特別是核主栗軸端密封中得到了應用。但其難點是靜環和0/或動環端面波形的加工、檢測、裝配和保持。考慮介質流經端面時能形成充分的流體動壓效應，以獲得更大流體膜開啟力和剛度，該類型機械密封端面上波形的波幅一般僅為幾微米至數十微米，況且開設有波形面的密封端面的表面質量(主要指表面粗糙度、波紋度、形狀度)要求非常高，這就導致一般的加工工藝和設備難以獲得高精度的波形表面。另一方面，在加工精度能有效保證的情況下，因檢測手段和裝配精度及工作時介質壓力和溫度的影響等因素都可能導致該密封端面波形的大小發生改變。這就使得波形面機械密封實際工作時的表面波形難以跟設計波形保持一致，從而影響密封工作的穩定性。
[0005]因此，對于波形端面機械密封，在其端面波形的波幅非常小且表面質量要求非常高的情況下，加工、檢測、裝配和運行時的任一環節都可能對該波形的大小和形狀產生顯著的影響，從而導致不能產生足夠的端面流體動效應，難以獲得足夠的端面流體膜開啟力和剛度，使密封無法正常工作。
[0006]綜上，波形面機械密封作為一種有效的非接觸式機械密封裝置，存在兩個顯著的問題:其一是表面波形的加工難度大，工藝要求非常高；其二是實際工作時的表面波形難以跟設計波形保持一致，且無法調整。

【發明內容】

[0007]本發明提供了一種具有可控波形密封端面密封環的機械密封裝置，在較低端面工藝要求的基礎上，能獲得高表面質量的波形面密封環，以避免工藝、檢測、裝配及運行等諸多因素的影響，產生更好的流體動壓效應，獲得更為理想的流體膜開啟力和剛度。
[0008]本發明具有可控波形密封端面密封環的機械密封裝置，其基本結構中同樣具有可隨旋轉軸同步轉動的動環和與靜環座連接的非旋轉的靜環，動環和靜環間軸向相對的端面為各自的密封面，其中至少靜環或動環之一的密封面為平面結構，沿所述具有平面結構密封面的靜環和/或動環的周向設有間隔排布且與密封面保持間距的電發熱結構，所述的電發熱結構與控制系統連接。
[0009]本發明機械密封裝置中上述靜環和/或動環的密封端面在加工時可直接加工為平面，并可進行高精度的表面研磨或拋光處理，從而獲得極高表面質量的密封面。相比于傳統波形表面結構，在加工過程中無需要求考慮在端面加工微小波形，從而極大的降低了密封面加工的成本和難度。所述的電發熱結構可以根據密封面的要求設在該靜環和/或動環的徑向外側部位、與密封面的相背側，或其它適合的位置。當電發熱結構通電發熱后，其對應部分的密封面受熱后因物理特性會根據其溫度差的情況形成相應的微小變形或不變形，從而在周向上呈現出波狀起伏，這樣整個密封面便形成具有波形起伏的平面。通過調整電發熱結構的溫度，即可調整密封面波形的波幅，以消除或降低因其它多種因素，例如包括但不限于裝配過程中的位置誤差及工作時介質壓力和溫度對密封面造成的變形等因素導致的密封面變形，并最終使密封面獲得更合理的表面波形，以產生更為理想的開啟力和更高的剛度及承載能力。由于在加工時只須保證密封面的平整和光潔，無須在密封表面直接加工波形，因此極大程度降低了密封面的加工難度。
[0010]其中所述的控制系統，可以采用常規的電流/電壓等控制裝置和密封泄漏量檢測裝置實現，例如控制系統可以包括流量變送器、A/D轉換器、CPU(中央處理器)、電流調節器、變壓器及電源等構成。控制系統由流量變送器檢測密封泄漏量，根據泄漏量計算出密封面間隙，由密封面間隙獲得端面波狀熱變形的程度及大小，調節流經與電流調節器相連的電發熱結構的電流而改變與其對應的密封環表面溫度差，從而實現密封面熱波狀變形的調控。本發明裝置的密封原理和結構可以適用于多種型式的機械密封結構/裝置，如單端面密封、雙端面密封、串聯式密封(兩級以上)、串聯帶中間密封(兩級以上)等，還可將其與浮環密封、碳環密封、迷宮密封等其它密封型式組成組合式密封結構/裝置等。
[0011]在上述基本結構的基礎上，所述電發熱結構的一種優選的簡單設置方式，可采用以相同方式設置在靜環和/或動環徑向外側靠近密封面部位的凹槽中，并且電發熱結構的發熱面至少與凹槽的一個側壁面相接觸，接觸形式可以為直接接觸，也可以通過導熱硅膠等導熱劑間接接觸。電發熱結構都以相同方式設置更有利于控制靜環和/或動環的受熱量，而采用相同形式的凹槽設置，則更有利于實現和保證各電發熱結構在設置上的一致性，從而在密封面產生相同的波形面。電發熱結構的發熱面可以直接或間接與靜環和/或動環上的所述凹槽的至少一個側面接觸。
[0012]進一步的，各電發熱結構以其對應的相同發熱部位與所在密封環的密封面保持等間距的方式設置是另一種優選的設置方式(例如可使各電發熱結構的內側和外側分別位于同一圓周/圓環上)，這樣能夠進一步有利于控制靜環和/或動環密封面上不同受熱部位的受熱均勻性，有利于形成具有更均勻的相同波形的密封面。
[0013]在此基礎上，所述的電發熱結構在其所在的靜環和/或動環上，沿以其徑向中心點(即旋轉軸中心)為中心的圓周等間距間隔設置，也是一種有利于進一步實現和保證形成具有更均勻的相同波形的密封面的可選擇方式。所述的沿圓周等間距間隔設置，可以為以相同的弧度、以靜環或動環的徑向中心點為頂點的相同角度或弧長等相應計量單位的間隔設置。
[0014]在本發明上述密封裝置中，一種優選的方式，是使所述的靜環密封面為平面結構，從而將所述的電發熱結構設于靜環上，這樣加工更加容易。
[0015]上述密封裝置中所述的電發熱結構，一種優選的方式是在電發熱件之外還包覆有保護結構的形式，保護結構能夠起到保護內空發熱材料及導線、絕緣、防爆等作用。所述的發熱件可以為鉻鎳合金、鉻鎳鐵合金、鐵鉻鋁合金、鐵鋁合金、鉑、鋁鉑、碳化硅、鉻酸鑭、氧化鋯、二硅化鉬或石墨等常用形式，也可以是其它具有類似發熱功能的元件或結構，例如目前成熟的電流帶等。
[0016]進一步的實驗顯示，當密封面受熱后形成的波數如果少于6個，密封面流體動壓效應和穩定性會有較明顯下降；如果波數大于20，增加波數對密封面流體膜性能的提升也會變弱。因此優選的是使電發熱結構沿其所在的靜環和/或動環的周向等間距設有6?25個。
[0017]優選的，電發熱結構以所述方式設有9?15個。在此基礎上，電發熱結構一般設為9個通常都能取得更好的密封效果。
[0018]本發明具有可控波形密封端面密封環的機械密封裝置，在保持現有端面波形工藝的基礎上，可以直接將密封面加工為平面，可進行高精度的表面研磨或拋光處理，從而獲得較高表面質量的密封面。相比于傳統波形表面結構，不會要求在加工過程中考慮端面具有的微小波形，從而大大降低表面加工的成本和難度。然后可通過控制電熱件的溫度實現在密封端面上產生所需的波形，并調整密封端面波形的波幅，有效消除或降低其它非有利因素導致的密封環表面變形及對密封效