一種閉環(huán)控制式磁力懸浮流體動密封裝置制造方法
【專利摘要】一種閉環(huán)控制式磁力懸浮流體動密封裝置，針對現(xiàn)有流體機械用機械密封存在的變流體壓力、變轉(zhuǎn)速等變工況下運行狀態(tài)不穩(wěn)定，因密封端面間距離突變而導致失效的現(xiàn)象，將磁力懸浮原理應(yīng)用到機械密封中，采用電磁力代替流體動靜壓力產(chǎn)生密封端面間間隙。進而利用密封端面距離傳感器、信號處理器、控制器和可調(diào)直流電源，采用密封端面間距離的測量值作為反饋量，通過調(diào)節(jié)通入電磁鐵的電流大小實現(xiàn)密封端面間距離的調(diào)節(jié)。整套裝置具有低磨損、長壽命、穩(wěn)定性強、可靠性高等優(yōu)點，可應(yīng)用于工況變化頻繁的流體機械旋轉(zhuǎn)軸軸端密封。
【專利說明】一種閉環(huán)控制式磁力懸浮流體動密封裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種流體動密封裝置，特別涉及一種閉環(huán)控制式磁力懸浮流體動密封裝置，適用于旋轉(zhuǎn)式流體機械軸封。
技術(shù)背景
[0002]在石油化工、油氣集輸、化工(包括煤化工、鹽化工、精細化工等)、電力、冶金、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域存在數(shù)量巨大的旋轉(zhuǎn)式流體機械，如離心泵、離心式壓縮機等。其旋轉(zhuǎn)軸密封采用填料密封、普通接觸式機械密封和非接觸式流體靜壓或動壓密封等形式，取得了良好的密封效果，為工業(yè)裝置的安全穩(wěn)定運行提供了良好的保障。
[0003]但是，隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，過程工藝越來越復雜，節(jié)能減排措施的深入開展也使工業(yè)裝置日趨大型化，因而對流體機械高參數(shù)、變工況條件下的運行要求越來越高。然而，現(xiàn)有的填料密封和機械密封產(chǎn)品中并沒有引入良好的主動控制技術(shù)，密封適應(yīng)流體機械變轉(zhuǎn)速、變壓力運行的能力較差，極易造成密封失效，嚴重威脅裝置的正常生產(chǎn)和人身財產(chǎn)安全。
[0004]專利文獻CN101769379A——《有源型自適應(yīng)控制機械密封裝置及控制方法》利用系統(tǒng)介質(zhì)及其壓力差作為控制源，通過改變靜環(huán)后空心波紋管內(nèi)介質(zhì)氣、液組分含量，調(diào)節(jié)端面比載荷與端面溫度，進而實現(xiàn)自適應(yīng)控制機械密封裝置；專利文獻CN103016736A——《液/氣壓控制的機械密封裝置》通過控制和調(diào)節(jié)通入壓力流體的方式，實現(xiàn)機械密封端面比壓的外部可調(diào)及密封性能可控；專利文獻CN102128272A——《可控機械密封裝置》基于密封介質(zhì)與泄漏介質(zhì)的壓力差以及泄漏介質(zhì)的流量作為反饋量，通過調(diào)節(jié)閥門開度實現(xiàn)密封端面間間隙的調(diào)節(jié)。這三種及與其相似的其它機械密封運行狀態(tài)主動調(diào)控系統(tǒng)均以密封介質(zhì)或者外部流體的壓力改變來實現(xiàn)密封運行狀態(tài)的調(diào)控，控制系統(tǒng)明顯具有滯后性。
[0005]本發(fā)明采用電磁力代替流體動靜壓力產(chǎn)生密封端面間間隙，進而利用密封端面間距離的測量值作為反饋量，通過調(diào)節(jié)通入電磁鐵的電流大小實現(xiàn)密封端面間距離的調(diào)節(jié)，使密封始終處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)，具有低磨損、長壽命、穩(wěn)定性強、可靠性高等優(yōu)點，可應(yīng)用于工況變化頻繁的流體機械旋轉(zhuǎn)軸軸端密封。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了更好地闡述本
【發(fā)明內(nèi)容】
，首先回顧公知的機械密封基本原理和結(jié)構(gòu)。
[0007]如圖1所示，動環(huán)(10)、推環(huán)(13)、彈簧(14)安裝在動環(huán)座(2)內(nèi)部，動環(huán)(10)和動環(huán)座(2 )間通過卡環(huán)(11)實現(xiàn)周向定位，動環(huán)(10 )可以實現(xiàn)沿動環(huán)座(2 )的軸向移動。動環(huán)座(2)通過緊定螺釘(3)固定在軸上，可以實現(xiàn)跟隨軸(7)的轉(zhuǎn)動。靜環(huán)(9)通過防轉(zhuǎn)銷(8)連接在壓蓋(6)上。動環(huán)(10)與軸(7)之間、靜環(huán)(9)與壓蓋(6)之間、密封腔體(I)與壓蓋(6)之間均通過設(shè)置O形圈(4、5、12)實現(xiàn)密封。在機械密封工作時，由動環(huán)座(2)、彈簧(14 )、推環(huán)(13 )、靜環(huán)O形圈(5 )、動環(huán)(10 )、卡環(huán)(11)構(gòu)成的動環(huán)組件可跟隨軸(J)一起相對靜環(huán)(9 )轉(zhuǎn)動，動環(huán)(10 )和靜環(huán)(9 )之間通過緊密接觸(接觸式機械密封)或者形成微米級間隙(非接觸式機械密封)實現(xiàn)密封腔內(nèi)帶壓流體的密封。
[0008]如圖2所示，本發(fā)明將磁力懸浮原理應(yīng)用到機械密封中，結(jié)合銜鐵(15)、電磁鐵(16)、密封端面距離傳感器(17)、信號處理器(18)、控制器(19)、可調(diào)直流電源(20)，構(gòu)成了閉環(huán)控制式磁力懸浮流體動密封裝置，整套密封裝置可實現(xiàn)密封端面間間隙即使在密封運行工況發(fā)生變化的情況下仍穩(wěn)定處于設(shè)定值。
[0009]為達到此目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0010]結(jié)合圖1和圖2，一種閉環(huán)控制式磁力懸浮流體動密封裝置由銜鐵(15)、電磁鐵(16)、密封端面距離傳感器(17)、信號處理器(18)、控制器(19)、可調(diào)直流電源(20)及機械密封零部件(1-14)組成；所述電磁鐵(16)和銜鐵(15)分別放置于靜環(huán)(9)和動環(huán)(10)內(nèi)部，并且電磁鐵(16)和銜鐵(15)的位置可以互換；所述電磁鐵(16)和銜鐵(15)的數(shù)量都可以為一個或者是多個；所述密封端面距離傳感器(17)位于動環(huán)(10)或者是靜環(huán)(9)的底部，用于測量動環(huán)(10)與靜環(huán)(9)端面間的距離；所述密封端面距離傳感器(17)可以為一個或者是多個；所述密封端面距離傳感器(17)與信號處理器(18)通過信號線相連接；所述的信號處理器(18)與控制器(19)通過信號線相連接，將信號處理器(18)運算得到的密封端面間距離傳送給控制器(19);所述控制器(19)通過信號線與可調(diào)直流電源(20)相連接，以控制電源發(fā)出的電流大?。凰隹刂破?19)可以為PC機、PLC或者單片機等具有獨立運算能力的裝置；所述可調(diào)直流電源(20 )用導線和電磁鐵(16 )相連接。
[0011]本發(fā)明對比已有技術(shù)具有以下創(chuàng)新點:
[0012]1.將磁力懸浮原理引入到機械密封中，利用電磁力的可控性實現(xiàn)機械密封運行狀態(tài)的控制；
[0013]2.直接測量密封端面間距離，并以其為反饋量實現(xiàn)密封端面間距離的調(diào)節(jié)。
[0014]本發(fā)明對比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點:
[0015]1.超低磨損:將磁力懸浮引入流體動密封裝置中，使密封裝置動靜環(huán)端面間產(chǎn)生間隙，降低及消除端面間的固體摩擦磨損，摩擦能量損耗大大減??；
[0016]2.超長壽命:摩擦損耗減小導致端面間產(chǎn)熱量降低，動靜環(huán)熱應(yīng)力大大減少，避免了的熱裂、熱疲勞現(xiàn)象的發(fā)生，密封壽命大大延長；端面間可實現(xiàn)零接觸，理論壽命可以達到無限長；
[0017]3.超高可靠性:磁力懸浮流體動密封裝置中的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以和現(xiàn)有的流體機械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)相結(jié)合，進一步提高密封裝置和整個機組的安全和可靠性；
[0018]4.超強的動態(tài)穩(wěn)定性(可控性):根據(jù)自動控制原理，構(gòu)建磁力懸浮密封裝置閉環(huán)智能控制系統(tǒng)以使端面間間隙處于穩(wěn)定狀態(tài)，避免了密封端面間由于主機開停機及變工況條件下密封端面間的瞬時接觸，具有良好的動態(tài)穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為現(xiàn)有機械密封基本原理與結(jié)構(gòu)圖
[0020]圖2為本發(fā)明簡單原理圖
[0021]圖3為本發(fā)明具體實施例圖
[0022]圖4為密封端面間距離放大示意圖
[0023]圖5為本發(fā)明具體實施例的控制框圖
[0024]圖中:
[0025]1-密封腔體2-動環(huán)座3-緊定螺釘4-密封腔體O形圈5_靜環(huán)O形圈6_壓蓋軸
[0026]8-防轉(zhuǎn)銷9-靜環(huán)10-動環(huán)11-卡環(huán)12-動環(huán)O形圈13-推環(huán)14-彈簧
[0027]15-銜鐵16-電磁鐵17-密封端面距離傳感器18-信號處理器19-控制器20-可調(diào)直流電源
[0028]Ah-密封端面距離設(shè)定值與測量值間的差值 1-可調(diào)直流電源輸出的電流F-電磁鐵產(chǎn)生的電磁力h1-密封端面距離測量值

【具體實施方式】
[0029]以實驗室條件下基于單片機的單級閉環(huán)控制式磁力懸浮流體動密封裝置為例，對該發(fā)明進行具體實施。
[0030]如圖3所示，基于單片機的單級閉環(huán)控制式磁力懸浮流體動密封裝置包括常規(guī)機械密封零部件(1-14)、銜鐵(15)、電磁鐵(16)、密封端面距離傳感器(17)、信號處理器(18)、控制器(19)、可調(diào)直流電源(20)。
[0031 ] 四塊銜鐵(15)沿周向均勻布置于動環(huán)(10)內(nèi)部，在靜環(huán)(9)內(nèi)部均勻布置四個電磁鐵(16 )。銜鐵(15 )為電磁性材料,且其與靜環(huán)(9 )內(nèi)的通電電磁鐵(16 )間產(chǎn)生相互排斥力，以使密封運行時動靜環(huán)在電磁力、彈簧力和端面間流體作用力的作用下產(chǎn)生密封間隙。密封端面距離傳感器(17)采用周向均布的兩個電渦流位移傳感器，并且安裝于靜環(huán)(9)的背側(cè)，進行密封端面間間隙的測量。信號處理器(18)包括信號調(diào)理和信號處理兩部分功能，控制器(19)采用飛思卡爾MC9S12XS128單片機。MC9S12XS128單片機接收信號處理器(18)運算得到的密封端面間距離hl，如圖4所示，經(jīng)與預設(shè)定的密封端面間距離h0差值運算得到控制輸入?yún)?shù)Λ h，采用PID控制算法運算得出輸出調(diào)節(jié)信號。輸出調(diào)節(jié)信號驅(qū)動可調(diào)直流電源(20)輸出對應(yīng)的直流電流I，直流電流I通過改變電磁鐵(16)產(chǎn)生的電磁力F，使動環(huán)在電磁力、彈簧力和端面間流體作用力的作用下重新達到平衡狀態(tài)并且使密封端面間間隙處于初始設(shè)定的間隙值h0。具體的控制框圖如圖4所示。
[0032]整套密封裝置可實現(xiàn)密封端面間間隙即使在密封運行工況發(fā)生變化的情況下仍穩(wěn)定處于設(shè)定值，可應(yīng)用于工況變化頻繁的流體機械旋轉(zhuǎn)軸軸端密封，具有低磨損、長壽命、穩(wěn)定性強、可靠性高等優(yōu)點。
[0033]為了更清楚地描述核心問題，以上技術(shù)描述中均只涉及單級密封結(jié)構(gòu)，而在實際使用過程中，密封總體布局根據(jù)需要可有多種形式如:雙端面密封、串聯(lián)式密封(兩級以上)、串聯(lián)帶中間迷宮(兩級以上)，還可跟浮環(huán)密封、碳環(huán)密封、迷宮密封等其它密封形式組成組合式密封。
[0034]此外，應(yīng)當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種閉環(huán)控制式磁力懸浮流體動密封裝置，其特征在于，由銜鐵(15)、電磁鐵(16)、密封端面距離傳感器(17)、信號處理器(18)、控制器(19)、可調(diào)直流電源(20)及機械密封零部件(1-14)組成； 所述電磁鐵(16)和銜鐵(15)分別放置于靜環(huán)(9)和動環(huán)(10)內(nèi)部，并且電磁鐵(16)和銜鐵(15)的位置可以互換； 所述電磁鐵(16)和銜鐵(15)的數(shù)量均為一個或多個； 所述密封端面距離傳感器(17)位于動環(huán)(10)或者靜環(huán)(9)的底部，用于測量動環(huán)(10)與靜環(huán)(9)端面間的距離； 所述密封端面距離傳感器(17)為一個或多個； 所述密封端面距離傳感器(17)與信號處理器(18)通過信號線相連接； 所述信號處理器(18)與控制器(19)通過信號線相連接，將信號處理器(18)運算得到的密封端面間距離傳送給控制器(19)； 所述控制器(19)通過信號線與可調(diào)直流電源(20)相連接，以控制電源發(fā)出的電流大小; 所述可調(diào)直流電源(20)用導線和電磁鐵(16)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉環(huán)控制式磁力懸浮流體動密封裝置，其特征在于，所述控制器(19)為PC機、PLC、單片機或者其他具有獨立運算能力的裝置。
【文檔編號】F16J15/43GK204042007SQ201420011599
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月9日
【發(fā)明者】蔡厚振, 郝木明, 王權(quán), 章大海, 孫鑫暉, 袁帥, 王子方 申請人:中國石油大學(華東)