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核电核级泵用串联式机械密封装置发明专利

更新时间:2024-07-01
核电核级泵用串联式机械密封装置发明专利 专利申请类型:发明专利;
地区:辽宁-丹东;
源自:丹东高价值专利检索信息库;

专利名称:核电核级泵用串联式机械密封装置

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202111576409.4

专利申请(专利权)人:丹东克隆集团有限责任公司
权利人地址:辽宁省丹东市黄海大街18号

专利发明(设计)人:梅义宽,臧祖玄,臧蕴棋,徐毅,纪德宏,滕朋,宋泽铭,焦丽,贺池,倪宇,李继明,康弘,黄继超,于晓军,于志鹏

专利摘要:本发明核电核级泵用串联式机械密封装置,包括有介质侧机械密封装置,大气侧机械密封装置,大气侧机械密封装置与介质侧机械密封装置串联,其特征是在介质侧机械密封装置的介质腔与大气侧机械密封装置的封液腔间设有压力自动调节阀装置,将介质腔内的压力引入封液腔,使封液腔的压力保持设定的恒定压力;在封液腔中设有封液循环泵送环;在介质侧机械密封装置动环摩擦端面上开设有动压槽,其结构简单,引入介质腔内的压力使大气侧机械密封装置封液腔压力提升保持在0.3MPa压力,充分提高机械密封装置运行的安全可靠性和使用寿命。

主权利要求:
1.核电核级泵用串联式机械密封装置,包括有轴套、介质侧机械密封装置、大气侧机械密封装置;介质侧机械密封装置包括有动环组件、静环组件、介质侧机械密封压盖;大气侧机械密封装置包括有动环组件、静环组件、大气侧机械密封压盖;大气侧机械密封装置与介质侧机械密封装置串联,其特征是:在介质侧机械密封装置的介质腔与大气侧机械密封装置的封液腔间设有压力自动调节阀装置,该压力自动调节阀装置将介质腔内的压力引入封液腔,使封液腔的压力保持设定的恒定压力;
所述压力自动调节阀装置由在介质侧机械密封压盖上开设的出压孔、在大气侧机械密封压盖上开设的活塞阀腔孔、节流阀孔、活塞阀、阀孔密封垫、弹簧、进压孔、通压孔、排气孔、活塞阀前端密封圈、活塞阀前端密封圈、活塞阀后端密封圈构成;
介质侧机械密封压盖上开设的出压孔与大气侧机械密封压盖上开设的节流阀孔对应相通,在介质侧机械密封压盖与大气侧机械密封压盖的配合端上设有出压孔与节流阀孔对接密封垫;在活塞阀腔孔上开设有内止口台,阶梯式活塞阀与活塞阀腔孔滑动配合,在活塞阀腔孔内止口台的前后内圆面上分别设置活塞阀前端密封圈和活塞阀后端密封圈,对应活塞阀腔孔内止口台的根部开设排气孔;在活塞阀前端面上固定连接设置阀孔密封垫,阀孔密封垫与节流阀孔配合对节流阀孔进行密封堵;圆柱弹簧安装在活塞阀前端开设的外止口台上,弹簧对活塞阀实施轴向推力作用;对应活塞阀腔孔的前腔开设与封液腔相通的进压孔,对应活塞阀腔孔的后腔开设与封液腔相通的通压孔;该压力自动调节阀装置由弹簧预压力作用设定活塞阀腔孔后腔即封液腔内的压力为设定值,由于活塞阀后端的承压面积大于活塞阀前端的承压面积,活塞阀受压力作用向前轴向移动,活塞阀前端面上的阀孔密封垫与节流阀孔配合对节流阀孔进行封堵;当封液腔内的压力降低小于设定值时,弹簧顶开活塞阀,同时打开阀孔密封垫对节流阀孔的封堵,使介质腔内的压力进入封液腔,直到封液腔的压力达到设定值时,活塞阀复位,阀孔密封垫将节流阀孔密封,使封液腔的压力保持在设定值,所述排气孔的开设是防止活塞阀轴向移动时产生气阻,以保证活塞阀轴向移动灵活。
2.如权利要求1所述的核电核级泵用串联式机械密封装置,其特征是:
在大气侧机械密封装置的封液腔中与轴套固定连接设有封液冷却循环泵送环,在大气侧密封压盖上开设有封液进液孔和出液孔,在泵体外部设有封液冷却装置,密封液冷却装置为风冷散热片。
3.如权利要求1或2所述的核电核级泵用串联式机械密封装置,其特征是:
在介质侧机械密封装置动环摩擦端面内圆部上圆周均匀分布开设有动压槽;所述的动压槽是月牙缺形;即由内侧圆弧边(A)、外侧圆弧边(B)、缺口(C)形成的凹槽构成;动压槽的内侧圆弧边(A)和外侧圆弧边(B)的圆心在动环摩擦端面的同一中心线上;内侧圆弧边(A)和外侧圆弧边(B)相交形成的两个尖角朝向动环摩擦端面的外圆(D),内侧圆弧边(A)与环摩擦端面内圆(d)相交形成缺口(C);外侧圆弧边(B)的半径R1=17-30mm,内侧圆弧边(A)的半径R2=7-14mm,缺口(C)宽度L1=4-7mm,动压槽的两个尖角点宽度L2=10-16.5mm,动压槽尖角点与动环摩擦端面的外圆(D)间距离L3=1.5-2.0mm,相邻两个动压槽的间距L4=9.5-12mm,动压槽的深度h=0.004-0.008mm;动压槽的数量为8-16个。 说明书 : 核电核级泵用串联式机械密封装置技术领域[0001] 本发明涉及的是机械密封装置,特别是应用于核电站核级泵的串联式机械密封装置。背景技术[0002] 核电站的安全性是非常重要的,一旦核电站发生泄漏事故,将是一个灾难性的。核电站一回路、二回路及辅助回路中应用的各种离心泵其安全有效的运行是核电站安全性的保障。按对核电安全重要性进行分级,分为核1级、核2级、核3级、非核级,核1级、核2级、核3级泵统称为核级泵,核级泵使用的机械密封称之为核级机械密封,是保证核级泵安全有效运行的关键部件,与核安全直接相关,核级泵机械密封装置在满足基本性能的情况,其运行可靠性就非常关键。[0003] 由于核电站的特殊性,对核级泵机械密封的可靠性要求就非常高,在核级机械密封设计中,影响机械密封寿命和可靠性的主要因素是密封端面的摩擦状态和磨损率,而影响机械密封端面摩擦状态和磨损率最重要工况参数就是介质的压力,随着密封介质压力的提高,其密封端面的磨损率会显著提升,其密封端面发生破坏性磨损的几率会明显提高。[0004] 机械密封装置和密封系统标准常用的有国标JB/T4127.1和美国石油协会标准API682,标准中明确了机械密封的结构形式和密封系统的配置,但是这些标准更多的是考虑标准化和通用性,虽然兼顾了通用性和可靠性,但依导致机械密封为了迁就通用性而使可靠性下降。[0005] 常规的机械密封设计,为了提高机械密封的通用性及经济性,机械密封都会设计成一个通用的密封结构,这种结构会适用一个较大范围的压力,不可能对每个参数都对应设计一种机械密封,虽然这种通用的机械密封结构在性能上确实可以满足一定范围参数的应用,但不可避免出现随着压力的提高,密封端面的磨损率会显著提升,密封端面发生破坏性磨损的几率会明显提高,机械密封的可靠性会严重下降,常规的机械密封设计直接应用于核电站的核级泵密封会有较大的运行安全隐患。发明内容[0006] 本发明的目的是提供了一种核电核级泵用串联式机械密封,以充分提高核级泵机械密封的可靠性。[0007] 本发明核电核级泵串联式机械密封,包括有轴套,介质侧机械密封装置,大气侧机械密封装置;介质侧机械密封装置包括有动环组件、静环组件、介质侧机械密封压盖;大气侧机械密封装置包括有动环组件、静环组件、大气侧机械密封压盖;大气侧机械密封装置与介质侧机械密封装置串联,其特征是:[0008] 在介质侧机械密封装置的介质腔与大气侧机械密封装置的封液腔间设有压力自动调节阀装置,该压力自动调节阀装置将介质腔内的压力引入封液腔,使封液腔的压力保持设定的恒定压力。[0009] 在大气侧机械密封装置的封液腔中与轴套固定连接设有封液冷却循环泵送环,在大气侧密封压盖上开设有封液进液孔和出液孔,在泵体外部设有封液冷却装置。[0010] 本发明在介质侧机械密封装置动环摩擦端面内圆部上圆周均匀分布开设有动压槽;所述的动压槽是月牙缺形;即由内侧圆弧边A、外侧圆弧边B、缺口C形成的凹槽构成;动压槽的内侧圆弧边A和外侧圆弧边B的圆心在动环摩擦端面的同一中心线上;内侧圆弧边A和外侧圆弧边B相交形成的两个尖角朝向动环摩擦端面的外圆D,内侧圆弧边A与环摩擦端面内圆d相交形成缺口C;外侧圆弧边的半径R1=17-30mm,内侧圆弧边的半径R2=7-14mm,缺口C宽度L1=4-7mm,动压槽的两个尖角点宽度L2=10-16.5mm,动压槽尖角点与动环摩擦端面的外圆D间距离L3=1.5-2.0mm,相邻两个动压槽的间距L4=9.5-12mm,动压槽的深度h=0.004-0.008mm;动压槽的数量为8-16个。[0011] 本发明介质侧机械密封装置和大气侧机械密封装置可采用标准型的机械密封装置,可满足对核级泵介质进行机械密封性能的要求,结构简单便于制造。[0012] 通过大量的应用数据总结和分析证明,机械密封的介质压力在0.3MPa左右时,机械密封端面是处于最佳的摩擦状态,密封端面发生磨损的几率最小,磨损率最低,机械密封的可靠性显著提高。本发明通过在介质侧机械密封的介质腔与大气侧机械密封装置的封液腔间设有压力自动调节阀装置,当大气侧机械密封装置封液腔压力下降时,引入介质腔内的压力使大气侧机械密封装置封液腔压力提升保持在0.3MPa左右的恒定压力,不管核级泵介质侧机械密封装置的介质压力怎样变化,大气侧机械密封装置封液腔的压力都会保持在0.3MPa左右,充分提高串联式机械密封装置的可靠性,特别是充分提高大气侧机械密封装置运行的安全可靠性和使用寿命。[0013] 本发明介质侧机械密封装置动环摩擦端面上开设的动压槽,是针对核级泵输送介质(水温度<100℃,压力<1.5MPa)专门设计的动压槽,以使介质侧机械密封装置在该工况下密封端面有效果保证处于非接触状态,充分提高密封的可靠性,充分防止被封介质泄漏,充分减少磨损几率,提高运行可靠性。[0014] 上述在动环摩擦端面内圆部开设的动压槽;在摩擦端面低压区形成高压效应,使介质侧机械密封装置的摩擦端面形成低压区向高压区泵送效应,不仅防止介质泄漏,同时是使摩擦端面处于非接触状态。该动压槽结构简单,加工方便,降低摩擦配合端面由于加工精度误差和动静环装配配合缺陷引起的对密封性能的影响,提高了摩擦端面配合可靠性,并降低磨损延长使用寿命。该动压槽呈对称结构,不受密封环旋向的影响,可防止旋向错误带来的失效危险。上述在环摩擦端面内圆部开设的动压槽使介质侧机械密封装置和大气侧机械密封装置达到同等级别的可靠性,延长核级泵用串联式机械密封装置的使用寿命。[0015] 本发明密封液冷却装置,采用散热片风冷,结构简单可靠,提高系统的可靠性。附图说明[0016] 图1是本发明实施例结构示意图。[0017] 图2是介质侧机械密封压盖上设置压力自动调节阀装置结构示意图。[0018] 图3图是介质侧机械密封装置动环摩擦端面动压槽结构示意图。[0019] 图4是图3的K‑K剖视图。具体实施方式[0020] 本发明核电核级泵串联式机械密封,包括有轴套1,介质侧机械密封装置2,大气侧机械密封装置3;介质侧机械密封装置2包括有动环组件21、静环组件22、介质侧机械密封压盖23;大气侧机械密封装置3包括有动环组件31、静环组件32、大气侧机械密封压盖33;大气侧机械密封装置3与介质侧机械密封装置2串联,其特征是:[0021] 在介质侧机械密封装置2的介质腔20与大气侧机械密封装置的封液腔30间设有压力自动调节阀装置4,该压力自动调节阀装置4将介质腔20内的压力引入封液腔30,使封液腔30的压力保持设定的恒定压力。[0022] 附图1实施例所示,压力自动调节阀装置4由在介质侧机械密封压盖23上开设的出压孔231,在大气侧机械密封压盖33上开设的活塞阀腔孔41、节流阀孔42、活塞阀43、阀孔密封垫44、弹簧45、进压孔46,通压孔47、排气孔48、活塞阀前端密封圈49a,活塞阀前端密封圈49a,活塞阀后端密封圈49b构成;[0023] 介质侧机械密封压盖23上开设的出压孔231与大气侧机械密封压盖33上开设的节流阀孔42对应相通,在介质侧机械密封压盖23与大气侧机械密封压盖33的配合端上设有出压孔231与节流阀孔42对接密封垫232;在活塞阀腔孔41上开设有内止口台411,阶梯式活塞阀43与活塞阀腔孔41滑动配合,在活塞阀腔孔内止口台411的前后内圆面上分别设置活塞阀前端密封圈49a和活塞阀后端密封圈49b,对应活塞阀腔孔内止口台411的根部开设排气孔48;在活塞阀43前端面上固定连接设置阀孔密封垫44,阀孔密封垫44与节流阀孔42配合对节流阀孔42进行密封堵;圆柱弹簧45安装在活塞阀43前端开设的外止口台上,弹簧45对活塞阀43实施轴向推力作用;对应活塞阀腔孔41的前腔412开设与封液腔30相通的进压孔46,对应活塞阀腔孔41的后腔413开设与封液腔30相通的通压孔47。该压力自动调节阀装置4由弹簧45预压力作用设定活塞阀腔孔41后腔413即封液腔30内的压力为设定(0.3MPa)值,由于活塞阀43后端的承压面积大于活塞阀43前端的承压面积,活塞阀43受压力作用向前轴向移动,活塞阀43前端面上的阀孔密封垫44与节流阀孔42配合对节流阀孔42进行封堵;当封液腔30内的压力降低小于设定值(0.3MPa)时,弹簧45顶开活塞阀43,同时打开阀孔密封垫44对节流阀孔42的封堵,使介质腔20内的压力进入封液腔30,直到封液腔30的压力达到设定(0.3MPa)值时,活塞阀43复位,阀孔密封垫44将节流阀孔42密封,使封液腔30的压力保持在设定(0.3MPa)值。所述排气孔48的开设是防止活塞阀43轴向移动时产生气阻,以保证活塞阀43轴向移动灵活。[0024] 所述自动调节阀装置也可以是如图2实施例所述设置在介质侧机械密封压盖上。[0025] 本发明在大气侧机械密封装置3的封液腔30中与轴套1固定连接设有封液冷却循环泵送环6,在大气侧密封压盖33上开设有封液进液孔331和出液孔332,在泵体外部设有封液冷却装置5,密封液冷却装置5为风冷散热片51;以提高散热能力,降低密封液温度,对大气侧机械密封摩擦热进行散热。密封液冷却装置5采用风冷散热片散热51,结构简单,减少现复杂的水冷系统杂带来的风险,可靠性强。[0026] 本发明在介质侧机械密封装置动环摩擦端面内圆部上圆周均匀分布开设有动压槽;所述的动压槽是月牙缺形;即由内侧圆弧边A、外侧圆弧边B、缺口C形成的凹槽构成;动压槽的内侧圆弧边A和外侧圆弧边B的圆心在动环摩擦端面的同一中心线上;内侧圆弧边A和外侧圆弧边B相交形成的两个尖角朝向动环摩擦端面外圆D,内侧圆弧边A与环摩擦端面内圆d相交形成缺口C;外侧圆弧边B的半径R1=17-30mm,内侧圆弧边A的半径R2=7-14mm,缺口C宽度L1=4-7mm,动压槽的两个尖角点宽度L2=10-16.5mm,动压槽尖角点与动环摩擦端面的外圆D间距离L3=1.5-2.0mm,相邻两个动压槽的间距L4=9.5-12mm,动压槽的深度h=0.004-0.008mm;动压槽的数量为8-16个。上述动压槽参数根据转速、介质压力、轴径尺寸进行具体确定。[0027] 上述动压槽当动环旋转时带动摩擦端面内圆处的低压封液进入动压槽内,利用离心力和挤压效应作用,液体会在动压槽尖部位形成高压地带,这个由动压效应产生的高压地带一方面会阻挡摩擦端面外圆部的高压被封介质通过摩擦配合端产生泄漏,同时推开摩擦配合端面,让动环摩擦端面与静环摩擦端面处于一个非接触的状态,降低动静环接触摩擦的磨损率,提高密封端的密封可靠性和使用寿命。[0028] 试验检测:[0029] 试验方法:在试验台架上模拟工况条件进行运转试验,观察机械密封运行情况,记录泄漏量,试验完成后,拆解观察密封端面的磨损情况。[0030] 试验例1[0031] 技术参数:环摩擦端面内圆d=48.4mm;环摩擦端面外圆D=56.4mm;端面没有动压槽;[0032] 工况条件:40℃水;压力1MPa;转速3000r/min;运行时间:100小时;[0033] 试验结果,机械密封端面运行平稳,平均泄漏量为0.2ml/h,拆解后,观查密封端面有明显的磨损痕迹,可靠性和使用寿命下降。[0034] 试验例2[0035] 技术参数:环摩擦端面内圆d=48.4mm;环摩擦端面外圆D=56.4mm;[0036] 动压槽参数:外侧圆弧边B的半径R1=15mm,内侧圆弧边A的半径R2=5mm,[0037] 缺口C宽度L1=3mm,动压槽的两个尖角点宽度L2=8mm,动压槽尖角点与动环摩擦端面的外圆D间距离L3=1.5mm;相邻两个动压槽的间距L4=11mm;动压槽的深度h=6μm,圆弧槽个数=8;[0038] 工况条件:40℃水;压力1MPa;转速3000r/min;运行时间:100小时;[0039] 试验结果:机械密封端面运行平稳,平均泄漏量为0.5ml/h,拆解后,密封端面有明显的磨损痕迹,可靠性不高。[0040] 试验例3[0041] 技术参数:环摩擦端面内圆d=48.4mm;环摩擦端面外圆D=56.4mm;[0042] 动压槽参数:外侧圆弧边B的半径R1=17.5mm,内侧圆弧边A的半径R2=7.5mm,缺口C宽度L1=4.1mm,动压槽的两个尖角点宽度L2=11mm,动压槽尖角点与动环摩擦端面的外圆D间距离L3=1.5mm;相邻两个动压槽的间距L4=10mm;动压槽的深度h=6μm,圆弧槽个数=8;[0043] 试验结果:机械密封端面运行平稳,平均泄漏量为0.6ml/h,拆解后,密封端面无明显的磨损痕迹,可靠性高。[0044] 结论:试验例1、2、3,技术参数相同,动压槽参数不同。试验例1端面没有开槽,摩擦端面有明显磨损;试验例2动压槽参数超出本技术方案提出的合理范围,动压效果不明显,摩擦端面有接触磨损,不能充分满足核级泵用机械密封的高可靠性要求;试验例3动压槽参数在本技术方案的合理范围,密封端面没有明显的磨损痕迹,说明密封端面完全处于非接触的状态,密封可靠性明显提高。[0045] 试验例4[0046] 技术参数:环摩擦端面内圆d=70mm;环摩擦端面外圆D=79mm;[0047] 动压槽参数:外侧圆弧边B的半径R1=20mm,内侧圆弧边A的半径R2=10mm,缺口C宽度L1=5.7mm,动压槽的两个尖角点宽度L2=13.9mm,动压槽尖角点与动环摩擦端面的外圆D间距离L3=1.6mm;相邻两个动压槽的间距L4=9.9mm;动压槽的深度h=7μm,圆弧槽个数=10;[0048] 工况条件:50℃水;压力1.5MPa;转速3000r/min;运行时间:100小时。[0049] 试验结果:机械密封端面运行平稳,平均泄漏量为1.7ml/h,拆解后,密封端面无明显的磨损痕迹,可靠性明显提高。[0050] 试验例5[0051] 技术参数:环摩擦端面内圆d=100mm;环摩擦端面外圆D=110mm;[0052] 动压槽参数:外侧圆弧边B的半径R1=25mm,内侧圆弧边A的半径R2=12.5mm,缺口C宽度L1=6.6mm,动压槽的两个尖角点宽度L2=16.3mm,动压槽尖角点与动环摩擦端面的外圆D间距离L3=1.9mm;相邻两个动压槽的间距L4=11.5mm;动压槽的深度h=6μm,圆弧槽个数=12;[0053] 工况条件:45℃水;压力1.2MPa;转速3000r/min;运行时间:100小时。[0054] 试验结果:通过100小时运转试验,机械密封端面运行平稳,平均泄漏量为1.5ml/h,拆解后,密封端面无明显的磨损痕迹,可靠性明显提高。[0055] 结论:试验例4、5,技术参数不同,动压槽参数在本专利要求的范围内,泄漏量与没开槽端面密封相比稍大,但符合密封泄漏的标准3ml/h,但是密封端面没有明显的磨损痕迹,说明密封端面完全处于非接触的状态,密封可靠性明显提高。

专利地区:辽宁

专利申请日期:2021-12-22

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN114251458B

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