一种浮环密封装置 发明属于旋转轴的密封，特别涉及一种浮环密封装置。主要用于石油化工等行业的透平，离心压缩机等流体机械的轴端密封。
浮环密封装置是透平、离心压缩机等流体机械使用的一种传统密封产品，如“化工密封技术”一书(化学工业出版社1990年9月第一版)P422-P499所述(参见图1)，流体机械的机壳1-7和旋转轴1-8之间构成安装密封装置的空间，密封腔体1-6置于该空间内，旋转轴穿过密封腔体的中心，二者之间有间隙，其他零件装在密封腔体1-6内，旋转轴1-8上固定有轴套1-1，轴套外圆面上装有内浮环1-2、外浮环1-3，内浮环位于靠近被密封介质侧1-4，该被密封介质为具有一定压力的危险性气体，密封装置的作用就是防止该气体泄漏；外浮环位于靠近大气侧1-5，轴套外圆面与内、外浮环的内孔之间均留有间隙，密封腔体1-6内充入密封油，如箭头所示。密封油的压力高于被密封介质1-4的压力，其差值称为油气压差，当旋转轴1-8旋转时，压力高的密封油必将沿着轴套与内浮环之间较小的间隙A流向压力低的被密封介质侧1-4，阻止被密封介质经过此间隙向大气侧泄漏，达到密封的目的；与此同时，根据流体润滑理论地雷诺方程，密封油在上述间隙A内产生油膜，并具有浮升力，将内浮环浮起，避免旋转轴与内浮环的内孔接触，延长零件的寿命；而密封油沿着上述间隙A流向被密封介质侧，这就是内泄漏，应当尽力减少。绝大部分密封油沿着轴套1-1与外浮环1-3之间较大的间隙B流向大气侧，返回到油箱，循环使用。浮环密封的主要优点是：它属于非接触式密封，寿命长，可靠性高，适用于高速、高压工况。其主要缺点是：密封油向被密封介质一侧的泄漏较大，即内泄漏较大，污油回收系统复杂，并存在密封油污染被密封介质或者被密封介质污染密封油的可能性。
为了解决内泄漏大的问题，许多技术改革和专利技术相继问世，如中国专利98201564.X。这些技术是将浮环密封技术与螺旋密封(也称粘性密封)技术结合在一起，将原本是光滑的内浮环2-1的内孔壁面分成两段：一段为原来的光滑内孔壁面2-2；另一段则将光滑内孔壁面加工成多头螺纹2-3。参见图2，该图只画出了内浮环的局部剖视图。当旋转轴2-4旋转时，密封油在上述光滑内孔壁面2-2与轴套之间的间隙A内产生油膜，并具有浮升力，将内浮环2-1浮起，该段为浮升段；另一段内孔壁面上的多头螺纹2-3则将上述间隙中泄漏出来的密封油朝反向推压，克服油气压差造成的泄漏，从而减少内泄漏，该段为防漏段。
上述减少内泄漏的措施是在密封油压力高于被密封介质压力的前提下才能达到相应的目的，即油气压差为正值。但是，流体机械在运行中可能出现密封油压力低于被密封介质压力的不正常情况，油气压差为负值。这时，被密封介质会沿着上述间隙反向流入密封腔内，间隙内的油膜被破坏，内浮环的内孔与轴套外圆面接触，高速旋转产生的摩擦热将密封零件破坏，造成密封装置失效。为克服该缺点，中国专利00262138.X，又在上述减少内泄漏措施的基础上将原本是光滑的内浮环的内孔壁面分成三段：一段为反向多头螺纹3-1、一段为原来的光滑内孔壁面3-2、另一段则为多头螺纹3-3。参见图3，该图只画出了内浮环的局部剖视图。当旋转轴3-4旋转时，第一段的反向多头螺纹3-1是将密封油的压力提高，足以弥补流体机械在运行中可能出现密封油压力低于被密封介质压力的不正常情况，保证密封油压力高于被密封介质的压力，油气压差为正值，密封装置得以正常运行，该段为升压段。第二段为原来的光滑内孔壁面3-2，其作用仍然是将内浮环浮起，该段为浮升段。第三段的多头螺纹3-3的作用还是将上述间隙中泄漏出来的密封油朝反向推压，克服油气压差造成的泄漏，以减少内泄漏，该段为防漏段，它的多头螺纹的旋向与第一段的反向多头螺纹的旋向相反，而且，第三段的多头螺纹轴向长度比第一段的反向多头螺纹长，足以克服油气压差和第一段的反向多头螺纹提高的压力，起到既减少内泄漏又防止密封油压力降低时造成的事故。
上述减少内泄漏的措施，虽然能起到其作用，但有一个明显的问题是：由于防漏段多头螺纹对从浮升段泄漏出来的密封油的推压作用，使密封油积存在轴套与内浮环之间的间隙内，间隙内的密封油粘度较大，当轴套随旋转轴高速旋转时，轴套与密封油之间产生大量的摩擦热，尽管采取增加传热、加大密封油的循环量等措施，但是，间隙内的密封油产生大量的热仍然威胁着密封装置的安全运行。
本发明的目的是：当流体机械运转时，减少轴套与内浮环之间的间隙内积存的密封油产生的摩擦热量，降低内浮环的温度，提高密封装置运行的安全性。
本发明是这样实现的：一种新型浮环密封装置包括密封腔体、端盖、轴套、弹性元件、内浮环、外浮环：流体机械的机壳和旋转轴之间的空间内安装有所述密封装置的上述零件，筒状的密封腔体与盘状的端盖连为一体，置于流体机械的机壳内，流体机械的旋转轴穿过密封腔体和端盖的中心，旋转轴与密封腔体、端盖之间均留有间隙；旋转轴上固定有轴套，轴套与密封腔体之间的空间内依次安装有环状的内浮环、弹性元件和环状的外浮环；靠近被密封气体侧的内浮环套在轴套的外圆面上，二者之间有间隙，内浮环的一个端面与密封腔体的内端面紧密贴合；靠近大气侧的外浮环套在轴套的外圆面上，二者之间有间隙，外浮环的一个端面与端盖的内端面紧密贴合；弹性元件紧贴在内浮环的另一个端面和外浮环的另一个端面之间；内浮环的内孔与轴套的外圆面之间设置有浮升段、防漏段；其特征是：在内浮环的环形壁面内具有连通内浮环的内孔和外壁的通道。
本发明的优点是：由于在内浮环的壁面上具有连通内浮环的内孔和外壁的通道，内浮环的内孔表面上无论是由浮升段、防漏段两段组成；还是由升压段、浮升段、防漏段三段组成，积存在浮升段与防漏段之间的密封油通过连通内浮环的内孔和外壁的通道流回密封腔体，将密封油在轴套与内浮环之间的间隙内产生的大量的摩擦热带走，这部分密封油与密封腔体内的密封油混合，绝大部分经过轴套与外浮环之间的间隙流回油箱；从而有效的降低内浮环的温度，保证密封装置的安全运行。
图4为本发明的新型浮环密封装置的纵向剖视图。
图中：1—密封腔体 11—内浮环端面 21—防漏段
2—端盖 12—密封腔体端面 22—通道
3—机壳 13—大气侧 23—通道轴线
4—旋转轴 14—外浮环间隙 24—旋转轴线
5—轴套 15—外浮环端面 25—进油孔
6—内浮环 16—端盖端面
7—弹性元件 17—内浮环另端面
8—外浮环 18—外浮环另端面
9—被密封介质 19—升压段 10—内浮环间隙 20—浮升段
现结合图4所表示的实施例对本发明进行详细说明。
图4为本发明的新型浮环密封装置的纵向剖视图。筒状的密封腔体1与盘状的端盖2连为一体，置于流体机械的机壳3和旋转轴4之间的空间内，流体机械的旋转轴4穿过密封腔体1和端盖2的中心，旋转轴4与密封腔体1、端盖2之间均留有间隙；轴套5固定在旋转轴4上，密封腔体1与轴套5之间的空间内依次安装有环状的内浮环6、弹性元件7和环状的外浮环8；靠近被密封介质侧9的内浮环6套在轴套5的外圆面上，二者之间有间隙10，此间隙一般为0.03-0.10mm，内浮环6的一个端面11与密封腔体1的内端面12紧密贴合，两个贴合面都是精密加工的，保证密封油不能从此处泄漏。这种两个贴合面的结构也可以是一个为环形平面，另一个环形平面内设有“O”形圈槽，槽内置有O形圈的结构，前一个环形平面与后者的“O”形圈紧密贴合，保证密封油不能从此处泄漏。靠近大气侧13的外浮环8套在轴套5的外圆面上，二者之间有间隙14，此间隙一般为0.10-0.20mm，外浮环8的一个端面15与端盖2的内端面16紧密贴合，两个贴合面都是精密加工的，保证密封油不能从此处泄漏，当然，这种两个贴合面的结构也可以是上述的环形平面与O形圈贴合的结构。弹性元件7紧贴在内浮环的另一个端面17和外浮环的另一个端面18之间，通常，弹性元件为圆柱形螺旋弹簧，其一端放在外浮环端面18的弹簧孔内，另一端压紧内浮环的端面，使得内浮环与密封腔体的贴合面紧密贴合，外浮环与端盖的贴合面紧密贴合。内浮环6的内孔与轴套的外圆面之间设置有升压段19、浮升段20、防漏段21，所谓升压段，防漏段都是在内浮环的内孔壁上加工的多头螺纹，只不过二者的螺纹旋向相反，浮升段就是内浮环光滑的内孔壁；本发明的特征是：在内浮环6的环形壁面内具有连通内浮环的内孔和外壁的通道22，该通道位于浮升段20和防漏段21之间的内浮环的环形壁面内。该通道也可以位于防漏段的内浮环的环形壁面内。该通道可以是圆形截面，也可以是方形截面。该通道的截面积为0.1-15.0mm2；最佳为0.2-8.0mm2。该通道的数量为4-36个。该通道的轴线23与轴套的旋转轴线24垂直；该通道的轴线也可以与轴套的旋转轴线不垂直，二者的夹角大于50°，而小于90°。
当密封油从进油孔25进入密封腔体1，旋转轴4旋转时，由于密封油的压力高于被密封介质的压力，绝大部分密封油沿着轴套5与外浮环8之间较大的间隙14流向大气侧13，返回到油箱，循环使用。少部分密封油进入轴套5与内浮环6之间的间隙10，经过升压段19后压力进一步提高，再进入浮升段20，将内浮环6浮起；流出浮升段20的密封油在防漏段21的多头螺纹的推压下不能流向被密封介质侧9，而是经过连通内浮环的内孔和外壁的通道22流回密封腔体1，密封油不积存在间隙10内，而是将间隙10内的热量带到密封控体1内，再经过外浮环与轴套之间的间隙14流回油箱。正是由于有了通道22，原本积存在间隙10内的密封油不再积存，也就不会产生大量的摩擦热，有效的降低了内浮环的温度，提高密封装置运行的安全性。
连通内浮环的内孔和外壁的通道22可以位于浮升段20和防漏段21之间，这是由于在加工防漏段多头螺纹时，会在浮升段与防漏段之间加工退刀槽，将通道22设置在退刀槽处可以减少内浮环的轴向长度。当然，通道22也可以设置在防漏段21处，应该尽量靠近浮升段侧。
连通内浮环的内孔和外壁的通道22的轴线23可以与轴套的旋转轴线24垂直，也可以不垂直，二者之间的夹角大于50°，而小于90°，使得从通道22流出的密封油更容易与从进油孔25进入的密封油混合，顺畅地进入外浮环。
在上述实施例中，内浮环的内孔有升压段19、浮升段20、防漏段21。由于升压段的作用，密封油压力升高，流经浮升段后，其压力高于密封腔体压力，密封油沿着连通内浮环的内孔和外壁的通道22流回密封腔体；如果内浮环6的内孔中没有升压段19，只有浮升段20和防漏段21时，则密封油直接进入浮升段20，从静止的状态来看，连通内浮环的内孔和外壁的通道22的两端压力，一端为密封腔体压力，另一端为内浮环内孔压力，两处的压力几乎相等，密封油不会沿通道22流回密封腔体内。但是，当流体机械运转时，根据流体润滑理论的雷诺方程，在旋转轴的垂直截面中的内浮环孔与旋转轴外表面之间的间隙内，存在油膜承载区，该区内的油膜压力高于密封控体内的油压。此外，内浮环孔与旋转轴套外表面之间的间隙内的密封油并不是简单的沿着间隙作轴向流动，根据牛顿粘性剪切定律，与内浮环内孔接触的密封油的圆周速度为零，而与轴套接触的密封油的圆周速度为轴套外圆面的圆周速度，因此密封油同时还作圆周运动，间隙内的密封油存在离心力，在离心力和上述油膜承载力的作用下，仍然有密封油从上述通道22流回密封腔体内，还是具有减少油膜内的摩擦热的作用。
综上所述，本发明的新型浮环密封装置消除了在轴套与内浮环间隙之间的密封油的积存，流回密封腔体的密封油将热量带走，减少间隙内的密封油产生的摩擦热量，从而有效的降低内浮环的温度；同时，减少了内泄漏以及防止密封油压力降低时造成负的油气压差，保证密封装置的安全运行。