CN101016949A - 变分布多孔端面机械密封结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变分布多孔端面机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的密封贴合形成圆环形的密封端面，所述的圆环形的密封端面的一侧为高压侧即上游，所述的圆环形的密封端面的另一侧为低压侧即下游，所述的动环或静环中至少有一个密封端面上开有微孔，所述的微孔大小不等，在密封端面上呈中心对称排布。本发明与等直径或等边长微孔端面机械密封以及螺旋槽或圆弧槽端面机械密封等流体动压型密封相比，具有更优异的耐压性、耐磨性和收敛特性，可延缓流体膜的泄压，从而对流体膜产生更强的动压效果，因此在相同条件下可以大幅度提高流体膜的承载能力，即在相同的流体膜厚度条件下具有更大的流体膜刚度，可靠性更高。
Description
(一)技术领域
本发明属于旋转轴的端面密封装置，是各种型式压缩机、膨胀机、分离机、泵和反应釜搅拌器等旋转流体机械的轴端密封装置。
(二)背景技术
公知的单端面流体动压或静压或动静压结合型机械端面密封，还存在一些不足之处，例如螺旋槽流体动压型端面密封(见美国科技杂志Lubrication Engineering，1990，46(9)：pp607；USA Patent 4,290,611和USA Patent 20020093141以及中国专利03134193.4和96108614.9)，尽管其具有较低的摩擦功耗，但是泄漏量大于相同规格的普通端面密封；又例如具有相同几何尺寸的多孔或微凹端面密封，无论是表面整体开孔端面密封(见美国科技杂志Tribology Transactions，1996，39(3)：pp677和USA Patent 6,046,430)，还是表面部分开孔端面密封(见Tribology Transactions，2002，45(3)：pp430；USA Patent 6,341,782和世界专利WO02093046；中国专利200510038704.9)，都还存在耐压能力不强、易发生咬死、动压效果较差和高参数条件下泄漏量较大等不足，因此在一定的操作条件下，端面间流体膜厚不足，或流体膜刚度不足以抵抗外界干扰，密封耐磨损性能较差，导致密封装置运行不稳定，泄漏量超标或不达要求。
(三)发明内容
为了克服已有技术中耐磨性较差、耐压能力不强、易发生咬死、动压效果较差、高参数条件下泄漏量较大的不足，本发明提供一种耐磨性能优异、耐压能力强、抗咬合能力强、动压效果佳、泄漏量小、适用于高参数(高温、高压或高速)的变分布多孔端面机械密封结构。
本发明的技术方案是：
一种变分布多孔端面机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的密封贴合形成圆环形的密封端面，所述的圆环形的密封端面的一侧为高压侧即上游，所述的圆环形的密封端面的另一侧为低压侧即下游，所述的动环或静环中至少有一个密封端面上开有微孔，所述的微孔大小不等，在密封端面上呈中心对称排布。
这里所说的动环、静环应是密封贴合的，在动环与静环端面上设有微孔时，动环与静环的端面配合时也要保证动环与静环之间密封，如果在动环或静环端面上设置至少一条不开孔的平面环带即密封坝，可保证动环与静环之间的密封。
本发明推荐动环或静环中只有一个密封端面上开有微孔。并优选所述密封端面上至少有一条不开孔的平面环带即密封坝。
本发明推荐所述的在密封端面的部分表面或全部表面上加工分布着微孔，这里部分表面加工分布着微孔是指密封端面上的微孔沿周向或径向断续分布；当微孔沿周向断续分布时，在微孔断续处形成密封堰；当微孔沿径向断续分布时，在微孔断续处形成密封坝，所述的密封坝为不开孔的平面环带。
本发明所述的微孔沿密封端面径向呈连续分布或断续分布。连续分布或断续分布可在密封端面上共同存在，相互交错。
推荐所述的微孔沿密封端面径向呈断续分布，所述的微孔被环带密封坝分割形成微孔环带。优选的，所述的密封坝为两条或两条以上，所述的密封坝的径向宽度等宽或不等宽。
所述的密封端面上微孔深度相同或不同，这里微孔深度是指密封端面沿径向或周向微孔深度是相同的或深浅不一。
所述的微孔在密封端面上形状为圆形、三角形、菱形、矩形、正方形、六边形或椭圆形。
本发明所述在密封端面上排布的微孔，微孔深度从上游向下游沿径向逐渐由深变浅。
在密封端面微孔的排布，微孔深度沿径向是相同的，所述微孔沿周向方向排布的微孔呈深、浅交错分布。
进一步，所述的密封端面上微孔沿周向呈若干扇形单元排布，所述的扇形单元之间为不设微孔的光滑扇形平面即密封堰，所述的扇形单元中的微孔排布沿径向微孔深度相同，沿周向呈为中间微孔深度较深，两边微孔深度较浅的形式排布，所述的扇形单元通常形成扇形微孔区。
进一步，所述的微孔包括较大微孔与较小微孔。所述的较大微孔与较小微孔沿密封端面周向呈周期性连续分布或断续分布，所述的断续分布是指在密封端面上的大小相同或不同微孔所形成的扇形微孔区之间存在密封堰。
推荐所述的密封端面上的微孔至少包括最大微孔与最小微孔；最小微孔的边长或直径的范围为20～100μm且不包括100μm；深径比或深度边长比的范围为0.002～0.08，最佳范围为0.005～0.03；微孔的面积密度范围为0.05～0.5，最佳范围为0.15～0.35；所述的微孔的面积密度为孔的总表面积与密封端面表面积之比值范围；所述最大微孔的边长或直径的范围为100～800μm，深径比或深度边长比的范围为0.001～0.1，最佳范围为0.005～0.05；微孔的面积密度范围为0.05～0.5；最佳范围为0.15～0.35。
再进一步，所述微孔环带中的微孔面积密度相等。
更进一步，所述微孔环带中的微孔面积密度从上游至下游方向沿径向逐渐增大。
本发明推荐所述微孔深度沿微孔的周向是变化的，所述的变化为沿端面周向每个微孔深度均呈中间深两边浅的分布。优选的，所述沿周向深度变化的较大单微孔深度，中间深度对液体密封为1～50μm，对气体密封为1～10μm；沿微孔径向两边深度对液体密封为0～20μm，对气体密封为0～5μm。
所述密封端面开孔区的径向长度比α的范围为0.2～0.7，所述的α按下式计算：
α＝(Do-Dp)/(Do-Di) (1)
式(1)中Do、Di分别为开孔端面的内外直径，Dp为开孔区的最小直径。α通常的范围为：0～0.99，优选的，所述端面开孔区的径向长度比α的范围为：0.2～0.7。
本发明的工作原理是：端面上采用不同直径或不同深径比的大小微孔，可增加对不同性质密封流体的吸纳和储存能力，较大直径微孔可产生流体动压效应，也可吸纳较大颗粒的磨料，较小直径微孔除了可吸纳微细磨料外，重要的是为较大直径微孔提供产生流体动压所需丰富的密封流体，确保机械密封在端面供液或供气不足时仍然可以产生足够大的流体膜，保持足够的流体膜刚度，确保机械密封的工作稳定性和有效密封能力。通过优化设计合理布置不同直径微孔，不仅起到强化端面的润滑效果，防止干磨现象发生，而且还可降低端面的摩擦热，减少或甚至避免密封液体的汽化或结晶，减小磨损，提高密封工作可靠性，延长使用寿命，使密封能适应于更高操作参数。
端面上的密封坝还起到停车密封和进一步阻滞流体泄漏的作用。处于上游的密封坝同时还可防止颗粒磨料进入端面或中、下游。
沿端面压力降低方向或密封介质泄漏方向，按照一定幅值逐渐减小微孔深度，并可同时增大单位径向宽度上微孔的面积密度，因此获得的密封具有类似最佳锥面端面密封的高轴向刚度，从而使该密封的抗干扰能力或稳定性优于已有的一般流体动压型机械密封。
本发明既可以适用于单方向旋转机械，也适用于双向旋转机械。
本发明的机械密封可视实际需要与介质性质，选择是否配置缓冲流体支持系统。当该密封自身组合为双端面或多级(含两级)机械密封，或与其他密封包括迷宫螺旋密封、浮环密封、油封、机械密封或其他非接触式机械密封组合成混合式机械密封时，应相应地配置缓冲流体支持系统用于密封易燃、易爆、有毒或污染环境的介质，可以达到实际的零逸出(Zero-fugitive)，密封更加安全可靠。缓冲流体可以是洁净的液体或气体，也可以是蒸汽。该密封既可以用于旋转泵和釜用搅拌器的轴端密封装置，也可用于回转式压缩机的轴端密封装置。
本发明可以应用于至少一个密封端面，也可以同时应用于动静环两个密封端面；采用本发明的机械密封总体布局可以是单端面机械密封、双端面机械密封或两级、三级及多级机械密封，且当采用两套或两套以上本发明密封时，每套密封的结构设计参数可以相同，也可以不同；采用本发明的机械密封装置可以是散装式机械密封，也可以是集装式机械密封。本发明可以应用于金属材料、陶瓷材料和其他非金属材料部件的加工制造。本发明可以应用于平衡型机械密封，也可以应用于非平衡型机械密封。当一些设备是轴静止而腔室旋转时，本发明同样可以适用。
本发明所述的变分布多孔端面机械密封结构的有益效果主要表现在：1、与等直径或等边长微孔端面机械密封以及螺旋槽或圆弧槽端面机械密封等流体动压型密封相比，本发明中由两种或两种以上不同直径或不同深径比的微孔按照不同模式加工形成的端面密封，具有更强的耐压性和收敛特性，可延缓流体膜的泄压，从而对流体膜产生更强的动压效果，因此在相同条件下可以大幅度提高流体膜的承压效果，即在相同的流体膜厚度条件下具有更大的流体膜刚度；2、设置了连续孔环带和密封坝，增大了泄漏流体的阻滞效果，因此在相同条件下具有更低的泄漏量；不同直径或不同深径比的微孔对粒度不同的磨料产生强吸纳作用，因此提高了密封的耐磨性；3、不同直径或不同深径比的微孔增大了不同性质密封流体在端面的润湿程度和储存能力，加上不同直径或不同深径比的微孔系列沿径向方向从上游至下游逐渐变浅所产生的沿泄漏方向呈收敛状的流体膜，提高了密封的流体动静压性能，因此增大了密封的耐压能力，与此同时也提高了密封的开启/停车性能；4、单个微孔沿周向的不等深结构以及按照多分布模式加工的不同直径或不同深径比的微孔可确保密封具有优异的低压启停性能，可实现密封的快速开启和对变工况的自适应能力。
(四)附图说明
图1是本发明实施例一、例二和例三的结构示意图。
图2是本发明实施例四的结构示意图。
图3是本发明实施例五的结构示意图。
图4是本发明实施例六的结构示意图。
图5是实施例一密封端面横截面结构示意图。
图6是实施例二密封端面横截面结构示意图。
图7是实施例三密封端面横截面结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步深入，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
参见图1、图5：一种变分布多孔端面机械密封结构，包括机械密封的动环、静环和其它相关零件，所述动环和静环的密封端面贴合形成圆环形的密封端面，所述的圆环形的密封端面的一侧为高压侧即上游，所述的圆环形的密封端面的一侧为低压侧即下游，所述的动环或静环的密封端面上开有微孔，所述的微孔大小不等，在密封端面上呈中心对称排布，微孔环带下游设有依照端面中心对称的环形密封坝(3)，所述密封坝的端面是光滑表面。
所述的微孔分为较大微孔(2)与较小微孔(1)，较小微孔和较大微孔孔深相等，且沿介质泄漏方向保持不变，优选深度范围为1～50μm；微孔面积密度沿介质泄漏方向略微增加，优选范围为：0.05～0.5。
所述环形密封坝的径向宽度范围为：0.1～10mm。
所述端面开孔区的径向长度比α为：0～0.99(α＝(Do-Dp)/(Do-Di)，Do、Di分别为开孔端面的内外直径，Dp为开孔区的最小直径)，优选范围为：0.2～0.7。
实施例1是针对液体密封，微孔优选深度范围可设在1～50μm。
如果是针对气体密封，微孔优选深度范围可设在为1～10μm。
实施例2
参见图1、图6：所述较大微孔在上游第一个孔环带的孔深与较小微孔深度相等，较大微孔沿介质泄漏方向呈梯度缓慢减小，处于下游最后一个孔环带的较大微孔孔深不小于2μm。
本实施例其余结构与实现方式与实施例一相同。
实施例3
参见图1、图7：所述较大微孔和较小微孔的孔深沿介质泄漏方向略微减小，其最小孔深或处于下游最后一个孔环带的孔深不小于2μm 。
本实施例其余结构与实现方式与实施例一相同。
实施例4
参见图2：设有两条密封坝，一条是位于下游的密封坝(3)，另一条是位于上游的密封坝(4)。
本实施例其余结构与实现方式与实施例一相同。
实施例5
参见图3：设有两条密封坝，一条是位于下游的密封坝(3)，另一条是位于上游与下游之间的密封坝(4)，在所述的密封坝(4)两侧的微孔环带上的微孔的面积密度范围不同，靠近下游一侧环带上的微孔的面积密度较大，靠近上游一侧环带上的微孔的面积密度较小。
靠近下游一侧环带上所述的较大微孔与较小微孔沿密封端面周向呈周期性呈断续分布，所述的断续分布是指在密封端面上的大小相同或不同微孔所形成的扇形微孔区之间存在密封堰5。
本实施例其余结构与实现方式与实施例一相同。
实施例6
参见图4：所述的密封端面上微孔沿周向呈若干扇形单元排布，所述的扇形单元之间为不设微孔的密封堰(5)，所述的密封堰为密封端面上的光滑平面，所述的扇形单元中的微孔排布沿径向微孔深度相同，沿周向较大微孔与较小微孔共同组成扇形单元，在扇形单元的扇形微孔区沿周向呈为中间微孔深度较深，两边微孔深度较浅的形式排布，在径向方向上为连续分布，在圆周向方向上为周期性断续分布，由密封堰(5)形成间隔，因此在端面上形成了类似波度效应的流体动压效应。
本实施例其余结构与实现方式与实施例一相同。
Claims (14)
1、一种变分布多孔端面机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的密封贴合形成圆环形的密封端面，所述的圆环形的密封端面的一侧为高压侧即上游，所述的圆环形的密封端面的另一侧为低压侧即下游，其特征在于：所述的动环或静环中至少有一个密封端面上开有微孔，所述的微孔大小不等，在密封端面上呈中心对称排布。
2、如权利要求1所述的变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述的动环或静环中只有一个密封端面上开有微孔。
3、如权利要求1所述的变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述密封端面至少有一条密封坝，所述的密封坝为不开孔的平面环带。
4、如权利要求2所述的变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述的微孔沿密封端面径向呈连续分布或断续分布。
5、如权利要求4所述的变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述的微孔沿密封端面径向呈断续分布，所述的微孔被环带密封坝分割形成微孔环带。
6、如权利要求2所述的变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述的微孔深度为相同或不同。
7、如权利要求2所述的变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述的微孔在密封端面上形状为圆形、三角形、菱形、矩形、正方形、六边形或椭圆形。
8、如权利要求2所述的变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述的密封端面上微孔深度从上游向下游沿径向逐渐由深变浅。
9、如权利要求2所述的变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述的密封端面上微孔沿周向呈若干扇形单元排布，所述的扇形单元之间为不设微孔的密封堰，所述的密封堰为密封端面上的光滑平面，所述的扇形单元中的微孔排布为沿端面径向微孔深度相同，沿端面周向呈中间微孔深度较深，两边微孔深度较浅的分布。
10、如权利要求1～9之一所述的变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述的微孔至少包括最大微孔与最小微孔；
所述的最小微孔的边长或直径的范围为20～100μm且不包括100μm；深径比或深度边长比的范围为0.002～0.08，微孔的面积密度为0.05～0.5，所述的微孔的面积密度为孔的总表面积与密封端面表面积之比值；
所述最大微孔的边长或直径的范围为100～800μm，深径比或深度边长比的范围为0.001～0.1，微孔的面积密度范围为0.05～0.5。
11、如权利要求5所述的一种变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述微孔环带中的微孔面积密度相等。
12、如权利要求5所述的一种变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述微孔环带中的微孔面积密度从上游至下游沿径向逐渐增大。
13、如权利要求1～10之一所述的一种变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述微孔深度沿微孔的周向是变化的，所述的变化为沿端面周向每个微孔深度均呈中间深两边浅的分布。
14、如权利要求2所述的一种变分布多孔端面机械密封结构，其特征在于：所述密封端面开孔区的径向长度比α的范围为0.2～0.7，所述的α按下式计算：
α＝(Do-Dp)/(Do-Di) (1)
式(1)中Do、Di分别为开孔端面的内外直径，Dp为开孔区的最小直径。
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