CN101696728B - 一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构 - Google Patents

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Abstract

一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，其特征在于：在机械密封的动环或静环端面上加工有数个跨尺度织构型面孔槽，所述跨尺度织构型面孔槽由具有毫米级的深槽和微米级的微孔组成，所述深槽位于端面上游，所述微孔分布于深槽周边；所述跨尺度织构型面孔槽之间设有密封堰，在所述跨尺度织构型面孔槽的下游设有未开型面孔槽的环形密封坝。本发明的效果主要有：改善密封润滑、提高流体膜刚度，提高机械密封的耐压和耐热能力，大大增强了密封的运行可靠性、稳定性和密封性，延长了密封使用寿命。

Description

一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构
技术领域
本发明涉及一种针对液体介质的机械端面密封结构，特别涉及由毫米级微槽和微米级微孔所组成的具有跨尺度表面织构特征的液体端面密封结构，特别适用于高压、高温和高速泵轴端密封场合。
背景技术
在20世纪70年代至90年代，机械端面密封技术特别是高参数泵用端面密封技术已经获得突破，如高速场合的干式气体端面密封，高压或高温场合的热流体动力楔机械端面密封等已经在石油、石化、化工、核电和航空航天等领域获得成功应用，但是公知的高参数泵轴端用机械端面密封，还存在一些不足之处。例如，①高速泵场合的干式气体端面密封(见美国科技杂志Lubrication Engineering，1990，46(9)：pp607，美国专利5498007和20020093141，中国专利96216242.6、01279564.X和02132978.8)，其承载能力有限且受到启动或停车期间摩擦磨损及热变形的困扰。②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和美国专利6046430)，还是表面部分开孔端面密封(见Tribology Transactions，2002，45(3)：pp430；USA Patent 6341782和世界专利WO02093046；中国专利200510038704.9、200620100860.3和200720106746.6)，尽管产生动压效果较好，但是都还存在耐压能力不强、抗干扰能力不强、变形适应能力不强和高参数条件下易泄漏等不足。③波度面机械端面密封(见美国专利4836561、6446976)和热流体动力楔机械密封(见英国Newnes-Butterworths，London-Boston出版商出版的德国密封专家E.Mayer的专著：Mechanical Seals.(1977))均是依赖密封端面波度产生动压效应达到分离端面、减少磨损的目的，前者波度面是加工制造所形成，后者波度面是在使用过程中形成，其波度幅值和变化频率与端表面上的周向加工深槽有关。与①和②描述的密封相比，这类波度面机械密封的前者具有良好的高压性能，后者具有良好的高温使用性能，但是动压效果有限，限制了机械密封的承载能力和高速条件下的自动平衡性能。
发明内容
为了克服上述泵用液体机械端面密封技术中存在的不足，特别是密封的抗变形能力较差、液膜承载能力一般(动压效果不强)、耐压性能较差、高参数条件下泄漏量较大的不足，本发明提供一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构。
本发明的技术方案：
一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，其特征在于：在机械密封的动环或静环端面上加工有数个跨尺度织构型面孔槽，所述跨尺度织构型面孔槽由具有毫米级的深槽和微米级的微孔组成，所述深槽位于端面上游，所述微孔分布于深槽周边；所述跨尺度织构型面孔槽之间设有密封堰，在所述跨尺度织构型面孔槽的下游设有未开型面孔槽的环形密封坝。
进一步，所述跨尺度型面孔槽在密封端面上呈周期性排布。
进一步，所述深槽底面加工有微孔。
进一步，所述深槽底面微孔的深度从上游至下游沿径向逐渐变浅。
进一步，所述深槽槽深度h0：h0＝0.2～3.0mm；槽的径向宽度和密封端面的宽度比γ：γ＝0.125～0.75，槽的个数n：n＝2～28；所述微孔的深度h1：h1＝(0.1～0.001)h0，微孔的直径dp：dp＝50～800μm，微孔分布于深槽外周边的宽度bg：bg＝(0.02～0.5)bc，bc是相邻深槽之间的平均外周间隔距离。
所述深槽的形状是圆弧形、半圆形、梯形、矩形、三角形、月牙形、E形、V形、U形、T形、X形或几种形状的组合；所述微孔纵剖面形状是V形、U形、梯形、矩形、正方形、半圆形、或椭圆形。当微孔加工在动环上时，如果微孔横截面形状为椭圆形且椭圆长轴方向与端面半径方向不重合时，则椭圆倾斜方向应与动环的旋转方向相反；反之，当微孔加工在静环上时，如果微孔横截面形状为椭圆形且椭圆长轴方向与端面半径方向不重合时，则椭圆倾斜方向应与动环的旋转方向一致。
本发明推荐动环或静环中至少一个密封端面上加工有跨尺度表面织构，且所述密封端面上至少有一条不开槽的平面环带即密封坝。
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。
本发明适用于除固体颗粒高含量介质以外的所有液体机械端面密封。
本发明的深槽采用高精密或超精密磨削加工方法加工，或采用特制模具烧结成槽深受控的深槽之后再进行精密磨削，微孔采用激光加工方法或电化学蚀刻方法等加工方法来实现。
端面上的密封坝起到停车密封和进一步阻滞流体泄漏的作用。当型面孔槽加工于端面中部时，处于上游的密封坝同时还可防止颗粒磨料进入端面中、下游。
本发明的效果主要有：所述深槽可为端面提供强润滑和冷却效果，在高参数条件下因开槽区和无槽区强烈的热变形或力变形差异而在端面上形成适应于操作条件的可控周向波度，从而产生流体动压效应；端面上的微孔可以增强液体的动压效果和节流效果，槽区内的微孔还可以增强液体的泵汲效果，从而进一步改善密封润滑、提高流体膜刚度，提高机械密封的耐压和耐热能力，大大增强了密封的运行可靠性、稳定性和密封性，延长了密封使用寿命。
附图说明
图1是本发明的实施例一的结构示意图。
图2是附图1中跨尺度表面织构特征的局部放大示意图。
图3是沿图2中1-1线剖面示意图。
图4是本发明实施例二的结构示意图。
图5是沿图4中2-2线第一种情况剖面示意图。
图6是沿图4中2-2线第二种情况剖面示意图。
图7是本发明中深槽横截面的其它常用形状示意图。
具体实施方式
实施例一
参照图1-3，一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，在机械密封的动环或静环端面上加工有数个跨尺度织构型面孔槽，所述跨尺度织构型面孔槽由具有毫米级的深槽3和微米级的微孔2组成，所述深槽3位于端面上游，所述微孔2分布于深槽3周边；所述跨尺度织构型面孔槽之间设有密封堰1，在所述跨尺度织构型面孔槽的下游设有未开型面孔槽的环形密封坝4。
所述跨尺度型面孔槽在密封端面上呈周期性排布。
所述深槽3槽深度h0：h0＝0.2～3.0mm；深槽3的径向宽度和密封端面的宽度比γ：γ＝0.125～0.75，槽的个数n：n＝2～28；所述微孔2的深度h1：h1＝(0.1～0.001)h0，微孔2的直径dp：dp＝50～800μm，微孔2分布于深槽3外周边的宽度bg：bg＝(0.02～0.5)bc，bc是相邻深槽3之间的平均外周间隔距离。
本实施例中的深槽3是圆弧槽。
本发明应用于高温高压循环水泵轴端密封时，圆弧槽3及其邻近区域得到较好冷却，而圆弧槽3之间的区域则因远离深槽区得不到良好冷却，因此沿端面周向产生周期性温度梯度，即产生周期性的热变形，形成波度面，热流体动压效应由此而产生；同时尺度大到足以抵抗热变形影响的微孔2增强了端面特别是近深槽区的润滑，产生的流体动压效应与深槽的热流体动压效应叠加而形成端面强润滑、强动压效应和高液膜刚度，并且流体沿径向的泄漏受到微孔的阻滞。因此，这种有机地结合了毫米级深槽和微米级微孔的特色的跨尺度表面织构机械密封，使本发明的机械密封具有较强的抗变形能力、高的液膜承载能力以及高参数条件下泄漏率小的特点。
针对不同的泵输介质和泵的操作条件，通过优化设计跨尺度表面织构机械密封的几何结构参数，可以满足不同场合下对密封性能的使用要求。
实施例二
参照图4、图5，本实施例与实施例一不同之处在于所述深槽3是半圆形，所述深槽3底面加工有微孔2。其余结构和实施方式与实施例一相同。所述深槽3的形状还可以是矩形31，E形32，月牙形33，X形34，T形35，U形36，V形37，梯形38等其他形状，参照图7。
实施例三
参照图4、图6，本实施例与实施例二不同之处在于所述深槽3底面的微孔2深度从上游至下游沿径向逐渐变浅，增强泵汲效应。其余结构和实施方式与实施例二相同。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，其特征在于：在机械密封的动环或静环端面上加工有数个跨尺度织构型面孔槽，所述跨尺度织构型面孔槽由具有毫米级的深槽和微米级的微孔组成，所述深槽位于端面上游，所述微孔分布于深槽周边；所述跨尺度织构型面孔槽之间设有密封堰，在所述跨尺度织构型面孔槽的下游设有未开型面孔槽的环形密封坝；所述深槽底面加工有微孔。
2.根据权利要求1所述的一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构，其特征在于：所述跨尺度型面孔槽在密封端面上呈周期性排布。
3.根据权利要求2所述的一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构，其特征在于：所述深槽底面微孔的深度从上游至下游沿径向逐渐变浅。
4.根据权利要求3所述的一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构，其特征在于：所述深槽槽深度h0：h0＝0.2～3.0mm；槽的径向宽度和密封端面的宽度比γ：γ＝0.125～0.75，槽的个数n：n＝2～28；所述微孔的深度h1：h1＝(0.1～0.001)h0，微孔的直径dp：dp＝50～800μm，微孔分布于深槽外周边的宽度bg：bg＝(0.02～0.5)bc，bc是相邻深槽之间的平均外周间隔距离。
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