CN101985981A

CN101985981A - 核主泵动静压结合斜直线槽机械密封结构

Info

Publication number: CN101985981A
Application number: CN 201010511121
Authority: CN
Inventors: 刘向锋; 李京浩; 刘莹; 黄伟峰; 王玉明
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2011-03-16

Abstract

本发明为核主泵动静压结合斜直线槽机械密封结构，包括旋转环和静止环，在静止环或者旋转环的密封端面上有与静止环或者旋转环径向夹角为20—70度的斜直线槽1，斜直线槽1沿静止环或者旋转环圆周方向均匀分布，斜直线槽1的槽宽H沿槽长L方向保持不变，槽深从上游即高压侧到下游即低压侧逐渐变浅，且呈线性变化，直至与平行端面相接，从而形成一种收敛形直线槽；本发明兼有动静压密封的优点，既能在高速运转时利用动压效应形成足够厚度的膜，又能在密封开启过程即转速较低时利用静压效应形成足够厚度的膜，且加工工艺简单，便于实现。

Description

核主泵动静压结合斜直线槽机械密封结构

技术领域

本发明属于机械工程中机械密封领域，涉及旋转轴的端面密封装置，特别涉及核主泵动静压结合斜直线槽机械密封结构。

背景技术

共知的流体动、静压结合型端面机械密封装置，还存在不足，例如出于其结构中槽深相等，所以在一定工况下，流体膜厚度不足，或者在一定流体膜厚度下流体膜的刚度不足，造成密封装置性能不稳定。

“上游泵送”机械密封的概念，最早由J Sedy提出，并申请了“高压上游泵送密封”专利。1984年，美国J P Netzel在国际泵流研讨会上，正式明确了上游泵送的概念，即利用密封面上开流槽将下游少量泄漏流体泵送回上游。1984年，以色列的Etsion教授提出了非接触式机械密封的概念，发明了圆叶槽机械密封。其学生Lipschitz A在次年提出了零泄漏成膜端面密封的新概念，发明了径向直叶槽机械密封。原理是通过表面的改形产生剪切流，抵抗压差流，属于上游泵送范围。其原理是：端面开设的流体动压槽在旋转条件下，通过液体的黏性剪切作用把液体泵入密封端面之间，使液膜的压力增加并把两密封端面分开。

干运转气体密封是开槽技术用于气体密封。原理是：动环端面外侧开有动压槽，动环运转时，流体动压槽把外径侧的高压隔离气休泵人密封端面之间，由外径至槽径处气膜压力逐渐增高，而自槽径至内径处气膜压力下降，因端面膜压增加使所形成的开启力大于作用在密封面上的闭合力，在摩擦副之间形成很薄的一层气膜，从而使密封工作在非接触状态下。

干气密封和上游泵送密封均属于端面开浅槽流体动压机械密封，优点是动静环在运转过程中不接触，摩擦和产热小，动静环热变形小，端面磨损很小，泄漏量小。缺点是必须工作在运转工况下，没有静密封功能。

静压密封通过动环密封端面制造径向锥度，使密封端面产生楔形间隙，径向锥度在流体静压效应作用下，将产生附加的流体静压承载能力，产生开启力，开启力与闭合力互相平衡，使得密封副两端面分开成为非接触型机械密封。优点是具有良好的静密封性能，密封端面磨损小。缺点是密封结构较复杂，有一定的泄漏量。

另一方面，目前机械密封端面开槽的制造技术主要有以下四种，都有各自明显的缺点：第一、化学蚀刻和光化学腐蚀：对于耐腐蚀性强的材料难以加工，不容易控制加工部位的纵向尺寸。第二、电火花加工：加工效率低，成本高。第三、喷砂法：工艺复杂，效率比较低。第四、激光加工法：精度和表面粗糙度不容易保证。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种核主泵动静压结合斜直线槽机械密封结构，其能够将机械密封的动压密封和静压密封结合起来，兼有动静压密封的优点，既能在高速运转时利用动压效应成膜，又能在低转速或静止时利用静压效应成膜。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

核主泵动静压结合斜直线槽机械密封结构，包括腔体，腔体上固定有静止环2，静止环2套在转动轴上，转动轴上固定有旋转环3，静止环2靠近旋转环3的环面上带有密封端面，旋转环3靠近静止环2的环面上也带有密封端面，静止环2和旋转环3的密封端面都与轴线垂直，工作时两个密封面近乎贴合，间隙中有密封介质，转动轴带动旋转环3相对静止环2转动，密封介质通过两密封端面间的间隙泄漏，在静止环2或者旋转环3的密封端面上有与静止环2或者旋转环3径向夹角为20——70度的斜直线槽1，斜直线槽1沿静止环2或者旋转环3圆周方向均匀分布，斜直线槽1的槽宽H沿槽长L方向保持不变，槽深从上游即高压侧到下游即低压侧逐渐变浅，且呈线性变化，直至与平行端面相接，从而形成一种收敛形直线槽。

所述的斜直线槽1的数量为10——30个。

所述斜直线槽1的槽底部平面与静止环2或者旋转环3的密封端面的夹角的变化范围为100——1500微弧度。

所述的斜直线槽1在静止环2或者旋转环3的密封端面上既不相互重叠，又不超出静止环2或者旋转环3的范围，即每个斜直线槽1都是独立且完整的。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

一、兼有动静压密封的优点，既能在高速运转时利用动压效应形成足够厚度的膜，又能在密封开启过程即转速较低时利用静压效应形成足够厚度的膜，从而始终保持密封端面的非接触状态，防止磨损。

二、机械密封端面开槽可以直接使用砂轮研磨或者直接使用机床加工，不仅可以提高加工精度，减小尺寸误差，而且简化了加工过程，减少成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，开槽环为静止环。

图2是本发明实施例1的密封端面示意图。

图3是图2中沿A-A向的放大视图，其中为槽底部平面与密封环端面的夹角。

图4是本发明实施例2的密封端面示意图。

图5是图4中沿B-B向的放大视图，其中

为槽底部平面与密封环端面的夹角。

图6是本发明局部放大图，其中：为槽与密封环径向的夹角；为槽底部平面与密封环端面的夹角；H为槽的宽度；L为槽的较长边的长度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明包括静止环2和旋转环3，核主泵动静压结合斜直线槽机械密封结构，包括腔体，腔体上固定有静止环2，静止环2套在转动轴上，转动轴上固定有旋转环3，静止环2靠近旋转环3的环面上带有密封端面，旋转环3靠近静止环2的环面上也带有密封端面，静止环2和旋转环3的密封端面都与轴线垂直，工作时两个密封面近乎贴合，间隙中有密封介质，转动轴带动旋转环3相对静止环2转动，密封介质通过两密封端面间的间隙泄漏。

实施例一

如图2所示，选择在静止环2上开槽，本实施例中，静止环2的外侧为高压，内侧为低压，因此在静止环2的密封端面外侧有与静止环2径向夹角为45度的斜直线槽1，斜直线槽1沿静止环2或者旋转环3圆周方向均匀分布，斜直线槽1的槽宽H沿槽长L方向保持不变，槽深从上游即高压侧到下游即低压侧逐渐变浅，且呈线性变化，直至与平行端面相接，从而形成一种收敛形直线槽。本实施例中斜直线槽1的数量为25个且每个斜直线槽1都是独立且完整的。斜直线槽1的槽底部平面与静止环2或者旋转环3的密封端面的夹角的变化范围为100——1500微弧度。工作时，静止环2相对于旋转环3的转动方向如图2中箭头所示。

实施例二

如图3所示，选择在旋转环3上开槽，本实施例中，旋转环3的外侧为低压，内侧为高压，因此在旋转环3的密封端面内侧有与旋转环3径向夹角为45度的斜直线槽1，斜直线槽1沿静止环2或者旋转环3圆周方向均匀分布，斜直线槽1的槽宽H沿槽长L方向保持不变，槽深从上游即高压侧到下游即低压侧逐渐变浅，且呈线性变化，直至与平行端面相接，从而形成一种收敛形直线槽。本实施例中斜直线槽1的数量为20个且每个斜直线槽1都是独立且完整的。斜直线槽1的槽底部平面与静止环2或者旋转环3的密封端面的夹角的变化范围为100——1500微弧度。工作时，旋转环3相对于静止环2的转动方向如图2中箭头所示。

根据不同的密封压力和泄漏量要求，在静止环2或者旋转环3所开的斜直线槽1的数量可为10——30个，斜直线槽1与静止环2或者旋转环3的径向夹角可为20——70度。

本发明的工作原理是：

动压部分，在旋转环3和静止环2相对运动时，流体进入直线槽内，从高压侧流向低压侧，因为直线槽的高度是渐缩的楔形空间，流体受到压缩，压力逐渐提高，在直线槽的根部形成局部高压区，流体压力产生的开启力平衡闭合力而使端面分离，并形成一定厚度的液膜。

静压部分，机械密封端面内外两侧的密封流体存在压力差，而机械端面的直线槽外侧为楔形空间，密封流体在径向收敛的楔形空间内产生截流效应，产生开启力，与闭合力平衡，形成一定厚度的液膜。

因此，本发明的最大特点在于可将机械密封的动压密封和静压密封结合起来，兼有动静压密封的优点，既能在高速运转时利用动压效应成膜，又能在低转速或静止时利用静压效应成膜。

本发明的另外一个重大意义在于，大大降低了端面开槽的工艺加工难度，目前国际上已经有很多成熟的密封产品，但其加工较为复杂，对加工设备仪器要求非常高，国内根本没有设计制造的能力。而本发明在保证密封效果的同时，其可以直接使用砂轮研磨或者直接使用机床加工，不仅可以提高加工精度，减小尺寸误差，而且简化了加工过程，减少了成本，解决了长期以来人们渴望解决的技术问题。

Claims

1.核主泵动静压结合斜直线槽机械密封结构，包括腔体，腔体上固定有静止环(2)，静止环(2)套在转动轴上，转动轴上固定有旋转环(3)，静止环(2)靠近旋转环(3)的环面上带有密封端面，旋转环(3)靠近静止环(2)的环面上也带有密封端面，静止环(2)和旋转环(3)的密封端面都与轴线垂直，工作时两个密封面近乎贴合，间隙中有密封介质，转动轴带动旋转环(3)相对静止环(2)转动，密封介质通过两密封端面间的间隙泄漏，其特征在于：在静止环(2)或者旋转环(3)的密封端面上有与静止环(2)或者旋转环(3)径向夹角为20——70度的斜直线槽(1)，斜直线槽(1)沿静止环(2)或者旋转环(3)圆周方向均匀分布，斜直线槽(1)的槽宽H沿槽长L方向保持不变，槽深从上游即高压侧到下游即低压侧逐渐变浅，且呈线性变化，直至与平行端面相接，从而形成一种收敛形直线槽。

2.根据权利要求1所述的核主泵动静压结合斜直线槽机械密封结构，其特征在于，所述的斜直线槽(1)的数量为10——30个。

3.根据权利要求1所述的核主泵动静压结合斜直线槽机械密封结构，其特征在于，所述的斜直线槽(1)的槽底部平面与静止环(2)或者旋转环(3)的密封端面的夹角的变化范围为100——1500微弧度。

4.根据权利要求1所述的核主泵动静压结合斜直线槽机械密封结构，其特征在于，所述的斜直线槽(1)在静止环(2)或者旋转环(3)的密封端面上既不相互重叠，又不超出静止环(2)或者旋转环(3)的范围，即每个斜直线槽(1)都是独立且完整的。