CN102322528A - 一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构 - Google Patents

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一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构，动环和静环上至少有一个密封端面上具有两个以上的三维非对称波度形貌，非对称波度在密封端面上呈周期性排布，非对称波度密封端面包括坝区、锥面及其非对称波度的波峰和波谷，坝区为处在低压侧的一不开槽的平行环形密封坝，波峰和波谷通过锥面相连，锥面为高压侧向低压侧形成的线性收敛锥形，直至与坝区相接，锥面实现了密封的非接触静压效应；锥度与非对称波度结合，提高了密封的可靠性，非对称波度光滑过渡曲线防止密封流体中颗粒的堆积，坝区实现轴静止时的静密封，本发明抗压能力、抗干扰能力强，高参数下具有较小泄漏量，启停过程流体动压效果好、正常运行时流体承载力充足。

Description

一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构
技术领域
本发明涉及旋转式流体机械的流体端面机械密封结构，特别涉及一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构。
背景技术
机械密封是防止旋转式流体机械轴端泄漏的主要手段，随着石化、核电等行业的快速发展，对机械密封的要求向高参数发展，具有更高的稳定性和可靠性以及更长的使用寿命。传统的接触式机械密封端面间无法形成稳定的液膜，因此其使用寿命较短，特别是在高速、高压的场合，或者启停、变工况等较频繁的场合，对密封的可靠性要求更高。端面的磨损、密封环的热裂等都容易导致密封的失效。非接触式密封端面的开启主要由流体膜来承载，一贯反映用于上述高性能要求的场合。因此，设计一种构型，能够同时产生流体静压力、流体动压力，减少密封端面的接触，可以有效地避免密封的失效，同时保持较小的端面间隙以控制泄漏量。
公知的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，例如端面开螺旋槽流体动压型端面密封(见USA Patent 3744805、USAPatent 4420162和USA Patent 4212475以及中国专利96108614.9、98103575.2、02132978.8和03134193.4)，其端面结构主要由沿周向均匀分布的数个螺旋槽和与槽根部紧密连接的密封坝组成，尽管其摩擦功耗较低，端面开启能力也较强，但是其泄漏量大于相同规格的普通端面机械密封。同时，工作中排屑的性能很差，宜造成介质中颗粒的堆积；又如端面多孔或微凹机械密封，无论是端面整体开孔(见USA Patent 6046430)，还是端面部分开相同微孔(USA Patent6341782，中国专利200620100860.3和200720106746.6)或方向性微孔(中国专利200920198889.3和201020653230.5)，都存在抗压能力、抗干扰能力不强，高参数下易发生大变形导致泄漏量较大等不足，因此在苛刻环境下，端面间流体膜厚不足，或者流体膜刚度不足以抵抗外界干扰，导致密封系统不能正常稳定运行，也存在排屑能力差的问题。美国专利USA Patent 3738667设计了一种结构使得密封变形后端面能够产生一种波度。Lebeck和Young设计了一种端面对称波度密封形式，包括波度、锥度、坝区，对其进行了相应的实验研究。美国专利USA Patent 4836561对此种端面对称波度密封形式进行了阐述。虽然此密封结构能够适用于多种工况，泄漏量较小，也较好解决了介质中颗粒堆积的问题，但在密封稳定运行过程中，对称波度的存在将削弱了流体的静压能力，从而降低了密封系统的承载力和稳定性，增加了失效的风险。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构，抗压能力、抗干扰能力强，高参数下具有较小泄漏量，启停过程流体动压效果好、正常运行时流体承载力充足。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构，包括主轴7、机械密封的动环15和静环17，动环15和静环17端面的一侧为高压侧，即上游，另一侧为低压侧，即下游，动环15和静环17上至少有一个密封端面上具有两个以上的三维非对称波度形貌，非对称波度在密封端面上呈周期性排布，非对称波度密封端面包括坝区1、锥面4、波峰2、波谷3以及形成的波峰高度5和波谷深度6，坝区1为处在低压侧的一不开槽的平行环形密封坝，波峰2和波谷3通过锥面4相连，锥面4为高压侧向低压侧形成的线性收敛锥形，直至与坝区1相接。
所述坝区1的宽度小于密封环的宽度。
所述锥面4的锥角β1的取值范围为100～1500μrad。
所述非对称波度沿锥面4同一周期内锥角β1相同，波度曲线沿周向呈非对称性分布，非对称波度在密封端面上沿周向呈周期性排布。
所述非对称波度沿旋转方向，收敛部分的曲线对应的中心角大于波度发散部分曲线对应的中心角，收敛区的峰值hp、谷值hv满足hp≥hv或hp≤hv，收敛区的峰值hp、谷值hv在2～20μm范围内。
所述非对称波度的波度形状具有方向性，呈中心对称分布，包括正弦波、余弦波、斜直线波或指数波形状。
所述的非对称波度度数在1～40范围内。
本发明的有益效果主要表现在：在严格要求旋转轴不可逆转的使用情况下，非对称波度大大提高了流体动压效应，减小了对称波度端面密封发散楔形的副作用，提高了密封的工作效能；锥面4的存在具有流体静压效应，使得密封在流体静压作用下，静止状态下开启。同时，波度可以有效避免小膜厚、小压差的极端工况下的碰膜失效，实现了密封的非接触、耐磨损，延长了使用寿命，提高了密封的可靠性。非对称波度的光滑过渡曲线，可以有效防止密封流体中颗粒的堆积；坝区1的存在可以实现轴静止时的静密封。
附图说明
图1(a)是本发明逆时针旋转的结构示意图。
图1(b)是本发明顺时针旋转的结构示意图。
图2(a)是本发明密封端面的三维形貌示意图。
图2(b)是本发明密封端面非对称波度波峰大于波谷的A-A截面示意图。
图2(c)是本发明密封端面非对称波度波谷大于波峰的A-A截面示意图。
图中：
Ro、Ri分别为密封环的外圈半径、内圈半径；
Rd为密封环的坝区半径；
ht为锥度平面在上游侧的高度；
hv为非对称波度波谷的幅值；
ha为非对称波度波峰的幅值；
β1为斜面锥度，β1＝ht/(Ro-Rd)。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做详细描述。
参照图1(a)、图1(b)、图2(a)、图2(b)和图2(c)，一种动静压结合型非对称波度端面液体机械密封结构，包括主轴7、机械密封的动环15和静环17，动环15和静环17端面的一侧为高压侧，即上游，另一侧为低压侧，即下游，动环15和静环17上至少有一个密封端面上具有两个以上的三维非对称波度形貌，非对称波度在密封端面上呈周期性排布，非对称波度密封端面包括坝区1、锥面4、波峰2、波谷3以及形成的波峰高度5和波谷深度6，坝区1为处在低压侧的一不开槽的平行环形密封坝，波峰2和波谷3通过锥面4相连，锥面4为高压侧向低压侧形成的线性收敛锥形，直至与坝区1相接。
所述坝区1的宽度小于密封环的宽度。
所述锥面4的锥角β1的取值范围为100～1500μrad。
所述非对称波度沿锥面4同一周期内锥角β1相同，波度曲线沿周向呈非对称性分布，非对称波度在密封端面上沿周向呈周期性排布。
所述非对称波度沿旋转方向，收敛部分的曲线对应的中心角大于波度发散部分曲线对应的中心角，收敛区的峰值hp、谷值hv满足hp≥hv或hp≤hv，收敛区的峰值hp、谷值hv在2～20μm范围内。
所述非对称波度的波度形状具有方向性，呈中心对称分布，包括正弦波、余弦波、斜直线波或指数波形状。
所述的非对称波度度数在1～40范围内。
参照图1(a)和图1(b)，密封环的在使用过程中应严格按照其旋转方向使用，沿旋转方向收敛区大于发散区。
参照图2(a)、图2(b)和图2(c)，非对称波度端面密封环端面锥度4为高压侧向低压侧形成的线性收敛锥形，直至与坝区1相接，表达式为β1＝ht/(Ro-Rd)，ht为锥度平面在上游侧的高度，Ro、Rd为密封环的外径、坝区半径，在锥度平面上开有非对称的波度2，非对称性表现在收敛部分的曲线对应的中心角大于波度发散部分曲线对应的中心角，收敛区的峰值hp、谷值hv根据需要可满足：hp≥hv，如图2(c)所示，或hp≤hv，图2(b)所示。定义无量纲参数：波谷波锥比αv＝hv/ht，波峰波锥比αp＝hp/ht，其中，αv≥αp，αv取值范围为0-5，αp取值范围为0-1。
本发明的工作原理：
所述非对称波度端面由于存在从上游高压侧到下游低压侧的收敛锥度，使得高压侧流体在流体静压的作用下可以进入密封端面，在转子旋转之前将动环15和静环17分开，以避免旋转时端面坝区的磨损。当转子开始旋转时，由于周向波度存在，形成明显的流体动压效应，并且由于波度的非对称性，沿旋转方向收敛区大于发散区，即波度的非对称性增加了流体的被压缩长度，使得流体压力不断累积，产生富集效应；密封启动阶段可以使端面更快的分开；在停车阶段可以有效避免端面的过度摩擦而引起密封的失效；同时，在动态扰动存在时，小膜厚下端面承载力的增加可以有效地避免端面的接触引起的磨损，提高了密封的抗干扰能力。在密封正常运行时，由于波度沿周向的发散区长度较短，减小流体空化的可能，克服了传统的对称波度削弱流体静压效应的缺点。同时，在正常运行时将克服传统对称波度密封存在的开启力、刚度不足等问题，有效地提高了密封运行的稳定性。
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 (7)

1.一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构，包括主轴(7)、机械密封的动环(15)和静环(17)，动环(15)和静环(17)端面的一侧为高压侧，即上游，另一侧为低压侧，即下游，其特征在于：动环(15)和静环(17)上至少有一个密封端面上具有两个以上的三维非对称波度形貌，非对称波度在密封端面上呈周期性排布，非对称波度密封端面包括坝区(1)、锥面(4)、波峰(2)、波谷(3)以及形成的波峰高度(5)和波谷深度(6)，坝区(1)为处在低压侧的一不开槽的平行环形密封坝，波峰(2)和波谷(3)通过锥面(4)相连，锥面(4)为高压侧向低压侧形成的线性收敛锥形，直至与坝区(1)相接。
2.根据权利要求1所述的一种动静压结合型非对称波度端面液体机械密封结构，其特征在于：所述坝区(1)的宽度小于密封环的宽度。
3.根据权利要求1所述的一种动静压结合型非对称波度端面液体机械密封结构，其特征在于：所述锥面(4)的锥角β1的取值范围为100～1500μrad。
4.根据权利要求1所述的一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构，其特征在于：所述非对称波度沿锥面(4)同一周期内锥角β1相同，波度曲线沿周向呈非对称性分布，非对称波度在密封端面上沿周向呈周期性排布。
5.根据权利要求1所述的一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构，其特征在于：所述非对称波度沿旋转方向，收敛部分的曲线对应的中心角大于波度发散部分曲线对应的中心角，收敛区的峰值hp、谷值hv满足hp≥hv或hp≤hv，收敛区的峰值hp、谷值hv在2～20μm范围内。
6.根据权利要求1所述的一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构，其特征在于：所述非对称波度的波度形状具有方向性，呈中心对称分布，包括正弦波、余弦波、斜直线波或指数波形状。
7.根据权利要求1所述的一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构，其特征在于：所述的非对称波度度数在1～40范围内。
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