CN102359596A - 一种单向旋转三维l形槽端面密封结构 - Google Patents

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高志
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一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，在静止环或者旋转环的密封端面上设有与静止环或者旋转环径向夹角α为20-70度的三维L型槽并沿圆周方向均匀分布，每个三维L形槽由供流槽和不等深矩形槽组成，三维L形槽采用磨削方法加工，提高疲劳强度，能够用于以动环为补偿环或以静环为补偿环的密封结构中，也能够用于面对面式双密封、背对背式双密封、两级串联密封、三级串联密封、双密封与单密封相组合或单密封与双级密封相组合的密封，若密封外侧为低压，内侧为高压，三维L形槽也能够开在密封内侧圆周面上，本发明实现较大的动压承载能力，减小摩擦磨损，提高了使用寿命，同时坝区可实现密封环的静密封。

Description

一种单向旋转三维L形槽端面密封结构
技术领域
本发明涉及旋转轴端面密封结构，特别涉及一种单向旋转三维L形槽端面密封结构。
背景技术
常规流体机械中，如离心泵，其旋转轴密封由于工作压力不高，普通的机械密封装置均可满足工作要求。但是，对于入口压力很高的流体机械旋转轴密封目前还是一个难题。
流体润滑机械密封的基本原理是采用流体静压、流体动压或流体动、静压结合原理将密封表面用微米量级的流体膜隔开，从而在高压或高速工作情况下实现“零泄漏”，且密封具有较长的使用寿命。为实现流体动压效应，一般方法是在密封动环或静环的一个端面设计出沿周向分布的浅沟槽，随旋转轴的转速升高，沟槽中的密封流体由于密封端面间隙变化带来流体动压效应而形成轴向浮起力。动静环之间的流体膜一方面可将密封动、静环分开，减少磨损；另一方面还可实现密封流体的正向或逆向泵送，起到密封作用。流体润滑密封摩擦系数低，通过沟槽形状设计和结构尺寸控制可以做到零泄漏。如中国发明专利200710024397.8公开的一种在密封端面上开槽的高压机械密封，涉及在密封环靠近外圈端面开设半圆形、矩形、月牙形、三角形、菱形及其复合型槽形。其专利申请的重要内容之一是：它能使机械密封端面产生动压效应，强化端面流体膜形成，改善密封端面的润滑条件，抑制流体膜的相变。此项专利涉及的各类槽形均为等深槽，在高压使用环境虽然可以产生流体动压效果，并能够在密封端面形成一个相对的高压区，但是由于等深槽形的局限，流体动压效果不强，所以在高压下不能保证零泄漏，而且在启动过程中会造成端面的磨损。中国发明专利01102213.2可双向旋转的螺旋槽端面密封装置、中国发明专利02146449.9双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置及日本专利2006-009897 seal ring(密封环)都提出了具有收敛楔形的三维沟槽。三维收敛沟槽有更好的流体动压效果。但是，中国发明专利02146449.9槽形复杂，制造需要特殊方法；中国发明专利01102213.2双向旋转的螺旋沟槽对于大部分工作在单向旋转工况下的流体机械，其逆转动方向开设的沟槽会对正向收敛沟槽的流体动压效果产生不利影响；日本专利2006-009897提出的三维沟槽形状在进口压力突然增加时，由于沟槽供油不充分，易造成密封端面的直接磨损，从而破坏楔形的结构尺寸，使之不能按照设计初衷有效工作。
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单向旋转三维L形槽端面密封结构，减小了摩擦磨损，提高了使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，在静止环或者旋转环的密封端面上设有与静止环或者旋转环径向夹角α为20-70度的三维L型槽1并沿圆周方向均匀分布。
所述的每个三维L形槽1由径向等深为H、槽长为L2的供流槽和与供流槽成锐角α的不等深矩形槽L3组成，不等深矩形槽L3槽深沿旋转方向由深变浅直至与平行端面相接，从而形成一种收敛矩形槽。
所述的供流槽深度5μm～10μm。
所述的收敛矩形槽最大深度5μm～10μm，最大槽深不能大于供流槽深，收敛矩形槽剖面斜度1∶1500～1∶1000。
所述的收敛矩形槽与供液槽宽度相等。
所述的三维L形槽1沿周向分布槽与台的宽度比小于等于1。
所述的三维L形槽1根部具有大半径的圆角，圆角半径根据供液槽宽度尽量取大。
所述的三维L形槽1采用磨削方法加工，减少材料局部变形、表面热应力对材料性能的影响和表面微裂纹的产生，从而提高疲劳强度。
所述的三维L形槽1端面密封结构，能够用于以动环为补偿环或以静环为补偿环的密封结构中，也能够用于面对面式双密封、背对背式双密封、两级串联密封、三级串联密封、双密封与单密封相组合或单密封与双级密封相组合的密封，若密封外侧为低压，内侧为高压，三维L形槽1也能够开在密封内侧圆周面上。
本发明适用于各种旋转流体机械，特别是高压密封工况的端面密封。其优点是：与等深槽相比较，沿周向分布的收敛矩形槽产生流体动压支撑力、供流槽等深段类似雷列阶梯，会产生流体动压支撑力，上述支撑力将密封端面分开，膜厚较大，避免端面的直接接触，减小摩擦磨损，提高了使用寿命。同时，由于径向和周向双重的流体动压效果，会使密封端面的开启时间大大缩短，从而减小了密封开启过程的端面磨损。另外，三维L形槽1提供了足够的密封流体，可使旋转轴在惰转下能维持一定时间的流体润滑状态，避免突然降速造成密封端面失去支撑，而使密封端面直接接触，造成磨损。在本发明中，三维L形槽1的内径侧具有一平面环带，即密封坝，它在轴转动时可起到节流作用；在轴静止时起到停车密封作用。
三维L形槽1采用磨削方法加工，结构上可使槽底部具有大半径的圆角，可防止密封流体中的杂质在槽中的残留。磨削加工相对于激光加工、电火花加工等减少了材料局部变形、表面热应力对材料性能的影响和表面微裂纹的产生，从而提高疲劳强度。磨削加工易于实现、效率高、且易于控制槽形几何尺寸的一致性和精度。
附图说明
图1-a是本发明顺时针旋转时的主视图。
图1-b是图1的A-A放大示意图。
图1-c是图1的B-B放大示意图。
其中：L1——三维L形槽的槽宽，L2——三维L形槽中供流槽的长度，L3——三维L形槽矩形槽的周向长度，α——供流槽与周向槽夹角，R1——端面密封环外半径，R2——端面密封环内半径，R3——三维L形槽根部圆角半径，H——三维L形槽供流槽深度及收敛槽最大深度，z——沿圆周方向三维L形槽矩形槽个数。
图2是本发明逆时针旋转时的主视图。
图3是本发明实施例一的装配结构图，此时密封动环为补偿环。
图4是本发明实施例二的装配结构图，此时密封静环为补偿环。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做详细描述。
参照图1-a、图1-b、图1-c和图2，一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，在静止环或者旋转环的密封端面上设有与静止环或者旋转环径向夹角α为20-70度的三维L型槽1并沿圆周方向均匀分布。
所述的每个三维L形槽1由径向等深为H、槽长为L2的供流槽和与供流槽成锐角α的不等深矩形槽L3组成，不等深矩形槽L3槽深沿旋转方向由深变浅直至与平行端面相接，从而形成一种收敛矩形槽。
所述的供流槽深度5μm～10μm。
所述的收敛矩形槽最大深度5μm～10μm，最大槽深不能大于供流槽深，收敛矩形槽剖面斜度1∶1500～1∶1000。
所述的收敛矩形槽与供液槽宽度相等。
所述的三维L形槽1沿周向分布槽与台的宽度比小于等于1。
所述的三维L形槽1根部具有大半径的圆角，圆角半径根据供液槽宽度尽量取大。
所述的三维L形槽1采用磨削方法加工，减少材料局部变形、表面热应力对材料性能的影响和表面微裂纹的产生，从而提高疲劳强度。
所述的三维L形槽1端面密封结构，能够用于以动环为补偿环或以静环为补偿环的密封结构中，也能够用于面对面式双密封、背对背式双密封、两级串联密封、三级串联密封、双密封与单密封相组合或单密封与双级密封相组合的密封，若密封外侧为低压，内侧为高压，三维L形槽1也能够可开在密封内侧圆周面上。
参照图3，该密封装置包括：主轴15、轴套2、弹簧导套3、弹簧4、外壳5、弹簧支座6、第一辅助密封圈7、密封动环或补偿环8、第二辅助密封圈9、密封静环10、第三辅助密封圈11、密封静环支座12、防转销13和第四辅助密封圈14。在本实施例中，设密封端面的外侧为高压侧，密封端面内侧为低压侧。在动环8端面上外侧设置三维L形槽1。在给定的旋向下三维L形槽1将会产生流体动压效应，将密封动、静环端面分开，且会产生密封流体由高压侧向低压侧的泵送。在三维L形槽1的内侧平面环形带起节流和停车密封作用。
同样的工作原理可以用于图4所示的以密封静环为补偿环的密封系统中。图4中：主轴15，轴套2，传动销16，密封动环8，第一辅助密封圈7，密封静环10，防转销13，第二辅助密封圈9，密封静环支座12，密封壳体5，第三辅助密封圈11，第四辅助密封圈14，支座18，弹簧挡板17，弹簧支座6，弹簧4，在密封静环10的端面上设置三维L形槽1。
实施本发明专利有多种形式：单密封、面对面式双密封、背对背式双密封、两级串联密封、三级串联密封、双密封与单密封相组合或单密封与双级密封相组合的密封等。密封装置中的补偿环可以是动环，也可以是静环。

Claims (9)

1.一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，其特征在于：在静止环或者旋转环的密封端面上设有与静止环或者旋转环径向夹角α为20-70度的三维L型槽(1)并沿圆周方向均匀分布。
2.根据权利要求1所述的一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，其特征在于：所述的每个三维L形槽(1)由径向等深为H、槽长为L2的供流槽和与供流槽成锐角α的不等深矩形槽L3组成，不等深矩形槽L3槽深沿旋转方向由深变浅直至与平行端面相接，从而形成一种收敛矩形槽。
3.根据权利要求2所述的一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，其特征在于：所述的供流槽深度5μm～10μm。
4.根据权利要求2所述的一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，其特征在于：所述的收敛矩形槽最大深度5μm～10μm，最大槽深不能大于供流槽深，收敛矩形槽剖面斜度1∶1500～1∶1000。
5.根据权利要求2所述的一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，其特征在于：所述的收敛矩形槽与供液槽宽度相等。
6.根据权利要求1所述的一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，其特征在于：所述的三维L形槽(1)沿周向分布槽与台的宽度比小于等于1。
7.根据权利要求1所述的一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，其特征在于：所述的三维L形槽(1)根部具有大半径的圆角，圆角半径根据供液槽宽度尽量取大。
8.根据权利要求1所述的一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，其特征在于：所述的三维L形槽(1)采用磨削方法加工，减少材料局部变形、表面热应力对材料性能的影响和表面微裂纹的产生，从而提高疲劳强度。
9.根据权利要求1所述的一种单向旋转三维L形槽端面密封结构，其特征在于：所述的三维L形槽(1)端面密封结构，能够用于以动环为补偿环或以静环为补偿环的密封结构中，也能够用于面对面式双密封、背对背式双密封、两级串联密封、三级串联密封、双密封与单密封相组合或单密封与双级密封相组合的密封，若密封外侧为低压，内侧为高压，三维L形槽(1)也能够可开在密封内侧圆周面上。
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