CN102588600B - 具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，包括机械密封的动环和静环，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，所述端面的下游设有光滑平面的环形密封坝，在所述动环或静环中至少一个密封端面上设有多组流体型槽，特点是所述流体型槽由引流槽与泵送回流槽复合构成，所述引流槽的平均槽深大于所述泵送回流槽的平均槽深；所述引流槽设置在所述端面的上游，且与密封介质相连通；所述泵送回流槽是具有飞鸟翼翅外形结构特征的型槽，槽深呈中间深两边浅的变化规律；所述泵送回流槽的两边末端与所述端面上游有一间距。本发明具有对密封介质产生下游泵送与上游泵送的双重作用，减小了泄漏量，提高了密封的运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，适用于各类离心泵、螺杆泵等液体输送用旋转机器的轴端密封，特别适用于易汽化和润滑性能不良的介质的密封，属于流体密封技术领域。
背景技术
通常，非接触式机械密封装置，由动环、静环及传动部件、推力组件和辅助密封圈等系统零部件及密封辅助系统所构成。为提高一般机械密封的工作可靠性，增强密封端面的润滑效果，避免端面磨损，减小摩擦系数，常常在动环或静环的端面上设置一定的表面织构或型槽，如螺旋槽、T型槽、U型槽或不同排布与组合的微孔，使机械密封运行时端面间产生流体动压效应。这种动压效应协同端面间的静压效应将形成端面开启力，使动静环端面之间充满流体，形成完整的流体润滑薄膜，产生一定的流体膜刚度，防止密封面运行过程中由于外界扰动而引起端面贴合，造成干摩擦，避免端面磨损。但是，与此同时伴随端面流体膜厚度或间隙的增大，将引起较大的泄漏率，这是密封有毒、有害和强腐蚀性液体介质特别是石油、石化和化工行业中密封易汽化介质时所不希望看到的。
目前，常选用干气密封、上游泵送机械密封等作为易汽化或润滑性能不良介质的密封装置，但是这两类先进密封技术均要求采用双端面或串联式机械密封结构，因此增加了使用成本，降低了密封的可靠性，而且对辅助系统要求比较苛刻。最近，美国Flexibox和John Crane等著名机械密封生产商推出了端面型槽具有泵送回流功能的激光脸端面密封(Evans J.Enhanced performance with laser-etched seal facetechnology.Sealing Technology，1997，No.48；http://www.johncrane.co.uk/；US5529317“Floating ring seal with returnstructures and process for making it”和US7194803“Seal ring andmethod of forming micro-topography ring surfaces”)，在此基础上，国内有关密封公司也发明了据称具有类似功能的机械密封(ZL200920043048.5“机械密封装置的摩擦环”)。但是，无论是国外相关技术还是国内仿造专利技术，均存在如下问题：①端面回流槽的作用机理不明，也尚未见到有关技术参数与工业领域大量使用的公开报道，国内更是未见一例；②回流槽采用镜像叠罗汉矩形槽或月牙槽，这种型槽与引流槽之间的协同作用效果不明显，即端面的流体动压效应、润滑效果和回流效果不明显；③ZL200920043048.5中的主槽仅仅具有径向变深，在副槽协同下也无法起到回流泵送作用，与此同时，在实际设计、加工与使用中如何实现对主槽与副槽之间的协同作用、两者间准确的相对位置均未涉及，因而是不完善的；④实验和数值模拟结果表明(钮建良“LaserFace液体润滑机械密封性能研究”，浙江工业大学硕士学位毕业论文，2011年)，上述发明在实际应用中效果不明显，回流槽的槽深变深型式以及回流槽与引流槽之间的协同作用是关键，但是均未明确。型槽仿生发明专利(ZL200910102184.1“三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构”和ZL 200910101512.6“三维似鱼鳞织构底面型槽流体动压型液体机械密封结构”)的问世及激光加工技术与方法的普及，为提出具有回流功能端面密封的新发明提供了思路。
发明内容
为了解决现有端面密封结构中泵送回流型槽技术成本高、实施难度高、润滑效果和回流效果不明显的问题，本发明提供一种能充分发挥流体动压型槽的综合作用、提高端面润滑冷却效果、减少泄漏的具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封。
本发明采用的技术方案是：
一种具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，包括机械密封的动环和静环，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，所述端面的下游设有光滑平面的环形密封坝，在所述动环或静环中至少一个密封端面上设有多组流体型槽，所述流体型槽沿端面周向呈周期性排列，其特征在于：所述流体型槽由引流槽与泵送回流槽复合构成，所述引流槽的平均槽深大于所述泵送回流槽的平均槽深；所述引流槽设置在所述端面的上游，且与密封介质相连通；所述泵送回流槽是具有飞鸟翼翅外形结构特征的型槽，槽深呈中间深两边浅的变化规律；所述泵送回流槽由迎流部分的下游泵汲槽和背流部分的上游泵送槽构成，分别起到类似下游泵汲和上游泵送的作用；所述下游泵汲槽和上游泵送槽的交界处为泵送回流槽的中部；所述泵送回流槽的中部与所述端面的下游有一间距，所述泵送回流槽的两边末端与所述端面的上游有一间距；所述泵送回流槽和引流槽之间的非开槽区域构成密封堰。
进一步，所述引流槽的槽深为10～30μm，沿径向流向槽深逐渐变浅，斜度为2～10度。
进一步，所述泵送回流槽沿流动方向的两侧壁型线为螺旋线、圆弧线或直线。
进一步，所述泵送回流槽沿流动方向的两侧壁型线均为对数螺旋线。
进一步，所述泵送回流槽的槽深沿周向方向呈中间深、两边浅的渐变，槽深变化范围为1～10μm。
或则，所述泵送回流槽的槽深沿径向方向从高压端到低压端发生渐变且逐渐变浅，槽深变化范围为1～10μm。
或则，所述泵送回流槽的槽深沿周向方向呈中间深、两边浅的渐变，且沿径向方向从高压端到低压端发生渐变且逐渐变浅，槽深变化范围为1～10μm。
进一步，所述泵送回流槽的槽深变化呈直线渐变，槽深变化范围为1～10μm。
或则，所述泵送回流槽的槽深变化呈抛物线渐变，槽深变化范围为1～10μm。
进一步，所述泵送回流槽的两边末端距离所述端面的上游的间距为0.05～0.5mm。
本发明中所述引流槽的形状是矩形、椭圆形、三角形、W形、纺锤形、T形、圆弧形或半圆形；所述引流槽采用变深型槽，槽深沿径向流向逐渐变浅，可为各种型线渐变，优先选择抛物线渐变模式。采用激光打标技术或化学蚀刻技术均可以实现。
本发明中所述泵送回流槽的截面形状是仿飞鸟翼翅形状，流槽的两侧壁型线是螺旋线、圆弧线、直线。所述泵送回流槽的槽深沿周向、径向变化，呈直线或抛物线梯级变化或光滑变化，优先选择抛物线光滑变化。采用激光打标技术或化学蚀刻技术均可以实现。
本发明的有益效果体现在：
1.本发明采用仿飞鸟翼翅外形结构设计制造泵送回流槽，而且泵送回流槽的侧壁型线采用泵送效应最佳的对数螺旋型线，因此不仅仿翼型槽的根部压力分布均匀，而且在一定速度下端面之间流体回流到上游的量较大且可以得到受控，因此提高了新型机械密封的密封性、可靠性和稳定性；
2.本发明中的引流槽较泵送回流槽深，而且槽深为型线渐变，则可以确保采用本发明的机械密封在正常运转条件下产生足够大的流体动压效应，因此提高了端面流体泵汲效应与流体膜承载能力，机械密封的稳定性特别是正常运转时的稳定性整体提高；
3.螺旋型线和抛物线阶梯渐变浅槽的加工采用现代最先进的激光打标技术，可以确保获得高精度光滑底面渐变浅槽，从根本上确保渐变浅槽功能的实现；
4.本发明的密封结构制成的密封装置安装时无旋向要求，可双向旋转，可有效控制泄漏率，密封运行安全可靠，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明的机械密封端面结构示意图。
图中标示：1引流槽；2泵送回流槽；21泵送回流槽侧壁；22泵送回流槽中部；23泵送回流槽末端；3密封堰；4密封坝。
图2是本发明的引流槽部分典型结构示意图。
图3是本发明的泵送回流槽结构示意图。
图中标示：211泵送回流槽的下游泵汲槽；212泵送回流槽的上游泵送槽。
具体实施方式
参照图1-3，一种具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，包括机械密封的动环和静环，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，所述端面的下游设有光滑平面的环形密封坝4，在所述动环或静环中至少一个密封端面上设有多组流体型槽，所述流体型槽沿端面周向呈周期性排列，其特征在于：所述流体型槽由引流槽1与泵送回流槽2复合构成，所述引流槽1的平均槽深大于所述泵送回流槽的平均槽深；所述引流槽1设置在所述端面的上游，且与密封介质相连通；所述泵送回流槽2是具有飞鸟翼翅外形结构特征的型槽，槽深呈中间深两边浅的变化规律；所述泵送回流槽2由迎流部分的下游泵汲槽211和背流部分的上游泵送槽212构成，分别起到类似下游泵汲和上游泵送的作用；所述下游泵汲槽211和上游泵送槽212的交界处为泵送回流槽2的中部22；所述泵送回流槽的中部22与所述端面的下游有一间距，所述泵送回流槽的两边末端23与所述端面上游有一间距；所述泵送回流槽2和引流槽1之间的非开槽区域构成密封堰3。
进一步，所述引流槽1的槽深为10～30μm，沿径向流向槽深逐渐变浅，斜度为2～10度。
进一步，所述泵送回流槽2沿流动方向的两侧壁型线为螺旋线、圆弧线或直线。
进一步，所述泵送回流槽2沿流动方向的两侧壁型线均为对数螺旋线。
进一步，所述泵送回流槽2的槽深沿周向方向呈中间深、两边浅的渐变，槽深变化范围为1～10μm。
或则，所述泵送回流槽2的槽深沿径向方向从高压端到低压端发生渐变且逐渐变浅，槽深变化范围为1～10μm。
或则，所述泵送回流槽2的槽深沿周向方向呈中间深、两边浅的渐变，且沿径向方向从高压端到低压端发生渐变且逐渐变浅，槽深变化范围为1～10μm。
进一步，所述泵送回流槽2的槽深变化呈直线渐变，槽深变化范围为1～10μm。
或则，所述泵送回流槽2的槽深变化呈抛物线渐变，槽深变化范围为1～10μm。
进一步，所述泵送回流槽2的两边末端距离所述端面的上游的间距为0.05～0.5mm。
参照图2，本发明中所述引流槽的形状是矩形、椭圆形、三角形、W形、纺锤形、T形、圆弧形或半圆形；所述引流槽采用变深型槽，槽深沿径向流向逐渐变浅，可为各种型线渐变，优先选择抛物线渐变模式。采用激光打标技术或化学蚀刻技术均可以实现。因此，在零压差或密封介质压力较低时，在一定转速下密封流体也可以克服表面张力的作用，把上游侧密封流体汲入端面，并在端面之间形成具有一定压力的流体薄膜。
参照图3，本发明中所述泵送回流槽3的截面形状是仿飞鸟翼翅形状，流槽的两侧壁21型线是螺旋线、圆弧线、直线。所述泵送回流槽2的槽深沿周向、径向变化，呈直线或抛物线梯级变化或光滑变化，优先选择抛物线光滑变化。采用激光打标技术或化学蚀刻技术均可以实现。所述的泵送回流槽中部槽深为泵送回流槽槽深最大部分，一般为过渡平面。
本发明的工作原理是：机械密封端面间流体膜中的部分流体在压力梯度作用下形成压力流，流向下游内径处，同时润滑端面，形成第I部分泄漏流；流体膜中的大部分流体在密封环转动所形成的剪切力作用下流入泵送回流槽2。下游泵汲槽211的泵汲作用产生了流体动压效应，提高了流体由下游泵汲槽211进入泵送回流槽中部22部位后的压力，这部分流体和泵送回流槽2处来自上游的压差流汇合，其中一部分流体在压差作用下由上游泵送槽212处渗入至端面下游侧，形成第II部分泄漏流；另一部分流体则在端面旋转产生的剪切作用下，依靠上游泵送槽212的上游泵送作用，使压力高出密封流体压力，最终突破上游高压返回上游介质侧，维持了低的总泄漏量。由于本发明的机械密封端面上同时设有下游泵汲槽211和具有回流作用的上游泵送槽212，因此在相同几何结构尺寸条件下，本发明的新型机械密封相比于类似的流体动压型机械密封，在不损失流体动压效应的前提下，可以保持较高的流体膜承载能力与流体膜刚度及润滑冷却效果，减小了密封流体向低压或大气侧的泄漏量及端面摩擦热，提高了密封的运行可靠性，而泄漏率却下降。
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包括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 (9)
1.一种具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，包括机械密封的动环和静环，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，所述端面的下游设有光滑平面的环形密封坝，在所述动环或静环中至少一个密封端面上设有多组流体型槽，所述流体型槽沿端面周向呈周期性排列，其特征在于：所述流体型槽由引流槽与泵送回流槽复合构成，所述引流槽的平均槽深大于所述泵送回流槽的平均槽深；所述引流槽设置在所述端面的上游，且与密封介质相连通；所述泵送回流槽是具有飞鸟翼翅外形结构特征的型槽，槽深呈中间深两边浅的变化规律；所述泵送回流槽由迎流部分的下游泵汲槽和背流部分的上游泵送槽构成，所述下游泵汲槽和上游泵送槽的交界处为泵送回流槽的中部；所述泵送回流槽的中部与所述端面的下游有一间距，所述泵送回流槽的两边末端与所述端面上游有一间距；所述泵送回流槽和引流槽之间的非开槽区域构成密封堰。
2.如权利要求1所述的具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，其特征在于：所述引流槽的槽深为10～30μm，沿径向流向槽深逐渐变浅，斜度为2～10度。
3.如权利要求2所述的具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，其特征在于：所述泵送回流槽沿流动方向的两侧壁型线为螺旋线、圆弧线或直线。
4.如权利要求3所述的具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，其特征在于：所述泵送回流槽的槽深沿周向方向呈中间深、两边浅的渐变，槽深变化范围为1～10μm。
5.如权利要求3所述的具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，其特征在于：所述泵送回流槽的槽深沿径向方向从高压端到低压端发生渐变且逐渐变浅，槽深变化范围为1～10μm。
6.如权利要求3所述的具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，其特征在于：所述泵送回流槽的槽深沿周向方向呈中间深、两边浅的渐变，且沿径向方向从高压端到低压端发生渐变且逐渐变浅，槽深变化范围为1～10μm。
7.如权利要求4-6之一所述的具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，其特征在于：所述泵送回流槽的槽深变化呈直线渐变，槽深变化范围为1～10μm。
8.如权利要求4-6之一所述的具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，其特征在于：所述泵送回流槽的槽深变化呈抛物线渐变，槽深变化范围为1～10μm。
9.如权利要求8所述的具有回流功能的型槽端面非接触式机械密封，其特征在于：所述泵送回流槽的两边末端距离所述端面上游的间距为0.05～0.5mm。
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