CN102927287A

CN102927287A - 具有组合流体型槽结构的机械端面密封

Info

Publication number: CN102927287A
Application number: CN2012104487506A
Authority: CN
Inventors: 孙见君; 涂桥安; 胡琼; 陶丹萍; 马晨波; 王衍; 陶凯
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明涉及一种具有组合流体型槽结构的机械端面密封，其动环的密封端面上设有多组流体型槽，沿密封端面周向呈周期性排列；所述流体型槽由大型槽和小型槽组合构成，大型槽设置在所述端面的外径侧，其与密封介质相连通一端为泵汲口，与小型槽相连的另一端为泄漏口；小型槽设置在所述端面的中部，其与大型槽相连通的一端为泵汲口，与密封端面内径处的非开槽区域的密封坝相连的一端为泄漏口；大型槽和小型槽的槽深按密封端面半径由大至小呈收敛型变化，沿周向由槽壁凸面至凹面也呈收敛型变化。该机械端面密封适用于密封端面两侧流体压力、密封流体粘度范围宽泛的工况，具有较大的端面开启力，或者在相同的开启力下具有更小的泄漏率的效果。

Description

具有组合流体型槽结构的机械端面密封

技术领域

本发明属于密封技术领域，特别涉及一种具有组合流体型槽结构的机械端面密封，适用于各种压缩机、离心泵、反应釜搅拌器等旋转机械的旋转轴的密封。

背景技术

流体机械的转轴密封常采用传统机械密封，填料密封，骨架油封，迷宫密封等，但传统机械密封，填料密封，骨架油封等存在的摩擦行为，一方面增加了功耗，另一方面缩短了密封寿命，增加了设备维修的频度；而迷宫密封的泄漏率较大，在高参数透平压缩机中，迷宫密封还是引起转子系统自激振动的主要原因之一。流体动压密封的出现，如螺旋槽等型槽非接触式机械端面密封的使用，较好地解决了转轴密封的摩擦磨损问题。目前，利用流体动力学原理，通过在密封面上开设动压槽而实现密封端面非接触运行的非接触式机械端面密封已广泛应用于石油、化工、化纤、造纸、电力利冶金行业的离心式压缩机、风机、离心泵等设备上。当然，螺旋槽等型槽非接触式机械端面密封正常运行时，端面型槽产生流体动压形成端面开启力，减小了密封端面的磨损，同时也增大了泄漏率。美国专利5,201,531公开的一种流体动压型双列螺旋槽端面密封装置有效地调和了这一矛盾。在给定的旋向下，这种密封装置利用上游一列螺旋槽将密封流体向下游泵送，下游一列螺旋槽则将密封流体向上游泵送，并通过这两列螺旋槽所产生的泵汲压差与密封端面内外两侧流体压差相平衡，从而实现螺旋槽端面密封的零泄漏。但是，这类密封要求有较宽的密封端面，而且仅适用于密封端面两侧流体的压差较小，密封流体的粘度较高的工况。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于密封端面两侧流体压力、密封流体粘度范围宽泛的具有组合流体型槽结构的机械端面密封，以解决现在普遍使用的单列螺旋槽端面密封件端面开启力小、泄漏率大，双列螺旋槽端面密封件的密封端面宽、安装空间大的问题，获得在相同的条件下比上述的密封具有更大的端面开启力，或者在相同的开启力下具有更小的泄漏率的效果。

本发明的技术方案是：

一种具有组合流体型槽结构的机械端面密封，设置于旋转机械的机壳和轴之间，机壳支承着静环，静环的背面与机壳间设置有弹簧，在弹簧的作用下，静环密封端面与一个套装于轴上且可以随轴一起转动的动环的密封端面紧贴，在所述的动环的密封端面上设有多组流体型槽，所述的流体型槽沿密封端面周向呈周期性排列，所述的流体型槽之间的非开槽区域构成密封堰，所述密封端面内径处的非开槽区域构成密封坝；所述流体型槽由大型槽和小型槽组合构成，所述的大型槽设置在所述端面的外径侧，其与密封介质相连通一端为泵汲口，与小型槽相连的另一端为泄漏口；所述的小型槽设置在所述端面的中部，其与大型槽相连通的一端为泵汲口，与密封端面内径处的非开槽区域的密封坝相连的一端为泄漏口；所述的大型槽和小型槽的槽深按密封端面半径由大至小呈收敛型变化，沿周向由槽壁凸面至凹面也呈收敛型变化。

所述的大型槽和小型槽的两侧的槽壁型线均为螺旋线。

所述的小型槽的槽壁凹面型线连接在大型槽的凹面型线上，小型槽的泵汲口连接于大型槽的泄漏口。

所述的大型槽和小型槽的槽深按密封面半径由大至小呈线性收敛型变化，大型槽和小型槽的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈线性收敛型变化。

所述的流体型槽的槽数n：10≤n≤40，槽的螺旋角α：12°≤α≤25°，槽底沿径向的直线收敛斜面或阶梯收敛斜面与端面的夹角β_r：0.02°≤β_r≤0.1°，槽底沿周向的线性收敛斜面与端面的夹角β_θ：0.02°≤β_θ≤0.1°，大型槽与小型槽的径向长度比L₁/L₂：2≤L₁/L₂≤4，流体型槽的径向长度与密封端面宽度比L/W：0.6≤L/W≤0.8，大型槽和小型槽的泵汲口宽度与各自型槽的堰宽比B/C：0.8≤B₁/C₁≤1.2、0.2≤B₂/C₂≤0.4。

所述的大型槽的槽深按密封端面由外侧至内侧呈3-4个阶梯等差递减收敛型变化，小型槽为1个阶梯，其槽深比大型槽的最小槽深浅1个公差；所述的大型槽和小型槽的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈线性收敛型变化。

本发明的工作原理是：沿径向和周向呈收敛斜面的流体型槽，在密封端面旋转时，从大型槽外侧的泵汲口泵入流体，在槽底直线收敛斜面或阶梯收敛斜面的作用下，产生流体动压和开启力，并获得较大的流体膜刚度，形成一定的抗干扰能力和运行稳定性；大型槽内侧连接的小型槽，其深度和槽宽比大型槽的均小，进一步加大了流体膜的承载力，减小了泄漏率，密封端面上的密封坝起到停车密封和阻滞流体泄漏的作用。

针对不同的泵送介质、泵的操作条件和密封辅助系统操作参数，通过优化设计流体型槽的槽数、槽的螺旋角、槽底的线性收敛斜面或阶梯收敛斜面与端面的夹角、大型槽与小型槽的径向长度比、流体型槽的径向长度与密封端面宽度比、大型槽和小型槽的泵汲口宽度与各自型槽的堰宽比等参数，可以满足不同场合下对密封性能的使用要求。

本发明的有益效果

本发明所述的具有组合流体型槽结构的机械端面密封，其流体动压槽由大槽和小槽组成，槽深按密封面半径由大至小、沿周向由槽壁凸面至凹面呈收敛型变化，密封流体在泵入流体动压槽时压力逐渐增大，故在其性能上表现为以下几个优点：①流体膜刚度大，承载能力强，适用于密封端面两侧流体的压差范围较大，密封流体的粘度范围较宽的工况；②泄漏率小。其泄漏率与接触式机械密封相当，为一般螺旋槽端面密封的85％；③功率消耗小。其功耗略高于一般螺旋槽端面密封，但仅为接触式机械密封的5％左右；④由于流体动压槽周向长度较长，流体膜压更加均匀，运行稳定可靠，不仅适用于高速运行，也适用于低速运行；⑤采用单列槽，密封面宽度比上述双列槽密封面窄。

附图说明

图1为一种具有组合流体型槽结构的机械端面密封示意图。

图2为一种具有组合流体型槽结构的动环密封端面示意图。

图3为图2的组合流体型槽用平行于槽壁的螺旋面截取的槽深截面图。

图4为图2的组合流体型槽用不同半径的圆柱面截取的槽深截面图。

图5为图2所述的具有组合流体型槽结构的动环三维图。

图6为另一种具有组合流体型槽结构的动环密封端面示意图。

图7为图6的组合流体型槽用平行于槽壁的螺旋面截取的槽深截面图。

图8为图6的组合流体型槽用不同半径的圆柱面截取的槽深截面图。

图9为图6所述的具有组合流体型槽结构的动环三维图。

其中，

R0——动环和静环之间相互贴合的密封端面的内半径；

R1——小型槽4-5的内半径；

R2——小型槽4-5的外半径，大型槽4-4的内半径；

R3——动环和静环之间相互贴合的密封端面的外半径；

Rb——平衡半径；

G——流体型槽4-2的泵汲方向；

α——螺旋角；

w——端面开设有流体型槽4-2的动环的旋向；

B₁/C₁——大型槽的泵汲口宽度与其型槽的堰宽比；

B₂/C₂——小型槽的泵汲口宽度与其型槽的堰宽比；

β_θ——槽底沿周向的线性收敛斜面与端面的夹角；

β_r——槽底沿径向的直线收敛斜面或阶梯收敛斜面与端面的夹角；

L/W——流体型槽的径向长度与密封端面宽度比，L＝R3-R1，W＝R3-R0；

1-轴；2-机壳；3-静环；4-动环；4-1-密封坝；4-2-流体型槽；4-3-密封堰；4-4-大型槽；4-5-小型槽；4-6-大型槽的泵汲口；4-7-大型槽的槽壁凸面；4-8-大型槽的槽壁凹面；4-9-大型槽的泄漏口；4-10-小型槽的泵汲口；4-11-小型槽的槽壁凹面；4-12-小型槽的泄漏口；4-13-大型槽的槽壁凸面；5-弹簧；6-轴套。

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。

实施例一

图1为一种具有组合流体型槽结构的机械端面密封，设置于旋转机械的机壳2和轴1之间，机壳2支承着静环3，静环3的背面与机壳2间设置有弹簧5，在弹簧5的作用下，静环5的密封端面与一个套装于轴1上且可以随轴1一起转动的动环4的密封端面紧贴，在所述动环4的密封端面上设有多组流体型槽4-2，所述流体型槽4-2沿密封端面周向呈周期性排列，所述流体型槽4-2之间的非开槽区域构成密封堰4-3，所述密封端面内径处的非开槽区域构成密封坝4-1；所述流体型槽4-2由大型槽4-4和小型槽4-5组合构成，所述大型槽4-4设置在所述端面的外径侧，其与密封介质相连通一端为泵汲口4-6，与小型槽4-5相连的另一端为泄漏口4-9；所述小型槽4-5设置在所述端面的中部，其与大型槽4-4相连通的一端为泵汲口4-10，与密封端面内径处的非开槽区域的密封坝相连的一端为泄漏口4-12；所述大型槽4-4和小型槽4-5的槽深按密封端面半径由大至小呈收敛型变化，沿周向由槽壁凸面至凹面也呈收敛型变化。

所述的大型槽4-4和小型槽4-5的两侧的槽壁型线均为螺旋线。

所述的小型槽的槽壁凹面4-11型线连接在大型槽的槽壁凹面4-8型线上，小型槽的泵汲口4-10连接于大型槽的泄漏口4-9。

所述的大型槽4-4和小型槽4-5的槽深按密封面半径由大至小呈线性收敛型变化，大型槽4-4和小型槽4-5的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈线性收敛型变化。

图2、图3和图4表达了具有组合流体型槽结构的动环的形态。本实施例中，流体型槽的槽数n＝12，槽的螺旋角α＝15.5°，槽底沿径向的直线收敛斜面与端面的夹角β_r＝0.04°，槽底沿周向的线性收敛斜面与端面的夹角β_θ＝0.04°，大型槽4-4与小型槽4-54-2的径向长度比L₁/L₂＝3，流体型槽的径向长度与密封端面宽度比L/W＝0.7，大型槽4-4和小型槽4-5的泵汲口宽度与各自型槽的堰宽比B/C：B₁/C₁＝1.0、B₂/C₂＝0.33，其动环的三维图如图5所示。

沿径向和周向呈收敛斜面的流体型槽4-2，在密封端面以w方向旋转时，从大型槽4-4外侧的泵汲口泵入流体(如图1中G方向)，在槽底直线收敛斜面或阶梯收敛斜面的作用下，产生流体动压和开启力，并获得较大的流体膜刚度，形成一定的抗干扰能力和运行稳定性；大型槽4-4内侧连接的小型槽4-5，其深度和槽宽比大型槽的均小，进一步加大了流体膜的承载力，减小了泄漏率，密封端面上的密封坝起到停车密封和阻滞流体泄漏的作用。

针对不同的泵送介质、泵的操作条件和密封辅助系统操作参数，通过优化设计流体型槽的槽数、槽的螺旋角、槽底的线性收敛斜面或阶梯收敛斜面与端面的夹角、大型槽4-4与小型槽4-5的径向长度比、流体型槽的径向长度与密封端面宽度比、大型槽4-4和小型槽4-5的泵汲口宽度与各自型槽的堰宽比等参数，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6、图7及图8，本实施例与实施例一的不同之处是所述流体型槽的大型槽4-4的槽深按密封端面由外侧至内侧呈3个阶梯等差递减收敛型变化，小型槽4-5为1个阶梯，其槽深比大型槽4-4的最小槽深浅1个公差；槽底沿径向的阶梯收敛斜面与端面的夹角β_r＝0.04°；流体型槽的大型槽4-4和小型槽4-5的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈线性收敛型变化，槽底沿周向的线性收敛斜面与端面的夹角β_θ＝0.04°，其动环的三维图如图9所示。其余结构及实施方式与实施例一相同。

Claims

1.一种具有组合流体型槽结构的机械端面密封，设置于旋转机械的机壳(2)和轴(1)之间，机壳(2)支承着静环(3)，静环(3)的背面与机壳(2)间设置有弹簧(5)，在弹簧(5)的作用下，静环(3)密封端面与一个套装于轴(1)上且可以随轴(1)一起转动的动环(4)的密封端面紧贴，在所述的动环(4)的密封端面上设有多组流体型槽(4-2)，所述的流体型槽(4-2)沿密封端面周向呈周期性排列，所述的流体型槽(4-2)之间的非开槽区域构成密封堰(4-3)，所述的密封端面内径处的非开槽区域构成密封坝(4-1)；其特征在于：所述流体型槽(4-2)由大型槽(4-4)和小型槽(4-5)组合构成，所述的大型槽(4-4)设置在所述端面的外径侧，其与密封介质相连通一端为泵汲口(4-6)，与小型槽(4-5)相连的另一端为泄漏口(4-9)；所述的小型槽(4-5)设置在所述端面的中部，其与大型槽(4-4)相连通的一端为泵汲口(4-10)，与密封端面内径处的非开槽区域的密封坝(4-1)相连的一端为泄漏口(4-12)；所述的大型槽(4-4)和小型槽(4-5)的槽深按密封端面半径由大至小呈收敛型变化，沿周向由槽壁凸面至凹面也呈收敛型变化。

2.如权利要求1所述的具有组合流体型槽结构的机械端面密封，其特征在于：所述的大型槽(4-4)和小型槽(4-5)的两侧的槽壁型线均为螺旋线。

3.如权利要求2所述的具有组合流体型槽结构的机械端面密封，其特征在于：所述的小型槽的槽壁凹面(4-11)型线连接在大型槽的槽壁凹面(4-8)型线上，小型槽的泵汲口(4-10)连接于大型槽的泄漏口(4-9)。

4.如权利要求3所述的具有组合流体型槽结构的机械端面密封，其特征在于：所述的大型槽(4-4)和小型槽(4-5)的槽深按密封面半径由大至小呈线性收敛型变化，大型槽(4-4)和小型槽(4-5)的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈线性收敛型变化。

5.如权利要求3所述的具有组合流体型槽结构的机械端面密封，其特征在于：所述的流体型槽的槽数n：10≤n≤40，槽的螺旋角α：12°≤α≤25°，槽底沿径向的直线收敛斜面或阶梯收敛斜面与端面的夹角β_r：0.02°≤β_r≤0.1°，槽底沿周向的线性收敛斜面与端面的夹角β_θ：0.02°≤β_θ≤0.1°，大型槽(4-4)与小型槽(4-5)的径向长度比L₁/L₂：2≤L₁/L₂≤4，流体型槽的径向长度与密封端面宽度比L/W：0.6≤L/W≤0.8，大型槽(4-4)与小型槽(4-5)的泵汲口宽度与各自型槽的堰宽比B/L：0.8≤B₁/L₁≤1.2、0.2≤B₂/L₂≤0.4。

6.如权利要求3所述的具有组合流体型槽结构的机械端面密封，其特征在于：所述的大型槽(4-4)的槽深按密封端面由外侧至内侧呈3-4个阶梯等差递减收敛型变化，小型槽(4-5)为1个阶梯，其槽深比大型槽(4-4)的最小槽深浅1个公差；所述的大型槽(4-4)和小型槽(4-5)的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈线性收敛型变化。