CN103104707A

CN103104707A - 似蘑菇型槽双向旋转流体动压型机械密封结构

Info

Publication number: CN103104707A
Application number: CN2013100410425A
Authority: CN
Inventors: 彭旭东; 佘宝瑛; 孟祥铠; 李纪云; 王玉明
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: CN103104707B

Abstract

似蘑菇型槽双向旋转流体动压型机械密封结构，它包括机械密封的两个密封环，即动环和静环，所述动环或静环中至少有一个密封环的密封端面上周向均布有多个用于液体密封的似蘑菇型槽，所述的似蘑菇型槽由引流槽和回流槽两部分组成；所述的引流槽呈径向延伸，且沿端面径向由上游即高压侧至下游即低压侧方向宽度逐渐变窄；所述的回流槽呈周向和径向双向延伸，回流槽的形状是圆弧或椭圆弧或曲线弧或直线；所述的引流槽末端连接回流槽，所述的似蘑菇型槽之间未开槽区域是密封堰，所述端面上周向未开槽区域形成的环带是密封坝。

Description

似蘑菇型槽双向旋转流体动压型机械密封结构

技术领域：

本发明所涉及的是旋转机械的轴端端面密封装置，适用于各种压缩机、泵和搅拌釜等旋转机械转轴的轴端密封装置，属于机械端面密封技术领域。

背景技术：

目前，流体机械的转轴密封经常采用机械密封。而接触式机械密封启动时，端面间缺少流体润滑而导致摩擦热上升并伴随产生磨损、变形甚至热裂，因此密封寿命较短。虽然非接触式密封可以克服接触式密封这种缺点，但是现在几乎所有的非接触式机械密封在降低端面磨损的同时会增加密封间隙的泄漏量，螺旋槽等型槽端面非接触式机械密封正常运行时，端面型槽产生流体动压而使端面开启力增大，流体膜厚增加导致泄漏率升高，而较大的泄漏量在一些特殊场合，如：有毒介质、易燃易爆介质等工况下会成为限制其应用的决定性因素，同时非接触式机械密封也难以适用于一些易汽化的苛刻工况。与此同时，介质中的硬质磨料也容易在槽根部积聚且对端面产生磨损，导致密封失效。虽然国内外研究的在密封环内径处开设上游泵送型槽结构，且大多数为螺旋槽结构，上游泵送槽可以在一定程度上减小泄漏量，但在内径处开设上游泵送螺旋槽也带来如下一些问题，首先：螺旋线型密封端面只能够单向旋转；其次：上游泵送机械密封需要辅助密封系统提供下游的低压缓冲流体，结构比较复杂，成本也较高；再次，内径开槽的上游泵送机械密封在工作条件下，很容易把低压缓冲液中的固体颗粒吸入密封端面之间而不能及时排出，使密封摩擦副端面之间产生磨粒磨损，极有可能导致密封早期失效。因此在增强端面动压开启特性、减小端面摩擦磨损和增强密封端面润滑的同时如何减小泄漏量成为机械密封中的一个关键问题。

发明内容：

本发明要克服非接触式机械密封在高参数条件下泄漏量较大，密封端面间润滑效果差和耐磨性能差，端面温升高的缺点，提供一种端面流体动压开启效果好、泄漏量小、耐磨性能好、端面温升低的似蘑菇型槽端面机械密封。

本发明的技术方案是：

似蘑菇型槽双向旋转流体动压型机械密封结构，它包括机械密封的两个密封密封环，即动环和静环，其特征在于：所述动环或静环中至少有一个密封环的密封端面上周向均布有多个用于液体密封的似蘑菇型槽，所述的似蘑菇型槽由引流槽和回流槽两部分组成；所述的引流槽呈径向延伸，且沿端面径向由上游即高压侧至下游即低压侧方向宽度逐渐变窄；所述的回流槽呈周向和径向双向延伸，回流槽的形状是圆弧或椭圆弧或曲线弧或直线。所述的引流槽末端连接回流槽，所述的似蘑菇型槽之间未开槽区域是密封堰，所述端面上周向未开槽区域形成的环带是密封坝。

进一步：所述引流槽的深度为1-100μm，最佳为3-20μm，两个侧壁是由两条不平行的射线构成，且靠近高压侧的引流槽宽度大于或等于靠近下游侧的引流槽宽度。

进一步：所述回流槽径向长度L₂与周向宽度W₂之比L₂/W₂：1/6≤L₂/W₂≤1/2；所述回流槽与端面上游侧的最小径向距离L₃=0.5mm，所述回流槽与端面下游侧的最大径向距离L₄=5.5mm，所述回流槽的深度h₅：2μm≤h₅≤100μm，最佳为3-20μm。

进一步：所述引流槽沿径向变深，深度沿端面径向由上游至下游方向逐渐变浅。引流槽的基础底面深度h₁：1μm≤h₁≤10μm；变深台阶高度h₂：1μm≤h₂≤10μm；变深台阶数n₀：0≤n₀≤10；所述引流槽变深台阶的长宽比γ₁：1≤γ₁≤5；所述引流槽的径向长度L₁与密封端面宽度W₁之比L₁/W₁：1/5≤L₁/W₁≤1/2。

进一步：所述引流槽沿径向变深，深度排布是沿径向直线收敛变深，引流槽的基础底面深度h₃：1μm≤h₃≤10μm；引流槽在高压侧开口处的深度h₄：1μm≤h₄≤100μm，最佳为3-20μm。

进一步：所述回流槽沿周向和径向方向变深，其趋势是两端浅中间深、下游浅上游深，且变深的台阶大小逐渐变小。所述回流槽的基础底面深度h₆：0.5μm≤h₆≤10μm；所述回流槽变深台阶数n₁：0≤n₁≤∞；变深台阶高度h₇：1μm≤h₇≤10μm；所述回流槽的深度h₈：2μm≤h₈≤100μm，最佳为3-20μm；所述回流槽变深台阶的长宽比γ₂：1≤γ₂≤5。

进一步：所述回流槽沿周向和径向方向变深，其趋势是两端浅中间深、下游浅上游深，且沿周向和径向方向呈直线收敛形式的变深；所述回流槽的基础底面深度h₉：0.5μm≤h₉≤10μm；所述回流槽深度h₁₀：2μm≤h₁₀≤100μm，最佳为3-20μm。

进一步：所述分布在引流槽两旁的回流槽可以成对称相等阶梯收敛变深或直线收敛变深，也可以成不相等的阶梯收敛变深或直线收敛变深。

进一步：相邻的所述引流槽可以在其中间增加一个密封堰，从而使蘑菇型槽呈周向分离状态。

进一步：所述引流槽两侧可以对称分布多个回流槽。

本发明的工作原理：

为了使密封环满足双向旋转的要求，回流槽对称分布在引流槽的两侧。轴在旋转情况下通过引流槽的引流作用，把密封腔中的液体泵入引流槽内，并在此处产生强大稳定的流体动压，形成的液膜将密封端面分开，提高润滑效果的同时减少了端面磨损，然后通过独特的回流槽结构将密封间隙中从高压侧泄漏到低压侧的流体介质又泵送回密封腔中，从而大大减少了泄漏到密封腔外的流体。与此同时，通过端面间隙中液体的循环流动作用减少了端面间的温升，提高了密封性能，且也可以使端面摩擦副之间产生的磨粒及时排出密封端面，从而可以避免端面的摩擦磨损。

本发明的优点和有益效果：

蘑菇型槽端面密封可以在高粘度与低粘度的油、挥发性碳氢化合物、液化天然气等润滑效果差的液体介质中工作。与传统的的机械密封相比，它主要具有如下几点好处：1）该蘑菇型槽结构中通过把引流槽和回流槽结合起来，通过引流槽的引流作用，可以把密封腔中的液体引入到引流槽内，并在此处产生强大稳定的流体动压效果，形成的液膜将密封端面分开，提高润滑效果的同时减少了端面磨损，独特的回流槽结构将密封间隙中从高压侧泄漏到低压侧的流体介质又泵送回密封腔中，从而大大减少了泄漏到密封腔外的流体，起到了很好保护环境的作用；与此同时，通过端面间隙中液体的循环流动作用可以把端面摩擦产生的热量及时带走，从而减少了端面间的温升，提高了密封性能；且也可以使端面摩擦副之间产生的磨粒及时排出密封端面，从而可以避免端面的摩擦磨损。2）沿径向设置了不同深度的引流槽，从上游到下游方向深度逐渐变浅，且引流槽沿径向方向最近收敛。故与一般径向槽相比不仅具有更强的下游泵吸能力，还且能够产生更大的流体动静压效应。同时沿径向和周向变深的回流槽不仅具有产生强流体动压效应的能力，而且还具有强回流作用，因此在相同条件下比一般形式的槽型具有更强的流体膜承载能力，更大的流体膜刚度，同时磨损率很低，泄漏量低，并且可以实现理论上的零泄漏和零磨损。3）超出了传统材料的限制，允许密封端面在更高的性能要求和工况条件下可靠地工作；允许密封操作贴近介质蒸汽压力，而不需要额外的冷却系统，费用低，增加了经济效益；4）该蘑菇型槽密封端面结构具有双向旋转功能，能够防止工人操作上的失误，降低事故的发生。

附图说明：

图1是本发明的似蘑菇型槽端面结构示意图。

图2是本发明的似蘑菇型槽端面双向旋转型线演化结构示意图。

图3是本发明似蘑菇型槽典型端面结构示意图。

图4是本发明沿着附图3中A-A线所取的引流槽沿径向方向的阶梯变深示意图。

图5是本发明沿着附图3中B-B线所取的回流槽沿圆周方向的阶梯变深示意图。

图6是本发明沿着附图3中A-A线所取的引流槽沿径向方向的收敛变深示意图。

图7是本发明沿着附图3中B-B线所取的回流槽沿圆周方向的收敛变深示意图。

图8是本发明周向分离似蘑菇型槽结构示意图。

图9是本发明似蘑菇型槽端面径向增加引流槽个数的结构示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施进一步详述：

实施例一

参照图1、图2，似蘑菇型槽双向旋转流体动压型机械密封结构，它包括机械密封的动环、静环。所述动环或静环中至少有一个密封环的密封端面上周向均布有多个用于液体密封的似蘑菇型槽1，所述似蘑菇型槽1的特征是由引流槽2和回流槽3两部分组成。所述的引流槽2呈径向延伸，且沿端面径向由上游即高压侧至下游即低压侧方向宽度逐渐变窄；所述的回流槽3呈周向和径向双向延伸，回流槽3的形状是圆弧或椭圆弧或曲线弧或直线。所述的引流槽2末端连接回流槽3，所述的似蘑菇型槽之间未开槽区域是密封坝4。

所述引流槽2的深度为1-100μm，最佳为3-20μm，两个侧壁是由两条射线构成，两条射线不平行，且靠近高压侧的引流槽宽度大于或等于靠近下游侧的引流槽宽度。

所述回流槽3径向长度L₂与周向宽度W₂之比L₂/W₂：1/6≤L₂/W₂≤1/2；所述回流槽3与端面上游侧的最小径向距离L₃=0.5mm，所述回流槽3与端面下游侧的最大径向距离L₄=5.5mm，所述回流槽3的深度h₅：2μm≤h₅≤100μm，最佳为3-20μm。

实施例二

参照图3、图4、图5、图6、图7，本实例与实例一不同之处是所述引流槽2沿径向变深，深度沿端面径向由上游至下游方向逐渐变浅。引流槽2的基础底面深度h₁：1μm≤h₁≤10μm；变深台阶高度h₂：1μm≤h₂≤10μm；变深台阶数n₀：0≤n₀≤10；所述引流槽2变深台阶的长宽比γ₁：1≤γ₁≤5；所述引流槽2的径向长度L₁与密封端面宽度W₁之比L₁/W₁：1/5≤L₁/W₁≤1/2。

所述引流槽2沿径向变深，深度排布是沿径向直线收敛变深，引流槽2的基础底面深度h₃：1μm≤h₃≤10μm；引流槽2在高压侧开口处的深度h₄：1μm≤h₄≤100μm，最佳为3-20μm。

所述回流槽3沿周向和径向方向变深，且变深的台阶大小逐渐变小。所述回流槽的基础底面深度h₆：0.5μm≤h₆≤10μm；所述回流槽变深台阶数n₁：0≤n₁≤∞；变深台阶高度h₇：1μm≤h₇≤10μm；所述回流槽3的深度h₈：2μm≤h₈≤100μm，最佳为3-20μm；所述回流槽3变深台阶的长宽比γ₂：1≤γ₂≤5。

所述回流槽3沿周向和径向方向变深，且沿周向和径向方向呈直线收敛形式的变深；所述回流槽3的基础底面深度h₉：0.5μm≤h₉≤10μm；所述回流槽3深度h₁₀：2μm≤h₁₀≤100μm，最佳为3-20μm。

所述分布在引流槽2两旁的回流槽3可以成对称相等阶梯收敛变深或直线收敛变深，也可以成不相等的阶梯收敛变深或直线收敛变深。

其余结构与实施方案跟实例一相同。

实施例三

参照图8，本实施例与实施例一、实施例二不同之处在于在相邻的似蘑菇型槽中部增加了密封堰，从而使似蘑菇型槽从周向分离状态，同样也可以适用于双向旋转。其余结构和实施方案与实施例一、实施例二相同。

实施例四

参照图9，本实施例与实施一、实施例二不同之处是在似蘑菇型槽的引流槽两侧增加了一个回流槽，靠近高压侧的回流槽其主要回流作用，靠近低压侧的回流槽可对流失的流体进行二次上游泵送回流，从而可以进一步减小泄漏量，乃至失效零泄漏。其余结构和实施方案与实施例一、实施例二相同。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对本发明构思的实现形式的举例，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

1.似蘑菇型槽双向旋转流体动压型机械密封结构，它包括机械密封的两个密封环，即动环和静环，其特征在于：所述动环或静环中至少有一个密封环的密封端面上周向均布有多个用于液体密封的似蘑菇型槽，所述的似蘑菇型槽由引流槽和回流槽两部分组成；所述的引流槽呈径向延伸，且沿端面径向由上游即高压侧至下游即低压侧方向宽度逐渐变窄；所述的回流槽呈周向和径向双向延伸，回流槽的形状是圆弧或椭圆弧或曲线弧或直线；所述的引流槽末端连接回流槽，所述的似蘑菇型槽之间未开槽区域是密封堰，所述端面上周向未开槽区域形成的环带是密封坝。

2.如权利要求1所述的密封结构，其特征在于：所述引流槽的深度为1-100μm，最佳为3-20μm，两个侧壁是由两条不平行的射线构成，且靠近高压侧的引流槽宽度大于或等于靠近下游侧的引流槽宽度。

3.如权利要求2所述的密封结构，其特征在于：所述回流槽径向长度L₂与周向宽度W₂之比L₂/W₂：1/6≤L₂/W₂≤1/2；所述回流槽与端面上游侧的最小径向距离L₃=0.5mm，所述回流槽与端面下游侧的最大径向距离L₄=5.5mm，所述回流槽的深度h₅：2μm≤h₅≤100μm，最佳为3-20μm。

4.如权利要求3所述的密封结构，其特征在于：所述引流槽沿径向变深，深度沿端面径向由上游至下游方向逐渐变浅；引流槽的基础底面深度h₁：1μm≤h₁≤10μm；变深台阶高度h₂：1μm≤h₂≤10μm；变深台阶数n₀：0≤n₀≤10；所述引流槽变深台阶的长宽比γ₁：1≤γ₁≤5；所述引流槽的径向长度L₁与密封端面宽度W₁之比L₁/W₁：1/5≤L₁/W₁≤1/2。

5.如权利要求4所述的密封结构，其特征在于：所述引流槽沿径向变深，深度排布是沿径向直线收敛变深，引流槽的基础底面深度h₃：1μm≤h₃≤10μm；引流槽在高压侧开口处的深度h₄：1μm≤h₄≤100μm，最佳为3-20μm。

6.如权利要求5所述的密封结构，其特征在于：所述回流槽沿周向和沿径向方向变深，其趋势是两端浅中间深、下游浅上游深，且变深的台阶大小逐渐变小；所述回流槽的基础底面深度h₆：0.5μm≤h₆≤10μm；所述回流槽变深台阶数n₁：0≤n₁≤∞；变深台阶高度h₇：1μm≤h₇≤10μm；所述回流槽的深度h₈：2μm≤h₈≤100μm，最佳为3-20μm；所述回流槽变深台阶的长宽比γ₂：1≤γ₂≤5。

7.如权利要求6所述的密封结构，其特征在于：所述回流槽沿周向和径向方向变深，其趋势是两端浅中间深、下游浅上游深，且沿周向和径向方向呈直线收敛形式的变深；所述回流槽的基础底面深度h₉：0.5μm≤h₉≤10μm；所述回流槽深度h₁₀：2μm≤h₁₀≤100μm，最佳为3-20μm。

8.如权利要求7所述的密封结构，其特征在于：所述分布在引流槽两旁的回流槽可以成对称相等阶梯收敛变深或直线收敛变深，也可以成不相等的阶梯收敛变深或直线收敛变深。

9.如权利要求8所述的密封结构，其特征在于：相邻的所述引流槽可以在其中间增加一个密封堰，从而使蘑菇槽呈周向分离状态。

10.如权利要求9所述的密封结构，其特征在于：所述引流槽两侧可以对称分布多个回流槽。