CN104165229A - 液体润滑圆环槽端面机械密封结构 - Google Patents

Abstract

一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构，包括由动环和静环构成的密封配对副，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环至少一个端面上从上游到下游依次设置微米级同心圆环密封坝和微米级同心圆环槽，构成同心圆环槽带；所述同心圆环槽带由数个互不相交的同心圆环槽和同心圆环密封坝组成，所述同心圆环槽之间通过同心圆环密封坝隔开；所述同心圆环槽的槽侧壁与相邻同心圆环密封坝的坝平面无导角地相交。本发明可通过圆环槽使气液两相流体产生分离，形成的气、液两相交替环带有效地阻止了密封流体的泄漏，可有效改善端面间的润滑状态，有效控制泄漏，因此延长了机械密封的使用寿命。

Description

液体润滑圆环槽端面机械密封结构

技术领域

本发明属于液体润滑机械端面密封技术领域，适用于潜水泵、各种工业用泵和航空航天液压泵的轴端密封装置，特别适用于黏度较高的液体润滑机械密封。

技术背景

机械密封被广泛应用于石油、石化、化工、航空航天、深海潜水等领域的各类离心泵轴端密封中，一般地，机械密封可分为接触式机械密封和非接触式机械密封。接触式机械密封的摩擦副端面间难以存储液体润滑介质，启动扭矩较大，运行时端面一般处于混合润滑状态，避免不了微凸体之间的接触，润滑效果差，易导致摩擦磨损；同时，由于动、静环端面表面粗糙度的存在，两端面摩擦副不可能达到完全贴合，端面间形成的微凹坑从内径到外径连通起来时将构成泄漏通道，因此导致容易密封流体的泄漏。非接触式机械密封是通过端面摩擦副表面改形技术在端表面上开设螺旋槽、T型槽、树形槽、倾斜微孔等各种型槽和型孔，型槽或型孔在摩擦副端面产生相对运动时，因流体动压效应使摩擦副端面相互脱离并处于非接触状态，端面间由一层非常薄的液膜隔开，因此避免了端面摩擦磨损现象的发生，但是由于两端面是非接触的，泄漏率相对比较大。

同心圆环槽带在法兰密封面上已有广泛应用，但是这主要涉及静密封领域。与法兰密封面上的同心圆环槽带相比，本发明所涉及的同心圆环槽带不仅摩擦副配对及其密封原理上存在本质区别，而且尺度不是一个数量级，并且本发明涉及的是动密封领域，是一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构。为了克服普通机械密封(接触式)和先进机械密封(非接触式)的不足，本发明提供一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构，运行时摩擦副端面之间仅仅产生近接触，既有效避免了端面启动扭矩过大、易于磨损、使用寿命不长的问题，同时也避免了摩擦副端面非接触带来的大泄漏率、型槽或型孔不易对中等问题，完全可以满足上述行业领域中各类离心泵或液压泵，特别是较高黏度液体泵的轴端密封高要求。

发明内容

本发明要克服现有接触式机械密封摩擦磨损严重等问题以及非接触式机械密封技术中存在的泄漏率相对较大等问题，提供一种自密封性能好、润滑效果佳、使用寿命长的机械端面密封结构。

本发明的技术方案是：

一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构，包括由动环和静环构成的密封配对副，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环至少一个端面上从上游到下游交替设置微米级同心圆环密封坝和微米级同心圆环槽，构成同心圆环槽带；所述同心圆环槽带由数个互不相交的同心圆环槽和同心圆环密封坝组成，所述同心圆环槽之间通过同心圆环密封坝隔开；所述同心圆环槽的槽侧壁与相邻同心圆环密封坝的坝平面无导角地相交。

进一步，所述同心圆环槽的个数2≤n≤12；所述同心圆环槽和所述同心圆环密封坝的宽度范围均为5～120μm，优选范围为45～85μm；所述同心圆环槽的深度范围均为2～15μm，优选范围为4～8μm。

进一步，所述同心圆环槽宽度为a，所述同心圆环密封坝宽度为b，b/a＝1～2。

进一步，所述同心圆环槽的横截面几何结构可以是矩形、梯形、V形、U形、抛物线形、半圆形。

进一步，所述同心圆环槽带靠近低压侧。

或进一步，所述同心圆环槽为不连续槽，径向相邻同心圆环槽错位布置。

本发明的工作原理：当机械密封处于工作状态时，密封流体介质从高压侧向低压侧流动，流体中的部分气体从液体中析出并在同心圆环槽区汇聚，液体则由于表面张力的作用依然聚集在非开槽区并自由在表面上滚动，因此在密封端面上形成交替的气相环带和液气混相环带或液相环带，相邻的气相环带和液气混相环带或液相环带之间通过液-气分界面分开，由于相邻环带的气体和液体的压力不一样，气体和液体的分界面因此就承载一个压力降，并有效地阻止密封流体的泄漏。距离上游最远的同心圆环槽具有足够小的压力使得作用在液膜在表面张力足以防止流体从端面间的泄漏，圆环槽侧壁无导角可以起到更好的节流效果。当密封再次运行时，存储在摩擦副端面上沟槽中的流体将起到润滑作用，从而极大地降低端面磨损率，有效延长了机械密封的使用寿命。

本发明的有益效果主要体现在：(1)摩擦副端面上开设圆环槽带，可以有效分离密封介质中的液相成分和气相成分，并在端面间形成压力降，有效阻止介质泄漏，甚至达到零泄漏；(2)摩擦副端面上开设圆环槽带，可以有效存储密封介质，利于泵的频繁启停，减小摩擦，降低磨损，延长机械密封使用寿命；(3)摩擦副端面上开设圆环槽带，其微米级尺寸沟槽所具有的防渗特性可大大降低静置机械密封的端面渗透率，有利于装备开车的安全性和可靠性。

附图说明

图1(a)是本发明的端面结构示意图

图1(b)是本发明的矩形横截面变槽深以及矩形、V形和半圆形等横截面等槽深的横截面结构示意图

图2是本发明的摩擦副端面横截面结构示意图

图3是本发明的错位布置不连续圆环槽横截面结构示意图

具体实施方案

参照图1至图3，一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构，包括由动环3和静环4构成的密封配对摩擦副，所述动环3和静环4的端面1的一侧为高压侧即上游，另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环至少一个端面上从上游到下游交替设置微米级同心圆环槽21和微米级同心圆环密封坝22，构成同心圆环槽带2；所述同心圆环槽带2由数个互不相交的同心圆环槽21和同心圆环密封坝22组成，所述同心圆环槽21之间通过同心圆环密封坝22隔开；所述同心圆环槽的槽侧壁与相邻同心圆环密封坝的坝平面无导角地相交。

进一步，所述同心圆环槽21的个数2≤n≤12；所述同心圆环槽21和所述同心圆环密封坝22的宽度范围均为5～120μm，优选范围为45～85μm；所述同心圆环槽21的深度范围均为2～15μm，优选范围为4～8μm。

进一步，所述同心圆环槽21的宽度为a，所述同心圆环密封坝22的宽度为b，b/a＝1～2。

进一步，所述同心圆环槽21的横截面几何结构可以是矩形、梯形、V形、U形、抛物线形、半圆形。

进一步，所述同心圆环槽带2靠近低压侧。

或进一步，所述同心圆环槽21为不连续槽，径向相邻同心圆环槽错位布置。

采用所述矩形同心圆环槽的端面密封结构和平面端面密封开展15号红油介质静压对比实验，实验条件是：介质压力1MPa，介质温度35℃，密封端面宽度相同且均为2.5～4.5mm，同心环槽数保持3～5条不变，连续30天实验结果表明，前者的泄漏率是后者的1/2～1/5，其中前者圆环槽采用所述优选值时，其泄漏率仅仅是1/3～1/5，端面越宽，环槽数越多，则所述圆环槽端面密封的泄漏率一般呈现下降趋势，但是当环槽宽度小于45μm或超过85μm，环槽深度小于3.5μm或超过8.5μm，其密封效果增效不明显。

本发明可通过圆环槽使气液两相流体产生分离，形成的气、液两相交替环带有效地阻止了密封流体的泄漏，可有效改善端面间的润滑状态，有效控制泄漏，因此延长了机械密封的使用寿命。

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想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构，包括由动环和静环构成的密封配对副，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环至少一个端面上从上游到下游交替设置微米级同心圆环密封坝和微米级同心圆环槽，构成同心圆环槽带；所述同心圆环槽带由数个互不相交的同心圆环槽和同心圆环密封坝组成，所述同心圆环槽之间通过同心圆环密封坝隔开；所述同心圆环槽的槽侧壁与相邻同心圆环密封坝的坝平面无导角地相交。

2.根据权利要求1所述的一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构，其特征在于：所述同心圆环槽的个数2≤n≤12；所述同心圆环槽和所述同心圆环密封坝的宽度范围均为5～120μm；所述同心圆环槽的深度范围均为2～15μm。

3.根据权利要求2所述的一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构，其特征在于：所述同心圆环槽和所述同心圆环密封坝的宽度优选范围为45～85μm；所述同心圆环槽的深度优选范围为4～8μm。

4.根据权利要求3所述的一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构，其特征在于：所述同心圆环槽宽度为a，所述同心圆环密封坝宽度为b，b/a＝1～2。

5.根据权利要求4所述的一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构，其特征在于：所述同心圆环槽的横截面几何结构可以是矩形、梯形、V形、U形、抛物线形、半圆形。

6.根据权利要求4或5所述的一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构，其特征在于：所述同心圆环槽带靠近低压侧。

7.根据权利要求4或5所述的一种液体润滑圆环槽端面机械密封结构，其特征在于：所述同心圆环槽为不连续槽，径向相邻同心圆环槽错位布置。