CN104930193A - 一种密封环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封环，用于接触式机械密封或非接触式机械密封，其特征是：在密封环的密封端面上设有底面为曲面的浅槽，所述的曲面是由一圆周在三维空间按运动规律运动时由运动轨迹所形成的光滑连续曲面的一部分，曲面槽具有从高压测向低压测逐渐变浅和变窄的三维收敛形状，具有更强的收敛特性，与普通的密封端面设有浅槽的密封环相比，工作时在密封端面间形成的流体薄膜的厚度或刚度更大，稳定性和靠性更高，寿命更长，曲面槽可以使用磨削方法精确成形，加工精度高。

Description

一种密封环

技术领域

本发明属于机械密封的密封环领域，涉及一种在密封端面设有浅槽的密封环，特别涉及一种在密封端面设有槽底为曲面的浅槽的密封环，适用于各种形式的接触式机械密封和非接触式机械密封。

背景技术

机械密封广泛应用于泵、压缩机、反应釜、搅拌器、离心机和过滤机等传输或处理各种流体的旋转设备。在机械密封中，动密封环（亦称动环）随轴一起旋转，并和静密封环（亦称静环）紧密贴合组成主密封，以防止密封介质泄漏。机械密封的使用性能主要取决于两密封环的密封端面之间的摩擦状态，主要磨损部分也发生在密封端面，因此动环和静环是机械密封的核心部件。机械密封一般分为接触式机械密封和非接触式机械密封两种。在接触式机械密封中，互相贴合的两个密封环的密封端面一般被设计和制造得尽可能平整，以便使两个密封端面紧密贴合时间隙尽可能小从而减小泄露。然而，接触式机械密封主要在混合摩擦和边界摩擦状态下工作，两个密封端面一般处于接触状态，磨损、功耗和发热量都比较大，寿命较短，在高速、高压下使用受到限制。

通过在密封环平端面开设浅槽可以增强密封端面的润滑，降低端面上的摩擦和磨损，减小摩擦热，提高密封的稳定性和寿命。目前在端面开设浅槽的机械密封已经发展成为一种典型的非接触式机械密封。这种非接触式机械密封是在其中一个密封环的平端面开设一系列的深度为微米级的浅槽，如螺旋槽、圆弧槽、叶形槽、T形槽、Y形槽、L形槽、直槽以及各种异形槽等，在运转时，由于浅槽的动压效应，将进入该槽的密封流体的压力升高，该压力作用在相互贴合的动、静环密封端面上，将这两个面推开而不接触，并在之间形成连续、稳定的密封流体的薄膜，实现非接触密封。

浅槽一般在碳化钨、碳化硅、氮化硅等硬质密封环的密封端面上开设，高精度加工比较困难，但是其几何形状对流体薄膜的厚度、刚度、承载能力和稳定性影响较大，良好的浅槽几何形状设计及高精度加工是机械密封的核心技术。

公知的在密封端面设有浅槽的密封环，还存在不足。

例如，目前的浅槽在其收敛区域一般采用陡立的槽壁结构，即从坝区和堰区所在的平面以直角立面的形式直接达到槽底，导致液膜厚度在陡立槽壁处阶跃性突变，密封介质被突然压缩，而不是被渐进压缩，因而流体动压效应受到削弱，影响密封运行的稳定性和可靠性。

例如，普通的平底等深螺旋槽、圆弧槽、叶形槽、T形槽、Y形槽、L形槽以及各种异形槽，由于槽深相等，属于二维收敛型浅槽，流体动压效应不强，所以在一定工况下，流体膜厚度不足，或者在一定流体膜厚度下流体膜的刚度不足，造成密封性能的不稳定。

通过在密封环的密封端面开设三维收敛型浅槽来增强端面流体的动压效应，进而增大端面流体薄膜的承载能力和流体膜薄刚度，从而提升密封运行稳定性和可靠性并延长使用寿命，是机械密封的主要研究方向之一。

例如，公开号CN1415877A的中国专利文献公开了一种双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，其密封环的密封端面上开设的螺旋浅槽的槽深从高压测到低压测逐渐变浅；公开号CN101985981A的中国专利文献公开了一种槽底为斜平面的斜直线槽机械密封环；公开号US5722665A的美国专利文献公开了一种由两级平底台阶或斜底台阶构成的动压槽；公开号CN102927282A的中国专利文献公开了一种沿径向次第变深的多级平底台阶构成的螺旋槽机械密封端面；公开号CN101469771A的中国专利文献公开了一种可双向旋转的阶梯圆弧槽机械密封端面。这些三维收敛型浅槽一般具有结构精细而精度高，粗糙度要求严格的特点，可加工性一般较差，有的很难加工出来，有的甚至无法直接加工出来，现多采用高能激光束分层加工来近似成形，在加工精度和表面粗糙度等方面存在不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种在密封端面设有曲面槽的密封环，密封端面外径侧为高压测，即上游侧，内径侧为低压测，即下游侧，曲面槽具有从高压测向低压测逐渐变浅和变窄的三维收敛外形，因而在工作时具有更强的收敛特性，与现有密封端面设有浅槽的密封环相比，在相同的条件下形成的流体薄膜的厚度或刚度更大，稳定性和靠性更高，寿命更长，可以使用磨削方法精确成形，加工精度高。

一个圆周在三维空间中有五个自由度，可以借助数学方法，选择五个独立变量建立坐标系和方程来描述该圆周的位姿和位置及其运动。而瞬时位姿和位置可以由直线运动或转动或由它们构成的复合运动来描述。当以适当的位姿沿着一条直线或曲线运动时，就可以生成曲面。如果将该圆周最低点始终控制在密封端面之外，那么该圆周在三维空间运动时与密封环有两个交点、一个交点或无交点，当有两个交点时，如果第一个交点在密封端面上，第二个交点在密封环外圆面上，那么从第二个交点直至第一个交点范围内圆周上各点相对于密封端面的深度逐渐减小直至为0，所生成的曲面从上游侧向下游侧是逐渐变浅的，从上游侧向下游侧也通常是逐渐变窄的，呈现三维收敛形状。因此从数学角度来讲，设计出以一圆周在三维空间按运动规律运动时由运动轨迹所形成的光滑连续曲面为底面的、从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面槽是可行的。

此外，在机械制造领域利用刀具进行切削加工时形成表面的过程就是控制刀具的刀刃沿一定轨迹运动将工件上多余的材料去除的过程。采用端面宽度较窄的杯形砂轮磨削时，从磨削加工表面成形的角度来看，杯形砂轮相当于一个具有切削功能的圆周，如果所用的砂轮半径与设计曲面槽时所用的圆周半径相等，杯形砂轮相对于工件所做的成形运动与曲面槽设计时所用的运动规律一致，磨削时就没有表面形成原理误差，可以精确成形，实现高精度加工。因此从加工的角度来讲，高精度加工出以一圆周在三维空间按运动规律运动时由运动轨迹所形成的光滑连续曲面为底面的、从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面槽也是可行的。

直线运动和转动是最简单、最容易实现的两种基本运动，机床一般采用单一直线运动、单一转动或采用由多个基本运动组合成复杂的多轴联动来实现刀具与工件的相对运动。机床的运动轴通常是水平或垂直布置的，例如直线运动轴的运动方向一般是水平或垂直的，而转动轴的轴线一般是水平或垂直的。研究发现，当倾斜于密封端面的圆周绕密封环轴线做单一转动时，形成的曲面是回转面；当一圆周绕平行于密封端面的直线为轴线做单一转动时，生成的曲面是侧立的；当一圆周做垂直于密封端面的单一直线运动时，生成的曲面也是侧立的；当倾斜于密封端面的圆周做平行于密封端面的单一直线运动时，可以生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面；当密封环相对于倾斜的圆周做以与密封环轴线平行的直线为轴线转动时，也可以生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面。因此当一圆周在三维空间做单一基本运动时可以生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面。显然，无论从数学的角度还是从机械加工的角度来说，都可以在上述的单一直线运动或单一转动基础上进一步增加一个直线运动或增加一个转动从而构成由两个基本运动构成的复合运动来生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面。

进一步研究发现：虽然，当密封环相对于倾斜的圆周绕密封环轴线做单一转动时形成的曲面是回转面，然而，若与此同时，密封环相对于倾斜的圆周还做一个沿密封环轴线方向的直线运动，可以在密封环上生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面；或者与此同时，密封环相对于倾斜的圆周还做一个平行于密封端面的直线运动，也可以在密封环上生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面。

进一步研究还发现：虽然，当一圆周绕平行于密封端面的直线为轴线做单一的转动时生成的曲面是侧立的，然而，若与此同时，密封环还绕密封环的轴线转动，也可以在密封环上生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面；或者与此同时，密封环还做一个平行于密封端面的直线运动，也可以在密封环上生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面；或者与此同时，密封环还做一个以密封环轴线的平行线为轴线的转动，也可以在密封环上生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面。

显然，无论从数学的角度还是从机械加工的角度来说，都可以在由两个基本运动构成的复合运动基础上进一步增加一个直线运动或转动来构成更复杂的复合运动，即由三个基本运动构成的复合运动。进而，还可以在由三个基本运动构成的复合运动基础上，再增加一个或多个基本运动来构成更复杂的复合运动，即由四个基本运动构成的复合运动或者更多基本运动构成的复合运动。

另外从便于实现角度考虑，可对复合运动加以简化，即将复合运动中的两个基本运动耦合成由一个导向机构来执行的简单运动，以便降低运动轴的数量和降低机床运动的复杂性。例如，将一个平行于密封端面的直线运动和一个垂直于密封端面的直线运动耦合为一个与密封端面倾斜的直线运动，例如将两个平行于密封端面的直线运动耦合为一个平面曲线运动，例如将一个绕密封环轴线的平行线为轴的转动和一个垂直于密封端面的直线运动耦合为一个螺旋运动。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种密封环，包括平的密封端面，在密封端面上设有浅槽，该浅槽的特征是：所述的浅槽是曲面槽，所述的曲面槽的底面是曲面，所述的曲面是由一圆周在三维空间按运动规律运动时由运动轨迹所形成的光滑连续曲面的一部分，所述的曲面槽具有从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的三维收敛形状。

所述的运动规律是倾斜于密封端面的圆周做平行于密封端面的直线运动，

或者是密封环相对于倾斜的圆周做以与密封环轴线平行的直线为轴线的转动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做与密封端面略微倾斜的直线运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个与密封端面略微倾斜的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做与密封端面略微倾斜的直线运动和一个垂直于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个垂直于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是由一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平行线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以密封环轴线的平行线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个平行于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个与密封端面略微倾斜的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个平行于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个平行于密封端面的直线运动、一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个与密封端面略微倾斜的直线运动、一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动、一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个平行于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个与密封端面略微倾斜的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个与密封端面略微倾斜的直线运动和一个平行于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由两个与密封端面略微倾斜的直线运动和一个垂直于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由两个平行于密封端面的直线运动和一个垂直于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是由两个平行于密封端面的直线运动、一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由两个平行于密封端面的直线运动、一个垂直于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个与密封端面略微倾斜的直线运动、一个平行于密封端面的直线运动、一个垂直于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动、一个平行于密封端面的直线运动、一个垂直于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是由一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动、一个平行于密封端面的直线运动、一个垂直于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动。

所述的圆周的半径的范围为20~500毫米。

所述的曲面最低处的深度的范围为0.5~200微米。

所述的曲面内任意一点的高斯曲率为正。

所述的曲面槽的底面由一个光滑曲面构成，或者由两个光滑曲面连接构成，或者由两个以上光滑曲面连接构成。

所述的曲面与密封端面的交线是数学函数曲线或数值曲线。

所述的曲面槽与密封端面的交线是一条光滑曲线，或者若干条光滑曲线连接而成，或者直线与曲线连接而成。

所述的曲面槽关于密封环的径向线是大体对称的。

所述的曲面槽关于密封环的径向线是明显不对称的。

所述的曲面槽在密封端面的投影大致呈螺旋形状。

所述的曲面与密封端面的交线呈与旋转方向反向凸出的流线形状。

所述的曲面槽还包括陡立的侧壁。

所述的侧壁在曲面槽的内侧。

所述的曲面沿周向的深度从0逐渐达到最大、并在最深处与陡立侧壁交接而终止，曲面槽具有沿周向逐渐变浅的形状，或者所述的曲面沿周向的深度从0逐渐达到最大后再逐渐变小、但还没有全部达到0时就与陡立侧壁交接而终止，形成一种曲面在发散区域未完全扩展到密封端面的曲面槽。

所述的曲面槽的数量的范围为2～200个。

所述的密封端面设有一组相同的、沿圆周方向按规律分布的曲面槽，或者包含若干组不同的曲面槽，每组沿圆周方向均匀分布。

所述的曲面槽彼此不连接，相隔有一定距离，而且不越过密封端面内周边。

在所述的相邻曲面槽之间，还可以设有T型槽、圆弧槽、螺旋槽、矩形槽等常规结构形式的流槽来增强动压效应，或在坝面设有环槽来抑制泄漏，或在上游侧设有导流槽来增强密封流体的供应。

本发明的有益效果主要表现在：本发明所述的密封环的曲面槽具有从高压测到低压测逐渐变浅的三维收敛形状，因而在工作时具有更强的收敛特性，此外，本发明所述的浅槽在收敛区后侧不存在陡立的槽壁结构，而是由曲面渐进变浅直至与密封端面相接，工作时，被密封介质由各曲面槽在上游侧的开口流入端面，随着动环的旋转，密封介质在浅槽内被逐渐压缩，压力升高，并最终在浅槽与密封端面交线附近达到压力极值，流体膜厚度在相接处变化平顺，不存在阶跃性突变，密封介质被渐进压缩，而不是突然被压缩，这样密封端面间就形成了很强的流体动压效应，从而获得了很高的流体膜刚度，增强了密封的稳定性。本发明所述的曲面槽的曲面的面形可以看成是旋转着的端面宽度较窄的杯形砂轮按一定运动规律在三维空间的运动轨迹，符合磨削加工表面创成原理，能够直接磨削出来，加工精度高，而且成本低。

附图说明

图1是本发明给出的一种密封环中，一种典型曲面槽形状示意图。

图2是图1所示形状的俯视图。

图3是图1所示曲面槽形成示意图。

图4是本发明给出的一种密封环中，另一种典型曲面槽形状示意图。

图5是图4所示形状的俯视图。

图6是图4所示曲面槽形成示意图。

图7是图6的俯视图。

图8是本发明给出的一种密封环中，另一种典型曲面槽形状示意图。

图9是图8所示形状的俯视图。

图10是图8所示曲面槽形成示意图。

图11是本发明给出的一种密封环中，另一种典型曲面槽形状示意图。

图12是图11所示形状的俯视图。

图13是图11所示曲面槽形成示意图。

图14是图13的俯视图。

图15是本发明给出的一种密封环中，另一种典型曲面槽形状示意图。

图16是图15所示形状的俯视图。

图17是本发明给出的一种密封环中，另一种典型曲面槽形状示意图。

图18是图17所示形状的俯视图。

图19是本发明给出的一种密封环中，另一种典型曲面槽形状示意图。

图20是图19所示形状的俯视图。

图21是本发明给出的一种密封环中，另一种典型曲面槽形状示意图。

图22是图21所示形状的俯视图。

图23是本发明给出的一种密封环中，另一种典型曲面槽形状示意图。

图24是图23所示形状的俯视图。

图25是本发明给出的一种密封环中，另一种典型曲面槽形状示意图。

图26是图25所示形状的俯视图。

图27是本发明给出的一种密封环中，另一种典型曲面槽形状示意图。

图28是图27所示形状的俯视图。

图中：1密封端面内周边；2密封端面外周边；3密封端面；4曲面与密封端面交线；5曲面；6侧壁；7圆周；8曲面1；9曲面2。

上述各三维图中，为了更直观描述曲面槽形状以及其形成，放大了密封端面轴向尺寸，轴向尺寸值仅为示意性目的。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例一：请参阅图1、图2和图3。

一种密封环，包括平的密封端面，在密封端面上设有浅槽，密封端面外径侧为高压测，即上游侧，内径侧为低压测，即下游侧，浅槽是一种曲面槽，曲面槽的底面是曲面，该曲面是密封环相对于一个半径为175毫米、与密封端面倾斜角度为0.0002弧度的圆周做绕与密封环轴线平行且经过圆周中心的直线为轴线的单一转动时由运动轨迹所形成的光滑连续曲面的一部分。如果将该圆周最低点始终控制在密封端面之外，那么所述的圆周在三维空间运动时与密封环有两个交点、一个交点或无交点，当有两个交点时，如果第一个交点在密封端面上，第二个交点在密封环外周面上，那么从第二个交点直至第一个交点范围内圆周上各点相对于密封端面的深度逐渐变小直至为0，形成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面，亦即所形成的曲面槽具有从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的三维收敛形状。

图1是所述的曲面槽形状示意图，图2是图1所示形状的俯视图，图3是图1所示曲面槽的形成示意图。所述的曲面最低处的深度为10微米，曲面内任意一点的高斯曲率为正，该曲面槽的底面由一个光滑曲面构成，曲面槽包括陡立的侧壁，侧壁在曲面槽距离内径较近的一侧，曲面槽在密封端面的投影大致呈螺旋形状。由于螺旋形状曲面槽具有明显方向性，适用于单向旋转的轴密封，在使用过程中应严格按照其旋转方向使用。

本实施例中，在密封端面设有一组沿圆周方向均布的、相同的曲面槽，曲面槽的数量为9个，这些曲面槽彼此不连接，相隔一定距离，而且不越过密封端面内周边。

实施例二：请参阅图4、图5、图6和图7。

与实施例一的区别在于曲面槽的形状不同。图4表示实施例二中密封端面上曲面槽的形状，图5是图4所示形状的俯视图，图6是图4所示曲面槽形成示意图，图7是图6所示示意图的俯视图。所述的运动规律是倾斜于密封端面的圆周做由一个与密封端面略微倾斜的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动。在本实施例中，所形成的曲面槽由一个光滑的曲面构成，该曲面平滑过渡到密封端面，没有陡立的侧壁，曲面与密封端面的交线是一条光滑曲线，而且曲面与密封端面的交线呈与密封装置在旋转轴正向旋转时反向凸出的流线形状。该曲面槽关于密封环的径向线是明显不对称的，密封装置在旋转轴正向旋转时收敛区大于发散区，能够产生较大的动压效应。

实施例三：请参阅图8、图9和图10。

与前面实施例的区别在于曲面槽的形状不同。图8表示实施例三中密封端面上曲面槽的形状，图9是图8所示形状的俯视图，图10是图8所示曲面槽形成示意图。所述的运动规律是由一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动。在本实施例中，曲面槽与密封端面的交线是一条光滑曲线，所述的曲面槽关于密封环的径向线是大体对称的，该密封在旋转轴正向旋转、逆向旋转时都能产生足够的流体动压效应，适用于需要机械密封可双向旋转的场合。

实施例四：请参阅图11、图12、图13和图14。

与前面实施例的区别在于曲面槽形状不同。图11表示实施例四中密封端面上曲面槽的形状，图12是图11所示形状的俯视图，图13是图11所示曲面槽形成示意图，图14是图13所示示意图的俯视图。与实施例三不同，在实施例四中所述的运动规律是密封环相对于与之倾斜的圆周做以密封环轴线的平行线为轴线的等速螺旋运动。当然此运动规律也可以通过由一个以密封环轴线的平行线为轴线的转动和一个垂直于密封端面的直线运动构成的复合运动来实现。

实施例五：请参阅图15和图16。

与前面实施例的区别在于曲面槽的形状不同。图15表示实施例五中密封端面上曲面槽的形状，图16是图15所示形状的俯视图，本实施例中的运动规律是一个倾斜于密封端面的圆周做与密封端面略微倾斜的直线运动。当然此运动规律也可以通过由一个平行于密封端面的直线运动和一个垂直于密封端面的直线运动构成的复合运动实现。所形成的曲面槽与密封端面的交线是一条光滑曲线，该曲面槽关于密封环的径向线是大体对称的，本实施例所述的密封环在旋转轴正向旋转、逆向旋转时都能产生足够的流体动压效应，适用于需要机械密封可双向旋转的场合。

实施例六：请参阅图17和图18。

与前面实施例的区别在于曲面槽的形状不同。图17表示实施例六中密封端面上曲面槽的形状，图18是图17所示形状的俯视图，本实施例中的运动规律与实施例二中的相同，差别在于各轴的联动关系、各轴初始位置和各轴终止位置不同。所形成的曲面槽关于密封环的径向线是明显不对称的，密封装置在旋转轴正向旋转时收敛区大于发散区，能够产生较大的动压效应。

实施例七：请参阅图19和图20。

与前面实施例的区别在于曲面槽的形状不同。图19表示实施例七中密封端面上曲面槽的形状，图20是图19所示形状的俯视图。在本实施例中所述的运动规律是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动。所述的曲面槽的底面由两个光滑曲面连接构成，其中一个曲面构成收敛区，另一个曲面构成发散区，且收敛区的面积比发散区的大，而且曲面与密封端面的交线呈与密封装置在旋转轴正向旋转时反向凸出的流线形状。在本实施例中，曲面槽与密封端面的交线是椭圆的一部分，可以理解的是，除了椭圆以外，还可以是其它函数曲线或数值曲线。

实施例八：请参阅图21和图22。

与前面实施例的区别在于曲面槽的形状不同。图21表示实施例八中密封端面上曲面槽的形状，图22是图21所示形状的俯视图。所述的曲面槽与密封端面的交线大致呈螺旋形状。所述的曲面槽的底面由两个光滑曲面连接构成，其中一个曲面构成收敛区，另一个曲面构成发散区。与实施例一不同，本实施例中的曲面槽没有陡立的侧壁，所述的运动规律是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以密封环轴线的平行线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动。

实施例九：请参阅图23和图24。

与前面实施例的区别在于曲面槽的形状不同。图23表示实施例九中密封端面上曲面槽的形状，图24是图23所示形状的俯视图。在本实施例中运动规律是由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动。所述的曲面槽关于密封环的径向线是大体对称的，密封装置在旋转轴正向旋转、逆向旋转时都能产生足够的流体动压效应。

实施例十：请参阅图25和图26。

与前面实施例的区别在于曲面槽的形状不同。图25表示实施例十中密封端面上曲面槽的形状，图26是图25所示形状的俯视图。本实施例中的运动规律与实施例九中的相同，差别在于各轴联动关系、各轴初始位置和终止位置不同。所述的曲面槽与密封端面的交线由三条曲线交接而成，所述的曲面槽关于密封环的径向线是明显不对称的，当开设图25所示曲面槽的密封端面按图26所示箭头方向旋转时，收敛区的形状使密封流体更容易被泵送至下游侧，从而增强对密封端面的润滑效果。而当与箭头所示方向相反的方向旋转时，受槽形动压效应作用少量密封流体会从密封端面被泵送至上游，从而减小泄漏。

实施例十一：请参阅图27和图28。

与前面实施例的区别在于曲面槽的形状不同。图27表示实施例十一中密封端面上曲面槽的形状，图28是图27所示形状的俯视图。本实施例中的圆周半径、运动规律和各轴初始位置与实施例五中的相同，差别在于各轴终止位置不同。所形成的曲面槽包括陡立的侧壁，曲面沿周向的深度从0逐渐达到最大、并在最深处与陡立侧壁交接而终止，曲面槽具有沿周向逐渐变浅的形状。本实施例所述的密封环在旋转轴正向旋转时侧壁在收敛区的前侧，不存在发散区，是一种无发散区的曲面槽，相当于没有开设实施例五所述的曲面槽的发散区，因此，单个曲面槽占用周向空间减少，但动压效应没有明显变化，这样就可以通过增加槽数量来增强总的动压效应，在相同的条件下其流体膜的厚度或刚度更大，可靠性更高。在本实施例中，也可使曲面沿周向的深度从0逐渐达到最大后再逐渐变浅、但还没有全部达到0时就与陡立侧壁交接而终止，形成一种曲面在发散区域未完全扩展到密封端面的曲面槽。

可以理解的是，除了实施例五以外，在实施例二至实施例四中、在实施例六至实施例十中，也可以通过选择不同的终止位置，使曲面槽具有沿周向逐渐变浅的形状，或者形成曲面在发散区域未完全扩展到密封端面的曲面槽。

实施例一至实施例十一中，曲面槽都示意性地开设9个，实际上，根据不同的密封压力和泄漏量要求，在密封端面上开设曲面槽的数量可为2~200个，或更多。当然，根据密封尺寸的不同，所述的曲面槽的数量一般也有所不同，通常尺寸越大则槽数量越多。

本说明书所述的一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动，只是用于说明目的，本领域技术人员也可以将其变形为一个与密封端面倾斜的直线为轴线的转动。本说明书所述的一个垂直于密封端面的直线运动，也只是用于说明目的，本领域技术人员可以将其变形为一个与密封端面倾斜的直线运动。本说明书所述的一个平行于密封端面的直线运动，也只是用于说明目的，本领域技术人员可以将其变形为一个与密封端面倾斜的直线运动。

可以理解的是，采用同一运动规律时，通过改变圆周半径、各轴联动关系、各轴初始位置和各轴终止位置，可以改变所形成的曲面槽形状，即采用同一种运动规律形成的曲面槽可能有多种形状，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状，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通过改变圆周半径、各轴联动关系、各轴初始位置和各轴终止位置所能够得到的各种形状。

可以理解的是，采用不同运动规律时，通过选择适当的圆周半径、各轴联动关系、各轴初始位置和终止位置，形成的曲面槽可能有相似的形状，本发明的保护范围不应当被视为某种曲面槽形状只能由一特定的运动规律实现。

可以理解的是，本说明书所述的运动规律的具体实现形式仅仅是对发明构思实现形式的举例，只是用于说明目的，本发明的保护范围不应当被视为所陈述的具体实现形式，本领域技术人员还可以通过运动的增加、简化或者变形得到更多的实现形式，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通过运动的合成、简化或者变形得到的其它实现形式。

在所述的相邻曲面槽之间，还可以设有T型槽、圆弧槽、螺旋槽、矩形槽等常规结构形式的流槽来增强动压效应，或在坝面设有圆环槽来抑制泄漏，或在上游侧设有导流槽来增强密封流体的供应。

本发明的密封环适用于各种形式的接触式机械密封和非接触式机械密封。

Claims (11)

1.一种密封环，包括平的密封端面，在密封端面上设有浅槽，密封端面外径侧为高压测，即上游侧，内径侧为低压测，即下游侧，其特征在于：所述的浅槽是曲面槽，所述的曲面槽的底面是曲面，所述的曲面是由一圆周在三维空间按运动规律运动时由运动轨迹所形成的光滑连续曲面的一部分，所述的曲面槽具有从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的三维收敛形状。

2.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述的运动规律是倾斜于密封端面的圆周做平行于密封端面的直线运动，

或者是密封环相对于倾斜的圆周做以与密封环轴线平行的直线为轴线的转动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做与密封端面略微倾斜的直线运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个与密封端面略微倾斜的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做与密封端面略微倾斜的直线运动和一个垂直于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个垂直于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是由一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平行线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以密封环轴线的平行线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个平行于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个与密封端面略微倾斜的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个平行于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个平行于密封端面的直线运动、一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个与密封端面略微倾斜的直线运动、一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动、一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个平行于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个与密封端面略微倾斜的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个垂直于密封端面的直线运动、一个与密封端面略微倾斜的直线运动和一个平行于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由两个与密封端面略微倾斜的直线运动和一个垂直于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由两个平行于密封端面的直线运动和一个垂直于密封端面的直线运动构成的复合运动，

或者是由两个平行于密封端面的直线运动、一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由两个平行于密封端面的直线运动、一个垂直于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个与密封端面略微倾斜的直线运动、一个平行于密封端面的直线运动、一个垂直于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动、一个平行于密封端面的直线运动、一个垂直于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，

或者是由一个以平行于密封端面的直线为轴线的转动、一个平行于密封端面的直线运动、一个垂直于密封端面的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动。

3.根据权利要求1或2所述的密封环，其特征在于，所述的曲面槽的底面由一个光滑曲面构成，或者由两个光滑曲面连接构成，或者由两个以上光滑曲面连接构成。

4.根据权利要求1－3中任一项所述的密封环，其特征在于，所述的曲面槽关于密封环的径向线是大体对称的，或者是明显不对称的。

5.根据权利要求1－3中任一项所述的密封环，其特征在于，所述的曲面槽在密封端面的投影大致呈螺旋形状。

6.根据权利要求1－3中任一项所述的密封环，其特征在于，所述的曲面与密封端面的交线呈与旋转方向反向凸出的流线形状。

7.根据权利要求1－3中任一项所述的密封环，其特征在于，所述的曲面槽还包括陡立的侧壁，所述的侧壁在曲面槽的内侧。

8.根据权利要求1－3中任一项所述的密封环，其特征在于，所述的曲面槽还包括陡立的侧壁，所述的曲面沿周向的深度从0逐渐达到最大、并在最深处与陡立侧壁交接而终止，曲面槽具有沿周向逐渐变浅的形状，或者所述的曲面沿周向的深度从0逐渐达到最大后再逐渐变小、但还没有全部达到0时就与陡立侧壁交接而终止，形成一种曲面在发散区域未完全扩展到密封端面的曲面槽。

9.根据权利要求1－8中任一项所述的密封环，其特征在于，所述的圆周的半径的范围为20~500毫米，所述的曲面最低处的深度的范围为0.5~200微米，所述的曲面槽的数量的范围为2～200个。

10.根据权利要求1－9中任一项所述的密封环，其特征在于，所述的密封端面设有一组相同的、沿圆周方向按规律分布的曲面槽，或者包含若干组不同的曲面槽，每组沿圆周方向均匀分布。

11.根据权利要求1－10中任一项所述的密封环，其特征在于，在所述的相邻曲面槽之间，还可以设有T型槽、圆弧槽、螺旋槽、矩形槽等常规结构形式的流槽来增强动压效应，或在坝面设有环槽来抑制泄漏，或在上游侧设有导流槽来增强密封流体的供应。