CN105065675A - 具有流线型槽端面的密封环及机械密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明具有流线型槽端面的密封环，在所述端面上开设有由具有端平面高度的相同形式的隔离部分隔成均匀排布的型槽，所述的型槽为中心线沿密封流体质点由密封环周边向内流动的流线轨迹设置的槽，型槽沿密封环圆周的开口弧长与相邻隔离部同径向侧的弧长的比值范围为0.2～5，优选的比值范围为0.8～1.2。本发明的有流线型槽端面的密封环及机械密封装置，可以在现有的加工工艺基础上，极大幅度提高端面流体膜在密封端面上具有更大的开启力和刚度及承载能力，明显具有比传统密封端面更好的端面流体动压效应。

Description

具有流线型槽端面的密封环及机械密封装置

技术领域

本发明涉及端面流体密封元件及具有所述密封元件的端面密封装置，具体的讲是具有流线型槽端面的密封环及使用该密封环的机械密封装置。

背景技术

机械密封装置和技术广泛应用于众多的旋转机械轴向端面密封的应用中，例如各种型式的泵、压缩机、膨胀机、分离机、反应釜等旋转类机器的轴端密封。目前已有报道和/或使用的流体端面非接触式机械密封装置的基本结构中，通常包括有静止环(静环)、旋转环(动环)、静环座、轴套、传动销、公差环、压紧套、推环、弹簧、防转销等构成组件。静环和动环共轴线相对设置，其相对的端面为密封面。静环径向空套在静环座上，与静止环座保持相对静止，其轴向由推环和弹簧浮动支撑，周向由防转销定位，使静环只可沿轴向自由浮动而不能随轴旋转。动环径向由公差环胀紧在轴套的外圆柱面上，轴向与轴套的台阶面接触并被压紧套轴向压紧，周向由传动销与轴套固定在一起，使动环可随轴套与旋转轴一起同步旋转。

机械密封目前可分为接触式和非接触式两种。非接触式机械密封根据其密封端面流体膜开启力的形成方式不同，又可大致分为动压型和静压型两种，当然两种类型的机械密封端面开启力构成中都可能同时具有流体动压力和静压力，区别是其中某一种类型的压力是构成该密封开启力的主要因素。动压型非接触式机械密封一般是利用介质在密封面间的流动形成充分的流体动压效应，以获得足够的流体膜开启力和更高的流体膜刚度。端面流体动压效应主要与密封面相对转速、介质粘度、密封面表面结构相关，这其中密封面相对转速和介质粘度往往是取决于使用密封机组的现场条件，技术上更多可改进的是密封面表面结构。目前通常的密封面表面结构设置措施是在其两密封端面中的一侧或两侧端面上，开设有由具有端平面高度的相同形式隔离部分(堰区)分隔成均匀排布的型槽形式，其中以等槽深的螺旋槽、“T”型槽、波形面的端面密封最为典型。如何增强端面流体的动压效应，以增大端面流体膜承载能力和流体膜刚度，从而提升密封运行稳定性，最终延长使用寿命，是非接触式机械密封端面槽型研究的主要方向之一。

传统的槽型设计及研究过程中，一般是先设计一种槽型，然后选定一些密封的性能指标量，来对槽型结构及参数进行优化，以期获得最好的端面流体膜特性。其思路是先给定槽型，然后再将该槽型参数和密封进行关联。这就使得槽型的设置不能主动、很好地与端面流体膜的特性匹配，因而难以获得最佳的端面流体动压效应，也就不能获得更大的流体膜刚度和开启力。

发明内容

针对上述情况，本发明提供了一种具有流线型槽端面的密封环及机械密封装置，以使端面流体膜具有更大的开启力和更高的刚度及承载能力，具有更好的端面流体动压效应，并且不增加现有工艺的加工难度。

本发明具有流线型槽端面的密封环，基本结构同样是在所述端面上开设有由具有端平面高度的相同形式的隔离部分隔成均匀排布的型槽。其中，所述的型槽为其中心线沿密封流体质点由密封环周边向内流动的流线轨迹设置的槽，型槽沿密封环圆周的开口弧长与相邻隔离部同圆周的弧长的比值范围为0.2～5，优选的比值范围为0.8～1.2。

本发明中将密封端面上的型槽形状根据密封流体在密封端面上的流线形运动轨迹来设计，其密封原理是使密封流体由槽开口沿流线型槽向槽根部逐步挤压收缩，并最终在槽根部形成很强的剪切及挤压作用，从而形成显著的流体动压效应。其流线型槽边缘型线的基本形状由端面密封流体膜的流体轨迹确定，密封流体质点沿周向作近似匀速圆周运动，沿径向以速度与半径成反比的规律运动，周向及径向运动的合成即是密封流体质点的基本流线形状。实验证明，在密封端面上设置与密封流体的流线形运动轨迹相匹配的型槽，能够获得比现有的对数螺旋槽或“T”形槽形成的端面流体膜具有更大的开启力和更高的刚度及承载能力，以及更加优越的流体动压效果，并且不会对现有的密封环加工工艺提出更高的要求。所述的密封环可以为机械密封装置上的动环和/或静环。

在上述基本结构的基础上，一种具体的结构形式可以为，使所述型槽的边缘型线的极角θ与极径r之间的关系为：其中：θ₀为型线边缘于型槽开口处起点的初始极角，r₀为型槽的边缘型线于型槽开口处起点的半径，h为轴向相对的两密封端面的平均间隙，Q为密封间隙内介质体积的泄漏量，ω为两密封端面相对旋转的角速度。假定密封端面是固定于一个平面坐标系统中的，则每一个槽区的边缘槽线都会对应有一个θ₀，而相邻两个槽区同侧的边缘型线之间的θ₀相差为其中n为槽数。

上述结构中，所述型槽的开口可以位于密封端面上流体膜的压力上游侧或压力下游侧。其中，型槽的开口位于流体膜的压力上游侧时可增大密封端面流体膜的承载性能，使用较为广泛，而型槽的开口位于流体膜的压力下游侧时则可降低密封端面的流体泄漏量，在需要泵送的地方可以适用。

进一步的，所述型槽为开口于密封端面的径向内侧或径向外侧周面的非贯通槽时，密封端面上开设有所述型槽部分的环区的径向长度与未开设所述型槽部分的环区的径向长度之比一般可为0.3～5，优选范围为0.6～1.5。

根据不同的工况环境和要求，上述结构中所述型槽的深度一般可以为0.002～10毫米，优选为0.002～0.030毫米。例如，对于气体非接触式密封，其型槽深度的取值范围可以为0.002～0.012毫米；对于液体非接触式密封其型槽深度的取值范围可以为0.008～0.030毫米；对于热变形端面密封，其型槽深度的取值范围则可为数毫米。

上述结构中，密封端面上开设的所述型槽的数量，可根据不同工况条件和需要而定。一般情况下，沿密封端面圆周均匀设有≤25个型槽即已满足需要。如果型槽的数量进一步增加，对密封效果的改变已不明显了。而从动压效果及加工工艺性方面综合而言，密封端面上的型槽数量可优选为8～18个。

本发明上述结构的密封环能具有广泛的适用性，例如可以根据需要设置为多种密封型式的布局，如单端面密封、双端面密封、串联式密封(两级以上)、串联带中间迷宫(两级以上)，还可跟浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封型式组成组合式密封结构。

在上述结构密封环的基础上，本发明进一步还提供了一种具有流线型槽端面的机械密封装置。该装置的结构中同样包括可随旋转轴转动的旋转环和与静止环座保持相对静止的静止环，其轴向相对的端面为密封端面。其中，所述旋转环和静止环中的至少一个为上述结构的密封环。

进一步，该密封装置中所述的旋转环与静止环的密封端面间未开设所述型槽的区域间的端平面间隙为0～0.025毫米，具体可根据实际情况综合考虑各种因素对端平面间隙进行适当调整。例如，对于普通机械密封，两个密封端面基本处于无间隙的直接接触状态；对于气体非接触式密封端面的间隙通常约0.002～0.005毫米；而对于某些液体膜非接触式机械密封其端面间隙一般约为0.01～0.025毫米。

实验表明，本发明的开设有流线型槽端面的密封环及采用该结构密封环的机械密封装置，可以在现有的加工工艺基础上，极大幅度提高端面流体膜在密封端面上具有更大的开启力和刚度及承载能力，明显具有比传统密封端面更好的端面流体动压效应。

以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1为本发明具有流线型槽端面密封环的密封端面的结构示意图。

图2为图1密封环中流线型槽的局部放大立体示意图

图3为采用图1具有流线型槽端面密封环的一种机械密封装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示的是本发明具有流线型槽端面的密封环的一种结构，在密封端面上开设有8～18个由具有端平面高度的相同形式的隔离部14(即堰区)分隔成均匀排布的型槽11。所述型槽11的中心线沿密封流体质点由密封环周边向内流动的流线形轨迹设置，型槽11的开口可位于密封端面上流体膜的压力上游侧或压力下游侧。当型槽11的开口位于流体膜的压力上游侧时，可增大密封端面流体膜的承载性能，使用较为广泛，而型槽11的开口位于流体膜的压力下游侧时则可降低密封端面的流体泄漏量，在需要泵送的地方可以适用。型槽11的开口可以设于密封端面的径向内侧或径向外侧周面(图中示出的是开口与径向外侧周面形式)，并且优选为是由具有端平面高度的阻断结构15(坝区)所封挡非贯通槽，阻断结构15可以位于密封端面的径向内侧或径向外侧。密封端面上开设有所述型槽11部分的环区的径向长度与未开设所述型槽部分的环区(即坝区)的径向长度之比为0.3～5，优选范围为0.6～1.5。型槽11沿密封环圆周的开口弧长与相邻隔离部14同径向侧的弧长的比值范围为0.2～5，优选的比值范围为0.8～1.2。型槽11的槽深度h_g通常的范围可以为0.002～10毫米，并可根据实际的工况情况和需要进行调整。例如，对于气体非接触式密封形式的槽深度h_g的取值范围可以为0.002～0.012毫米，对于液体非接触式密封的槽深度h_g的取值范围可以为0.008～0.030毫米，对于热变形端面密封的槽深度h_g取值范围则可为数毫米。

其中，上述型槽11的边缘型线的极角θ与极径r之间的关系为：其中：θ₀为型线边缘于型槽11开口处起点的初始极角，r₀为型槽11的边缘型线于型槽11开口处起点的半径，h为轴向相对的两密封端面的平均间隙，Q为密封间隙内介质体积的泄漏量，ω为两密封端面相对旋转的角速度。

图3是采用上述图1所示具有流线型槽端面结构密封环的一种机械密封装置，其中的静止环1和/或旋转环2均可以采用图1结构的密封环。该机械密封装置由静止环(静环)1、旋转环(动环)2、静止环座3、轴套4、传动销5、公差环6、压紧套7、推环8、弹簧9、防转销10等构成。静止环1和旋转环2共轴线面对面设置，其相对的端面形成密封面。静止环1径向空套在静止环座3上，轴向由推环8和弹簧9浮动支撑，周向由防转销10定位，因此静止环1只可沿轴向自由浮动。旋转环2径向由公差环6胀紧在轴套4的外圆柱面上，轴向与轴套4的台阶面接触并被压紧套7轴向压紧，周向由传动销5与轴套4固定在一起，因此旋转环2可随轴套4与旋转轴16一起同步旋转。

为增加流入槽的介质量，从而提高端面流体膜动压效应，其旋转环2与静止环1密封面间的平均间隙值，为在型槽11的迎风侧型线13上取两密封端面间无槽区间隙h₀，在型槽11的背风侧型线12上取两密封端面间无槽区间隙h₀与槽深度h_g之和(如何由型线13的间隙h₀，与型线12(h₀+h_g)的和计算出平均间隙h？)。一般而言，旋转环2与静止环1的密封端面间无槽区间隙h₀为0～0.025毫米，具体可根据实际情况综合考虑各种因素对端平面间隙进行适当调整。例如，对于普通机械密封，两个密封端面基本处于无间隙的直接接触状态；对于气体非接触式密封端面的无槽区间隙h₀通常约0.002～0.005毫米，而对于某些液体膜非接触式机械密封其端面无槽区间隙h₀一般约为0.01～0.025毫米。

与目前采用的对数螺旋槽或“T”形槽形式的密封环相比，采用本发明上述结构密封环的密封装置能具有更加优越的流体动压效果。例如：对两密封端面的无槽区间隙h₀＝3微米(μm)，槽深为6微米(μm)，内径为120毫米(mm)，径向槽长12毫米(mm)，阻断结构15径向长10毫米(mm)的密封端面，分别与对数螺旋槽、“T”形槽就流体膜的承载力进行计算分析，先获取对数螺旋槽、“T”形槽的优化结构参数，然后本发明型槽除了边缘型线以外，在槽数、槽深、槽坝(阻断结构15)比等参数上与前两种槽型尽量保持一致，以增强结果的可比性。结果表明，其流体膜的承载力分别为对数螺旋槽：620N、“T”形槽：560N和本发明流线型槽：667N，即本发明流线型槽端面的流体膜承载力相对于对数螺旋槽提升了7.6％，较“T”形槽提升了19.1％，明显具有更好的开启力和刚度及承载能力，同时也具有了更好的端面流体动压效应。

Claims (8)

1.具有流线型槽端面的密封环，在所述端面上开设有由具有端平面高度的相同形式的隔离部(14)分隔成均匀排布的型槽(11)，其特征为：所述的型槽(11)为中心线沿密封流体质点由密封环周边向内流动的流线轨迹设置的槽，型槽(11)沿密封环圆周的开口弧长与相邻隔离部(14)同圆周的弧长的比值范围为0.2～5，优选的比值范围为0.8～1.2。

2.如权利要求1所述的具有流线型槽端面的密封环，其特征为：型槽(11)的边缘型线的极角θ与极径r之间的关系为：其中：θ₀为型线边缘于型槽(11)开口处起点的初始极角，r₀为型槽(11)的边缘型线于型槽(11)开口处起点的半径，h为轴向相对的两密封端面的平均间隙，Q为密封间隙内介质体积的泄漏量，ω为两密封端面相对旋转的角速度。

3.如权利要求1所述的具有流线型槽端面的密封环，其特征为：所述型槽(11)的开口位于密封端面上流体膜的压力上游侧或压力下游侧。

4.如权利要求1所述的具有流线型槽端面的密封环，其特征为：所述型槽(11)为开口于密封端面的径向内侧或径向外侧周面的非贯通槽，密封端面上开设有所述型槽(11)部分的环区的径向长度与未开设所述型槽部分的环区的径向长度之比为0.3～5，优选范围为0.6～1.5。

5.如权利要求1所述的具有流线型槽端面的密封环，其特征为：型槽(11)的深度(h_g)为0.002～10毫米，优选为0.002～0.030毫米，更好的是0.002～0.012毫米或0.008～0.030毫米。

6.如权利要求1所述的具有流线型槽端面的密封环，其特征为：沿密封端面圆周均匀设有≤25个型槽(11)，优选的型槽(11)数量为8～18个。

7.具有流线型槽端面的机械密封装置，包括可随旋转轴(16)转动的旋转环(2)和与静止环座(3)保持相对静止的静止环(1)，其轴向相对的端面为密封端面，其特征为：所述旋转环(2)和静止环(1)中的至少一个为权利要求1至权利要求6之一所述的密封环。

8.如权利要求7所述的具有流线型槽端面的机械密封装置，其特征为：所述的旋转环(2)与静止环(1)的密封端面间未开设所述型槽(11)的区域间的端平面间隙(h₀)为0～0.025毫米，优选为0.002～0.025毫米，更好的是0.002～0.005毫米或0.01～0.025毫米。