CN105987175B - 具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构 - Google Patents

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Abstract

具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，包括机械密封的动圆环、静圆环。动圆环和静圆环的内外径处分别为低压侧和高压侧，至少在一个密封端面上蚀刻多组呈收敛状均匀分布的各种大孔型（11）、坝区（4）、外环带密封坝区（2）和中心对称的三维似雪花状槽型。其中三维似雪花状槽型包括小对称雪晶状翅片槽（51）、大对称雪晶状翅片槽（5）、大单雪晶状翅片槽（55）、半圆弧状根槽（52）、短对称雪晶状翅片槽（54）、大菱形孔（1）、中长菱形孔（53）和微小菱形孔（3）。本发明可有效控制密封端面流体膜的动、静压效应，提高密封装置的抗干扰能力；为端面提供很强的润滑减摩和降温冷却作用，减弱端面热力变形，延长密封使用寿命。

Description

具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构
技术领域
本发明涉及一种具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，属机械密封技术领域。
背景技术
机械密封是防止设备旋转轴端部位置流体泄漏的关键部件，随着化工、化纤、电力冶金、造纸、石油工程和核电等行业的设备上广泛使用着各种类型的机械密封装置，在使用过程中对其提出的要求也越来越严苛，更高的液膜稳定性和密封可靠性，多变工况的适应性以及更长寿命周期的必要性等诸多标准被提出。为更好的改善此类问题，国内外陆续出现了穗形排布微孔、螺旋槽辅助微孔、内部带扇形深槽等多种密封端面织构形式，可有效提高密封端面的开启力及容纳固体颗粒的能力，但易导致密封流体膜的抗干扰能力减弱，还有像专利EP0564153A1中公布的双列螺旋槽的非接触式端面密封，具有较好的开启性能和存储固体颗粒的能力，但密封可靠性差，使用范围受到限制；中国专利97228284.X提出双列反向流体动压槽机械密封，具有较高的液膜刚度和防固体颗粒能力，但极易将固体颗粒泵入端面上造成密封面的磨损。
发明内容
本发明的目的是，为了克服现有技术中端面密封高速抗干扰能力弱、防固体颗粒能力有限和低速动压效应差的问题，本发明提出一种具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构。
本发明的技术方案是，一种具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，包括机械密封的动圆环和静圆环，两环密封端面相互贴合并相对旋转滑动，构成流体动密封面。
所述动圆环和静圆环的内、外径处分别为高压侧和低压侧，至少在一个密封端面上蚀刻多组呈收敛状均匀分布的各种孔型和三维似雪花状流体槽型；设内、外径侧与孔型间或相邻两孔型间的环形未开槽区统称为密封坝；所述的各种孔型具有明显的方向性或无方向性，且方向性孔的长轴与通过该孔中心的密封端面直径的夹角为其倾斜角度，并用该角度来表征孔的方向性；所述三维似雪花状槽型是毫米尺度的浅槽或深槽，并分别呈圆周状均匀分布于密封端面的高压侧或低压侧。
所述各种孔型沿径向方向在密封端面的外径侧或内径侧连续分布，各种孔型和三维似雪花状槽型沿密封端面周向呈连续或断续的周期性分布和中心对称排布。
所述的各种孔型是毫米尺度或微米尺度的孔型组合构成，其深度范围为2～2000μm；毫米尺度的孔型组合设置在靠近外径侧的端面上，即高压侧；微米尺度的孔型组合设置在靠近内径侧的端面上，即低压侧；
所述的三维似雪花状槽型设置在端面的外径侧或内径侧，沿径向延伸且由高压侧到低压侧方向的宽度逐渐变窄，或者由高压侧到低压侧方向的宽度逐渐变宽，且槽体根部与外径边缘或内径边缘相贯穿从而连通密封介质，其中一部分为泵汲口，另一对称部分为回流口；所述三维似雪花状槽型是微米深度的浅槽或毫米深度的深槽，其深度范围为2～200μm或0.2～15mm，且为等深或不同变化规律的深度。
所述各种孔型为微米尺度的浅孔或毫米尺度的深孔，其中浅孔的深度范围2～15μm(包括15μm)；深孔的深度范围0.15～2mm(不包括0.15mm)；微孔直径或边长范围为10μm～0.8mm(包括0.8mm)；大孔直径或边长范围取为0.8～10mm(不包括0.8mm)；长短轴比的范围取1～10，面积密度范围为0.05～0.45；毫米尺度的孔型组合设置在靠近外径侧的端面上，即高压侧；微米尺度的孔型组合设置在靠近内径侧的端面上，即低压侧。
所述三维似雪花状槽型是毫米尺度的浅槽或深槽，以其对称轴为界呈左右对称分布，浅槽2～20μm，深槽深度范围为0.2～5mm；介质为液体时浅槽深度为5～20μm，深槽深度为0.2～5mm；介质为气体时只有浅槽，其深度为2～8μm；所述三维似雪花状槽型的槽顶部位的槽角度数为10°～30°，槽根部位的槽形角0°<α<90°，槽形角即是各槽形叶片的对角线与槽型对称轴的夹角，推荐范围α＝5°～45°。
所述三维似雪花状槽型的浅槽为等深槽，而深槽为等深或变深槽；变深槽深度由高压侧到低压侧是呈直线状倾斜变浅的，或者呈阶梯状逐层变浅。
所述各种孔型在密封端面上的截面形状为圆形、正方形、菱形、三角形、矩形、正六边形或椭圆形，且方向性孔的倾角为0°～360°。
所述各种孔型或三维似雪花状槽型环带的低压侧、高压侧或各孔型带间存在着环形密封坝，且其径向宽度范围为0.5～6mm。
所述三维似雪花状槽型的根部边界为圆弧，圆弧与密封端面的内径圆是完全重合的。
所述的各种孔型的周向列数为8～240，所述的三维似雪花状槽型的槽组数为4～30。
本发明的工作原理：本发明密封结构中的各种大孔径孔型可使高压侧的压强流在进入孔区后，受到剪切作用沿长轴方向流动并使其在孔区的流程增长，流体受到边界阻滞持续累积和挤压使压强增高，端面间液膜的稳定性、空化效应和开启特性得到显著提高；而微孔位于端面的低压侧，产生的动压效应可使两端面难以接触，减少了面接触磨损，极好地改变了液膜的润滑特性，且微孔能够较好地容纳端面间的颗粒状杂质和存储润滑介质，因此微孔具有极佳的减磨效果。三维似雪花状形貌的泵吸槽(位于上游高压侧)能够引导介质进入端面产生导流增压的作用。在转动时，泵吸槽产生泵汲作用，吸纳流体，产生明显的动压效应，可保证密封系统在启停、低速和高压差时，具有较强的开启特性和润滑性能，防止两端面接触而产生干摩。泵吸槽还可较易地吸储固体颗粒且将其研磨，并通过与泵吸槽对称的回流槽反向甩出密封端面，使其磨损伤害降低到最小；而位于下游低压侧的反向泵送槽，在机械密封旋转时，可通过其反向泵送的作用将泄漏出的流体泵到密封面上，从而极大地减小了泄漏率，显著提高了密封的可靠性。
本发明的有益效果是，本发明密封结构可对流体产生导流与汇集功能，为端面提供强润滑和冷却效果，在快速启停和在多变工况条件下，因密封环的变形差异和织构形貌的特点在端面上形成适应于操作的可控性、动态变化的周向和径向波度形态的压力场，产生极强的动压效应和静压效应，并显著提高了液膜的稳定性、动压开启特性和变工况自适应调节能力；具有部分回流或上游泵送的能力，在槽或大孔的顶端介质压力不断积累增大，增强端面动压效应的同时，大大减少泄漏量，实现零泄漏的目的；还能够较多地容纳端面间的颗粒状杂质和存储润滑介质，改变端面液膜的润滑特性，减少面与面间的摩擦磨损。
附图说明
图1为本发明的一种机械密封系统密封腔体结构示意图；
图中，10-端盖；20-卡环；30-实验静圆环；40-实验动圆环；50-动圆环座；60-辅助静圆环；70-轴套；
图2为本发明部分各种大孔型与三维似雪花状槽型织构端面示意图；
图3为本发明典型各种大孔型与三维似雪花状槽型织构端面示意图；
图4为本发明部分各种微孔与三维似雪花状槽型织构的端面示意图；
图5为本发明典型各种微孔与三维似雪花状槽型织构的端面示意图；
图中，1是大菱形孔；2是外环带密封坝区；3是微小菱形孔；4是坝区；5是大对称雪晶状翅片槽；51是小对称雪晶状翅片槽；52是半圆弧状根槽；53是中长菱形孔；54是短对称雪晶状翅片槽；55是大单雪晶状翅片槽。
具体实施方式
实施例一
包括图1和图2，其中图1所示为本发明的一种机械密封系统密封腔体结构示意图，密封腔体内的轴上分别安装了两套完全相同的机械密封。图2中的端面织构形貌可以采用激光加工或化学蚀刻的方法加工到图1中的实验动圆环60或静圆环50上。
参照图1所示的密封系统采用的是外装式弹簧推力机构，并采用背对背模式安装，实验动圆环40是由卡环20和键等固定在动圆环座50上，动圆环座50由销钉固定在轴套70上。当轴运转时带动轴套70与动圆环座50一起旋转，动圆环座50又带动实验动圆环40和辅助动圆环旋转，实验静圆环30和辅助静圆环60上通过设置防转销阻止其旋转。从而由密封腔体、端盖10、端面密封与一些辅助密封圈共同构成了机械密封系统，最后压力罐内介质通过管道由介质入口流入密封腔，由介质出口流出。
参照图2，具有各种大孔型或三维似雪花状槽型非接触性机械密封结构，包括机械密封的动圆环和静圆环。所述动圆环和静圆环的内外径处分别为低压侧和高压侧，至少在一个密封端面上蚀刻多组呈收敛状均匀分布的各种大孔型11、坝区4、外环带密封坝区2和中心对称的三维似雪花状槽型。其中三维似雪花状槽型包括小对称雪晶状翅片槽51、大对称雪晶状翅片槽5、大单雪晶状翅片槽55、52是半圆弧状根槽、54是短对称雪晶状翅片槽、大菱形孔1、中长菱形孔53和微小菱形孔3。所述的各种大孔型11和大菱形孔1是毫米尺度的浅孔，深度范围2～15μm(包括15μm)，其直径或边长范围取为0.8～10mm(不包括0.8mm)，长短轴比的范围取1～10，面积密度范围为0.05～0.45；所述的各种大孔型11可是三角形、圆形、菱形、正方形、矩形或椭圆形等，且各孔间距的最小间隙为0.8mm；所述的中长菱形孔53对角线长度范围为0.5mm～0.8mm(包括0.8mm)，长短轴比的范围取5～20，所述微小菱形孔3对角线长度范围为10μm～0.1mm(包括0.1mm)，长短轴比的范围取5～20；所述三维似雪花状槽型的小对称雪晶状翅片槽51、52是半圆弧状根槽、54是短对称雪晶状翅片槽、大对称雪晶状翅片槽5和大单雪晶状翅片槽55是毫米尺度的深槽，并以其各自对称轴为界呈左右对称分布，其深度范围为2～20μm或0.2～5mm。介质为液体时浅槽深度取为5～20μm，深槽深度取为0.2～5mm；介质为气体时只有浅槽，其深度取为2～8μm。深槽可为等深或变深槽，变深槽深度由高压侧到低压侧是呈直线状倾斜变浅，或呈阶梯状逐层变浅；所述的小对称雪晶状翅片槽51、52是半圆弧状根槽、54是短对称雪晶状翅片槽、大对称雪晶状翅片槽5和大单雪晶状翅片槽55的槽顶部位的槽角度数为10°～30°，槽根部位的槽形角范围0°<α<90°(槽形角即是各槽形叶片对角线与槽型对称轴的夹角)，推荐范围α＝5°～45°。
实施例二
参照图3，本实施例与实施例一的不同之处是所述三维似雪花状槽型根据密封环的宽度或直径的大小不同，取三维似雪花状槽型的不同部分作为导引槽或回流槽。其余结构与实施方式与实施例一相同。
实施例三
参照图4，本实施例与实施例一、二的不同之处是所述的动圆环或静圆环端面的外径侧设置三维似雪花状槽型，内径侧设置各种微型孔。所述的各种微型孔11为微米尺度的深孔，深度范围0.15～2mm(不包括15μm)。微孔直径或边长范围为10μm～0.8mm(包括0.8mm)，长短轴比的范围取1～20，面积密度范围为0.1～0.5；所述的各种微型孔可为三角形、圆形、菱形、正方形、矩形或椭圆形等，且各孔间距最小间隙为0.4mm。其余结构和实施方式与实施例一、二相同。
实施例四
参照图5，本实施例与实施例三的不同之处是所述三维似雪花状槽型根据密封环的宽度或直径的大小不同，取三维似雪花状槽型的不同部分作为导引槽或回流槽。其余结构与实施方式与实施例三相同。
本说明书实施例所述内容仅是对发明构思实现形式的列举，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 (9)

1.一种具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，它包括：机械密封的动圆环和静圆环，两环密封端面相互贴合并相对旋转滑动，构成流体动密封面，其特征在于：所述动圆环和静圆环的内、外径处分别为高压侧和低压侧，至少在一个密封端面上蚀刻多组呈收敛状均匀分布的各种孔型和三维似雪花状流体槽型；设内、外径侧与孔型间或相邻两孔型间的环形未开槽区统称为密封坝；所述的各种孔型具有明显的方向性或无方向性，且方向性孔的长轴与通过该孔中心的密封端面直径的夹角为其倾斜角度，并用该角度来表征孔的方向性；所述三维似雪花状槽型是毫米尺度的浅槽或深槽，并分别呈圆周状均匀分布于密封端面的高压侧或低压侧，介质为气体时只有浅槽；
所述各种孔型沿径向方向在密封端面的外径侧或内径侧连续分布，各种孔型和三维似雪花状槽型沿密封端面周向呈连续或断续的周期性分布和中心对称排布；
所述三维似雪花状槽型的槽顶部位的槽角度数为10°～30°，槽根部位的槽形角0°<|α|<90°，槽形角即是各槽形叶片的对角线与槽型对称轴的夹角。
2.根据权利要求1所述的具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，其特征在于：所述的各种孔型是毫米尺度或微米尺度的孔型组合构成，其深度范围为2～2000μm；
所述的三维似雪花状槽型设置在端面的外径侧或内径侧，沿径向延伸且由高压侧到低压侧方向的宽度逐渐变窄，或者由高压侧到低压侧方向的宽度逐渐变宽，且槽体根部与外径边缘或内径边缘相贯穿从而连通密封介质，其中一部分为泵汲口，另一对称部分为回流口；所述三维似雪花状槽型是微米深度的浅槽或毫米深度的深槽，其深度范围为2～200μm或0.2～15mm，且为等深。
3.根据权利要求2所述的具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，其特征在于：所述各种孔型为毫米尺度的深孔或微米尺度的浅孔，其中浅孔的深度范围2～15μm；深孔的深度范围0.15～2mm，不包括0.15mm；微孔直径或边长范围为10μm～0.8mm；大孔直径或边长范围取为0.8～10mm，不包括0.8mm；长短轴比的范围取1～10，面积密度范围为0.05～0.45。
4.根据权利要求2所述的具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，其特征在于：所述三维似雪花状槽型是毫米尺度的浅槽或深槽，以其对称轴为界呈左右对称分布，浅槽深度范围为2～20μm，深槽深度范围为0.2～5mm；介质为液体时浅槽深度为5～20μm，深槽深度为0.2～5mm；所述介质为气体时的浅槽，其深度为2～8μm。
5.根据权利要求1所述的具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，其特征在于：所述三维似雪花状槽型的浅槽为等深槽，而深槽为等深或变深槽；变深槽深度由高压侧到低压侧是呈直线状倾斜变浅的，或者呈阶梯状逐层变浅。
6.根据权利要求1所述的具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，其特征在于：所述各种孔型在密封端面上的截面形状为圆形、正方形、菱形、三角形、矩形、正六边形或椭圆形，且方向性孔的倾角为0°～360°。
7.根据权利要求1所述的具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，其特征在于：所述各种孔型或三维似雪花状槽型环带的低压侧、高压侧或各孔型带间存在着环形密封坝，且其径向宽度范围为0.5～6mm。
8.根据权利要求1所述的具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，其特征在于：所述三维似雪花状槽型的根部边界为圆弧，圆弧与密封端面的内径圆是完全重合的。
9.根据权利要求1所述的具有各种孔型与三维似雪花状槽型相结合的机械密封结构，其特征在于：所述的各种孔型的周向列数为8～240，所述的三维似雪花状槽型的槽组数为4～30。
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