CN106015571A - 一种具有仿枫叶形槽的机械密封环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有仿枫叶形槽的机械密封环。在密封环的端面周向均匀分布2~50个仿枫叶形槽，槽深为1～100μm，所述仿枫叶形槽由一个径向直线槽和五个槽组成，其中四个槽对称分布于径向直线槽两侧，另一个槽与径向直线槽近密封环内径端连接，径向直线槽开口于密封环外径边缘；所述仿枫叶形槽为径向中轴对称。适用于单向旋转和双向旋转机械，用于液体密封或干气密封，可有效降低密封端面磨损，具有较好的导流效果，更好的开启力和更小的泄漏量，使得其具有更好的密封效果和动压性能，运行更加稳定，适用范围更广泛，节约成本。

Description

一种具有仿枫叶形槽的机械密封环
技术领域
本发明涉及一种具有特殊形状槽的机械密封环，尤其是一种具有仿枫叶形槽的机械密封环，可用于压缩机、膨胀机、泵等旋转机械的密封，属流体机械轴密封技术领域。
背景技术
目前，非接触式机械密封以其非接触、磨损小、低能耗、稳定性能好等优良性能成为旋转式流体机械优先选择的轴端密封。在密封环上开出各种流体动压槽，可以在密封环的端面形成稳定的液膜或气膜，说明槽型对流体膜流场有明显的影响，对流体膜的刚度、承载能力、有决定性的作用。在非接触式机械密封应用最广泛的槽型是螺旋槽，螺旋槽具有较好的气膜刚度和较强的承载力，但由于槽型的非结构对称性，导致螺旋槽不可双向旋转。在有些工况条件下，需要密封环可以双向旋转，但是目前的可双向旋转密封环存在动压效应差、在低速低压条件下的密封性能不理想等问题，如何去解决这些问题成为当今研究新槽型的热点。
发明内容
本发明目的是提供一种密封效果和动压性能更好的具有仿枫叶形槽的机械密封环。
本发明所采用的技术方案是：
一种具有仿枫叶形槽的机械密封环，在密封环1的端面周向均匀分布2~50个仿枫叶形槽，所述仿枫叶形槽由一个径向直线槽4和五个槽（槽Ⅰ2-槽Ⅴ7）组成，槽Ⅰ2-槽Ⅳ6对称分布于径向直线槽4两侧，槽Ⅰ2与槽Ⅳ6相同，槽Ⅱ3与槽Ⅲ5相同，槽Ⅴ7与径向直线槽4近密封环1内径端连接，径向直线槽4开口于密封环1外径边缘，所述仿枫叶形槽为径向中轴对称，如图1所示。
如图2所示，径向直线槽4的周向长度W1为1~20mm；槽Ⅱ3端点到槽Ⅲ5端点间的周向长度W2与W1的比值为2~10；槽Ⅰ2端点到槽Ⅳ6端点间的周向长度W3与W2的比值为2～4；槽Ⅴ7最宽处周向长度W4与W1的比值为2～4。
槽Ⅲ5和槽Ⅳ6（或槽Ⅰ2与槽Ⅱ3）间夹角α为10º~90º；槽Ⅳ6和槽Ⅴ7（或槽Ⅰ2与槽Ⅴ7）间夹角β为10º~90º；槽Ⅲ5和径向直线槽4（或槽Ⅱ3和径向直线槽4）间夹角γ为30º~90º。
仿枫叶形槽的槽深从高压侧向低压侧径向直线变浅（斜底槽）（如图3所示），或等梯级变浅（台阶槽）（如图4所示），梯级数目为2～10个，每一梯级深度为1～10μm。
仿枫叶形槽的槽深沿周向从中心向两侧直线变浅（斜底槽）（如图5所示），或等梯级变浅（台阶槽）（如图6所示），梯级数目为2～10个，每一梯级深度为1～10μm。
仿枫叶形槽的边缘线型可以是弧线、直线、螺旋线、锯齿线中的任意一种。
所述槽可以是弧线槽、矩形槽、螺旋槽、三角形槽中的任意一种。
本发明具有的有益效果：
1、本发明所述仿枫叶形槽是仿照枫叶的外形而设计的一种槽型，其具有较好的导流效果，更大的开启力和更小的泄漏量，使得其具有更好的密封性能。
2、由于仿枫叶形槽周向长度较长，可以使流体膜连续不断产生动压，产生较大的开启力和气膜刚度，使得运行更加稳定。
3、由于可以改变槽之间的夹角和径向直线槽的宽度等结构参数使得密封环适用于在不同工况压力下都能正常开启运行，适用范围更广泛。
4、由于槽型结构的对称性，密封环在安装时无旋向要求，既可单向又可双向旋转，有效的节约成本。
附图说明
图1为具有仿枫叶形槽的机械密封环的结构示意图；
图2为图1的局部放大示意图；
图3为仿枫叶形槽槽深从高压侧向低压侧径向直线变浅示意图；
图4为仿枫叶形槽槽深从高压侧向低压侧径向等梯级变浅示意图；
图5为仿枫叶形槽槽深沿周向从中心向两侧直线变浅示意图；
图6为仿枫叶形槽槽深沿周向从中心向两侧等梯级变浅示意图；
图中：1-密封环，2-弧线槽Ⅰ，3-弧线槽Ⅱ，4-径向直线槽，5-弧线槽Ⅲ，6-弧线槽Ⅳ，7-弧线槽Ⅴ，8-槽底；W1-径向直线槽4的周向长度，W2-弧线槽Ⅱ3端点到弧线槽Ⅲ5端点的周向长度，W3-弧线槽Ⅰ2端点到弧线槽Ⅳ6端点的周向长度，W4-弧线槽Ⅴ最宽处周向长度；α-弧线槽Ⅲ5和弧线槽Ⅳ6间夹角，β-弧线槽Ⅳ6和弧线槽Ⅴ7间夹角，γ-弧线槽Ⅲ5和径向直线槽4间夹角。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明，但本发明的内容不限于实施例及附图所示。
实施例1
如图1、图2和图3所示，一种具有仿枫叶形槽的机械密封环，在密封环1的端面周向均匀分布6个仿枫叶形槽，所述仿枫叶形槽由一个径向直线槽和五个弧线槽（弧线槽Ⅰ2-弧线槽Ⅴ7）组成，弧线槽Ⅰ2-弧线槽Ⅳ6对称分布于径向直线槽4两侧，弧线槽Ⅰ2与弧线槽Ⅳ6相同，弧线槽Ⅱ3与弧线槽Ⅲ5相同，弧线槽Ⅴ7与径向直线槽4近密封环1内径端连接，高压侧在密封环1的外径，径向直线槽4开口于密封环1外径边缘，所述仿枫叶形槽为径向中轴对称。仿枫叶形槽边缘线型为弧线。密封环1未开槽区域构成密封堰。
径向直线槽4的周向长度W1为5mm，弧线槽Ⅱ3端点到弧线槽Ⅲ5端点间的周向长度W2与W1的比值为10，弧线槽Ⅰ2端点到弧线槽Ⅳ6端点间的周向长度W3与W2的比值为2，弧线槽Ⅴ7最宽处周向长度W4与W1的比值为4。
弧线槽Ⅲ5和弧线槽Ⅳ6（或弧线槽Ⅰ2与弧线槽Ⅱ3）间夹角α为10º；弧线槽Ⅳ6和弧线槽Ⅴ7（或弧线槽Ⅰ2与弧线槽Ⅴ7）间夹角β为60º；弧线槽Ⅲ5和径向直线槽4（或弧线槽Ⅱ3和径向直线槽4）间夹角γ为90º。
仿枫叶形槽的槽深为从高压侧向低压侧径向直线变浅（斜底槽），槽深从10μm变浅至1μm。
将本实施例所述的具有仿枫叶形槽的机械密封环与现有技术的T形槽和径向直线槽进行对比实验。工况参数：外压Po=4.5852MPa，内压Pi=0.1013MPa，转速r=1087.08rad/s，工作温度T=30℃。实验结果如下表所示：
。
实验结果表明，本发明所述具有仿枫叶形槽的机械密封环的开启力远远大于T形槽和径向直线槽，而泄漏量又远远低于T形槽和径向直线槽，也就是说，与现有技术相比，本发明具有更大的开启力和更小的泄漏量，由此可知，本发明所述具有仿枫叶形槽的机械密封环具有更好的密封性能。
实施例2
参照实施例1的结构，将弧线槽用矩形槽替换。
一种具有仿枫叶形槽的机械密封环，在密封环的端面周向均匀分布2个仿枫叶形槽，所述仿枫叶形槽由一个径向直线槽和五个矩形槽（矩形槽Ⅰ-矩形槽Ⅴ）组成，矩形槽Ⅰ-矩形槽Ⅳ对称分布于径向直线槽两侧，矩形槽Ⅰ与矩形槽Ⅳ相同，矩形槽Ⅱ与矩形槽Ⅲ相同，矩形槽Ⅴ与径向直线槽近密封环内径端连接，高压侧在密封环的外径，径向直线槽开口于密封环外径边缘，所述仿枫叶形槽为径向中轴对称。仿枫叶形槽边缘线型为锯齿线。
径向直线槽的周向长度为20mm，矩形槽Ⅱ端点到矩形槽Ⅲ端点间的周向长度与径向直线槽的周向长度的比值为2，矩形槽Ⅰ端点到矩形槽Ⅳ端点间的周向长度与矩形槽Ⅱ端点到矩形槽Ⅲ端点间的周向长度的比值为2，矩形槽Ⅴ最宽处周向长度与径向直线槽的周向长度的比值为2。
矩形槽Ⅲ和矩形槽Ⅳ（或矩形槽Ⅰ与矩形槽Ⅱ）间夹角为80º；矩形槽Ⅳ和矩形槽Ⅴ（或矩形槽Ⅰ与矩形槽Ⅴ）间夹角为10º；矩形槽Ⅲ和径向直线槽（或矩形槽Ⅱ和径向直线槽）间夹角为30°。
仿枫叶形槽的槽深从高压侧向低压侧径向直线变浅（斜底槽），槽深由100μm变浅至10μm，如图3所示。
实施例3
参照实施例1的结构，将弧线槽用螺旋槽替换。
一种具有仿枫叶形槽的机械密封环，在密封环的端面周向均匀分布50个仿枫叶形槽，所述仿枫叶形槽由一个径向直线槽和五个螺旋槽（螺旋槽Ⅰ-螺旋槽Ⅴ）组成，螺旋槽Ⅰ-螺旋槽Ⅳ对称分布于径向直线槽两侧，螺旋槽Ⅰ与螺旋槽Ⅳ相同，螺旋槽Ⅱ与螺旋槽Ⅲ相同，螺旋槽Ⅴ与径向直线槽近密封环内径端连接，高压侧在密封环的外径，径向直线槽开口于密封环外径边缘，所述仿枫叶形槽为径向中轴对称。仿枫叶形槽边缘线型为螺旋线。
径向直线槽的周向长度为10mm，螺旋槽Ⅱ端点到螺旋槽Ⅲ端点间的周向长度与径向直线槽的周向长度的比值为6，螺旋槽Ⅰ端点到螺旋槽Ⅳ端点间的周向长度与螺旋槽Ⅱ端点到螺旋槽Ⅲ端点间的周向长度的比值为3，螺旋槽Ⅴ最宽处周向长度与径向直线槽的周向长度的比值为3。
螺旋槽Ⅲ和螺旋槽Ⅳ（或螺旋槽Ⅰ与螺旋槽Ⅱ）间夹角为90º；螺旋槽Ⅳ和螺旋槽Ⅴ（或螺旋槽Ⅰ与螺旋槽Ⅴ）间夹角为60º；螺旋槽Ⅲ和径向直线槽（或螺旋槽Ⅱ和径向直线槽）间夹角为30º。
仿枫叶形槽的槽深从高压侧向低压侧径向等梯级变浅（台阶槽），梯级数目为2个，每一梯级的深度为10μm，如图4所示。
实施例4
参照实施例1的结构，将弧线槽用三角形槽替换。
一种具有仿枫叶形槽的机械密封环，在密封环的端面周向均匀分布30个仿枫叶形槽，所述仿枫叶形槽由一个径向直线槽和五个三角形槽（三角形槽Ⅰ-三角形槽Ⅴ）组成，三角形槽Ⅰ-三角形槽Ⅳ对称分布于径向直线槽两侧，三角形槽Ⅰ与三角形槽Ⅳ相同，三角形槽Ⅱ与三角形槽Ⅲ相同，三角形槽Ⅴ与径向直线槽近密封环内径端连接，高压侧在密封环的外径，径向直线槽开口于密封环外径边缘，所述仿枫叶形槽为径向中轴对称。仿枫叶形槽边缘线型为直线。
径向直线槽的周向长度为1mm，三角形槽Ⅱ端点到三角槽Ⅲ端点间的周向长度与径向直线槽的周向长度的比值为8，三角形槽Ⅰ端点到三角形槽Ⅳ端点间的周向长度与三角形槽Ⅱ端点到三角槽Ⅲ端点间的周向长度的比值为4，三角形槽Ⅴ最宽处周向长度与径向直线槽的周向长度的比值为4。
三角形槽Ⅲ和三角形槽Ⅳ（或三角形槽Ⅰ与三角形槽Ⅱ）间夹角为30º；三角形槽Ⅳ和三角形槽Ⅴ（或三角形槽Ⅰ与三角形槽Ⅴ）间夹角为90º；三角形槽Ⅲ和径向直线槽（或三角形槽Ⅱ和径向直线槽）间夹角为60º。
仿枫叶形槽的槽深从高压侧向低压侧径向等梯级变浅（台阶槽），梯级数目为10个，每一梯级的深度为1μm，如图4所示。
实施例5
参照实施例1的结构，本实施例与实施例1不同之处在于，仿枫叶形槽的槽深沿周向从中心向两侧直线变浅（斜底槽），槽深从80μm变浅至20μm，如图5所示。
实施例6
参照实施例1的结构，本实施例与实施例1不同之处在于，仿枫叶形槽的槽深沿周向从中心向两侧等梯级变浅（台阶槽），梯级数目为10个，每一梯级深度为1μm，如图6所示。
实施例7
参照实施例1的结构，本实施例与实施例1不同之处在于，仿枫叶形槽的槽深沿周向从中心向两侧等梯级变浅（台阶槽），梯级数目为2个，每一梯级的深度为10μm，如图6所示。

Claims (11)

1.一种具有仿枫叶形槽的机械密封环，其特征在于，在密封环（1）的端面周向均匀分布多个仿枫叶形槽，所述仿枫叶形槽由一个径向直线槽（4）和五个槽组成，槽Ⅰ（2）、槽Ⅱ（3）、槽Ⅲ（5）、槽Ⅳ（6）对称分布于径向直线槽（4）两侧，槽Ⅰ（2）与槽Ⅳ（6）相同，槽Ⅱ（3）与槽Ⅲ（5）相同，槽Ⅴ（7）与径向直线槽（4）近密封环（1）内径端连接，径向直线槽（4）开口于密封环（1）外径边缘；所述仿枫叶形槽为径向中轴对称。
2.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，仿枫叶形槽数量为2~50个。
3.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，径向直线槽（4）的周向长度W1为1~20mm；槽Ⅱ（3）端点到槽Ⅲ（5）端点间的周向长度W2与W1的比值为2~10；槽Ⅰ（2）端点到槽Ⅳ（6）端点间的周向长度W3与W2的比值为2～4；槽Ⅴ（7）最宽处周向长度W4与W1的比值为2～4。
4.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，槽Ⅲ（5）和槽Ⅳ（6）间夹角α等于槽Ⅰ（2）与槽Ⅱ（3）间夹角，为10º~90º；槽Ⅳ（6）和槽Ⅴ（7）间夹角β等于槽Ⅰ（2）与槽Ⅴ（7）间夹角，为10º~90º；槽Ⅲ（5）和径向直线槽（4）间夹角γ等于槽Ⅱ（3）和径向直线槽（4）间夹角，为30º~90º。
5.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，仿枫叶形槽的边缘线型为弧线、直线、螺旋线、锯齿线中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，所述槽为弧线槽、矩形槽、螺旋槽、三角形槽中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，仿枫叶形槽槽深为1～100μm。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的机械密封环，其特征在于，仿枫叶形槽的槽深从高压侧向低压侧径向直线变浅。
9.根据权利要求1至7任意一项所述的机械密封环，其特征在于，仿枫叶形槽的槽深从高压侧向低压侧径向等梯级变浅，梯级数目为2～10个，每一梯级的深度为1～10μm。
10.根据权利要求1至7任意一项所述的机械密封环，其特征在于，仿枫叶形槽的槽深沿周向从中心向两侧直线变浅。
11.根据权利要求1至7任意一项所述的机械密封环，其特征在于，仿枫叶形槽的槽深沿周向从中心向两侧等梯级变浅，梯级数目为2～10个，每一梯级的深度为1～10μm。
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