CN106122482B - 一种低泄漏非接触机械密封端面结构 - Google Patents

一种低泄漏非接触机械密封端面结构 Download PDF

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Abstract

一种低泄漏非接触机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，动环以及静环的密封端面外端作为高压侧即上游，密封端面内端作为低压侧即下游，所述动环或静环端面低压侧设有多条弧形槽以及与弧形槽一一对应的回流槽；所述动环或静环端面高压侧上周期性分布多个扇形微孔阵列，弧形槽以及扇形微孔阵列均沿密封端面周向排布成以密封端面中心为圆心的环形；位于弧形槽下游的密封端面上设有一连续的环形密封坝，密封端面位于弧形槽上游未开槽区域设有用于限流和密封的密封堰。本发明的有益效果是：在各种复杂工况下易实现零泄漏，摩擦学性能优良，承载性能和稳定性良好，使用寿命长。

Description

一种低泄漏非接触机械密封端面结构
技术领域
本发明涉及一种低泄漏非接触机械密封端面结构。
背景技术
机械密封在使用过程中受介质压力的影响极大。在低压工况下，机械密封端面往往难以实现非接触而造成端面摩擦磨损严重而易失效，若端面实现非接触则因密封间隙的存在会产生较大的泄漏。为改善机械密封的承载性能，降低泄漏率，减小摩擦磨损，延长密封使用寿命，通过改变端面的表面形貌或织构，从而增强流体动压润滑性能、泵送回流能力和空化效应是行之有效的方法。
Etison等认为空化是形成端面开启力的重要原因并提出了激光加工多孔端面机械密封(见Tribology Transactions,1996,39(3):pp677)，改善了机械密封的承载性能和抗摩擦磨损性能，但在泄漏方面没有明显的优势。美国专利(USA Patent 4,290,611)公开了上游泵送机械密封，机械密封的密封性能有了一定的改善，但是空化作用过大将会产生负的液膜刚度，导致密封系统的稳定性低。美国专利(US5529317“Floating ring sealwith return structures and process for making it”和US7194803“Seal ring andmethod of forming micro-topography ring surfaces”)公开了具有泵送回流功能的激光脸端面密封，基于此，国内专利ZL200920043048.5“机械密封装置的摩擦环”公布了一种具有类似功能的机械密封，但这类密封在实际应用中效果并不理想。以上国外或国内机械密封专利技术均存在以下问题：(1)针对机械密封某一方面的性能进行了改进；(2)在低压工况下实现非接触稳定运行存在问题；(3)液膜空化产生的气泡能阻止端面的泄漏和减少端面摩擦，实现空化减阻，但由于空化效应减漏降阻提高承载性能的作用机理和程度尚不清晰，故效果不是很明显。
发明内容
为了克服机械密封已有技术中抗泄漏特性、摩擦磨损性能不良，液膜承载能力低，在低压工况下实现非接触稳定运行难，启停性能差的问题，本发明提供一种在各种复杂工况下易实现零泄漏，摩擦学性能优良，承载性能和稳定性良好，使用寿命长的低泄漏非接触机械密封端面结构。
本发明所述的一种低泄漏非接触机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环以及所述的静环的密封端面外端作为高压侧即上游，密封端面内端作为低压侧即下游，其特征在于：所述动环或静环密封端面的低压侧设有多条弧形槽以及与弧形槽一一对应的回流槽，每条弧形槽的一端与相应动环或静环上对应的并沿密封端面径向分布的回流槽连通，回流槽的低压端与相应的弧形槽的一端连通，回流槽的高压端延伸至相应密封端面高压侧；所述的密封端面高压侧上周期性分布多个扇形微孔阵列，所述的弧形槽以及所述的扇形微孔阵列均沿相应的密封端面周向排布成以密封端面中心为圆心的环形；位于所述的弧形槽下游的所述密封端面上设有一连续的环形密封坝，所述的密封端面位于弧形槽上游未开槽区域设有用于限流和静密封的密封堰，其中所述的未开槽区域包括相邻的扇形微孔阵列之间区域、回流槽与相邻弧形槽之间区域和弧形槽与扇形微孔阵列之间区域。
所述的动环或静环密封端面的低压侧设有两条半圆形的弧形槽以及两条对称径向分布的回流槽，其中每条弧形槽对应连通一条沿密封端面径向分布的回流槽。
所述扇形微孔阵列周期数为6～20；单个微孔阵列径向个数为4～10个，周向个数为6～30个；阵列径向宽度为端面宽度的1/5～1/2，周向宽度为周期性结构宽度的1/2～4/5。
所述弧形槽的槽线由螺旋线、圆弧线或两者组合而成，若弧形槽的槽线为螺旋线，则螺旋线螺距为0～5mm；单个弧形槽周向角度为130～170°，径向回流槽周向角度为5～10°；弧形槽径向宽度为端面宽度的1/5～1/3。
所述弧形槽为等深槽或深度渐变发散槽，若为渐变发散槽，则回流槽与弧形槽的最深端相接，槽深选值范围为20～200μm，所述扇形微孔阵列中的微孔为等深微孔，微孔深度选值范围为1～20μm。
本发明的工作原理：介质侧流体由于压差流进入动环或者静环的密封端面间隙，密封动环的旋转运动产生剪切流，流体进入扇形微孔阵列，当流体流出微孔时由于密封间隙变小，挤压效应增大，在扇形微孔阵列的每个微孔出口区域产生高压区，一部分流体沿密封环外径返回介质侧，形成泵送部分，一部分流体进入环形密封堰区，导致高压区扩展，使开启力进一步增大。由于间隙的发散导致弧形槽区域压力比两侧压力低，导致坝区的流体和堰区的部分流体被抽吸到弧形槽区域，最后由径向回流槽引导到上游侧，在几种型槽的协同作用下形成回流泵送功能，同时空化槽区域由于空化导致摩擦磨损降低。尤其适用于低压工况下的轴端密封，如风力发电机组及潮汐发电机组齿轮增速箱中的轴端密封，也可应用于低压工况下离心泵等其它设备的轴端密封。
本发明的有益效果：
(1)密封环端面上特有的弧形槽和径向回流槽的组合织构作用下，使得整个弧形槽区域内流体发生空化，产生的空化气泡导致密封性能极佳，同时使得端面摩擦系数大大降低。
(2)由于密封堰区的存在，导致间断分布的扇形微孔阵列产生较强的流体动压效应，使得低压工况下实现端面的非接触运行，摩擦磨损降低，寿命大大延长。
(3)在几种型槽的协同作用下形成了极强的泵送回流能力，在低压条件下的各种工况下极易实现零泄漏。
(4)流体动压微织构、空化槽及特设的密封堰区三种微织构的复合，使得机械密封综合性能大大优化。
附图说明
图1是本发明的结构图(其中，A代表高压侧即上游；B代表低压侧即下游)。
图2是本发明的弧形槽示意图之一，其中弧形槽为螺旋线与圆弧线组成的等深弧形槽(其他部件省略，仅画出弧形槽)。
图3是本发明的弧形槽示意图之二，其中弧形槽为圆弧线组成的等深弧形槽(其他部件省略，仅画出弧形槽)。
图4是本发明流体动压微织构部分典型结构示意图，图中标示：为圆形等深微孔构成的扇形微孔阵列结构。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
本发明所述的一种低泄漏非接触机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环以及所述的静环的密封端面外端作为高压侧即上游，密封端面内端作为低压侧即下游，所述的动环或静环密封端面的低压侧设有多条弧形槽1以及与弧形槽一一对应的回流槽2，每条弧形槽1的一端与相应动环或静环上对应的并沿密封端面径向分布的回流槽2连通，回流槽2的低压端与相应的弧形槽1的一端连通，回流槽2的高压端延伸至相应的密封端面高压侧；所述的动环或静环密封端面高压侧上周期性分布多个扇形微孔阵列3，所述的弧形槽1以及所述的扇形微孔阵列3均沿相应的密封端面周向排布成以密封端面中心为圆心的圆环形；位于所述的弧形槽1下游的所述的密封端面上设有一连续的环形密封坝4，所述的密封端面位于弧形槽1上游未开槽区域设有用于限流和静密封的密封堰(5、6、7)，其中所述的未开槽区域包括相邻的扇形微孔阵列之间区域、回流槽与相邻弧形槽之间区域和弧形槽与扇形微孔阵列之间区域。
所述的动环或静环密封端面低压侧设有两条半圆形的弧形槽1以及两条对称径向分布的回流槽2，其中每条弧形槽1对应连通一条沿密封端面径向分布的回流槽2。
所述扇形微孔阵列3周期数为6～20；单个微孔阵列径向个数为4～10个，周向个数为6～30个；阵列径向宽度为端面宽度的1/5～1/2，周向宽度为周期性结构宽度的1/2～4/5。
所述弧形槽1的槽线由螺旋线、圆弧线或两者组合而成，若弧形槽的槽线为螺旋线，则螺旋线螺距为0～5mm；单个弧形槽周向角度为130～170°，径向回流槽周向角度为5～10°；弧形槽径向宽度为端面宽度的1/5～1/3。
所述弧形槽1为等深槽或深度渐变发散槽，若为渐变发散槽，则回流槽2与弧形槽1的最深端相接，槽深选值范围为20～200μm，所述扇形微孔阵列中的微孔为等深微孔，微孔深度选值范围为1～20μm。
本发明的工作原理：介质侧流体由于压差流进入动环或者静环的密封端面间隙，密封动环的旋转运动产生剪切流，流体进入扇形微孔阵列3，当流体流出微孔时由于密封间隙变小，挤压效应增大，在扇形微孔阵列的每个微孔出口区域产生高压区，一部分流体沿密封环外径返回介质侧，形成泵送部分，一部分流体进入环形密封堰6，导致高压区扩展，使开启力进一步增大。由于间隙的发散导致弧形槽1区域压力比两侧压力低，导致密封坝4区的流体和密封堰区(6、7)的部分流体被抽吸到弧形槽1区域，最后由径向回流槽2引导到上游侧，在几种型槽的协同作用下形成回流泵送功能，同时弧形槽(也是空化槽)1区域由于空化导致摩擦磨损降低。尤其适用于低压工况下的轴端密封，如风力发电机组及潮汐发电机组齿轮增速箱中的轴端密封，也可应用于低压工况下离心泵等其它设备的轴端密封。
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包括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 (3)

1.一种低泄漏非接触机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环以及所述的静环的密封端面外端作为高压侧即上游，密封端面内端作为低压侧即下游，其特征在于：所述的动环或静环密封端面的低压侧设有两条半圆形的弧形槽以及两条对称径向分布的回流槽，每条弧形槽的一端与相应动环或静环上对应的并沿密封端面径向分布的回流槽连通，回流槽的低压端与相应的弧形槽的一端连通，回流槽的高压端延伸至相应的动环或者静环的密封端面高压侧；所述的动环或静环密封端面的高压侧周期性分布多个扇形微孔阵列，所述的弧形槽以及所述的扇形微孔阵列均沿相应的密封端面周向排布成以密封端面中心为圆心的环形；位于所述的弧形槽下游的所述的动环或者所述的静环密封端面上设有一连续的环形密封坝，所述的密封端面位于弧形槽上游未开槽区域设有用于限流和静密封的密封堰，其中所述的未开槽区域包括相邻的扇形微孔阵列之间区域、回流槽与相邻弧形槽之间区域和弧形槽与扇形微孔阵列之间区域；所述弧形槽为深度渐变发散槽，回流槽与弧形槽最深端相接，槽深选值范围为20～200μm，所述扇形微孔阵列中的微孔为等深微孔，微孔深度选值范围为1～20μm。
2.如权利要求1所述的一种低泄漏非接触机械密封端面结构，其特征在于：所述扇形微孔阵列周期数为6～20；单个微孔阵列径向个数为4～10个，周向个数为6～30个；阵列径向宽度为端面宽度的1/5～1/2，周向宽度为周期性结构宽度的1/2～4/5。
3.如权利要求1所述的一种低泄漏非接触机械密封端面结构，其特征在于：所述弧形槽的槽线由螺旋线、圆弧线或两者组合而成，若弧形槽的槽线为螺旋线，则螺旋线螺距为0～5mm；单个弧形槽周向角度为130～170°，径向回流槽周向角度为5～10°；弧形槽径向宽度为端面宽度的1/5～1/3。
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