CN106352093B - 一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于密封装置技术领域，具体涉及一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构，包括设置于机械设备的壳体和旋转轴之间的动环和静环座，旋转轴上套设有轴套，动环与轴套之间设有动环用密封圈，静环与静环座之间设有弹簧，动环右端面设有密封坝以及四个以上相互对称的树形槽、密封堰，树形槽沿径向均匀分布于动环右端面的外缘，密封坝位于动环右端面的内侧，动环右端面设有集流环槽，集流环槽位于所有树形槽根部，集流环槽内径向均匀分布设有多个引流孔道，动环与壳体之间为密封腔体，引流孔道连通集流环槽和密封腔体。其目的是用来克服现有双向旋转流体动压机械密封存在流体动压效应小、泄漏量大以及缺乏抗颗粒干扰能力的缺陷。

Description

一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构

技术领域

本发明属于密封装置技术领域，具体涉及一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构。

背景技术

现有的单旋向的机械密封，如美国US4212475公开的一种具有单列螺旋槽的流体动静压结合型非接触式机械密封、US5201521公开的一种流体动压型双列螺旋槽端面密封装置、中国专利ZL96108614.9 公开的双环带螺旋槽端面密封、ZL201020106087.8公开的离心机干气密封等，这些螺旋槽机械密封仅适用于单向旋转，且其形成流体动压的介质都是泵入槽内的，在型槽根部产生较高的压力，从而形成端面开启力，减小密封端面的摩擦，但同时却又增大了动环和静环端面间的泄漏；虽然双列螺旋槽机械密封装置利用两列螺旋槽所产生的泵汲压差与密封端面内外两侧流体压差相平衡，在一定程度上克服了单列螺旋槽机械密封泄漏率大的缺陷，但其较为复杂的结构，大的安装空间要求，仅适用于密封端面两侧流体压差不大的工况，加上单旋向的性能特点，极大地限制了其应用范围。现有的双旋向的机械密封，如中国专利201210041042.5“似蘑菇型槽双向旋转流体动压型机械密封结构”、 201010211454.5“可双向旋转的气体润滑非接触机械密封装置”、美国专利US5090712等，较好地解决了旋转机械正反旋转时的密封困难，这些机械密封是在动静环端面开设一定数量的、具有轴对称性几何形状的型槽，无论旋转轴正转还是反转，都有一半数量的型槽利用旋转时汲入的流体产生流体动压效应，形成分离相互贴合的动、静环密封端面的开启力，使动静环端面脱离接触减小磨损，并在两个端面之间形成连续、稳定的一层具有一定刚度的流体膜，阻止流体的泄漏。大量文献已证明此类双旋向机械密封开启性能较单向槽型差，特别容易在密封启动和停车阶段形成密封接触，造成密封的早期失效，而且对流体洁净度要求较高，需要相关辅助过滤系统。ZL201310201473.3“自泵送流体动压型机械密封”的提出很好地解决了这一问题。但是，其仍然存在旋向选择性不足、开启压力不稳定的问题。

发明内容

本发明的目的是：旨在提供一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构，用来克服现有双向旋转流体动压机械密封存在流体动压效应小、泄漏量大以及缺乏抗颗粒干扰能力的缺陷。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构，包括设置于机械设备的壳体和旋转轴之间的动环和静环座，所述旋转轴上套设有轴套，所述轴套右端设有第一紧定螺钉，所述轴套通过第一紧定螺钉固定在旋转轴上，所述动环左端设有第二紧定螺钉，所述动环通过第二紧定螺钉固定在轴套上，所述动环与轴套之间设有动环用密封圈，所述静环座内设有静环，所述静环与静环座内孔之间设有静环用密封圈，所述静环沿径向开设有导向槽，所述导向槽内设有防转销，所述防转销的自由端卡设在静环座上，所述静环与静环座之间设有弹簧，所述壳体与静环座之间设有第一密封圈，

所述动环右端面设有密封坝以及四个以上相互对称的树形槽、密封堰，所述树形槽沿径向均匀分布于动环右端面的外缘，所述树形槽由上端左侧面、上端右侧面、下端左侧面和下端右侧面构成，

所述密封坝位于动环右端面的内侧，所述相邻两个树形槽之间的密封面为密封堰，所述动环右端面设有集流环槽，所述集流环槽位于所有树形槽根部，所述集流环槽内径向均匀分布设有多个引流孔道，所述动环与壳体之间为密封腔体，所述引流孔道连通集流环槽和密封腔体，所述静环左端面设有锥面。

这样的结构设计，在旋转轴正转时，上端左侧面为上端迎风面，上端右侧面为上端背风面，下端左侧面为下端迎风面，下端右侧面为下端背风面；

当旋转轴反转时上端左侧面为上端背风面，上端右侧面为上端迎风面，下端左侧面为下端背风面，下端右侧面为下端迎风面，

采用相互对称的树形槽，可以实现在正转或反转时树形槽的迎风面和背风面交替实现流体回吸功能，依次保证任意选项时皆可产生稳定的流体动压；

所谓流体回吸功能，即在动环处于某一固定转向时，密封腔内的介质沿树形槽上端背风面楔入，由于旋转半径的减小，树形槽上端根部处流体的线速度降低，此时流体的部分动能转化为压力能，变为高压流体，部分流体被树形槽上端迎风面加速成高速流体，在离心力作用下，沿树形槽上端迎风面向动环外径侧流动而“回流”至密封腔；

部分流体进入树形槽下端，此时树形槽下端迎风面尖端形成高压区，高压区通过迎风面流入底部，通过动环引流孔道回吸至密封腔体；

背风效果使树形槽下端背风面的尖端形成负压区，反吸流经动环引流孔道侧的部分流体，通过下端背风面向上输送进而完成一次循环，每次循环都完成流体的回吸循环；

最后，密封坝处的部分泄漏流体也在树形槽下端背风面的尖端处形成负压的情况下实现回吸。

这样的结构设计，动压效应大、泄漏量小，在动环运转过程中，经过树形槽的介质，在流体回吸功能的作用下，而产生远离密封坝的流动，这就使得存在于自泵送流体中的固体颗粒不会进入密封坝区，避免了密封坝端面的颗粒磨损，实现回吸或自泵送，同时依靠树形槽的尖端效应产生动压，有助于密封副的非接触开启；这样的循环回吸，一方面，实现了机械密封的自润滑；另一方面，流体在密封面之间的不断循环，把密封面之间的摩擦热及时带走，实现了密封的自冲洗。

进一步限定，所述静环座径向开设有进气孔，所述进气孔底部设有第一进气道，所述静环设有J 形的第二进气道，所述第二进气道上端与第一进气道末端连通，所述第二进气道的末端连通静环的左端面。这样的结构设计，在起动和停车时通气对进气孔通入高压气体，气体经第一进气道进入第二进气道，对动环的右端面进行冲击，使动环的右端面与静环左端面分离，降低起动和停车阶段较高的早期失效率，克服双向旋转式流体动压型槽本身的开启性能不足缺陷。

进一步限定，所述静环座于第一进气道末端周围设有凹槽，所述凹槽内设有第二密封圈。这样的结构设计，可以减少高压气体从第一进气道进入第二进气道时发生的气体泄漏，提高高压气体的利用率。

进一步限定，所述静环左端面沿径向设有多个辅助环流槽。这样的结构设计，使介质流通更加顺畅。

进一步限定，所述第二进气道末端位于辅助环流槽中央。这样的结构设计，高压气体利用率更高。

进一步限定，所述辅助环流槽外半径小于集流环槽内半径R3。这样的结构设计，第二进气道末端不与槽型结构重合，确保密封起停中动压不损失。

进一步限定，所述锥面内半径R7大于集流环槽外半径R4，所述引流孔道与集流环槽的内径在动环右端面上相切，所述引流孔道的半径Rm大于集流环槽的槽宽，即Rm＞R4-R3。这样的结构设计，要能够把树形槽根部与引流孔道通畅连通，使得介质流动更加畅通

进一步限定，所述树形槽的数量与引流孔道的数量相等。这样的结构设计，密封效果较佳。

进一步限定，所述树形槽的数量为十二个，所述引流孔道的数量也为十二个。这样的结构设计，密封效果较佳。

进一步限定，所述静环用密封圈、动环用密封圈、第一密封圈和第二密封圈均为O型圈。这样的结构设计，密封效果更佳。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构实施例的剖视结构示意图；

图2为本发明一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构实施例中动环的端面结构示意图；

图3为本发明一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构实施例中静环的端面结构示意图；

图4为本发明一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构实施例中旋转轴正转时的流体流动状态示意图；

图5为本发明一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构实施例中旋转轴反转时的流体流动状态示意图；

主要元件符号说明如下：

壳体1、进气孔2、静环座3、防转销4、弹簧5、轴套6、第一紧定螺钉7、旋转轴8、静环9、辅助环流槽91、锥面92、静环用密封圈10、第一进气道111、第二进气道112、动环用密封圈12、引流孔道13、第二紧定螺钉14、动环15、树形槽151、密封堰152、密封坝153、集流环槽154、密封腔体16、上端左侧面171、上端右侧面172、下端左侧面173、下端右侧面174、动环内半径R1、动环外半径R2、集流环槽内半径R3、集流环槽外半径R4、引流孔道半径Rm、静环内半径R5、静环外半径R6、锥面内半径R7、第二进气道半径Rn。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

如图1、2、3、4和5所示，本发明的一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构，包括设置于机械设备的壳体1和旋转轴8之间的动环15和静环座3，旋转轴8上套设有轴套6，轴套 6右端设有第一紧定螺钉7，轴套6通过第一紧定螺钉7固定在旋转轴8上，动环15左端设有第二紧定螺钉14，动环15通过第二紧定螺钉14固定在轴套6上，动环15与轴套6之间设有动环用密封圈 12，静环座3内设有静环9，静环9与静环座3内孔之间设有静环用密封圈10，静环9沿径向开设有导向槽，导向槽内设有防转销4，防转销4的自由端卡设在静环座3上，静环9与静环座3之间设有弹簧5，壳体1与静环座3之间设有第一密封圈，

动环15右端面设有密封坝153以及四个以上相互对称的树形槽151、密封堰152，树形槽151沿径向均匀分布于动环15右端面的外缘，树形槽151由上端左侧面171、上端右侧面172、下端左侧面 173和下端右侧面174构成，

密封坝153位于动环15右端面的内侧，相邻两个树形槽151之间的密封面为密封堰152，动环 15右端面设有集流环槽154，集流环槽154位于所有树形槽151根部，集流环槽154内径向均匀分布设有多个引流孔道13，动环15与壳体1之间为密封腔体16，引流孔道13连通集流环槽154和密封腔体16，静环9左端面设有锥面92。

本实施例中，在旋转轴8正转时，上端左侧面171为上端迎风面，上端右侧面172为上端背风面，下端左侧面173为下端迎风面，下端右侧面174为下端背风面；

当旋转轴8反转时上端左侧面171为上端背风面，上端右侧面172为上端迎风面，下端左侧面173 为下端背风面，下端右侧面174为下端迎风面，

采用相互对称的树形槽151，可以实现在正转或反转时树形槽151的迎风面和背风面交替实现流体回吸功能，依次保证任意选项时皆可产生稳定的流体动压；

所谓流体回吸功能，即在动环处于某一固定转向时，密封腔16内的介质沿树形槽151上端背风面楔入，由于旋转半径的减小，树形槽151上端根部处流体的线速度降低，此时流体的部分动能转化为压力能，变为高压流体，部分流体被树形槽151上端迎风面加速成高速流体，在离心力作用下，沿树形槽151上端迎风面向动环15外径侧流动而“回流”至密封腔16；

部分流体进入树形槽151下端，此时树形槽151下端迎风面尖端形成高压区，高压区通过迎风面流入底部，通过动环引流孔道13回吸至密封腔体16；

背风效果使树形槽151下端背风面的尖端形成负压区，反吸流经动环引流孔道13侧的部分流体，通过下端背风面向上输送进而完成一次循环，每次循环都完成流体的回吸循环；

最后，密封坝153处的部分泄漏流体也在树形槽151下端背风面的尖端处形成负压的情况下实现回吸。

这样的结构设计，动压效应大、泄漏量小，在动环15运转过程中，经过树形槽151的介质，在流体回吸功能的作用下，而产生远离密封坝153的流动，这就使得存在于自泵送流体中的固体颗粒不会进入密封坝153区，避免了密封坝153端面的颗粒磨损，实现回吸或自泵送，同时依靠树形槽151 的尖端效应产生动压，有助于密封副的非接触开启；这样的循环回吸，一方面，实现了机械密封的自润滑；另一方面，流体在密封面之间的不断循环，把密封面之间的摩擦热及时带走，实现了密封的自冲洗。

优选，静环座3径向开设有进气孔2，进气孔2底部设有第一进气道111，静环9设有J形的第二进气道112，第二进气道112上端与第一进气道111末端连通，第二进气道112的末端连通静环9 的左端面。这样的结构设计，在起动和停车时通气对进气孔2通入高压气体，气体经第一进气道111 进入第二进气道112，对动环15的右端面进行冲击，使动环15的右端面与静环9左端面分离，降低起动和停车阶段较高的早期失效率，克服双向旋转式流体动压型槽本身的开启性能不足缺陷。实际上，也可根据实际情况具体考虑降低起动和停车阶段较高的早期失效率的方案。

优选，静环座3于第一进气道111末端周围设有凹槽，凹槽内设有第二密封圈。这样的结构设计，可以减少高压气体从第一进气道111进入第二进气道112时发生的气体泄漏，提高高压气体的利用率。实际上，也可根据实际情况，考虑其他提高高压气体的利用率的方案。

优选静环9左端面沿径向设有多个辅助环流槽91。这样的结构设计，使介质流通更加顺畅。实际上，也可根据实际情况，考虑其他能使介质流通顺畅的结构设计。

优选第二进气道112末端位于辅助环流槽91中央。这样的结构设计，高压气体利用率更高。实际上，也可根据实际情况，考虑其他能增强高压气体利用率的结构设计。

优选辅助环流槽91外半径小于集流环槽154内半径R3。这样的结构设计，第二进气道112末端不与槽型结构重合，确保密封起停中动压不损失。实际上，也可根据实际情况，具体考虑确保密封起停中动压不损失的方案。

优选锥面92内半径R7大于集流环槽154外半径R4，引流孔道13与集流环槽154的内径在动环 15右端面上相切，引流孔道13的半径Rm大于集流环槽154的槽宽，即Rm＞R4-R3。这样的结构设计，要能够把树形槽151根部与引流孔道13通畅连通，使得介质流动更加畅通。实际上，也可根据实际情况，具体考虑使得介质流动更加畅通的方案。

优选树形槽151的数量与引流孔道13的数量相等。这样的结构设计，密封效果较佳。实际上，也可根据实际情况，具体考虑树形槽151的数量与引流孔道13的数量关系。

优选树形槽151的数量为十二个，引流孔道13的数量也为十二个。这样的结构设计，密封效果较佳。实际上，也可根据实际情况，具体考虑树形槽151和引流孔道13的数量，只要树形槽151和引流孔道13的数量相当即可。

优选静环用密封圈10、动环用密封圈12、第一密封圈和第二密封圈均为O型圈。这样的结构设计，密封效果更佳。实际上，也可根据实际情况，考虑其他型号的密封圈。

以上对本发明提供的一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构，包括设置于机械设备的壳体(1)和旋转轴(8)之间的动环(15)和静环座(3)，所述旋转轴(8)上套设有轴套(6)，所述轴套(6)右端设有第一紧定螺钉(7)，所述轴套(6)通过第一紧定螺钉(7)固定在旋转轴(8)上，所述动环(15)左端设有第二紧定螺钉(14)，所述动环(15)通过第二紧定螺钉(14)固定在轴套(6)上，所述动环(15)与轴套(6)之间设有动环用密封圈(12)，所述静环座(3)内设有静环(9)，所述静环(9)与静环座(3)内孔之间设有静环用密封圈(10)，所述静环(9)沿径向开设有导向槽，所述导向槽内设有防转销(4)，所述防转销(4)的自由端卡设在静环座(3)上，所述静环(9)与静环座(3)之间设有弹簧(5)，所述壳体(1)与静环座(3)之间设有第一密封圈，

其特征在于：所述动环(15)右端面设有密封坝(153)以及四个以上相互对称的树形槽(151)、密封堰(152)，所述树形槽(151)沿径向均匀分布于动环(15)右端面的外缘，所述树形槽(151)由上端左侧面(171)、上端右侧面(172)、下端左侧面(173)和下端右侧面(174)构成，

所述密封坝(153)位于动环(15)右端面的内侧，所述相邻两个树形槽(151)之间的密封面为密封堰(152)，所述动环(15)右端面设有集流环槽(154)，所述集流环槽(154)位于所有树形槽(151)根部，所述集流环槽(154)内径向均匀分布设有多个引流孔道(13)，所述动环(15)与壳体(1)之间为密封腔体(16)，所述引流孔道(13)连通集流环槽(154)和密封腔体(16)，所述静环(9)左端面设有锥面(92)；

所述静环座(3)径向开设有进气孔(2)，所述进气孔(2)底部设有第一进气道(111)，所述静环(9)设有J形的第二进气道(112)，所述第二进气道(112)上端与第一进气道(111)末端连通，所述第二进气道(112)的末端连通静环(9)的左端面；

所述静环座(3)于第一进气道(111)末端周围设有凹槽，所述凹槽内设有第二密封圈；

所述静环(9)左端面沿径向设有多个辅助环流槽(91)；

所述第二进气道(112)末端位于辅助环流槽(91)中央；

所述辅助环流槽(91)外半径小于集流环槽(154)内半径R3；

所述锥面(92)内半径R7大于集流环槽(154)外半径R4，所述引流孔道(13)与集流环槽(154)的内径在动环(15)右端面上相切，所述引流孔道(13)的半径Rm大于集流环槽(154)的槽宽，即Rm＞R4-R3。

2.根据权利要求1所述的一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构，其特征在于：所述树形槽(151)的数量与引流孔道(13)的数量相等。

3.根据权利要求2所述的一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构，其特征在于：所述树形槽(151)的数量为十二个，所述引流孔道(13)的数量也为十二个。

4.根据权利要求3所述的一种双向旋转辅助起停式可回吸型树形槽端面密封结构，其特征在于：所述静环用密封圈(10)、动环用密封圈(12)、第一密封圈和第二密封圈均为O型圈。