CN107166037B - 具有曲面槽密封端面的机械密封环 - Google Patents

Abstract

具有曲面槽密封端面的机械密封环，在密封端面上沿周向等间距排布有沿径向延伸且高度低于端平面的相同形式的密封槽，密封槽以深度渐增形式由径向内侧内向外延伸并开口于密封环的外周面。密封槽中具有槽的任一截面部位在其所在圆周方向的展开状态均呈正弦或余弦曲线状的NURBS曲面槽，各相邻NURBS曲面槽各自的波谷线两侧及相邻槽间的波脊线两侧的槽面分别为对称分布，各相邻NURBS曲面槽在其波脊线处平滑过渡连续，形成沿密封环周向依次首尾相连的渐近连续曲面，所述NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间具有夹角λ。该结构的机械密封环，可同时具有在较高转速密封工况下的流体动压效应，以及在较低转速工况下较强的流体静压效应，降低了密封受工况扰动的影响，保证机械密封长周期平稳可靠地运行。

Description

具有曲面槽密封端面的机械密封环

技术领域

本发明涉及端面机械密封设备中的一种有曲面槽密封端面的机械密封环，可用于各种形式的泵、压缩机、膨胀机、反应釜等旋转机械轴端密封设备，尤其适用核电主泵轴密封要求在辐射、温度变化范围大、要求平稳运行周期长等应用环境。

背景技术

机械密封通常用于泵、压缩机等旋转流体机械的轴端密封，以阻止流体工作介质沿轴与装置腔体的圆环形缝隙泄漏至环境侧。其主要构成部分包括辅助静密封圈、结构壳体、弹簧元件和一对相对旋转的密封环所组成的摩擦副。根据摩擦副的工作状态又可分为接触式与非接触式。其中，接触式机械密封，由于密封环之间没有形成完全的流体膜润滑状态，环固体与固体之间存在接触应力，在长周期运行过程中摩擦磨损不可避免。非接触式机械密封，则是在密封端面上开设有流体型槽，包括流体动压槽、流体静压槽，工作时，轴端相对的动、静环之间形成完整的流体润滑膜，其间由流体承载而相互分离并保持固定间隙，摩擦磨损近似为零。因此，在相同工况下非接触式机械密封较之接触式机械密封更能在长周期运行过程中保持性能的稳定。在非接触式机械密封的密封端面中的两类槽型在产生轴向开启力（即端面承载力）方面的原理各不相同：

流体动压槽，其产生轴向开启力的原理是由于这类槽型在密封环周向上的高度（槽深）呈周期变化。密封环相对旋转会使得端面间流体产生周向速度，当遇到周向高度变化时，产生流体动压效应而形成轴向开启力。

流体静压槽，其产生轴向开启力的原理是由于这类槽型沿端面径向上的高度（槽深）呈现出高压侧深，低压侧浅的趋势。在介质压力作用下，流体产生沿径向速度，当遇到径向高度变化时，产生流体静压效应而形成轴向开启力。

目前，大量应用的非接触式机械密封所具有的槽型要么为流体动压槽型，要么为流体静压槽型。具有流体动压槽型的机械密封泄漏量相对流体静压机械密封更小，但在低速运转时由于流体动压效应较弱，容易造成端面碰擦，增加了摩擦副的磨损几率。而具流体静压槽型的机械密封，则由于端面流场为径向汇流形式，其承载能力受介质粘度影响，所以易受温度的影响，尤其当介质为水时，温度对密封性能的影响较为明显。

发明内容

鉴于此，本发明提出了中一种新结构形式的具有曲面槽密封端面的机械密封环，不仅能具有流体动压效应，还能具有较强流体静压效应，以适应和满足较低转速和/或较高转速等不同使用工况条件的需要。

本发明具有曲面槽密封端面的机械密封环，基本结构同样是在密封端面上沿周向等间距排布有沿径向延伸且高度低于端平面的相同形式的密封槽。其中，所述的密封槽以深度渐增形式由径向内侧内向外延伸并开口于密封环的外周面，密封槽中具有槽的任一截面部位在其所在圆周方向的展开状态均呈正弦或余弦曲线状的NURBS（即非均匀有理B样条）曲面槽，各相邻NURBS曲面槽各自的波谷线两侧及相邻槽间的波脊线两侧的槽面分别为对称分布，各相邻NURBS曲面槽在波脊线处平滑过渡连续，形成沿密封环周向依次首尾相连周期性循环的平滑连续曲面，所述NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间具有相应的夹角。

本发明中所称的曲面槽的含义，是指槽中任一位置处的截面形状，在沿其所在的密封环半径的圆周方向展开后，均呈平滑过渡的连续曲线状态。

上述的机械密封环中，所述NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间的相应夹角的值，通常情况下可以选择1分~10度，更好的夹角的值可以为15~25分。该夹角的大小，可以影响密封端面间介质流体的动压效应和部分静压效应。通过调整该夹角的大小，可以调整平稳运行时摩擦副的两密封环之间的介质膜厚度，以及密封的泄漏量。增大该夹角，在较高转速工况下密封的泄漏量会较大程度增加，但过多地增大该夹角，会使得密封泄漏量受温度影响的程度加剧。

一般情况下，在上述机械密封环的密封端面上，所述的密封槽可采取但不限于沿周向等间距分布为3~30个, 优选的设置数量为6~16个。密封槽设置的数量，与密封介质压力、粘度，密封轴径、转速以及对密封性能要求等因素有关。一般情况下，增加密封槽的数量可以提高动压效应，但泄漏量也相对增大，同时由于密封端面润滑冷却条件可相对较好，对延长密封端面的寿命会更有利。因此，在其它参数不变或相近的情况下，为控制密封泄漏量，介质压力越高，可减少密封槽的数量；介质压力越低、则可适当增加密封槽的数量。

为适应和满足不同使用工况的实际需要，上述的机械密封环中，所述的密封槽在密封端面上可以相应采取不同的设置形式。例如，为适应对密封装置的寿命和长周期运行有较高要求，但对密封泄漏量的要求相对不高的应用环境，所述的各NURBS曲面槽可以为在密封端面上以贯通形式由密封端面的内径缘径向延伸至密封环外周面的方式设置。其密封槽中任一位置点与端平面方向间的深度h可由式①表示。式①中的λ为NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间的该相应夹角的值，R为所述槽中该深度h所在位置点的半径，R _i 为密封端面的内缘半径，θ= 0~2π：

h=(tanλ) (1 - cos(nθ)) (R - R _i ) ①。

此种在密封端面上全部为单一贯通型NURBS曲面槽的密封环，虽然有利于流体静压效应的增强，但密封的泄漏量也会相应增大。

所述的密封槽在密封端面上的另一种设置形式，可以为在所述密封端面的径向内侧设置有一具有端平面高度的环状密封坝区，所述的NURBS曲面槽由密封坝区的径向外缘向外延伸至密封环的外周面。由于此结构能产生较好的流体动压效应，因而特别适用于对密封设备长时间连续稳定运行，并对密封平稳性要求相对较高的工况条件。其密封坝区的径向宽度与NURBS曲面槽的谷底线在密封端平面方向上的径向投影长度之比为0.1~1:1。其中，增大密封坝区的径向宽度，有利于减小密封端面的泄漏量，但同时对密封端面的润滑性减弱，对密封寿命有影响。此外，所述密封坝区的平面度可以控制为0.0003~0.001mm，优选的平面度为0.0003mm。坝区的平面度除影响泄漏量外，还可影响密封端面液膜的均匀性，严重时会甚至可导致密封端面的磨损。密封槽中任一位置点与端平面方向间的深度h，可由式②表示。式②中的λ为NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间的夹角，R为所述槽中该深度h所在位置点的半径，R _i 为密封端面的内缘半径，N为密封坝区的径向宽度，θ= 0~2π：

h=(tanλ) (1 - cos(nθ)) (R - R _i -N ) ②。

为能同时获得较好的流体动压效应和静压效应，以适应在低速或启动频繁的工况的应用环境，所述的密封槽还可以采取的一种设置形式，是在所述密封端面的径向内侧由内向外依次设置有一具有端平面高度的环状密封坝区和一环状的锥面区，所述的NURBS曲面槽由锥面区的径向外缘延伸并开口于密封环外周面。此结构是通常情况下最具有广泛适用性的一种形式。其中：

——所述锥面区的锥面线与所述密封坝区的平面（即密封端平面）相交，形成了与密封端平面间沿径向由外向内收敛的所述锥角。一般情况下，对该锥角与NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间夹角间的大小关系无需限定，但在显著增加所述锥面区径向宽度的情况下，则优选为使该锥角小于所述的NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间的夹角。通常情况下所述锥角大小的取值范围可以为1分~10度；但在较高压力的工况（例如≥10MPa）条件下的密封，该锥角大小的优选范围则可以为10~30分；

上述锥面区锥角的大小可影响密封的静压开启力。即使在密封不运转时，只要所述的密封环内、外径处存在一定的压差，也可保证摩擦副的两密封环相互脱开，从而避免密封环摩擦磨损。调整该锥角大小，可以实现对密封泄漏量的调整，即：增大该锥角将会增加流体静压效应从而降低密封的开启压力，增加了正常运转时的膜厚和泄漏量，同时会增加泄漏量受温度影响的程度；减小锥角，则呈相反变化；

——所述密封坝区的径向宽度，可由公式Rg=(Ri+Ro)/(1.8~2.2)得到。通常情况下，作为优选的计算公式可以采用Rg=(Ri+Ro) /1.8。式中的Rg为密封坝区（2）的径向外缘半径，Ri为密封端面的内缘半径，Ro为密封环的外周面半径；

——所述锥面区的径向宽度与NURBS曲面槽的径向宽度之比的范围，一般可以为(0.1~1):1。减小锥面区的径向宽度（甚至使其趋近于0mm）时，密封环的流体静压效应降低，从而可降低密封的泄漏量，但会增加密封环端面碰擦的几率；而增大锥面区的径向宽度，甚至使其趋于整个槽区的径向宽度时，密封环的流体静压效应增强，但密封的泄漏量也会随之增加；

——所述的锥面区和 NURBS曲面槽中任一位置点与端平面方向间的深度h，可分别由式③和式④表示，式中的β为锥面区的锥角，λ为NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间的夹角，R为所述槽中该深度h所在位置点的半径，R _i 为密封端面的内缘半径，R _g 为密封坝区外缘的半径，N为密封坝区的径向宽度，l为锥面区的径向宽度，θ= 0~2π：

h=(R - R _g ) tanβ ③，

h=(tanλ) (1 - cos(nθ)) (R - R _i -N ) + l tanβ ④。

上述结构中所述的NURBS曲面槽与锥面区的接续部位，可以通过机械加工的方法使之保持平过渡的渐近连续交叠，从而有利于在密封端面上形成更为均匀的流体动压分布，降低密封端面流场产生负压区或空穴的可能性，以保证介质流体的连续性。

上述结构中，所述密封坝区的平面度一般同样可保持为0.0003~0.001mm，优选的平面度为0.0003mm。

所述密封端面上的密封槽除上述几种形式外，根据密封使用的实际工况需要，还可以采取的一种设置形式是，在密封端面的径向内侧设置有一环状的锥面区，所述的NURBS曲面槽由锥面区的径向外缘延伸并开口于密封环外周面。此种结构形式一般适合于对泄漏量无过高要求，特别是对静压启停时的泄漏量无过高要求，但对密封的长时间平稳运行要求较高的工况条件。其中，增大锥面区的径向宽度，相应能提高流体的静压效应，但同时泄漏量会相应曾大。其中，所述锥面区和 NURBS曲面槽中任一位置点与端平面方向间的深度h，可分别由式⑤和式⑥表示，式中的β为锥面区的锥角，λ为NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间的夹角，R为所述槽中该深度h所在位置点的半径，R _i 为密封端面的内缘半径，l为锥面区的径向宽度，θ = 0~2π：

h=(R-R _i ) tanβ ⑤，

h=(tanλ) (1 - cos(nθ)) l + l tanβ ⑥。

在上述结构中，所述的锥面区的径向宽度和NURBS曲面槽的径向宽度，分别是指锥面区的锥面线和NURBS曲面槽的谷底线各自在密封端平面方向上的径向投影线段的长度。所述的锥面区和NURBS曲面槽中各深度h所在的位置点半径，是指该深度h位置点在密封端平面方向上所对应的投影位置点的半径。

本发明上述不同结构形式的机械密封环中，所述NURBS曲面槽中的NURBS曲面，都是沿周向的一簇类正弦（或余弦）曲线段。该类正弦（或余弦）曲线段簇的端点沿径向排列形成所述NURBS曲面槽的谷底线。该类正弦（或余弦）曲线段簇沿径向平行布满整个密封端面的开槽区域。所述的NURBS曲面槽在确定了在密封端面上密封槽的设置数量、密封端面的内外径、密封槽的槽根径（贯通型密封槽时的槽根径值为0）及NURBS曲面槽谷底线与密封端平面间的夹角后，通过包括如PRO/E、SolidWorks等目前常用的三维设计软件拟合并输出NURBS曲面槽中各处的相应深度矩阵，即可通过加工中心方便地制得所述的槽型。

通过计算和相应的密封试验表明，本发明上述结构形式的密封环中，所述的NURBS曲面槽（或槽段）可产生全部流体动压效应和少部分流体静压效应；而所述的锥面区则可产生大部分流体静压效应而不产生流体动压效应。

本发明上述结构形式的机械密封环的基本工作原理和过程，可包括静压和动压两种不同的工作状态：

在静压状态下，具有更高压力的流体介质可以从密封环的外径侧被挤压进入流体动静压槽，在受到NURBS曲面（和径向锥面）的挤压作用后，径向流速提高，压力降低。由于密封环端面间的流体各处均满足百努利方程P ₁ V ₁=P ₂ V ₂ ，因此具有较高压力的点流速较低，而具有较高流速的点则具有较高的压力。因而从整个密封端面流场来看，沿端面径向的流速增加，压力降低。

在动压状态下，摩擦副中的动、静密封环相对旋转，流体从密封端面的外径侧沿NURBS曲面向内侧流动。由于NURBS曲面在周向上具有变化的高度，从而在周向上挤压流体，使得流体产生动压效应。通过二维柱坐标下的雷诺方程计算可知，在NURBS曲面槽周向下游的一定区域内可形成高压区，在NURBS曲面槽周向上游的一定区域内则形成低压区。所述高压区的压力会随转速（即流体的周向速度）的提高而不断提高，而所述低压区的压力则会随转速的提高而不断降低。在较低转速条件下，高压区压力的绝对值与低压区压力的绝对值接近，高低压相互抵消后，密封端面上由流体动压效应产生的开启力较弱；当转速达到较高条件时（例如，端面中径线速度≥25m/s时），高压区的压力绝对值会大于低压区的压力绝对值，从而在整个密封端面上形成正开启压力，以维持密封环端面间的相互脱开。

由此可以理解，本发明上述结构形式具有曲面槽密封端面的机械密封环，不仅能具有流体动压效应，同时也能具有较强流体静压效应。即在较低转速工况下，流体动压效应较弱，不足以建立一定厚度稳定的介质润滑膜，其产生的流体静压效应起到关键作用，提供了端面承载能力；而在较高转速工况下，所产生的流体动压效应在端面承载能力的贡献中占据了主导地位，从而降低了密封受工况扰动的影响，保证了机械密封长周期平稳可靠地运行。在密封端面上同时含有NURBS曲面槽段和锥面区时，使NURBS曲面槽与锥面区的接续部位保持连续平滑过渡，从而使其在深度上没有激烈变化的区域，尤其在密封运行时端面压力分布较低的低压区的槽深没有激烈的突变，可有效降低流体介质产生空穴的可能性，保证了流体介质膜的刚度即承载能力。

以下结合由附图所示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是本发明具有曲面槽密封端面的机械密封环的立体结构状态的示意图。

图2是图1中A-A截面状态的结构示意图。

具体实施方式

如图所示的本发明具有曲面槽密封端面的机械密封环，是一种在所述密封端面的径向内侧由内向外依次设置有一具有端平面高度的环状密封坝区2和一环状的锥面区3，所述的NURBS曲面槽1由锥面区的径向外缘延伸并开口于密封环外周面6形式的密封环。所述的NURBS曲面槽1沿密封端面周向等间距可设置有3~30个、优选为9个，各NURBS曲面槽1的形式相同，由密封坝区2的径向外缘以高度低于端平面且深度渐增形式径向延伸至密封环的外周面6。其中，各NURBS曲面槽1中任一截面部位在其所在圆周方向上的展开状态均呈正弦曲线状，各相邻NURBS曲面槽1各自的波谷线4两侧及各相邻槽间的波脊线5两侧的槽面分别为对称分布，各相邻NURBS曲面槽1在波脊线5处平滑过渡连续。所述锥面区3的锥面线与密封端平面间具有20分的锥角β；所述NURBS曲面槽1的谷底线4与密封端平面间具有35分的夹角λ。

密封坝区2的径向外缘半径Rg=(Ri+Ro) /2。其中，密封端面的内缘半径Ri=80mm，密封环的外周面半径Ro=100mm，Rg=90mm，密封坝区2的平面度为0.0007mm；

锥面区3与NURBS曲面槽1的径向宽度之比l:m=(0.1~1):1=0.4，式中的l为锥面区3的径向宽度，m为NURBS曲面槽1的径向宽度；

锥面区3和 NURBS曲面槽1中的任一位置点与端平面方向间的深度h，可分别由式③和式④表示：

h=(R - R _g ) tanβ ③，

h=(tanλ) (1 - cos(nθ)) (R - R _i -N ) + l tanβ ④。

其中，β=20分，λ=30分，R为槽中该深度h所在位置点的半径，R _i =80mm，R _g =90mm，密封坝区2的径向宽度N =8mm，锥面区3的径向宽度l =4.87mm，θ = 0~2π。

在上述结构形式槽密封端面的机械密封环的基础上，为适应不同的密封工况条件，对于同样具有Ri=80mm和Ro=100mm的密封环还可以分别采用下述不同形式：

1）采用在密封端面上可以采用以贯通形式由密封端面的内径缘径向延伸至密封环外周面6的NURBS槽时，用上述的式①计算槽中各R点的深度h时，式①中的NURBS曲面槽1的谷底线4与密封端平面间的夹角λ=30分，θ= 0~2π；

2）采用在密封端面的径向内侧设置有一具有端平面高度的环状密封坝区2，所述的NURBS曲面槽1由密封坝区2的径向外缘向外延伸至密封环的外周面6的结构时，用上述的式②计算槽中各R点的深度h时，式②中的NURBS曲面槽1的谷底线4与密封端平面间的夹角λ=30分，密封坝区2的径向宽度N=10mm， NURBS曲面槽1的径向宽度m=10mm；

3）采用在密封端面的径向内侧设有一锥面区，所述的NURBS曲面槽由其径向外侧缘延伸至密封环外周面6的形式时，用上述式⑤、式⑥计算锥面区和NURBS曲面槽中各点的深度h时，式⑤、⑥中的NURBS曲面槽1的谷底线4与密封端平面间的夹角λ=30分，锥面区3的锥角β=20分，锥面区3的径向宽度l=10mm，NURBS曲面槽1的径向宽度m=10mm，θ = 0~2π。

Claims (10)

1.具有曲面槽密封端面的机械密封环，在密封端面上沿周向等间距排布有沿径向延伸且高度低于端平面的相同形式的密封槽，其特征是所述的密封槽以深度渐增形式由径向内侧内向外延伸并开口于密封环的外周面(6)，密封槽中具有槽的任一截面部位在其所在圆周方向的展开状态均呈正弦或余弦曲线状的NURBS曲面槽(1)，各相邻NURBS曲面槽(1)各自的波谷线(4)两侧及相邻槽间的波脊线(5)两侧的槽面分别为对称分布，各相邻NURBS曲面槽(1)在其波脊线(5)处平滑过渡连续，形成沿密封环周向依次首尾相连的周期性循环的平滑连续曲面，所述NURBS曲面槽(1)的波谷线(4)与密封端平面间具有夹角(λ)，所述NURBS曲面槽(1)的波谷线(4)与密封端平面间的夹角(λ)的值为1分～10度，

其中在所述密封端面的径向内侧由内向外依次设置有一具有端平面高度的环状密封坝区(2)和一环状的锥面区(3)，所述的NURBS曲面槽(1)由锥面区(3)的径向外缘延伸并开口于密封环外周面(6)，其中：

——所述锥面区(3)与密封端平面间具有锥角(β)；

——所述密封坝区(2)外缘半径可由公式R_g＝(R_i+Ro)/(1.8～2.2)得到，式中的Rg为密封坝区(2)的径向外缘半径，Ri为密封端面的内缘半径，Ro为密封环的外周面半径；

——所述锥面区(3)与NURBS曲面槽(1)的径向宽度(l，m)之比为l:m＝(0.1～1):1；

——所述锥面区(3)和NURBS曲面槽(1)中任一位置点与端平面方向间的深度h，可分别由式①和式②表示，式中的β为锥面区(3)的锥角，λ为NURBS曲面槽(1)的波谷线(4)与密封端平面间的夹角，R为所述NURBS曲面槽中该深度h所在位置点的半径，R_i为密封端面的内缘半径，R_g为密封坝区的外缘半径，N为密封坝区(2)的径向宽度，l为锥面区(3)的径向宽度，θ＝0～2π：

h＝(R-R_g)tanβ ①，

h＝(tanλ)(1-cos(nθ))(R-R_i-N)+ltanβ ②。

2.如权利要求1所述的机械密封环，其特征是所述的夹角(λ)值为15～25分。

3.如权利要求1所述的机械密封环，其特征是所述的密封槽在密封端面上沿周向等间距分布为3～30个。

4.如权利要求3所述的机械密封环，其特征是所述的密封槽在密封端面上的设置数量为6～16个。

5.如权利要求1所述的机械密封环，其特征是所述锥面区(3)与密封端平面间的锥角(β)小于NURBS曲面槽(1)的波谷线(4)与密封端平面间的夹角(λ)。

6.如权利要求1所述的机械密封环，其特征是所述密封坝区(2)外缘半径的计算公式为Rg＝(Ri+Ro)/1.8。

7.如权利要求1所述的机械密封环，其特征是所述锥面区(3)的锥角(β)值为1分～10度。

8.如权利要求1所述的机械密封环，其特征是所述锥面区(3)的锥角(β)值为10～30分。

9.如权利要求1所述的机械密封环，其特征是所述密封坝区(2)的平面度为0.0003～0.001mm。

10.如权利要求9所述的机械密封环，其特征是所述密封坝区(2)的平面度为0.0003mm。

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