CN107489770A - 一种双向机械密封环 - Google Patents

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崔政
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Abstract

本发明涉及一种双向机械密封环，包括机械密封的两个密封环，即动环和静环，其特征在于：至少有一个所述密封环的端面上设有多个仿手指型槽；所述仿手指型槽由沿密封环径向分布的进气槽，以及分别与所述进气槽两侧相连通的左右指形槽组成；所述进气槽由两条沿密封环径向分布的直线组成，且直线向内的延长线经过密封环的回转轴，直线向外的延长线经过指形槽最外侧和密封环外圆的交点；所述左右指形槽均由同心的两条圆弧和位于指形槽末端的半圆弧组成；所述左右指形槽位于密封环径向最内侧的两端圆弧直接相连。本发明兼具端面开启力大、泄漏率小、气膜刚度大、摩擦功耗小、运行稳定、使用寿命长等诸多优点。

Description

一种双向机械密封环
技术领域
本发明属于流体机械端面密封技术领域，涉及一种可双向旋转的机械密封装置，尤其涉及一种双向机械密封环。
背景技术
目前，非接触式机械密封由于其功耗小、泄漏量低、磨损少、性能稳定等优点，在离心压缩机、泵、离心机等旋转机械上的应用越来越广泛。现有的可双向旋转的机械密封，如中国专利CN104265900A“双向旋转气体动静压型机械密封的仿鸟翅膀形型槽结构”、CN104165228A“一种似含羞草型孔簇端面机械密封结构”、CN103133697A“可双向旋转的燕尾槽端面机械密封结构”、CN101469771“一种可双向旋转的阶梯圆弧槽机械密封端面”、CN1364987“可双向旋转的螺旋槽端面密封装置”，美国专利US6446976、US6575470和US6726213、US5090712等，这些机械密封利用在动环或静环上开设一定数量的具有轴对称特性的几何型槽，使得旋转轴无论是正向还是反向旋转，动环和静环之间都能产生具有一定承载能力、一定刚度的流体膜，从而实现密封效果。但是，现有的可双向旋转的非接触机械密封仍然普遍存在端面开启力不够大、泄漏量大、制造复杂、抗干扰性能差、旋向选择性不足等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双向机械密封环，它兼具端面开启力大、泄漏率小、气膜刚度大、摩擦功耗小、运行稳定、使用寿命长等诸多优点。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种双向机械密封环，包括机械密封的两个密封环，即动环和静环，其特征在于：至少有一个所述密封环的端面上设有多个仿手指型槽；所述仿手指型槽由沿密封环径向分布的进气槽，以及分别与所述进气槽两侧相连通的左右指形槽组成；所述进气槽由两条沿密封环径向分布的直线组成，且直线向内的延长线经过密封环的回转轴，直线向外的延长线经过指形槽最外侧和密封环外圆的交点；所述左右指形槽均由同心的两条圆弧和位于指形槽末端的半圆弧组成；所述左右指形槽位于密封环径向最内侧的两端圆弧直接相连。
作为进一步优化，左右指形槽沿密封环的径向分布有1～10列；在每个仿手指型槽中进气槽两侧的左右指形槽数量相等，且同一侧的指形槽之间由未开槽的密封堰隔开。其中，位于进气槽两侧对应的两个指形槽(左指形槽和右指形槽)即构成一列。
作为进一步优化，最靠近密封环外圆处的指形槽的宽度最大，最靠近密封环内孔处的指形槽的宽度最小；相邻的两列指形槽的宽度变化范围为0.5mm≤gi+1≤gi≤5mm，其中，gi+1为在从密封环的外圆到内孔的方向上、位于宽度为gi的指形槽的下一列指形槽的宽度。
作为进一步优化，每个指形槽的宽度g与相邻的未开槽的密封堰的宽度s之比为0.5～5。
作为进一步优化，在每个仿手指型槽中同侧的所有指形槽的圆弧同心，且指形槽中的各段圆弧的半径ra与密封环外圆的半径ro之比为0.5～5。
作为进一步优化，同旋向的所有指形槽的圆弧的圆心在同一个圆周上，且圆心所在的同一圆周的半径r1与密封环外圆的半径ro之比为0.1～5。
作为进一步优化，仿手指型槽为沿密封环端面周向均匀分布的4～50个。
作为进一步优化，组成进气槽的两条直线间的夹角β为1°～30°。
作为进一步优化，每个仿手指型槽中进气槽两侧的左右指形槽对称或不对称。
作为进一步优化，每个仿手指型槽中的各列指形槽的弧长不等，且各列指形槽的弧长沿着从密封环外圆到内孔的径向方向逐渐缩短，弧长变化范围为1～50mm。
作为进一步优化，每个仿手指型槽中全部指形槽的槽深相等，槽深为1～100μm。
作为进一步优化，每个仿手指型槽中不同列的指形槽的深度不相等，不同列的指形槽的深度沿着从密封环外圆到内孔的径向方向逐个变浅，同一指形槽内深度不变。
作为进一步优化，每个仿手指型槽的槽深，沿着从进气槽中心分别到左右指形槽的方向逐渐变浅。
作为进一步优化，每个仿手指型槽的槽深，沿着从进气槽中心分别到左右指形槽的方向呈阶梯式变浅，阶梯数量为1～20个。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种双向机械密封环，它兼具端面开启力大、泄漏率小、气膜刚度大、摩擦功耗小、运行稳定、使用寿命长等诸多优点，具体来说，它具有非常好的导流效果，流体动压效应非常强，端面开启力大，泄漏率大大减小，可达5.1160×10-5kg/s，因此，具有更好的密封性能；不论正向或者逆向旋转，动、静环之间均形成了稳定的流体膜，从而实现了双向条件下的密封，且气膜刚度大，有效避免了密封环的磨损、碰撞，抗干扰能力强，摩擦功耗小，没有明显的应力集中现象。此外，其结构设计更简要，制造工艺也更加简便，可用于各种离心压缩机、泵、离心机等高速旋转设备的轴端密封装置。
附图说明
图1是本发明实施例1中所述双向机械密封环的结构示意图。
图2是图1中所述双向机械密封环的典型结构示意图。
图3是图2中所述双向机械密封环的指形槽结构的局部放大示意图。
图4是本发明实施例2中所述双向机械密封环的结构示意图。
图5是本发明实施例3中所述双向机械密封环的结构示意图。
图6是本发明实施例4中所述双向机械密封环的结构示意图。
图7是图6的A-A剖视图。
其中，
1—进气槽，
2—指形槽，
3—密封堰，
4—位于指形槽末端的半圆弧，
β—组成进气槽的两条直线间的夹角，
r1—同旋向的所有指形槽的圆弧的圆心所在的同一圆周的半径，
ra—指形槽的圆弧半径，
ro—密封环外圆的半径，
ri—密封环内孔的半径，
g1、g2、g3—分别为沿着从密封环的外圆到内孔的方向上依次排列的三列指形槽的宽度，
s1、s2—分别为沿着从密封环的外圆到内孔的方向上依次排列的两个密封堰的宽度。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行具体描述，在此指出以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术熟练人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
如说明书附图1、2和3所示，一种双向机械密封环，包括机械密封的两个密封环，即动环和静环；动环的端面上设有周向均匀分布的六个仿手指型槽；每一个仿手指型槽均由沿密封环径向分布的一个进气槽1，以及分别与进气槽1两侧相连通的左右指形槽2组成；进气槽1由两条沿密封环径向分布的直线组成，且直线向内的延长线经过密封环的回转轴，直线向外的延长线经过指形槽2最外侧和密封环外圆的交点；左右指形槽2均由同心的两条圆弧和位于指形槽末端的半圆弧4组成；在每个仿手指型槽中，左右指形槽2各有三列，均沿密封环的径向分布，且关于进气槽1中心轴对称；左右指形槽2位于密封环径向最内侧的两端圆弧直接相连；位于进气槽1同一侧的三列指形槽2之间由两个未开槽的密封堰4隔开；相邻两个仿手指型槽之间是不开槽的密封台，靠近密封环内孔处是不开槽的一圈密封坝，在装置静止时起密封作用。
本例中，每个仿手指型槽中全部指形槽的槽深相等，槽深为1～100μm，最佳为3～20μm；组成进气槽的两条直线间的夹角β为4.9°。
本例中，对于同一个仿手指型槽，同侧的所有指形槽的圆弧同心，且指形槽的圆弧半径ra与密封环外圆的半径ro之比为0.9～1.1；三列指形槽的宽度为2.5mm≤g3≤g2≤g1≤4.0mm，其中，g1、g2、g3分别为沿着从密封环的外圆到内孔的方向上依次排列的三列指形槽的宽度；每个指形槽的宽度g与相邻的未开槽的密封堰的宽度s(共两个s1、s2，其分别为沿着从密封环的外圆到内孔的方向上依次排列的两个密封堰的宽度)之比为2.7～3.8；同旋向的所有指形槽的圆弧的圆心在同一个圆周上，且圆心所在的同一圆周的半径r1与密封环外圆的半径ro之比为0.27。
本例中，每个仿手指型槽中的各列指形槽的弧长不等，且各列指形槽的弧长沿着从密封环外圆到内孔的径向方向逐渐缩短，弧长变化范围为10～22mm。
在应用本例中的双向机械密封环运转工作过程中，不管正向旋转还是反向旋转，通过进气槽的引流效果，迅速地把流体引入密封环端面间。进入进气槽的流体，沿着指形槽到达指形槽的末端，并在此处产生显著的动压效应，形成的流体膜将密封环端面分开。并且每列指形槽的末端均能产生流体动压效应，因而相比于单列型槽的机械密封环，其具有更好的稳定性。同时，靠近高压处的指形槽内流体泄漏出来后，部分又进入到相邻的靠近低压侧的指形槽，重新产生流体动压，因而大大减少了流体的泄漏量，以及增大密封环的开启力。
在相同的工况条件下，本例中所述的双向机械密封环的气膜刚度与常规设计的T型槽机械密封的比较结果如下表1所示：
表1 仿手指型槽与T型槽的气膜刚度比较
实施例2
如说明书附图4所示，本实施例2中所述双向机械密封环，与实施例1中所述双向机械密封环的区别仅在于：动环的端面上设有周向均匀分布的八个仿手指型槽；在每个仿手指型槽中，左右指形槽2各有两列，均沿密封环的径向分布，且关于进气槽1中心轴对称；位于进气槽1同一侧的两列指形槽2之间由一个未开槽的密封堰4隔开；密封环外圆的半径ro＝80mm，密封环内孔的半径ri＝55mm；每个仿手指型槽中全部指形槽的槽深相等，槽深为5μm；组成进气槽的两条直线间的夹角β为8°；对于同一个仿手指型槽，同侧的所有指形槽的圆弧同心，且沿着从密封环的外圆到内孔的方向上依次排列的、组成两列指形槽的四条圆弧的半径ra，与密封环外圆的半径ro之比依次为1.125、1.075、1.05、1.0125；同旋向的所有指形槽的圆弧的圆心在同一个圆周上，且圆心所在的同一圆周的半径r1与密封环外圆的半径ro之比为0.26；对于同一个仿手指型槽，沿着从密封环的外圆到内孔的方向上依次排列的、组成两列指形槽的四条同侧圆弧，其弧长依次为16.21mm、14.61mm、11.3mm、15.32mm。
将本实施例2中所述的双向机械密封环，与现有的单向对数螺旋槽、可双向旋转的T型槽机械密封环进行对比，其结果如下表2所示。其中，螺旋槽结构参照文献“Fundamentalof spiral groove noncontacting face seals”中提供的参数，T型槽结构参照文献“转速压力对T型槽干气密封槽型几何结构参数优选值的影响”中提供的参数。工况参数为：外压Po＝4.5852MPa，内压Pi＝0.1013MPa，转速r＝1087.08rad/s，工作温度T＝30℃，气膜厚度为2.03μm。
表2 不同端面型槽的非接触机械密封性能比较
槽型 端面开启力(kN) 泄漏率(kg/s)
螺旋槽 37.316 1.2910×10-4
T型槽 33.544 1.3004×10-4
仿手指型槽 37.711 5.1160×10-5
由表2可以看出：本实施例2中所述的双向机械密封环的端面开启力与螺旋槽机械密封的端面开启力相当，且大于T型槽的开启力；本实施例2中所述的双向机械密封环的泄漏率远远低于螺旋槽和T型槽的泄漏率。由此可知，本发明所述的双向机械密封环，相比于现有的可双向旋转的机械密封，具有更好的密封性能。
实施例3
如说明书附图5所示，本实施例3中所述双向机械密封环，与实施例1中所述双向机械密封环的区别仅在于：动环的端面上设有周向均匀分布的七个仿手指型槽；每个仿手指型槽中，左右指形槽2各有三列，均沿密封环的径向分布，且左右指形槽2不对称；所述的左右指形槽2不对称，具体表现为一侧槽深为5μm、弧长为19.5～24.5mm(为主槽)，另一侧的槽深为3μm，弧长为7.5～15.5mm(为保护槽)。
在应用本例所述的双向机械密封环的过程中，在正常运行时，旋转方向为从主槽向保护槽的方向轴向旋转时，主槽较长较深，动压效应显著，开启力、刚度较大，运行更加稳定，且保护槽较短，对主槽流体动压效应的干扰小；当旋转轴意外反转时，转速一般相对正常转速较低，较浅的保护槽能更好的产生动压效应，形成流体保护膜，避免机械密封环损坏。
实施例4
如说明书附图6和7所示，本实施例4中所述双向机械密封环，与实施例1中所述双向机械密封环的区别仅在于：每个仿手指型槽的槽深，沿着从进气槽中心分别到左右指形槽的方向呈阶梯式变浅(台阶槽)，每级台阶的高度为2μm；每个指形槽中紧邻进气槽中心处的台阶槽最浅，为2μm，紧邻密封环外圆处的一列指形槽中的最末端台阶槽槽深最大，为16μm。
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及于本领域技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种双向机械密封环，包括机械密封的两个密封环，即动环和静环，其特征在于：至少有一个所述密封环的端面上设有多个仿手指型槽；所述仿手指型槽由沿密封环径向分布的进气槽，以及分别与所述进气槽两侧相连通的左右指形槽组成；所述进气槽由两条沿密封环径向分布的直线组成，且直线向内的延长线经过密封环的回转轴，直线向外的延长线经过指形槽最外侧和密封环外圆的交点；所述左右指形槽均由同心的两条圆弧和位于指形槽末端的半圆弧组成；所述左右指形槽位于密封环径向最内侧的两端圆弧直接相连。
2.如权利要求1所述双向机械密封环，其特征在于：所述左右指形槽沿密封环的径向分布有1～10列；在每个仿手指型槽中进气槽两侧的左右指形槽数量相等，且同一侧的指形槽之间由未开槽的密封堰隔开。
3.如权利要求2所述双向机械密封环，其特征在于：最靠近密封环外圆处的指形槽的宽度最大，最靠近密封环内孔处的指形槽的宽度最小；相邻的两列指形槽的宽度变化范围为0.5mm≤gi+1≤gi≤5mm，其中，gi+1为在从密封环的外圆到内孔的方向上、位于宽度为gi的指形槽的下一列指形槽的宽度。
4.如权利要求2或3所述双向机械密封环，其特征在于：每个指形槽的宽度g与相邻的未开槽的密封堰的宽度s之比为0.5～5；在每个仿手指型槽中同侧的所有指形槽的圆弧同心，且指形槽中的各段圆弧的半径ra与密封环外圆的半径ro之比为0.5～5；同旋向的所有指形槽的圆弧的圆心在同一个圆周上，且圆心所在的同一圆周的半径r1与密封环外圆的半径ro之比为0.1～5。
5.如权利要求1-4任一所述双向机械密封环，其特征在于：仿手指型槽为沿密封环端面周向均匀分布的4～50个；组成进气槽的两条直线间的夹角β为1°～30°；每个仿手指型槽中进气槽两侧的左右指形槽对称或不对称。
6.如权利要求1-5任一所述双向机械密封环，其特征在于：每个仿手指型槽中的各列指形槽的弧长不等，且各列指形槽的弧长沿着从密封环外圆到内孔的径向方向逐渐缩短，弧长变化范围为1～50mm。
7.如权利要求1-6任一所述双向机械密封环，其特征在于：每个仿手指型槽中全部指形槽的槽深相等，槽深为1～100μm。
8.如权利要求1-7任一所述双向机械密封环，其特征在于：每个仿手指型槽中不同列的指形槽的深度不相等，不同列的指形槽的深度沿着从密封环外圆到内孔的径向方向逐个变浅，同一指形槽内深度不变。
9.如权利要求1-8任一所述双向机械密封环，其特征在于：每个仿手指型槽的槽深，沿着从进气槽中心分别到左右指形槽的方向逐渐变浅。
10.如权利要求1-8任一所述双向机械密封环，其特征在于：每个仿手指型槽的槽深，沿着从进气槽中心分别到左右指形槽的方向呈阶梯式变浅，阶梯数量为1～20个。
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