CN108708976A - 零泄漏非接触式机械密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零泄漏非接触式机械密封结构，包括两个密封环和两个环座，两个密封环分别为动环和静环，动环和静环中至少之一的端面上设有介质循环槽，介质循环槽包括多个介质吸入槽、多个泵送槽和一降压缓冲槽，介质吸入槽靠近上游的一端形成介质吸入口并与上游介质连通，且靠近下游的一端形成尖部，所有介质吸入槽皆向下游外凸，所有泵送槽皆向上游外凸，同时泵送槽靠近上游的一端形成尖部且该尖部指向介质吸入槽的背面。本发明对动环或者静环的端面沿其周向设计多种介质循环槽，当动环在高速旋转过程中，介质沿着介质循环槽流动并能形成高压，克服密封环之间的闭合力，形成非接触式密封，降低端面的摩擦热、摩擦扭矩和减少泄露。

Description

零泄漏非接触式机械密封结构
技术领域
本发明涉及机械密封技术领域，特别是涉及一种机械密封装置，主要用于旋转机械中，如各种泵、压缩机和反应釡等。
背景技术
机械密封(mechanical seal)是指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力(或磁力)的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。
机械密封广泛应用于石油、化工、机械以及航空航天领域。主要用于旋转机械，密封的作用是防止被密封介质的泄漏，同时阻止外界的污染物以及杂质进入到设备腔体，从而污染设备腔体内的介质。
目前常用机械密封结构如图1所示，主要包括随轴一起旋转的动(静)环座A1、动(静)环A2、静(动)环A3、静(动)环座A4以及补偿元件A5。
机械密封的机理如下：动环与动环座采用紧配合，一起随轴旋转，而静环以及静环座是静止件，密封运转初期，动环和静环相贴合，中间有一层微米级的液膜，液膜是腔体内的介质往外泄漏形成的一层流体膜，当两密封环(动环和静环)之间的闭合力(包括补偿元件的弹簧力，腔内介质对密封环的压力)与密封环的开启力(包括密封环的接触力，流体膜的介质压力)相等时，液膜达到稳定，密封达到受力平衡，密封也能稳定运行，此时密封流体膜稳定存在，介质不会往外泄漏。这就是密封的主要机理。
但是目前机械密封也存在很多问题，目前大多数的密封采用接触式密封，密封环之间有较大的接触和摩擦，密封的摩擦扭矩较大，长时间运转后有较大的磨损，由于摩擦扭矩较大，对系统能量损失也较大。因此，一般的接触式机械密封的使用寿命均不是很长，密封环更换的周期一般在半年甚至是两个月。由于密封环的摩擦磨损，会产生大量的摩擦热，导致密封环端面温度过高，会产生过大的热变形，破坏液膜，造成密封的早期失效。目前的机械密封常出现介质泄漏，使用寿命达不到客户的要求。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种零泄漏非接触式机械密封结构，本发明针对上述问题对已有的机械密封进行优化设计，设计了一种零泄漏非接触式机械密封结构，对动环或者静环的端面沿其周向设计多种介质循环槽，当动环在高速旋转过程中，介质沿着介质循环槽流动并能形成高压，克服了密封环之间的闭合力，使得密封环之间的接触力降低，形成非接触式密封，降低端面的摩擦热以及摩擦扭矩；且该机械密封结构还能起到减少泄露的作用，因此大大的提高密封的使用性能和使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种零泄漏非接触式机械密封结构，包括两个密封环和两个环座，两个所述密封环分别为动环和静环，两个所述环座分别为动环座和静环座，所述静环安装于静环座，所述动环安装于动环座，所述静环和所述动环的相对的两端面之间形成机械密封；
所述动环和静环的端面的一侧为高压侧并将其定义为上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧并将其定义为下游；所述动环和静环中至少之一的端面上设有介质循环槽，所述介质循环槽包括多个介质吸入槽、多个泵送槽和一环形的降压缓冲槽，所述介质吸入槽靠近上游的一端形成介质吸入口并与上游介质连通，且靠近下游的一端形成尖部，所有所述介质吸入槽皆向下游外凸，且所有所述介质吸入槽以密封环的环心为中心呈圆形阵列排布，所有所述泵送槽皆向上游外凸，且所有所述泵送槽也以密封环的环心为中心呈圆形阵列排布，同时所述泵送槽靠近上游的一端形成尖部且该尖部指向所述介质吸入槽的背面，并且所述泵送槽的背面和所述介质吸入槽的背面之间形成的喇叭口位于所述介质吸入口所在的一侧。
为解决上述技术问题，本发明采用的进一步技术方案是：所述介质循环槽由多个介质吸入槽、多个泵送槽和一环形的降压缓冲槽构成。
进一步地说，所述介质循环槽还包括多个介质回流槽，所有所述介质回流槽皆向下游外凸，且所有所述介质回流槽以密封环的环心为中心呈圆形阵列排布。
进一步地说，所述介质吸入槽从上游到下游逐渐变浅且变窄，所述泵送槽从下游到上游逐渐变浅且变窄。
进一步地说，所述介质回流槽为两端均形成尖部的凹槽或者靠近上游的那端形成尖部且靠近下游的那端与所述降压缓冲槽连通的凹槽。
进一步地说，所述泵送槽、所述介质吸入槽和所述介质回流槽均位于所述降压缓冲槽的上游侧，且所述介质吸入槽靠近下游的一端与所述降压缓冲槽连通，所述介质吸入槽的两端均形成尖部，且所述泵送槽靠近下游的一端指向所述介质吸入槽的内凹面。
进一步地说，所述介质吸入槽和所述介质回流槽皆位于所述降压缓冲槽的上游侧，所述泵送槽位于所述降压缓冲槽的下游侧，且所述介质回流槽靠近下游的一端与所述降压缓冲槽连通。
进一步地说，所述介质吸入槽、所述泵送槽和所述介质回流槽为阿基米德螺旋线型的凹槽。
进一步地说，所述降压缓冲槽的深度大于介质吸入槽的深度，也大于所述泵送槽的深度。
进一步地说，所述机械密封结构还包括补偿元件和安装座，所述安装座安装于待密封设备的壳体，所述补偿元件的一端连接所述安装座，且另一端连接所述静环座，所述静环座安装所述静环，所述动环座和所述动环套于待密封设备的转轴，所述动环座安装所述动环。
本发明的有益效果是：
本发明的包括两个密封环和两个环座，动环和静环中至少之一的端面上设有介质循环槽，介质循环槽包括多个介质吸入槽、多个泵送槽和一环形的降压缓冲槽，介质吸入槽靠近上游的一端形成介质吸入口并与上游介质连通，且靠近下游的一端形成尖部，所有介质吸入槽皆向下游外凸，且所有介质吸入槽以密封环的环心为中心呈圆形阵列排布，所有泵送槽皆向上游外凸，且所有泵送槽也以密封环的环心为中心呈圆形阵列排布，同时泵送槽靠近上游的一端形成尖部且该尖部指向所述介质吸入槽的背面，并且泵送槽的背面和介质吸入槽的背面之间形成的喇叭口位于介质吸入口所在的一侧；当动环在高速旋转过程中，介质沿着介质吸入槽进入并沿着密封环外径逐步向内径运动，在流体动压的作用下，在介质吸入槽的尖部形成高压，从而形成密封环之间的开启，当这个高压足够大时，刚好克服密封环之间的闭合力，使得密封环之间的接触力降低，形成非接触式密封，降低端面的摩擦热以及摩擦扭矩；由于非接触式机械密封存在一定的泄露风险，因此需要将密封介质的压力降低，同时需要将经过介质吸入区的泄露介质泵送回去，从而达到减少泄露的目的，所设计的机械密封结构能满足降低密封摩擦扭矩，减少端面生热，又能起到减少泄露的作用，因此大大的提高了密封的使用性能和使用寿命；
再者，介质循环槽还可以包括介质回流槽，介质回流槽能够更好地衔接介质吸入槽和泵送槽，让泵送槽内的介质更顺畅的流出去；另外介质回流槽还可以让介质在密封端面产生回流区，更好地润滑密封环的端面以及更好地散热；
再者，介质吸入槽从上游到下游逐渐变浅且变窄，泵送槽从下游到上游逐渐变浅且变窄，介质吸入槽和泵送槽均采用这种渐变宽度和深度的结构，较佳的，槽型采用阿基米德螺旋线，由于槽型的结构以及流体的旋转，效果更明显，在槽的尖部处流体大量堆积，挤压，形成高压区，当介质形成的高压足够大时，能将两个密封环顶开，和密封环的闭合力达到动态平衡时，密封达到稳定，此时由于形成了非接触式密封，密封端面之间的摩擦扭矩和摩擦热均大大的减小。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是现有技术的结构示意图；
图2是实施例1的结构示意图；
图3是实施例的1的密封环的端面的结构示意图；
图4是实施例1的密封环的端面的局部放大图；
图5是实施例2的结构示意图；
图6是实施例的2的密封环的端面的结构示意图；
图7是实施例2的密封环的端面的局部放大图；
图8是实施例3的结构示意图；
图9是实施例的3的密封环的端面的结构示意图；
图10是实施例3的密封环的端面的局部放大图；
附图中各部分标记如下：
动环1、静环2、动环座3、静环座4、介质吸入槽5、泵送槽6、降压缓冲槽7、介质吸入口8、喇叭口9、介质回流槽10、补偿元件11和安装座12。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不背离本发明所揭示的范畴下，能予不同的修饰与改变。
实施例1：一种零泄漏非接触式机械密封结构，如图2到图4所示，包括两个密封环和两个环座，两个所述密封环分别为动环1和静环2，两个所述环座分别为动环座3和静环座4，所述静环安装于静环座，所述动环安装于动环座，所述静环和所述动环的相对的两端面之间形成机械密封；
所述动环和静环的端面的一侧为高压侧(即外径侧)并将其定义为上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧(即内径侧)并将其定义为下游；所述动环和静环中至少之一的端面上设有介质循环槽，所述介质循环槽包括多个介质吸入槽5、多个泵送槽6和一环形的降压缓冲槽7，所述介质吸入槽靠近上游的一端形成介质吸入口8并与上游介质连通，且靠近下游的一端形成尖部，所有所述介质吸入槽皆向下游外凸，且所有所述介质吸入槽以密封环的环心为中心呈圆形阵列排布，所有所述泵送槽皆向上游外凸，且所有所述泵送槽也以密封环的环心为中心呈圆形阵列排布，同时所述泵送槽靠近上游的一端形成尖部且该尖部指向所述介质吸入槽的背面，并且所述泵送槽的背面和所述介质吸入槽的背面之间形成的喇叭口9位于所述介质吸入口所在的一侧。
本实施例中，所述介质循环槽由多个介质吸入槽、多个泵送槽和一环形的降压缓冲槽构成。
本实施例中，所述介质吸入槽和所述泵送槽均位于所述降压缓冲槽靠近上游的一侧，且所述泵送槽靠近下游的一端与所述降压缓冲槽连通。
更佳的是，所述介质吸入槽从上游到下游逐渐变浅且变窄，所述泵送槽从下游到上游逐渐变浅且变窄。
所述介质吸入槽和所述泵送槽为阿基米德螺旋线型的凹槽，但不限于此。
较佳的是，所述降压缓冲槽的深度大于介质吸入槽的深度，也大于所述泵送槽的深度。
另外，本实施例中，所述机械密封结构还包括补偿元件11和安装座12，所述安装座安装于待密封设备的壳体，所述补偿元件的一端连接所述安装座，且另一端连接所述静环座，所述静环座安装所述静环，所述动环座和所述动环套于待密封设备的转轴，所述动环座安装所述动环。
如图3所示，本实施例中，动环上设有介质循环槽，且动环是随轴顺时针旋转的(当静环上设有介质循环槽时，则轴是逆时针转动的)，动环的端面的外侧至内侧分别加工有介质吸入槽、泵送槽以及降压缓冲槽，其中介质吸入槽的主要功能是将介质吸入到密封端面，从密封环外侧吸入到槽内，介质沿着槽流动，到槽的尖部时形成高压，介质吸入槽从外侧到槽的尖部逐步变窄，变浅，槽的上游宽度和深度较大，槽的尖部宽度和深度较小，整个槽区为渐变深度和宽度的结构，槽型可以采用阿基米德螺旋线，或者其他型线。由于槽型的结构以及流体的旋转，在槽的尖部流体大量堆积，挤压，形成高压区，当介质形成的高压足够大时，能将两个密封环顶开，和密封环的闭合力达到动态平衡时，密封达到稳定，此时由于形成了非接触式密封，密封端面之间的摩擦扭矩和摩擦热均大大的减小；但是非接触式密封的缺点是容易存在泄露，因此需要将泄露的介质泵送出去，因此在介质吸入槽的内测均布加工有多个泵送槽，泵送槽结构和介质吸入槽的方向相反，泵送槽的尖部从密封环的内测指向外侧，从槽的根部到尖部仍然采用渐变深度和宽度的结构，槽的尖部的宽度和深度最小，形成高压，因此高压区能阻挡介质吸入区的泄露介质，将泄露的介质从密封环的上游泵送区泵送回密封环的外侧，而且泵送槽的尖部接近于介质吸入槽的中间位置，因此可以将泄露的介质一部分直接泵送到密封环外侧，一部分泵入到介质吸入槽，进入到介质吸入槽的流体会进一步流到下一个泵送槽，然后又会泵回到下一个介质吸入槽和密封环外侧，因此密封环一周形成了较好的流动，使得密封端面有较好的润滑，而且将泄露的介质大量的泵送回去，达到零泄漏的作用；还具有降压缓冲槽，如果仍然有高压介质泄露了，而且经过了泵送槽，会直接流入到降压缓冲槽，降压缓冲槽的槽深度较厚，因此能起到降低介质压力的作用，从而进一步降低密封介质压力，使得介质进一步泄露的风险大大降低。
当介质吸入槽和泵送槽的槽型均为阿基米德螺旋线时，若其设于动环，则介质吸入槽的螺旋方向与轴的旋转方向相反；若其设于静环，则介质吸入槽的螺旋方向与轴的旋转方向相同。
实施例2：一种零泄漏非接触式机械密封结构，如图5到图7所示，结构与实施例1类似，不同之处在于：所述介质循环槽还包括多个介质回流槽10，所有所述介质回流槽10皆向下游外凸，且所有所述介质回流槽10以密封环的环心为中心呈圆形阵列排布。
本实施例中，所述介质回流槽为两端均形成尖部的凹槽。
所述泵送槽6、所述介质吸入槽5和所述介质回流槽10均位于所述降压缓冲槽7的上游侧，且所述介质吸入槽5靠近下游的一端与所述降压缓冲槽连通，所述介质吸入槽5的两端均形成尖部，且所述泵送槽6靠近下游的一端指向所述介质吸入槽5的内凹面。
较佳的是，所述介质吸入槽、所述泵送槽和所述介质回流槽为阿基米德螺旋线型的凹槽，但不限于此。
本实施例的工作原理和过程与实施例1的类似，不同之处在于：动环在旋转过程中，在离心的作用下，端面的介质会从降压缓冲槽流入泵送槽，之后进入介质吸入槽，之后进入介质回流槽，之后再进入降压缓冲槽形成介质循环，由于介质回流槽的存在，能够更好地衔接介质吸入槽和泵送槽，让泵送槽内的介质更顺畅的流出去；另外介质回流槽还可以让介质在密封端面产生回流区，更好地润滑密封环的端面以及更好地散热。
实施例3：一种零泄漏非接触式机械密封结构，如图8到图9所示，结构与实施例2类似，不同之处在于：所述介质吸入槽5和所述介质回流槽10皆位于所述降压缓冲槽7的上游侧，所述泵送槽6位于所述降压缓冲槽7的下游侧，且所述介质回流槽10靠近下游的一端与所述降压缓冲槽7连通。
本实施例中，所述介质回流槽为靠近上游的那端形成尖部且靠近下游的那端与所述降压缓冲槽连通的凹槽。
本实施例的工作原理和过程与实施例1的类似，不同之处在于：动环在旋转过程中，在离心的作用下，端面的介质会从泵送槽流入降压缓冲槽，之后进入介质吸入槽，之后进入介质回流槽，之后部分再进入降压缓冲槽形成介质循环，部分流到密封环的外侧，由于介质回流槽的存在，能够更好地衔接介质吸入槽和泵送槽，让泵送槽内的介质更顺畅的流出去；另外介质回流槽还可以让介质在密封端面产生回流区，更好地润滑密封环的端面以及更好地散热。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种零泄漏非接触式机械密封结构，其特征在于：包括两个密封环和两个环座，两个所述密封环分别为动环(1)和静环(2)，两个所述环座分别为动环座(3)和静环座(4)，所述静环安装于静环座，所述动环安装于动环座，所述静环和所述动环的相对的两端面之间形成机械密封；
所述动环和静环的端面的一侧为高压侧并将其定义为上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧并将其定义为下游；所述动环和静环中至少之一的端面上设有介质循环槽，所述介质循环槽包括多个介质吸入槽(5)、多个泵送槽(6)和一环形的降压缓冲槽(7)，所述介质吸入槽靠近上游的一端形成介质吸入口(8)并与上游介质连通，且靠近下游的一端形成尖部，所有所述介质吸入槽皆向下游外凸，且所有所述介质吸入槽以密封环的环心为中心呈圆形阵列排布，所有所述泵送槽皆向上游外凸，且所有所述泵送槽也以密封环的环心为中心呈圆形阵列排布，同时所述泵送槽靠近上游的一端形成尖部且该尖部指向所述介质吸入槽的背面，并且所述泵送槽的背面和所述介质吸入槽的背面之间形成的喇叭口(9)位于所述介质吸入口所在的一侧。
2.根据权利要求1所述的零泄漏非接触式机械密封结构，其特征在于：所述介质循环槽由多个介质吸入槽、多个泵送槽和一环形的降压缓冲槽构成。
3.根据权利要求1所述的零泄漏非接触式机械密封结构，其特征在于：所述介质循环槽还包括多个介质回流槽(10)，所有所述介质回流槽皆向下游外凸，且所有所述介质回流槽以密封环的环心为中心呈圆形阵列排布。
4.根据权利要求1所述的零泄漏非接触式机械密封结构，其特征在于：所述介质吸入槽从上游到下游逐渐变浅且变窄，所述泵送槽从下游到上游逐渐变浅且变窄。
5.根据权利要求3所述的零泄漏非接触式机械密封结构，其特征在于：所述介质回流槽为两端均形成尖部的凹槽或者靠近上游的那端形成尖部且靠近下游的那端与所述降压缓冲槽连通的凹槽。
6.根据权利要求3所述的零泄漏非接触式机械密封结构，其特征在于：所述泵送槽、所述介质吸入槽和所述介质回流槽均位于所述降压缓冲槽的上游侧，且所述介质吸入槽靠近下游的一端与所述降压缓冲槽连通，所述介质吸入槽的两端均形成尖部，且所述泵送槽靠近下游的一端指向所述介质吸入槽的内凹面。
7.根据权利要求3所述的零泄漏非接触式机械密封结构，其特征在于：所述介质吸入槽和所述介质回流槽皆位于所述降压缓冲槽的上游侧，所述泵送槽位于所述降压缓冲槽的下游侧，且所述介质回流槽靠近下游的一端与所述降压缓冲槽连通。
8.根据权利要求1所述的零泄漏非接触式机械密封结构，其特征在于：所述介质吸入槽、所述泵送槽和所述介质回流槽为阿基米德螺旋线型的凹槽。
9.根据权利要求1所述的零泄漏非接触式机械密封结构，其特征在于：所述降压缓冲槽的深度大于介质吸入槽的深度，也大于所述泵送槽的深度。
10.根据权利要求1所述的零泄漏非接触式机械密封结构，其特征在于：还包括补偿元件(11)和安装座(12)，所述安装座安装于待密封设备的壳体，所述补偿元件的一端连接所述安装座，且另一端连接所述静环座，所述静环座安装所述静环，所述动环座和所述动环套于待密封设备的转轴，所述动环座安装所述动环。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111350824A (zh) * 2020-02-02 2020-06-30 江苏大学 一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构
CN114060521A (zh) * 2021-11-10 2022-02-18 浙江环誉泵业科技有限公司 一种较强自润滑和自冷效果机械密封端面自循环回流槽

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