CN110410504A - 一种变深度螺旋t形槽的机械密封端面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种变深度螺旋T形槽的机械密封端面结构，包括机械密封的动环、静环，动环或静环端面的一侧为高压侧即上游侧，另一侧为低压侧即下游侧，动环端面上设有变深度螺旋T形槽，变深度螺旋T形槽之间设密封堰，变深度螺旋T形槽与周向环槽相通，周向环槽与下游侧之间设密封坝。变深度螺旋T形槽个数为8～24间的偶数个；整个变深度螺旋T形槽径向宽度占整个密封端面径向宽度不超过三分之一。本发明有效地提高了流体动压效应，改善了机械密封的工作效能；保证机械密封在静态时的密封性能；固体颗粒等可被及时排出密封端面，减小端面间的摩擦，改善温度分布，避免了密封环因受热不均导致的变形甚至机械密封端面开裂的问题。

Description

一种变深度螺旋T形槽的机械密封端面结构
技术领域
本发明提供一种变深度T形槽机械密封端面结构，具体地说，是一种在动环端面上开设一定数量的变深度螺旋T形槽，属于流体密封中的旋转轴密封技术领域。
背景技术
机械密封是一种涡轮旋转机械的轴封装置，广泛应用于航空航天、石油化工、医药食品和能源等领域的设备中。而机械端密封实际使用过程中，要求适应高压、高速和工况突变等较极端工况条件，这就导致密封端面容易产生接触，造成密封端面摩擦磨损严重而易 失效；若要实现非接触密封，则密封端面间隙增大，从而导致泄漏量增加。
理论计算和实验研究表明，密封端面有微观凹腔的机械密封有利于产生流体动压效应，所以这类机械密封在改善润滑、提高流体膜刚度方面效果明显。为了改善机械密封中密封端面的润滑状态，提高使用寿命，出现了各种基于此理论的特殊机械密封结构。但这种凹腔不能产生泵送效应，无法解决泄露的问题。自美国专利(US4290611)提出上游泵送概念以 来，通过在密封端面上开设一定形状的泵送槽，将密封低压侧缓冲液或少量的泄露液体泵送 向高压侧，从而减少泄漏量。
由于单独使用微观凹腔和泵送槽存在上述问题，近年来，有人提出将微观凹腔和泵送槽组合使用，既改善了密封动态性能，又减小了泄露量，但在工作中存在排屑能力不足的问题。磨损碎屑不能及时排出，导致密封端面间摩擦产热量增加，温度分布不均，从而使端面产生变形，严重时密封端面还会产生龟裂，使机械密封性能大大降低。同时还存在密封性能不稳定，容易受到液膜压力波动的影响产生振动，造成启动停车润滑效果差、端面磨损和使用寿命短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变深度螺旋T形槽的机械密封端面结构，该结构可以有效提高机械密封的流体动压效应，减小泄漏量，降低密封端面间的摩擦和磨损，改善密封端面的温度分布和密封性能稳定性，保障密封在启动停车过程中的润滑效果。
本发明的技术方案是：
一种变深度螺旋T形槽的机械密封端面结构，包括机械密封的动环、静环，所述 动环或静环端面的一侧为高压侧即上游侧，所述动环或静环端面的另一侧为低压侧即下游侧， 其特征在于：动环端面上设有系列变深度螺旋T形槽，所述变深度螺旋T形槽之间设密封堰， 所述变深度螺旋T形槽与周向环槽相通，所述周向环槽与下游侧之间设密封坝。
优选的，所述变深度螺旋T形槽个数为8～24间的偶数个；整个变深度螺旋T形槽径向宽度占整个密封端面径向宽度不超过三分之一；所述T形槽靠近上游侧的部分为“一”字槽，沿径向宽度为整个T形槽径向宽度的三分之一，所述“一”字槽在靠近上游侧沿密封环轴向深度为3～5μm，倾斜角度为5°～10°；所述T形槽靠近下游侧的部分为螺旋槽，沿径向宽度为整个T形槽径向宽度的三分之二，沿密封环轴向深度为0.1～0.3μm，倾斜角度为2°～5°。
优选的，所述螺旋槽螺旋角为15°～60°；所述“一”字槽部分周向槽台宽比为1.2～1.5， 所述螺旋槽部分周向槽台宽比为0.2～0.8。
优选的，所述周向环槽与所述深度螺旋T形槽靠近下游侧的螺旋槽相通，周向环槽沿密封环轴向深度与螺旋槽沿密封环轴向深度相同，径向宽度为1～3μm。
本发明的技术构思为：密封端面润滑液膜的流动是压差流和剪切流的相互平衡，上 游侧流体由于压差进入密封端面间隙，在密封端面间由于密封环的旋转运动产生剪切流。流 体进入密封端面间隙后，由于整个螺旋T形槽沿径向具有一定的倾斜角，有利于均衡液膜压 力在整个密封端面上的分布，靠近上游侧间隔分布的“一”字槽能够在密封间隙内产生紊流， 增强动压效应。流体经“一”字槽进入螺旋槽后，在螺旋槽槽跟处由于间隙的收敛作用，挤 压效应增大，故在螺旋槽槽跟处产生泵送效应，形成高压区。由于靠近下游密封坝区润滑液 膜间隙突然减小，挤压作用增大，且在径向变深度螺旋T形槽、密封堰和周向槽间能形成微 循环流动，进一步增强了泵送效应。在变深度螺旋T形槽、密封堰和密封坝的协同作用下形 成回流泵送能力。由于较强的回流泵送能力，固体颗粒等可被及时排出密封端面，减小端面 间的摩擦，改善温度分布。周向环槽的存在有利于缓冲密封端面间的泵送效应和紊流带来的 压力波动，保持机械密封工作过程中的性能稳定。密封坝径向宽度占整个密封端面径向宽度 不少于三分之二，有利于保证机械密封在静态时的密封性能。
本发明的有益效果主要表现在：
(1)在严格要求旋转轴不可逆转的工况下，变深度螺旋T形槽有效地提高了流体动压效应，减小了因机械密封端面不平度引起的副作用，改善了机械密封的工作效能。
(2)整个变深度螺旋T形槽径向宽度占整个密封端面径向宽度不超过三分之一，以保证机械密封在静态时的密封性能。
(3)在变深度螺旋T形槽和密封坝的协同作用下形成较强的回流泵送能力，固体颗粒等可被及时排出密封端面，减小端面间的摩擦，改善温度分布，避免了密封环因受热不均导致的变形甚至机械密封端面开裂的问题。
(4)变深度螺旋T形槽改善了密封端面间的压力分布，可产生良好的流体动压效应，提供足够的液膜承载能力，周向环槽能缓冲密封端面间的泵送效应和紊流带来的压力波 动，保持机械密封工作过程中的性能稳定。
(5)在径向变深度螺旋T形槽、密封堰和周向槽间能形成微循环流动，在启动和停车过程中能快速排出密封介质中的固体颗粒和摩擦产生的热量，从而延长使用寿命，提高密 封的可靠性。
附图说明
图1是本发明的机械密封端面结构排布示意图。
图2是本发明的机械密封端面开槽几何参数示意图。
图3是结构图2的A-A向剖面图。
图4是结构图2的B-B向剖面图。
图中标示：1—变深度螺旋T形槽；11—螺旋槽；12—“一”字槽；2—密封堰； 3—周向槽；4—密封坝；ri—密封环内径；ro—密封环外径；α1—“一”字槽倾角；α2—螺 旋槽倾角；α3—螺旋槽壁线螺旋角；a1—密封坝宽度；a2—周向槽宽度；ha—周向槽深度； hb—“一”字槽深度；γg1—“一”字槽周向宽度；γw1—上游侧密封堰周向宽度；γg2—螺旋槽 周向宽度；γw2—下游侧密封堰周向宽度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种变深度螺旋T形槽的机械密封端面结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环或静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环或静环端面的另一侧为低压侧即下游，动环端面上设有系列变深度螺旋T形槽1，所述变深度螺旋T形槽1之间设密 封堰2，所述变深度螺旋T形槽1与周向环槽3相通，所述周向环槽3与下游侧之间设密封 坝4。
所述变深度螺旋T形槽1个数为8～16之间的偶数个；整个变深度螺旋T形槽1径 向宽度lg占整个密封结构端面径向宽度(ro-ri)不超过三分之一，所述T形槽可以分为靠近上游 侧的“一”字槽12，和靠近下游侧的螺旋槽11；所述“一”字槽12沿径向宽度lg1为整个T 形槽径向宽度lg的三分之一，“一”字槽在靠近上游侧沿密封环轴向深度hb为3～5μm，倾斜 角度α1为5°～10°；所述螺旋槽11沿径向宽度lg2为整个T形槽径向宽度lg的三分之二，沿密 封环轴向深度ha为0.1～0.3μm，螺旋倾斜角度α2为2°～5°。
所述螺旋槽螺旋角α3为30°～45°；“一”字槽部分周向槽台宽比γg1/γw1为1.2～1.5， 螺旋槽周向槽台宽比γg2/γw2为0.2～0.8。
所述周向环槽3与所述变深度螺旋T形槽1靠近下游侧的螺旋槽11相通，周向环 槽3沿密封环轴向深度与螺旋槽沿密封环轴向深度(螺旋槽最浅处深度)ha相同，周向环槽3径向宽度a2为1～3μm。
参照图1，密封端面润滑液膜的流动是压差流和剪切流的相互平衡，上游侧流体由于压差进入密封端面间隙，在密封端面间由于密封环的旋转运动产生剪切流。流体进入密封 端面间隙后，由于整个螺旋T形槽1沿径向具有一定的倾斜角，有利于均衡液膜压力在整个 密封端面上的分布，靠近上游侧间隔分布的“一”字槽12能够在密封间隙内产生紊流，增强 动压效应。流体经“一”字槽12进入螺旋槽11后，在螺旋槽11槽跟处由于间隙的收敛作用， 挤压效应增大，故在螺旋槽11槽跟处产生泵送效应，形成高压区。由于靠近下游密封坝4区 润滑液膜间隙突然减小，挤压作用增大，且在径向变深度螺旋T形槽1、密封堰2和周向槽3 间能形成微循环流动，进一步增强了泵送效应。在变深度螺旋T形槽1、密封堰2和密封坝4 的协同作用下形成回流泵送能力。由于较强的回流泵送能力，固体颗粒等可被及时排出密封 端面，减小端面间的摩擦，改善温度分布。周向环槽3的存在有利于缓冲密封端面间的泵送 效应和紊流带来的压力波动，保持机械密封工作过程中的性能稳定。密封坝4径向宽度a1占 整个密封端面径向宽度不少于三分之二，有利于保证机械密封在静态时的密封性能。
以上实施例所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，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 发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种变深度螺旋T形槽的机械密封端面结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环或静环端面的一侧为高压侧即上游侧，所述动环或静环端面的另一侧为低压侧即下游侧，其特征在于：动环端面上设有系列变深度螺旋T形槽，所述变深度螺旋T形槽之间设密封堰，所述变深度螺旋T形槽与周向环槽相通，所述周向环槽与下游侧之间设密封坝。
2.根据权利要求1所述的一种变深度螺旋T形槽的机械密封端面结构，其特征在于：所述变深度螺旋T形槽个数为8～24间的偶数个；整个变深度螺旋T形槽径向宽度占整个密封端面径向宽度不超过三分之一。
3.根据权利要求2所述的一种变深度螺旋T形槽的机械密封端面结构，其特征在于：所述T形槽靠近上游侧的部分为“一”字槽，沿径向宽度为整个T形槽径向宽度的三分之一；所述“一”字槽在靠近上游侧沿密封环轴向深度为3～5μm，倾斜角度为5°～10°；所述T形槽靠近下游侧的部分为螺旋槽，沿径向宽度为整个T形槽径向宽度的三分之二，沿密封环轴向深度为0.1～0.3μm，倾斜角度为2°～5°。
4.根据权利要求3所述的一种变深度螺旋T形槽的机械密封端面结构，其特征在于：所述螺旋槽螺旋角为15°～60°；所述“一”字槽部分周向槽台宽比为1.2～1.5，所述螺旋槽部分周向槽台宽比为0.2～0.8。
5.根据权利要求1所述的一种变深度螺旋T形槽的机械密封端面结构，其特征在于：所述周向环槽与深度螺旋T形槽靠近下游侧的螺旋槽相通，周向环槽沿密封环轴向深度与螺旋槽沿密封环轴向深度相同，径向宽度为1～3μm。
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