CN110594418B - 一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，动环和静环的外径侧为高压侧，动环和静环的内径侧为低压侧，动环和静环的其中一个端面上开有多个沿圆周方向均布的雷列台阶浅槽。每组雷列台阶浅槽由两个径向导流槽和两个周向的动压槽组成，两个径向导流槽沿径向由外径向内径阶梯变浅，形成径向雷列台阶，两个周向动压槽沿周向阶梯变浅，沿导流槽流入的流体沿两个周向动压槽流入密封端面，从而两个周向动压槽与密封端面液膜形成两个周向雷列台阶，每组雷列台阶浅槽由不开槽的密封堰阻隔，内径处由不开槽的密封坝阻隔。本发明可以在密封端面的周向和径向分别形成三个雷列台阶，一个径向雷列台阶中的流体运动由高压侧到低压侧的压差力驱动，两个周向雷列台阶中的流体运动由密封环旋转依靠流体粘度带动的粘性力驱动，从而在两个方向上形成三个雷列台阶面型流体膜，有效提高端面流体的动压效应，同时降低泄漏量。

Description

一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构

技术领域

本发明涉及一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构，属于机械密封端面结构设计，适用于各类轴流体设备，如泵、釜、压缩机等各类高中低转动、气体和液体润滑的设备的轴端密封装置。

背景技术

目前，机械密封已成为轴流体设备中最主要的轴端密封形式。相比于传统的填料密封等密封方式，机械密封具有明显的摩擦功率低、泄漏少、发热小等优势。但机械密封由于摩擦副存在直接接触，造成固体和固体的接触磨损，使其均有一定的使用寿命，一般在1到3年左右，且在高温高压等高参数工况下寿命更短甚至无法使用。为了解决这一问题，近年发展出了在密封端面上加工出各种槽型的机械密封，利用流体动压或静压效应，提高密封端面上流体的承载能力，从而使摩擦副部分或完全开启，避免固体与固体的直接接触，有效提高了机械密封的使用寿命和适用工况。

发明内容

为了解决传统机械密封寿命有限，无法适合高参数工况的问题，基于端面开槽密封的基本原理，本发明提供一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构，每组浅槽均可在径向和周向两个方向上形成三个雷列台阶，有效提高了流体的动压效应，减小了密封面的磨损，延长了机械密封的使用寿命，同时可通过调节各处浅槽参数来减小和增大泄漏量，实现对泄漏量的有效控制。

本发明采用的技术手段如下：

一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，动环和静环的外径侧为高压侧，动环和静环的内径侧为低压侧，动环和静环的其中一个端面上开有多个沿圆周方向均布的雷列台阶浅槽。每组雷列台阶浅槽由两个径向导流槽和两个周向动压槽组成，两个径向导流槽沿径向由外径向内径阶梯变浅，形成径向雷列台阶，两个周向动压槽沿周向阶梯变浅，沿导流槽流入的流体沿两个周向动压槽流入密封端面，从而两个周向动压槽与密封端面流体膜形成两个周向雷列台阶，每组雷列台阶浅槽由不开槽的密封堰阻隔，内径处由不开槽的密封坝阻隔。

进一步，所述浅槽在圆周方向上均匀分布，其数量为6到10个。

进一步，所述第一导流槽周向角度等于第二导流槽周向角度且导流槽周向角度a＝5°～9°，导流槽周向角度a与每组槽区周向角度c之比a/c＝0.1～0.2，导流槽起于高压侧终于密封坝。所述第一动压槽周向角度等于第二动压槽周向角度且动压槽周向角度b＝21°～36°，动压槽周向角度b与每组槽区周向角度c之比b/c＝0.5～0.7，动压槽起于导流槽终于密封堰。

进一步，所述第一导流槽径向宽度S5与密封端面有效径向宽度S1之比S5/S1＝0.2～0.4，第一动压槽径向宽度S3与密封端面有效径向宽度S1之比S3/S1＝0.1～0.3，第二导流槽径向宽度S4与密封端面有效径向宽度S1之比S4/S1＝0.2～0.4，第二动压槽径向宽度S2与密封端面有效径向宽度S1之比S2/S1＝0.1～0.3。

进一步，所述第一导流槽深度h1＝10um～20um，第一动压槽深度h2＝3um～6um，第二导流槽深度h3＝6um～11um，第二动压槽深度h4＝2um～5um，且各槽均为等深度槽。

一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构的工作原理：

带有雷列台阶浅槽的机械密封端面结构的机械密封，在运行时流体由于外径到内径的压力差作用，沿着较深的径向第一导流槽流向较浅的径向第二导流槽，形成第一雷列台阶，由于雷列台阶面型流体膜层具有较强的动压效应，流体在第一导流槽与第二导流槽阶梯处产生流体动压效应，形成高压区。由于动环旋转和流体粘度，流入径向第一导流槽的流体沿较深的周向第一动压槽流入液膜较薄的无槽的密封堰，形成第二雷列台阶，由于雷列台阶面型流体膜层具有较强的动压效应，流体在第一动压槽与密封堰阶梯处产生流体动压效应，形成高压区。流入径向第二导流槽的流体沿较深的周向第二动压槽流入液膜较薄的无槽的密封堰，形成第三雷列台阶，由于雷列台阶面型流体膜层具有较强的动压效应，流体在第二动压槽与密封堰阶梯处产生流体动压效应，形成高压区。从而在每组雷列台阶浅槽中形成三个雷列台阶，在相同工况下雷列台阶面型流体膜层是已知的收敛型流体膜层中具有最大承载能力的，因此本发明一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构通过在径向和周向形成三个雷列台阶极大的提高了流体动压效应，提高了密封端面液膜的承载能力。

由于具有流体动压效应的流体膜具有正的刚度，因此其可以保证机械密封运转时密封端面上流体膜的刚度，提高密封运行时的稳定性。

由于第一导流槽的存在，在机械密封静止时，流体即可在外径与内径压力差的作用下，进入密封端面，从而保证在机械密封启动的瞬间，密封端面上有足够的流体润滑和足够的静压开启力，保证密封端面顺利开启，消除机械密封在启停过程中由于转速低导致的动压效应不足或在高压工况下外径与内径压力差太大导致闭合力过大，而引起的由于密封端面无法打开产生的磨损。尤其是可以解决在频繁启停工况下由于上述原因导致的密封端面磨损从而缩短机械密封使用寿命的问题。

浅槽中存储的流体，可以在密封流体不足或密封压力不稳定时，保证密封端面上仍有足够的流体润滑，形成流体动压效应，保证流体膜的刚度，显著提高密封运行的稳定性。

内径处设有不开槽的密封坝，能够有效阻止机械密封运行期间流体的泄漏。

相对于现有技术，本发明一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构具有以下有益技术效果：

(1)导流槽可将密封流体引入密封端面，在机械密封启停过程中有效润滑密封端面，防止启停过程中由于低速导致动压效应降低而产生的固体接触摩擦；

(2)径向和周向共三个雷列台阶，有效增加密封端面流体膜的刚度和运行的稳定性；

(3)可实现密封端面完全开启，减小密封端面的固体接触磨损，降低密封摩擦功耗和发热，延长机械密封使用寿命；

(4)可通过调整各槽几何参数，按工况减小或增大泄漏量，实现对泄漏量的可控设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构的整体结构示意图。

图2为浅槽的径向截面图。

图中：1、第一导流槽，2、第二导流槽，3、第一动压槽，4、第二动压槽，5、密封坝，6、密封堰，a、导流槽周向角度，b、动压槽周向角度，c、每组槽形周向角度，S1、密封端面有效径向宽度，S2、第二动压槽径向宽度，S3、第一动压槽径向宽度，S4、第二导流槽径向宽度，S5、第一导流槽径向宽度，h1、第一导流槽深度，h2、第一动压槽深度，h3、第二导流槽深度，h4、第二动压槽深度

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如附图1至附图2所示，一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，动环和静环的外径侧为高压侧，动环和静环的内径侧为低压侧，动环和静环的其中一个端面上开有多个沿圆周方向均布的雷列台阶浅槽。每组雷列台阶浅槽由径向第一导流槽1、径向第二导流槽2、周向第一动压槽3、周向第二动压槽4组成，径向第一导流槽1和径向第二导流槽2沿径向由外径向内径阶梯变浅。径向第一导流槽1和周向第一动压槽3沿周向阶梯变浅，径向第二导流槽2和周向第二动压槽4沿周向阶梯变浅。由于外径到内径的压力差，流体沿较深的径向第一导流槽1流向较浅的径向第二导流槽2，形成第一雷列台阶。由于动环旋转和流体粘度，流入径向第一导流槽1的流体沿较深的周向第一动压槽3流入液膜较薄的无槽的密封堰6，形成第二雷列台阶。流入径向第二导流槽2的流体沿较深的周向第二动压槽4流入液膜较薄的无槽的密封堰6，形成第三雷列台阶。从而在每组雷列台阶浅槽中形成三个雷列台阶，极大的加强了流体动压效应，提高了液膜承载能力。每组雷列台阶浅槽由不开槽的密封堰6阻隔，内径处由不开槽的密封坝5阻隔。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种雷列台阶浅槽的机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，动环和静环的外径侧为高压侧，动环和静环的内径侧为低压侧，动环和静环的其中一个端面上开有多组沿圆周方向均布的雷列台阶浅槽；每组雷列台阶浅槽由两个径向导流槽和两个周向动压槽组成，两个径向导流槽包括第一导流槽、第二导流槽，两个周向动压槽包括第一动压槽、第二动压槽；两个径向导流槽沿径向由外径向内径阶梯变浅，形成径向雷列台阶，两个周向动压槽沿周向阶梯变浅，沿导流槽流入的流体沿两个周向动压槽流入密封端面，从而两个周向动压槽与密封端面液膜形成两个周向雷列台阶，每组雷列台阶浅槽由不开槽的密封堰阻隔，内径处由不开槽的密封坝阻隔；第一导流槽径向宽度S5与密封端面有效径向宽度S1之比S5/S1＝0.2～0.4，第一动压槽径向宽度S3与密封端面有效径向宽度S1之比S3/S1＝0.1～0.3，第二导流槽径向宽度S4与密封端面有效径向宽度S1之比S4/S1＝0.2～0.4，第二动压槽径向宽度S2与密封端面有效径向宽度S1之比S2/S1＝0.1～0.3；第一导流槽深度h1＝10um～20um，第一动压槽深度h2＝3um～6um，第二导流槽深度h3＝6um～11um，第二动压槽深度h4＝2um～5um，且第一导流槽、第二导流槽、第一动压槽、第二动压槽均为等深度槽。

2.根据权利要求1所述的雷列台阶浅槽的机械密封端面结构，其特征在于：所述浅槽在圆周方向上均匀分布，其数量为6到10个。

3.根据权利要求1所述的雷列台阶浅槽的机械密封端面结构，其特征在于：所述第一导流槽周向角度等于第二导流槽周向角度且该角度a＝5°～9°，导流槽周向角度a与每组槽区周向角度c之比a/c＝0.1～0.2，导流槽起于高压侧终于密封坝；所述第一动压槽周向角度等于第二动压槽周向角度且动压槽周向角度b＝21°～36°，动压槽周向角度b与每组槽区周向角度c之比b/c＝0.5～0.7，动压槽起于导流槽终于密封堰。