CN111473115A - 一种带有副堰区的机械密封端面结构 - Google Patents

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CN111473115A CN202010404026.8A CN202010404026A CN111473115A CN 111473115 A CN111473115 A CN 111473115A CN 202010404026 A CN202010404026 A CN 202010404026A CN 111473115 A CN111473115 A CN 111473115A
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黄伟峰
刘莹
王廷玉
刘向锋
李永健
王玉明
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Abstract

本发明公开了一种带有副堰区的机械密封端面结构，包括静环和动环，所述静环和动环相对的两端面设置为密封面，任一所述密封面上设有低压侧和高压侧，至少一所述密封面上设有螺旋槽，周向相邻所述螺旋槽之间形成密封堰区，所述螺旋槽的槽底设有凸起，任一所述凸起所处区域构成一个副堰区。本发明涉及机械流体密封领域，提供了一种带有副堰区的机械密封端面结构，能够在满足一定工作条件下实现低泄漏和工作性能稳定，还可提升使用寿命长，并具有良好的动压效应。

Description

一种带有副堰区的机械密封端面结构
技术领域
本发明涉及机械流体密封领域，更具体地，涉及一种带有副堰区的机械密封端面结构。
背景技术
在各种旋转式流体机械中，机械密封端面结构是基础的关键部件。首先，机械密封是在垂直于旋转轴线的端面流体压力、补偿元件，以及辅助密封的共同作用下，保持密封环贴合且相对滑动，构成的流体泄漏少的装置。对于低膜厚状态下的机械密封，由于端面的动压效应相对较弱，导致在开启过程中磨损较大，易造成端面的损伤，导致机械密封在正常工况下的泄漏增加。
为提高机械密封的工作可靠性，增强密封端面的润滑性能，减少端面的磨损，通常需要在动环或静环的端面上设计一定的织构或者槽型，形成完整的流体润滑膜，产生一定的流体膜刚度，从而避免密封结构在运行过程中由于外界扰动而引起的端面贴合造成端面的磨损。但是，目前的机械密封端面结构，动压效应和承载能力有限，端面摩擦磨损情况也不理想。
发明内容
本发明实施例提供了一种带有副堰区的机械密封端面结构，包括静环和动环，所述静环和动环相对的两端面设置为密封面，任一所述密封面上设有低压侧和高压侧，至少一所述密封面上设有螺旋槽，周向相邻所述螺旋槽之间形成密封堰区，所述螺旋槽的槽底设有凸起，任一所述凸起所处区域构成一个副堰区。
一种可能的设计，所述凸起的高度小于所在螺旋槽的槽深，所述螺旋槽的槽深为5～100μm，所述凸起的高度与所述螺旋槽的槽深之间的差值设置为0.2～100μm。
一种可能的设计，任一所述螺旋槽内设置有1-80个所述副堰区，所述副堰区所占面积与所述螺旋槽所占面积的比值设置为0.01～0.7。
一种可能的设计，所述凸起设置为垂直于所述密封面或倾斜设置，所述凸起的截面设置为螺旋形、矩形、圆形或菱形。
一种可能的设计，在一所述螺旋槽内，多个所述副堰区设置为在密封面的径向单排或多排布置。
一种可能的设计，多排所述副堰区设置为沿所述螺旋槽的延伸方向布置。
一种可能的设计，多个所述螺旋槽布置在所述低压侧或高压侧，且以所述密封面的中心点为中心对称设置，构成单列螺旋结构。
一种可能的设计，多个所述螺旋槽包括设于低压侧的内螺旋槽和处于高压侧的外螺旋槽，所述内螺旋槽和外螺旋槽对应布置，构成双列螺旋槽结构，所述内螺旋槽和外螺旋槽的旋向相反。
一种可能的设计，任一所述螺旋槽设置为对称的双螺旋型槽。
本发明实施例的机械密封端面结构，在低速、低压的工作状态下，突起的副堰区结构可使端面具有更好的动压效应，减少了在启停过程中的端面磨损。
本发明实施例的机械密封端面结构，在正常运行工况下，端面的副堰区具有的节流作用，使得通过端面的流体流量减小，降低了机械密封的泄漏量。
本发明实施例的机械密封端面结构，对于可压缩介质机械密封，副堰区造成的非对称因素，使得副堰区下游侧的气体压力增大，动压效应得到加强。
本发明实施例的机械密封端面结构，对于具有对称的双螺旋型槽的机械密封，副堰区的存在可强化空化作用，增强动压效应。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为根据本发明的一实施例的机械密封端面结构示意图；
图2为图1的A-A向剖视图；
图3为图1中的螺旋槽截面示意图；
图4为根据本发明的另一实施例的机械密封端面结构示意图；
图5为根据本发明的又一实施例的机械密封端面结构示意图；
图6为根据本发明的又一实施例的机械密封端面结构示意图；
图7为根据本发明的又一实施例的机械密封端面结构示意图；
图8为根据本发明的又一实施例的机械密封端面结构示意图；
图9为图8中的机械密封端面结构局部示意图。
附图标记：1-螺旋槽、2-密封堰区、3-副堰区、4-密封坝区、5-内螺旋槽、6-外螺旋槽、7-凸起。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
请参阅图1至图3的本发明一实施例的机械密封端面结构。该机械密封端面结构主要应用于各种旋转机械结构的低膜厚的轴端密封，以及干气密封，例如，压缩机、离心泵、搅拌机、和膨胀机等机械结构的轴端密封。如图1和图2所示，该机械密封端面结构包括不随轴转动的静环和随轴转动的动环，其中，静环和动环都为环形结构，两者相对的两端面设置为密封面，任一密封面上设有处于径向内侧的低压侧和处于径向外侧的高压侧；至少一密封面上设有螺旋槽1，即动环和静环至少其一设有螺旋槽1；同时，周向相邻的螺旋槽1之间又形成了密封堰区2。特别地，该螺旋槽1的槽底设有突出的凸起7，该凸起7的高度小于所处螺旋槽1的槽深，任一凸起7所处区域构成一个副堰区3。由此，上述副堰区3发挥了和密封堰区2相类似的作用，在低速、低压的工作状态下，例如启停过程，由于副堰区3的存在，使得具有更强的动压效应及更好的承载能力，减轻了摩擦磨损；在相对高速、高压的工作条件下，由于副堰区3的节流作用，能够在一定程度上减少泄漏。
首先，在一示例中，动环上设有上述螺旋槽1，而静环上未设置螺旋槽1，当然设计人员也可根据工作情况选择设有螺旋槽1的静环和未设螺旋槽1的动环，或者选择都设有螺旋槽1的静环和动环。以动环为例，如图1所示，该动环的密封面上，尤其在高压侧，设有12个螺旋槽1，这12个螺旋槽1绕密封面的中心等间隔均匀布置，螺旋槽1的个数可根据需求开设，常为6至100个。由此，上述螺旋槽1构成单列螺旋结构，在相邻的螺旋槽1之间形成密封堰区2，而密封面在螺旋槽1的内侧形成了光滑且连续的环形区域，即密封坝区4。
又如图1所示，上述螺旋槽1的槽壁截面可以设计为直线型、阿基米德螺旋线型、直线型或圆弧线型，在本示例中，各个螺旋槽1的槽壁截面均为螺旋线。各个螺旋槽1的尺寸大小可根据工况需求统一确定，该螺旋槽1的壁线螺旋角可在5～50°的范围内选择，径向槽坝比可为1～5，周向槽堰比则在0.25～4之间，螺旋槽1径向宽度占密封面径向宽度的数值控制在1/5～1/2。又如图3所示，该螺旋槽1的槽深h2可为5～100μm，本示例的各个螺旋槽1的槽深选用30μm。在制造动环或静环时，可以采用激光加工、电化学腐蚀、电火花加工等工艺加工出螺旋槽1，利用接触式轮廓仪或非接触式光学轮廓仪来检测加工精度。
就副堰区3而言，如图1至图3所示，单个螺旋槽1内的副堰区3构成一个副堰区组，密封面上的副堰区组也以密封面的中心点为中心对称设置，每个副堰区组的副堰区3的数量可根据需求控制在1-100个，在一示例中，各个螺旋槽1内都设有3个副堰区3。构成副堰区3的凸起7，其竖直设置在螺旋槽1的槽底，而且由上至下截面相同，而在其他示例中该凸起7也以其他姿态设置，如倾斜设置，上下截面各异，只要其突出螺旋槽1的槽底即可。在一示例中，3个凸起7靠近低压侧排成一排，单排布置，其截面都为螺旋形，各个凸起7的长度延伸方向与螺旋槽1的延伸方向所成螺旋线形匹配。在其他示例中，该凸起7的截面可为矩形、圆形或菱形，可排布在螺旋槽1任意位置处。另外，各个凸起7的高度统一，其高度与螺旋槽1的槽深的差值(即h1)在0.2～100μm之间，在本示例中，h1为10μm，即凸起7的顶面距离密封面的距离为10μm，保证凸起7不会突出密封面。尤其注意地，上述副堰区3所占面积螺旋槽1所占面积的比值需控制在0.01～0.7，在一示例中，该比值设为0.05。
综上可知，当动环开始随轴旋转时，密封面外侧的流体沿端面螺旋槽1的切向方向泵入螺旋槽1，螺旋槽1内的副堰区3使得密封在启停过程中具有更好的动压效应，并且由于副堰区3的高度低于密封面，在启停过程中还能够储存一定量的流体，在提高动压效应的基础上保护端面。在稳定工况下，由于副堰区3的阻流作用，可在一定程度上减少泄漏。对于干气密封，由于副堰区结构的非对称性及阻流作用，从而产生一定的动压效应。
如图4所示，在另一示例中，12个螺旋槽1设置在低压侧，密封面在螺旋槽1的外侧形成光滑且连续的密封坝区4，该螺旋槽1的旋向与上一实施例中处于高压侧的的螺旋槽1的旋向相反。而且，各个螺旋槽1都设有三个为螺旋线状且旋向相同的副堰区3。
如图5所示，在又一示例中，在密封面上设有两层螺旋槽1，即高压侧和低压侧各设有螺旋槽1，由此，这些螺旋槽1可被分为设于低压侧的内螺旋槽5和处于高压侧的外螺旋槽6，其中，内螺旋槽5和外螺旋槽6一一对应布置且旋向相反，构成双列螺旋槽结构。而且，螺旋型的副堰区3的数量可为2～4个，在本示例中，内螺旋槽5和外螺旋槽6中的数量都为三个，副堰区3总面积的占比控制为0.01～0.1。在内螺旋槽5内的副堰区3的旋向与内螺旋槽5的旋向匹配，而在外螺旋槽6内的副堰区3的旋向则与外螺旋槽6的旋向匹配。另外，密封面上设有更多的螺旋槽1，螺旋槽1所占面积增大，在径向会挤压密封坝区4所占面积，在一些情况可使得该密封面不存在密封坝区4，并不会影响机械结构的性能。
如图6所示，在又一示例中，仅在高压侧设有螺旋槽1，而构成副堰区3的凸起7截面都相同，都呈圆形，单个螺旋槽1内三个副堰区3靠近低压侧排成一排，单排布置。
如图7所示，在又一示例中，在任一螺旋槽1内，6个副堰区3设置为在密封面的径向呈两排布置，三个副堰区3构成第一排，另三个副堰区3构成第二排。而且，两排副堰区3设置为沿螺旋槽1的延伸方向布置，与其螺旋线形相匹配。由此，在保证润滑效果的基础上，本实施例的机械密封端面结构可以使流体的动压效应更加明显。
如图8和图9所示，在又一示例中，任一螺旋槽1设置为对称的双螺旋型槽，即单个螺旋槽1具有向两个不同方向延伸的螺旋型槽体，且两个螺旋型槽体呈对称状态。而且，对称的两个螺旋型槽体内的副堰区3数量相同，截面都为圆形，且也呈对称设置，其数量可为1～20个，总面积的占比为0.01～0.8。在不可压介质情况下，由于副堰区3产生的空化现象，可使得端面的净压力得到提高，改善机械密封性能。
结合上述实施例，本发明实施例的机械密封端面结构，在低速、低压的工作状态下，突起的副堰区结构可使端面具有更好的动压效应，减少了在启停过程中的端面磨损。本发明实施例的机械密封端面结构，在正常运行工况下，端面的副堰区具有的节流作用，使得通过端面的流体流量减小，降低了机械密封的泄漏量。本发明实施例的机械密封端面结构，对于可压缩介质机械密封，副堰区造成的非对称因素，使得副堰区下游侧的气体压力增大，动压效应得到加强。本发明实施例的机械密封端面结构，对于具有对称的双螺旋型槽的机械密封，副堰区的存在可强化空化作用，增强动压效应。
在本发明中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、““口”字结构”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

Claims (9)

1.一种带有副堰区的机械密封端面结构，包括静环和动环，所述静环和动环相对的两端面设置为密封面，任一所述密封面上设有低压侧和高压侧，至少一所述密封面上设有螺旋槽，周向相邻所述螺旋槽之间形成密封堰区，其特征在于，所述螺旋槽的槽底设有凸起，任一所述凸起所处区域构成一个副堰区。
2.根据权利要求1所述的带有副堰区的机械密封端面结构，其特征在于，所述凸起的高度小于所在螺旋槽的槽深，所述螺旋槽的槽深为5～100μm，所述凸起的高度与所述螺旋槽的槽深之间的差值设置为0.2～100μm。
3.根据权利要求1所述的带有副堰区的机械密封端面结构，其特征在于，任一所述螺旋槽内设置有1-80个所述副堰区，所述副堰区所占面积与所述螺旋槽所占面积的比值设置为0.01～0.7。
4.根据权利要求1所述的带有副堰区的机械密封端面结构，其特征在于，所述凸起设置为垂直于所述密封面或倾斜设置，所述凸起的截面设置为螺旋形、矩形、圆形或菱形。
5.根据权利要求3所述的带有副堰区的机械密封端面结构，其特征在于，在一所述螺旋槽内，多个所述副堰区设置为在密封面的径向单排或多排布置。
6.根据权利要求5所述的带有副堰区的机械密封端面结构，其特征在于，多排所述副堰区设置为沿所述螺旋槽的延伸方向布置。
7.根据权利要求1-6任一所述的带有副堰区的机械密封端面结构，其特征在于，多个所述螺旋槽布置在所述低压侧或高压侧，且以所述密封面的中心点为中心对称设置，构成单列螺旋结构。
8.根据权利要求1-6任一所述的带有副堰区的机械密封端面结构，其特征在于，多个所述螺旋槽包括设于低压侧的内螺旋槽和处于高压侧的外螺旋槽，所述内螺旋槽和外螺旋槽对应布置，构成双列螺旋槽结构，所述内螺旋槽和外螺旋槽的旋向相反。
9.根据权利要求1-6任一所述的带有副堰区的机械密封端面结构，其特征在于，任一所述螺旋槽设置为对称的双螺旋型槽。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4105524A1 (de) * 2021-06-18 2022-12-21 KACO GmbH + Co. KG Dichtring einer gleitringdichtung sowie gleitringdichtung mit einem solchen dichtring

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