CN207178702U - 动压泵送式非接触机械密封 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动压泵送式非接触机械密封，包括动环和静环，动环以其动环密封面与静环的静环密封面相互贴合而形成密封端面，动环上的泵送槽由泵送工作面、泵送后面和泵送内侧面围成，泵送槽的槽口朝向动环的外侧边；泵送工作面为基圆半径R₁=R₀/2的渐开线曲面；泵送后面为其圆是动环内孔所在圆的渐开线曲面；静环上的动压斜槽由动压立面、动压坡面和动压内侧面构成，动压斜槽的斜槽圆心角α₁，两相邻动压斜槽之间的静压密封面圆心角α₂，所述斜槽圆心角α₁大于静压密封面圆心角α₂。该机械密封不仅能产生较高的上游离心泵送效果，而且能形成稳定的流体动压效应，分离密封端面实现非接触。

Description

动压泵送式非接触机械密封

技术领域

本实用新型涉及一种端面式机械密封装置，尤其涉及具有流体动压效应和上游泵送功能的机械密封。

背景技术

机械密封是一种常用的旋转轴轴向端面密封装置，广泛应用于机械工业、石油化工、航天航空等领域，具有密封性能可靠、泄漏量小、功耗低，且寿命长的优点，机械密封的主要结构元件包括密封动环和密封静环，通过其动环和静环的相互贴合达到阻止泄漏的功能，因此密封动环和静环的结构在很大程度上决定了机械密封的密封性能和使用寿命。

随着现代工业的快速发展，机械密封的应用领域和使用环境得以不断拓展，因而对机械密封的性能要求也在日益提高。常规结构的机械密封是通过动环和静环的直接接触摩擦而实现端面密封，这种机械密封在高压、高速和高温等恶劣复杂的工作环境下，密封面间的磨损会不断加速，泄漏量也随之增加，很容易形成密封失效，因此常规的机械密封很难保证在恶劣工况下长周期运行的稳定性和可靠性。为此，人们开始设计具有非接触式的机械密封，如中国实用新型专利200920231993.8公开了一种直角三角形的新型螺旋槽机械密封，它是在机械密封的动环端面上开设有若干沿周向均布的径向螺旋槽，该螺旋槽的槽口朝向动环的下游（低压侧），螺旋槽的槽底为斜面，其横向截面呈一直角形，工作时密封介质在离心力作用下从下游侧进入到螺旋槽中，利用螺旋槽的流体动压效应在密封端面间形成一层极薄的流体膜，分离密封端面而实现非接触，改善端面间的摩擦磨损，在保障密封性能的基础上延长机械密封寿命。这种将流体介质楔入螺旋槽的结构，虽然减少了密封端面间的摩擦，却增大了动环和静环端面间的泄漏，是以牺牲泄漏率为代价开启动压的密封形式，所以其泄漏率大的不足也是不言而喻。中国专利201310201473.3则公开了一种自泵送流体动压型机械密封，它是在动环密封端面的上游（高压侧）开设有螺旋槽区，沿周向分布的螺旋槽的槽口朝向上游侧，在静环端面相对动环螺旋槽根部位置处开设有圆环形储液槽，并在槽内设置多个密封腔连通的轴向引流孔道，它利用槽根部的流体压力差，将流体通过静环上的引流道重新流回密封腔室，达到分离动、静环端面的作用，这种结构虽然通过分离动、静端面的流体动压的产生，实现了动、静环的非接触密封，减少了动静环之间的摩擦磨损，但仍不能解决泄漏率大的问题。首先由于对螺旋槽的槽型并未作深入的研究，密封工作过程中难以对高压侧的流体产生离心泵送作用，密封环间的液膜剪切流不足以抵抗内外径间的压差流，无法消除动环和静环间的泄漏；第二该结构的密封环间不能形成动压效应，密封面间的液膜承载能力十分有限，实际运行中仍会产生动静环的接触摩擦，影响密封端面密封性能的正常发挥；同时该项结构的密封装置还具有结构复杂，安装调试不方便的缺陷。

实用新型内容

针对现有技术所存在的上述不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种动压泵送式非接触机械密封，它不仅能产生较高的上游离心泵送效果，以实现零泄漏，而且能形成稳定的流体动压效应，分离密封端面实现非接触。

为了解决上述技术问题，本实用新型的动压泵送式非接触机械密封，包括动环和静环，所述动环以其动环密封面与静环的静环密封面相互贴合而形成密封端面，所述动环的外圆半径为R，动环的动环内孔半径为R₀，动环的动环密封面上设置有泵送槽，该泵送槽由泵送工作面、泵送后面和泵送内侧面围成，泵送槽的槽口朝向动环的外侧边；所述泵送工作面为基圆半径R₁=R₀/2的渐开线曲面，该基圆与动环内孔为同心圆；所述泵送后面为基圆是动环内孔所在圆的渐开线曲面；所述泵送内侧面所在圆半径R₂=（R+R₀）/2；所述静环密封面上设置有动压斜槽，该动压斜槽由动压立面、动压坡面和动压内侧面构成，动压斜槽的斜槽圆心角α₁，两相邻动压斜槽之间的静压密封面圆心角α₂，所述斜槽圆心角α₁大于静压密封面圆心角α₂；所述泵送槽的槽数与所述动压斜槽数量相等。

在上述结构中，由于动环的动环密封面上设置有泵送槽，该泵送槽的泵送工作面和泵送后面均为断开线曲面，而且泵送工作面渐开线基圆半径仅为泵送后面基圆的一半，首先以渐开线曲面作为泵送工作面和泵送后面，这样利用渐开线上任一点法线均与其基圆相切的特点，使得上游流体更容易沿渐开线切向被离心甩出，并且渐开线曲面上具有更加合适的流体速度分布，从而产生了向上游（高压侧）泵送液流，形成高效的上游泵送效应，使得渐线曲面所产生密封环密封面间的液流膜压力大于高压侧液流压力，使之足以阻止高压侧液流向密封面渗入，从而实现泄漏量为零的密封效果；再者泵送工作面的基圆半径小于泵送后面的基圆半径，使得泵送工作面的弯曲度大于泵送面后面，一方面这种泵送槽的槽型宽度沿径向向外逐渐变大，更利于密封面间液流膜压力的形成和平稳增大，保证零泄漏的密封效果，另一方面工作时液流会沿相对平直的泵送后面甩出，容易形成对上游流体渗入的阻止压力差；其次渐开线曲面光滑平顺，便于控制，便于制作成型。又由于在静环的静环密封面上设置有动压斜槽，这样利用斜槽动压坡面的流体动压效应在密封端面间形成一层极薄的流体膜，分离动环和静环所形成的密封端面，实现动、静环的非接触，改善了端面间的摩擦磨损，既保障了密封性能，又延长了机械密封的使用寿命。还由于该机械密封分别通过动环实现上游泵送零泄漏，通过静环实现动压效应并达到动、静环的非接触，动、静环两者作用效果的相互协调配合，使泵送效果和动压效应得以相互强化；而且分别承担泵送和动压作用的动环和静环更便于其上槽型和尺寸的精确控制和制作，更能加工制作出高质量的动环、静环元件。

本实用新型的优选实施方式，所述泵送槽的槽口向动环旋转的反方向倾斜。所述泵送槽在动环密封面上沿周向均匀分布，该泵送槽的数量为10—25个。所述泵送槽的槽深h₁=8um—15um。该结构的泵送槽能够实现更加明显的泵送效果，确保密封面间的零泄漏。

本实用新型的优选实施方式，所述动压斜槽的动压坡面为螺旋面。所述动压斜槽的槽口宽b₁大于动压内侧面的宽度b₃；所述动压立面垂直于静环密封面，该动压立面为矩形面，其高度h=10um—15um。所述动压坡面从动压立面底边斜向静环密封面。该结构的动压斜槽具有更加稳定、可靠的流体动压效应，确保动、静环密封面间的可靠分离，实现动、静的非接触密封。

本实用新型的进一步实施方式，所述动压斜槽的斜槽圆心角α₁与静环密封面圆心角α₂之比α₁/α₂=1.5—3。能确保动压效应的稳定，实现可靠的密封性能。

本实用新型进一步实施方式，所述动压内侧面所在圆与泵送内侧面所在圆相对应。该结构实现泵送和动压的相互协调和强化。

本实用新型的优选实施方式，所述静环的静环密封面上设置有密封面容油孔，该密封面容油孔的孔径为80um—100um，其孔深为40um—50um。静环密封面上的密封面容油孔增强了流体膜的耐压性、耐磨性和收敛特性，从而提高了流体膜的动压效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型动压泵送式非接触机械密封作进一步详细说明。

图1是本实用新型动压泵送式非接触机械密封一种具体实施方式中动环的结构示意图；

图2是图1所示实施方式中A—A剖面视图；

图3与图1所示动环相配使用的静环结构示意图；

图4是图3所示实施方式中B—B剖面视图；

图5是图3所示实施方式中C—C剖面视图。

图中，1—动环、11—泵送工作面、12—泵送槽、13—泵送后面、14—泵送内侧面、15—动环密封面、16—动环内孔、17—泵送工作面基圆；2—静环、21—动压立面、22—动压斜槽、23—动压坡面、24—动压内侧面、25—静环密封面、26—静环内孔、27—密封面容油孔。

具体实施方式

本实用新型的动压泵送式非接触机械密封，包括动环1和静环2，动环1以其动环密封面15与静环2的密封静环面25相互贴合而形成密封端面。本实用新型中的泵送槽12、动压斜槽22和密封面容油孔27采用激光加工制作。

如图1、图2所示动压泵送式非接触机械密封的动环1，该动环1呈圆盘状结构，在盘状的动环1中心位置设有动环内孔16。动环1的外圆半径R=30mm，动环内孔16的内孔半径R₀=25mm。在动环1的动环密封面15上沿周向均布有12个泵送槽，泵送槽12由泵送工作面11、泵送后面13和泵送内侧14围成，泵送槽12的槽口朝向动环的外侧边，工作时该外侧边为高压侧即密封面上游；动环内孔16一侧则为密封面下游。泵送槽12的槽口方向向着动环1的旋转反方向倾斜，图中动环1顺时针方向旋转，则泵送槽的槽口方向朝逆时针方向倾斜。泵送工作面11为一渐开线曲面，该渐开线以泵送工作面基圆17为基圆，该基圆半径R₁=R₀/2。本实施例中R₀=25mm,则泵送工作面基圆17的半径R₁=12.5mm，该渐开线基圆与动环内孔16为同心圆。泵送后面13也为一渐开线曲面，该渐开线的基圆为动环内孔16所在的圆，该渐开线基圆半径为R₀=25mm。各泵送槽12的泵送内侧面14均处于同一圆上，该圆的半径R₂=（R+R₀）/2=27.5mm。泵送槽12的槽深h₁=10um，泵送槽12的泵送工作面11和泵送后面13均垂直于槽底面，该槽底面与动环密封面15相平行。

在图3、图4及图5所示动压泵送式非接触机械密封的静环2，该静环2同样呈圆盘状结构，在盘状的静环中心位置设有静环内孔26，静环2的外径及静环内孔26的孔径与动环1的外径及动环内孔16的尺寸相同，即静环2的外径也为30mm，静环内孔26的孔径为25mm。在静环2的静环密封面25上同样沿周向均布有12个动压斜槽22，该动压斜槽22由动压立面21、动压坡面23和动压内侧面24构成。动压立面21为一通过静环盘面半径的平面，该平面垂直于静环密封面25，各动压斜槽 22的动压内侧面24均处于同一圆周上，该圆的半径也为27.5mm，动压内侧面24的弧面也垂直于静密封面25。动压坡面23从动压立面21的底部倾斜向上而与静环密封面25相交于静环密封面25的一半径上。各动压斜槽22相互间隔设置，动压立面21所在的半径与动压坡面23和静环密封面25的交线半径之间的夹角为斜槽圆心角α₁，相邻两动压斜槽22之间的静压密封面圆心角α₂，斜槽圆心角α₁大于静压密封面圆心角α₂，本实施例中，α₁=20°，α₂=10°。在相邻两动压斜槽22之间的静环密封面25上沿径向均匀分布有若干个密封面容油孔27，密封面容油孔27的孔径为90um，孔深为45um。该密封面容油孔既能产生一定的流体动压效应，又增加了密封流体的吸纳和储存效果。动压立面21是一沿半径方向布置的条状矩形面，其高度h=12um。动压斜槽22外侧槽口的宽度或槽口弧长大于动压内侧面24的宽度或其弧长。动压内侧面24两端点间的距离为宽度b₃，此处动压坡面23的坡度h/b₃；动压斜槽22槽口宽度b₁，槽口处动压坡面23的坡度h/b₁；由于b₁＞b₃，所以h/b₃＞ h/b₁，故动压坡面23是从其内侧至槽口的坡度逐渐变得平缓的螺旋面。相邻两动压斜槽22槽口端点间静环密封面25的宽度b₂；相邻两动压斜槽22内侧面端点间的静环密封面25的宽度为b₄，宽度b₂和b₄对应于静压密封面圆心角α2。

上述举出了本实用新型的一些优选实施方式，但本实用新型并不限于此，还有许多的改进和拓展。泵送槽12和动压斜槽22的数量不限于12个，可以在10—25个中选择确定，泵送槽的槽深h₁也不限于10um，可以根据动静环的使用环境和结构尺寸，在8um—15um选择确定h₁的大小；同样动压立面21的高度h也应在10um—15um中选择确定；斜槽圆心角α₁与静压密封面圆心角α₂的比例α₁/α₂应在1.5—3倍中选择；密封面容油孔的孔径在80um—100umm中优选，其孔深则在40um—50um中选择。上述数据的选择确定，均落入本实用新型保护范围内。

Claims (10)

1.一种动压泵送式非接触机械密封，包括动环（1）和静环（2），所述动环（1）以其动环密封面（15）与静环（2）的静环密封面（25）相互贴合而形成密封端面，其特征在于：所述动环（1）的外圆半径为R，动环（1）的动环内孔（16）半径为R₀，动环（1）的动环密封面（15）上设置有泵送槽（12），该泵送槽（12）由泵送工作面（11）、泵送后面（13）和泵送内侧面（14）围成，泵送槽（12）的槽口朝向动环（1）的外侧边；所述泵送工作面（11）为基圆半径R₁=R₀/2的渐开线曲面，该基圆与动环内孔（16）为同心圆；所述泵送后面（13）为基圆是动环内孔（16）所在圆的渐开线曲面；所述泵送内侧面（14）所在圆半径R₂=（R+R₀）/2；所述静环密封面（25）上设置有动压斜槽（22），该动压斜槽（22）由动压立面（21）、动压坡面（23）和动压内侧面（24）构成，动压斜槽（22）的斜槽圆心角α₁，两相邻动压斜槽（22）之间的静压密封面圆心角α₂，所述斜槽圆心角α₁大于静压密封面圆心角α₂；所述泵送槽（12）的槽数与所述动压斜槽（22）数量相等。

2.根据权利要求1所述的动压泵送式非接触机械密封，其特征在于：所述泵送槽（12）的槽口向动环（1）旋转的反方向倾斜。

3.根据权利要求1所述的动压泵送式非接触机械密封，其特征在于：所述泵送槽（12）在动环密封面（15）上沿周向均匀分布，该泵送槽（12）的数量为10—25个。

4.根据权利要求1、2或3所述的动压泵送式非接触机械密封，其特征在于：所述泵送槽（12）的槽深h₁=8um—15um。

5.根据权利要求1所述的动压泵送式非接触机械密封，其特征在于：所述动压斜槽（22）的动压坡面（23）为螺旋面。

6.根据权利要求5所述的动压泵送式非接触机械密封，其特征在于：所述动压斜槽（22）的槽口宽b₁大于动压内侧面（24）的宽度b₃；所述动压立面（21）垂直于静环密封面（25），该动压立面（21）为矩形面，其高度h=10um—15um。

7.根据权利要求5或6所述的动压泵送式非接触机械密封，其特征在于：所述动压坡面（23）从动压立面（21）底边斜向静环密封面（25）。

8.根据权利要求1所述的动压泵送式非接触机械密封，其特征在于：所述动压斜槽（22）的斜槽圆心角α₁与静环密封面圆心角α₂之比α₁/α₂=1.5—3。

9.根据权利要求1所述的动压泵送式非接触机械密封，其特征在于：所述动压内侧面（24）所在圆与泵送内侧面（14）所在圆相对应。

10.根据权利要求1所述的动压泵送式非接触机械密封，其特征在于：所述静环（2）的静环密封面（25）上设置有密封面容油孔（27），该密封面容油孔（27）的孔径为80um—100um，其孔深为40um—50um。