CN102588601B

CN102588601B - 仿花草流体型槽端面机械密封结构

Info

Publication number: CN102588601B
Application number: CN201210034116.8A
Authority: CN
Inventors: 彭旭东; 许静; 白少先; 李纪云; 盛颂恩
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: CN102588601A

Abstract

本发明公开了一种仿花草流体型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，所述端面的下游设有光滑平面的环形密封坝，特点是所述动环或静环的至少一个端面上设有多个沿周向均匀分布的由引流槽和以引流槽为中心的左、右型槽组成的外形类似花草形状的流体型槽，所述引流槽为径向槽，所述流体型槽分布在依照端面中心的一个环带上，所述环带设在端面的上游，所述仿花草流体型槽之间的非开槽区域构成密封堰。本发明具有更好的流体导流效果，流体型槽根部区域的压力更高、分布更均匀，提高了密封的承载力和流体膜的刚度。

Description

仿花草流体型槽端面机械密封结构

技术领域

本发明涉及一种旋转式流体机械的非接触式端面密封结构，特别涉及一种可双向旋转的仿花草流体型槽端面机械密封结构的非接触式端面密封装置，适用于各种压缩机、泵和釜用搅拌器等旋转机械转轴的轴端密封装置。

背景技术

轴端密封(如机械密封，填料密封，迷宫式密封等)是各种流体机械、动力机械等旋转机械中不可缺少的基础部件。目前非接触式机械密封以其非接触、无磨损、低能耗、抗高压和高稳定性等突出特点和先进性能已成为高参数旋转式流体机械的首选轴端密封。可双向旋转的端面密封已有报导，如中国专利98103575.2“可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封”、01102213.2“可双向旋转的螺旋槽端面密封装置”、200610049841.7“耐磨型机械端面密封结构”、200720106746.6“变分布多孔端面机械密封结构”和200910154418.7“一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构”，美国专利US5090712“Non-contacting，gap-type seal having a ring with a patterned microdamseal face”、US6446976“Hydrodynamic face seal with grooved sealingdam for zero-leakage”、US7194803“Seal ring and method of formingmicro-topography ring surfaces”、US7775528“Bi-directional pattern fordynamic seals”和US20020093141“Bi-direction rotatable face seal withspiral grooves”等，除专利200610049841.7和US7194803之外，其他中外专利均是在机械密封端面上开微米级的流体动压型槽(如T型槽、“王”字槽、双螺旋槽等)或型孔，因此，动压槽的几何型式和有关几何结构参数是上述发明的核心技术，是确保机械密封能够正、反向旋转，实现端面之间的完全非接触且同时获得优良性能的关键技术之一。尽管这些流体型槽端面密封具有低摩擦功耗(如T型槽、“王”字槽和微孔)和优良的稳定性(“王”字槽和双螺旋槽)，但是启动性能或低速低压密封性能不理想，流体膜的承载能力和刚度也受到一定程度限制。

发明内容

为了克服现有双向旋转型槽端面机械密封结构中存在的密封的启动性能或低速低压性能不理想、流体膜的承载能力和刚度受限制的问题，本发明提供一种仿花草流体型槽端面机械密封结构。

本发明采用的技术方案是：

一种仿花草流体型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，所述端面的下游设有光滑平面的环形密封坝，其特征在于：所述动环或静环的至少一个端面上设有多个沿周向均匀分布的由引流槽和以引流槽为中心的左、右型槽组成的外形类似花草形状的流体型槽，所述引流槽为径向槽，所述流体型槽分布在依照端面中心的一个环带上，所述环带设在端面的上游，所述仿花草流体型槽之间的非开槽区域构成密封堰。

进一步，所述流体型槽在密封端面上呈周期性排布。

进一步，所述环带的宽度设为w_h，其中0≤w_h＜B，B为密封面宽度。

进一步，所述左、右型槽以引流槽为中心呈对称布置，所述左、右型槽在上游与所述的引流槽靠拢，在下游与所述的引流槽分开。

进一步，所述引流槽的径向尺寸均小于左、右型槽的径向尺寸。

进一步，所述左、右型槽外侧壁型线为光滑型线或锯齿型线。

更进一步，所述左、右型槽的下游端与端面同心的型槽相连接，所述与端面同心的型槽的宽度w_a和深度h_a均对应相等，且w_a＝0.5～2.0mm，h_a＝h_g/10～h_g/5，h_g是仿花草流体型槽的深度。

或则，所述仿花草流体型槽的左、右型槽的下游端各自与一个型孔连接，所述型孔的直径或边长d_d和深度h_d均对应相等，取值范围分别为：d_d＝0.5～3.5mm，h_d＝h_g/10～h_g/5，h_g是仿花草流体型槽的深度。

进一步，所述仿花草流体型槽端面密封用于密封液体介质时，所述仿花草流体型槽深度h_g的取值范围为：h_g＝0.25～3.5mm，最佳取值范围为：h_g＝0.5～1.8mm，所述引流槽径向长度l_p的取值范围为：l_p＝l_g/6～l_g/2，l_g是左、右型槽的径向长度值；用于密封气体介质时，所述仿花草流体型槽深度h_g的取值范围为：h_g＝3～20μm，径向长度l_p＝l_g/3～l_g。

进一步，所述仿花草流体型槽的槽深呈上游深、下游浅的变化规律，所述仿花草流体型槽的深槽部分是浅槽部分深度的1.1～3.0倍。

本发明所述引流槽的形状可以为纺锤形、矩形、三角形、W形、椭圆形等形状；所述左、右型槽的侧壁型线可以为螺旋线、圆弧线、直线等光滑型线。

本发明的有益效果体现在：

1.本发明采用仿花草特别是仿典型兰花、水仙和芦荟等花草外形，构成的仿花草流体型槽具有更好的流体导流效果，流体型槽根部区域的压力更高、分布更均匀，因此提高了密封的承载力和流体膜的刚度，增强了密封的稳定性；

2.本发明中仿花草流体型槽的下游端以圆弧槽或圆环槽连接，或设有毫米级型孔，提高了密封运行时仿花草流体型槽根部区域及其周边区域的压力分布均匀程度，产生的流体动压效应强，端面润滑效果好，进一步提高了流体膜刚度，增强了密封的稳定性，同时也提高了密封的启动性能；

3.本发明中流体型槽的槽深呈上游深、下游浅的变化规律，在流体泵汲效应增强的同时，深槽可以在密封正常运转条件下产生流体动压效应，而浅槽储存的流体可以防止低速低压条件下或机泵启动过程中端面产生干磨，进一步提高了端面的润滑效果，减少了端面可能产生的磨损，进一步提高了密封的动压开启特性，提高了密封的整体性能和耐磨损性能，特别适用于可双向旋转的非接触式密封装置；

4.本发明的密封结构制成的密封装置安装时无旋向要求，可单向或双向旋转，可有效控制泄漏率，密封运行安全可靠，使用寿命长。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例一的流体型槽局部结构示意放大图。

图3是本发明实施例二的结构示意图。

图4a是本发明实施例三的变槽深流体型槽结构示意图。

图4b是本发明实施例三的变槽深流体型槽局部结构放大图。

图4c是本发明实施例三的变槽深流体型槽剖面图。

图5是本发明实施例四的锯齿形流体型槽结构示意图。

图6是本发明实施例五的引流槽与左、右型槽脱离的分体式流体型槽结构示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施进一步详述：

实施例一

参照图1-2，一种仿花草流体型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，所述端面的下游设有光滑平面的环形密封坝3，特点是所述动环或静环的至少一个端面上设有多个沿周向均匀分布的由引流槽22和以引流槽22为中心的左、右型槽21、23组成的外形类似花草形状的流体型槽2，所述引流槽22为径向槽，所述流体型槽2分布在依照端面1中心的一个环带上，所述环带设在端面1的上游，所述仿花草流体型槽1之间的非开槽区域构成密封堰4，起到限流和静密封作用。

进一步，所述流体型槽2在密封端面上呈周期性排布。

进一步，所述左、右型槽21、23以引流槽22为中心呈对称布置，所述左、右型槽21、23在上游与所述的引流槽22靠拢，在下游与所述的引流槽22分开，起到双向泵送密封介质的作用。

进一步，所述引流槽22的径向尺寸均小于左、右型槽21、23的径向尺寸。

进一步，所述左、右型槽21、23外侧壁型线为光滑型线。

进一步，所述仿花草流体型槽端面密封用于密封液体介质时，所述仿花草流体型槽2深度h_g的取值范围为：h_g＝0.25～3.5mm，最佳取值范围为：h_g＝0.5～1.8mm，所述引流槽22径向长度l_p的取值范围为：l_p＝l_g/6～l_g/2，l_g是左、右型槽21、23的径向长度值；用于密封气体介质时，所述仿花草流体型槽2深度h_g的取值范围为：h_g＝3～20μm，径向长度l_p＝l_g/3～l_g。

本发明中所述引流槽22的形状可以为纺锤形、矩形、三角形、W形、椭圆形等形状；所述左、右型槽21、23的侧壁型线可以为螺旋线、圆弧线、直线等光滑型线。

针对不同旋转式流体机械的操作条件，通过优化仿花草流体型槽的几何结构参数，可以满足不同场合下对密封性能的使用要求，特别适用于可双向旋转的非接触式端面密封装置。

实施例二

参照图3，本实施例与实施例一的不同之处在于所述仿花草流体型槽的下游端与其他型槽5或型孔6相连接，以提高槽根部所在端面周向及其附近区域的压力分布均匀性，增强流体动压效应，提高流体膜刚度，提高密封的启动特性和低速低压运行能力，提高端面的抗磨损能力。

所述型槽5可以是圆环槽51、圆弧槽52等型线槽，所述型槽5的宽度和深度分别为w_a和h_a，取值范围为：w_a＝0.5～2.0mm，h_a＝h_g/10～h_g/5，其中h_g是仿花草流体型槽的深度；所述型孔6是毫米级规则截面孔，其截面形状可以是矩形、正方形、梯形、V形、U形、半圆形、椭圆形等，所述型孔6的直径或边长和深度分别为d_d和h_d，取值范围为：d_d＝0.5～3.5mm，h_d＝h_g/10～h_g/5。其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例三

参照图4a-4c，本实施例与实施例一的不同之处在于所述流体型槽呈现为上游深、下游浅的收敛型台阶结构。所述收敛型流体型槽可以是一个台阶、两个台阶或多个台阶，但是为控制加工成本，在满足一定性价比的前提下，一般以两个或三个台阶为好，所述收敛型流体型槽下游侧的最小深度应不小于1.5μm(干气密封)或0.1mm(液体密封)；另外，在密封稳定性和端面润滑性要求更高的场合，也可以采用收敛型斜台阶结构，所述斜台阶的倾斜角为2～10度。采用收敛型台阶结构的仿花草流体型槽端面机械密封是为了满足转速较低或启动过程较长或操作工况易于发生突变等应用场合的需求，以增强端面型槽泵汲效应，提高流体膜刚度，避免干磨现象发生，确保机器运行时的安全可靠性，同时也起到节能的目的。其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例四

参照图5，本实施例与实施例一的不同之处在于所述流体型槽的左、右型槽21、23的侧壁型线是锯齿状型线，是仿芦荟等草科植物外形结构的流体型槽。所述左、右型槽21、23的锯齿侧壁可以是外侧壁为锯齿状，也可以是内侧壁为锯齿状，也可以是内、外侧壁均为锯齿状，锯齿边的基本型线同样是典型光滑型线，包括螺旋线、圆弧线、直线等基本型线。一般这种流体型槽可以结合实施例三来实际使用，齿数对应台阶数。主要应用场合也与实施例三相同。其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例五

参见图6，本实施例与实施例一的不同之处在于所述流体型槽的引流槽22与左、右型槽21、23相分离。其余结构和实施方式与实施例一相同。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，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够想到的等同技术手段。

Claims

1.一种仿花草流体型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，所述端面的下游设有光滑平面的环形密封坝，其特征在于：所述动环或静环的至少一个端面上设有多个沿周向均匀分布的由引流槽和以引流槽为中心的左、右型槽组成的外形类似花草形状的流体型槽，所述引流槽为径向槽，所述流体型槽分布在依照端面中心的一个环带上，所述环带设在端面的上游，所述仿花草流体型槽之间的非开槽区域构成密封堰。

2.如权利要求1所述的仿花草流体型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述流体型槽在密封端面上呈周期性排布。

3.如权利要求2所述的仿花草流体型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述环带的宽度设为w_h，其中0≤w_h＜B，B为密封面宽度。

4.如权利要求3所述的仿花草流体型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述左、右型槽以引流槽为中心呈对称布置，所述左、右型槽在上游与所述的引流槽靠拢，在下游与所述的引流槽分开。

5.如权利要求4所述的仿花草流体型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述引流槽的径向尺寸均小于左、右型槽的径向尺寸。

6.如权利要求5所述的仿花草流体型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述左、右型槽外侧壁型线为光滑型线或锯齿型线。

7.如权利要求6所述的仿花草流体型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述左、右型槽的下游端与端面同心的型槽相连接，所述与端面同心的型槽的宽度w_a和深度h_a均对应相等，且w_a＝0.5～2.0mm，h_a＝h_g/10～h_g/5，h_g是仿花草流体型槽的深度。

8.如权利要求6所述的仿花草流体型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述仿花草流体型槽的左、右型槽的下游端各自与一个型孔连接，所述型孔的直径或边长d_d和深度h_d均对应相等，取值范围分别为：d_d＝0.5～3.5mm，h_d＝h_g/10～h_g/5，h_g是仿花草流体型槽的深度。

9.如权利要求6-8之一所述的仿花草流体型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述仿花草流体型槽端面密封用于密封液体介质时，所述仿花草流体型槽深度h_g的取值范围为：h_g＝0.25～3.5mm，所述引流槽径向长度l_p的取值范围为：l_p＝l_g/6～l_g/2，l_g是左、右型槽的径向长度值；用于密封气体介质时，所述仿花草流体型槽深度h_g的取值范围为：h_g＝3～20μm，径向长度l_p＝l_g/3～l_g。

10.如权利要求9所述的仿花草流体型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述仿花草流体型槽的槽深呈上游深、下游浅的变化规律，所述仿花草流体型槽的深槽部分是浅槽部分深度的1.1～3.0倍。