CN103016743B - 一种可实现零磨损和零泄漏且防固体颗粒的机械密封 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可实现零磨损和零泄漏且防固体颗粒的机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环密封端面上开设有关于旋转中心对称分布的轴向横截面为翼型轮廓线组成的翼型槽，槽与槽之间形成密封堰，密封端面的上游和下游各设有一连续的环形密封坝，并且在密封端面的非槽区开设有关于旋转中心对称的沿周向和半径方向呈间断扇形分布的微孔。该密封结构可适用于一切液体介质的机械密封应用领域，特别适用于高温，高压，高速，含固体微粒介质等苛刻的工作条件。

Description

一种可实现零磨损和零泄漏且防固体颗粒的机械密封

技术领域

本发明涉及端面机械密封机构设计技术领域，具体是指一种可实现零磨损和零泄漏且防固体颗粒的新型机械密封结构，目的在于获得更强的流体泵送能力和更大的流体动压效果，从最大程度上减少密封环端面的磨粒磨损。

背景技术

机械密封是一种广泛应用于航空航天，国防军工，核能发电等高新技术领域以及石油、石化和化工等领域的旋转轴轴向端面密封装置，随着科学技术的迅速发展，对机械密封提出了更高的要求，特别是为了适应高温高压高速的苛刻条件的要求，提出了用于密封液体介质的上游泵送机械密封；近年来，由于上游泵送机械密封的研究主要是围绕“减少泄漏量”和“提高动压效”的目标来改进密封端面的形貌。中国专利96216242.6公开了一种双环带螺旋槽机械密封，这种机械密封是在密封环中间开设有螺旋槽，在内外径处各有一个密封坝，这样可以在一定程度上增加流体膜的承载能力，但动压效应还是较弱；以色列教授Etsion.I在Model for mechanical seals with regularmicrosurface structure.Tribology transactions,39(3)：677—683（1996）—一文中提出了表面具有围观凹腔的机械密封，通过理论计算和实验研究发现，微观凹腔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，但是这种微凹腔不能产生泵送效应，所以无法解决减少泄露问题；中国专利200710067282.7涉及一种变分布多孔端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，在所述动环或静环中至少一个密封端面上开有微孔，所述微孔大小不等，在密封端面上呈中心对称分布，此机械密封在一定程度上增加流体膜的耐压性、耐磨性和收敛性，从而提高了流体膜的动压效果，但是其动压效果增加效果缓慢，泵送能力较弱，尤其对于开机时干摩擦问题的改善效果甚微，另外根据实验验证密封端面全布孔没有密封端面部分布孔时产生的流体动压效应强；中国专利200510038704.9公开了一种槽腔相互结合的端面机械密封，这种机械密封是在机械密封的动环或者是静环上开设具有一定分布位置的微观润滑腔和一定形式的宏观泵送槽，这两种造型的结合使得机械密封的流体动压效应和上游泵送效应更为显著，适用于一切液体介质用机械密封，主要优点是将微观的润滑腔和宏观的泵送槽相结合，解决了密封的泄露和润滑减磨问题，但对于改善在开机时的润滑状况效果不够明显。

发明内容

本发明的目的就是为了避免上述技术中的不足而提出的一种新型的机械密封结构，它主要是针对现有流体动压型机械密封所存在的问题如防泄漏能力（上游泵送能力）较弱，动压效应不突出，开机时存在干摩擦问题等而发明的具有更强的上游泵送能力，更好的动压效果，理想的防固体颗粒能力，良好的瞬间开启和停车密封性能的新型无泄漏非接触式机械密封，能同时兼顾提高润滑冷却效果，降低热变形，提高密封环的运行稳定性。

本发明为实现上述目的主要涉及机械密封的动环，其主要技术特点是：在密封动环的密封端面上开设轴向横截面为翼型轮廓线组成的翼型槽和沿密封端面周向和半径方向呈间断扇形分布的微孔。

翼型槽的内径r1大于密封环的内径R1，翼型槽的外径r2小于密封环的外径R2，从而形成具有双密封坝的流体动压槽端面，轴向横截面为翼型的翼型槽位于密封动环中间，所开槽数N为12～30个，槽的深度H为5～30um，翼型轮廓线为NACA系列翼型以及圆弧翼型当中的任何一种翼型轮廓线，沿密封端面周向和半径方向呈间断扇形分布的微孔分布于密封坝区或分布于密封堰区，其周向开孔长度比α=0.3～0.5，径向开孔长度比β=0.45～0.85，所开微孔的深度h为5～30um，所开微孔半径r为20～50um，微孔深径比ε不小于0.1，所开微孔为矩形或圆弧截面微孔，密封端面上呈间断扇形分布的微孔栏数m为12～38。

该结构各工艺参数按以上取值，各工艺参数在此取值范围内可使得该结构机械密封达到理想的流体动压效应和上游泵送效应。

这种密封环表面同时开设有轴向横截面为翼型轮廓线组成的流体动压槽和沿密封端面周向和半径方向呈间断扇形分布的微孔的机械密封结构适用于任何液体介质的密封。

本发明的效果主要是：在机械密封的动环上开设轴向横截面为翼型轮廓线组成的翼型槽，槽与槽之间的密封堰相当于泵叶片，当机械密封旋转时，动环端面的泵叶片随之旋转，整个动环端面相当于一个具有高效做功能力（泵送能力）的“泵”，将从密封端面由高压侧泄露至低压侧的流体泵送回高压侧，同时直径小于端面流体膜厚度的固体颗粒在离心力作用下向外运动，从而有效防止了固体颗粒进入密封端面；通过沿周向和半径方向呈间断扇形分布的微孔“富集效应”更大程度的加强流体动压效应，有效改善了开机时的润滑状况，从而使这种新型机械密封的流体动压效应和泵送效应更加显著，这样在达到零泄漏的同时更大程度的提高了密封的承载能力，大大增强了机械密封环的运行稳定性，防固体颗粒能力明显提高，润滑效果明显改善，极大地延长了机械密封的使用寿命。

附图说明

附图1为本发明动环端面结构示意图；

附图2为本发明动环端面尺寸结构示意图；

附图3为本发明动环端面A-A视图；

附图4本发明局部放大图B；

附图5本发明局部放大图C；

附图6为机械密封的工作原理图；

附图6的图面说明如下：

1—密封静环；2—密封动环；3—传动销；4—弹簧；5—弹簧座；6—紧定螺钉       7—传动螺钉；8—动环Ｏ形圈；9—静环Ｏ形圈；10—防转销；11—压盖；12—推环；13—轴套；

符号说明：

周向开孔长度比α＝L1／L2；

径向开孔长度比β＝﹙R2－r1﹚／﹙R2－R1﹚；

微孔深径比ε＝h／2r。

具体实施方式

本发明可采用激光加工方式来实现密封环表面的设计方案，激光加工技术日趋成熟且容易控制，可实现对所需形貌的加工。

在机械密封动环上开设关于旋转中心对称的沿周向和半径方向呈间断扇形分布的微孔和关于旋转中心对称分布的轴向横截面为翼型轮廓线组成的翼型槽，如图1所示；微孔和翼型槽的开设可按下述步骤进行：首先，在密封环的所有区域开设间断扇形分布的微孔，这些微孔的微孔深度h为5～30um，微孔的半径r为20～50um，其周向开孔长度比α为0.3～0.5，径向开孔长度比β为0.45～0.85，如图5所示；然后，在密封环的中间区域内开设轴向横截面为翼型轮廓线组成的翼型槽，槽的深度H为（1~1.1）h，这样在翼型槽的区域，翼型槽会覆盖预先开设的微孔，实现微孔和翼型槽相结合的密封端面形貌，所开翼型槽关于旋转中心对称分布，槽的个数N为12～30个，槽的深度H为5～30um；由于开设在密封动环上，轴向横截面为翼型轮廓线组成的翼型槽的倾斜方向和动环的旋转方向相反，如图1所示；密封环的工作过程：如图6所示，当主机启动后，旋转轴通过紧定螺钉6带动弹簧座5回转，而弹簧座5则通过传动螺钉7和传动销3带动弹簧4，推环12，动环密封Ｏ形圈8和密封动环2一起旋转，从而产生密封动环2和密封静环1的相对回转运动和良好的贴合接触，这样，带有一定压力的粘性流体介质进入密封动环2和密封静环1的端面间，由于机械密封的动环上开设有轴向横截面为翼型轮廓线组成的翼型槽，槽与槽之间的密封堰相当于泵叶片，当机械密封旋转时，动环端面的泵叶片随之旋转，整个动环端面相当于一个具有高效做功能力（泵送能力）的“泵”，将从密封端面由高压侧泄露至低压侧的流体泵送回高压侧，同时直径小于端面流体膜厚度的固体颗粒在离心力作用下向外运动，从而有效防止了固体颗粒进入密封端面，上游泵送效应和动压效应显著体现；通过沿周向和半径方向呈间断扇形分布的微孔“富集效应”更大程度的加强流体动压效应，流体动压效应使流体膜产生轴向的开启力，此开启力通过平衡由密封介质压力和弹簧力所构成的闭合力，使两密封端面分离，有效改善了开机时的润滑状况，实现非接触、零泄漏。

本实施例为说明本发明其槽型形状和分布位置，微孔分布位置都不受限制，可以是发明内容中所提到的一切情形。

Claims (2)

1.一种可实现零磨损和零泄漏且防固体颗粒的机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，其特征在于：所述动环的密封端面上开设有关于旋转中心对称分布的轴向横截面为翼型轮廓线组成的翼型槽和关于旋转中心对称的沿周向和半径方向呈间断扇形分布的微孔，所述动环密封端面的上游和下游各设有一连续的环形密封坝；

所述动环的密封端面的翼型槽的内径r1大于密封环的内径R1，翼型槽的外径r2小于密封环的外径R2，从而形成具有双密封坝的流体动压槽端面；翼型槽位于密封动环中间，槽数N=12～30个，槽的深度H为（1~1.1）h，h为微孔深度，槽的深度H=5～30um；翼型槽的倾斜方向和动环的旋转方向相反；

所述微孔为矩形或圆弧截面，分布在密封坝区或分布在密封堰区，微孔栏数m=12～38，其周向开孔长度比α=0.3～0.5，径向开孔长度比β=0.45～0.85，所开微孔深度h=5～30um，所开微孔半径r=20～50um，微孔深径比ε不小于0.1，从上游到下游微孔面积密度沿径向逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的一种可实现零磨损和零泄漏且防固体颗粒的机械密封结构，其特征在于：所述翼型轮廓线为NACA系列翼型以及圆弧翼型当中的任何一种翼型轮廓线。