CN103267132A - 自泵送流体动压型机械密封 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自泵送流体动压型机械密封，其动环密封端面上开设3组以上的后弯型流体型槽，每一流体型槽由坡槽和平槽组成，出口位于动环密封面的外侧，进口位于动环密封面的中部，并通过动环上的轴向孔道或轴向径向组合孔道与密封腔连通；在动环旋转时，流体型槽中的介质被加速成高速流体，在离心力作用下，向动环外径侧流动而泵送至密封腔内，并在后弯型流体型槽的进口处形成低压区，密封腔内的介质在压差作用下通过动环上与密封腔连通的轴向孔道或轴向径向组合孔道流进后弯型流体型槽中，形成新的自泵送循环；高速流体在被泵出过程中，随着流通截面积的逐渐增大，流速降低，压力增大，形成了一定的开启力；该密封具有良好的自润滑、自冲洗、抗固体颗粒干扰能力和优越的密封性能。

Description

自泵送流体动压型机械密封
技术领域
本发明属于密封技术领域，特别涉及一种具有流体动压效应的自泵送机械密封，适用于各种压缩机、离心泵、反应釜搅拌器等旋转机械的旋转轴的密封。
背景技术
目前，广泛应用于石油、化工、化纤、造纸、电力和冶金行业的离心式压缩机、风机、离心泵等设备上的非接触式机械端面密封，是在动环密封面上开设型槽，利用流体动力学原理形成流体动力楔，产生端面开启力，达到减小密封端面的磨损目的的，如美国US4212475公开的一种具有单列螺旋槽的流体动静压结合型非接触式机械密封、中国ZL00239203.8公开的单列流体型槽上游泵送机械密封和ZL201020106087.8公开的离心机干气密封。这些专利，无论是干气密封，还是上游泵送机械密封，它们形成流体动压的介质都是泵入槽内的，在型槽根部产生端面开启力、分离动环与静环、减小密封端面摩擦的同时，也增大了动环和静环间的泄漏率，特别是泵送介质如果含有颗粒，还会破坏密封坝端面，加速密封失效。为此，有些公知技术进行了改进，如美国专利US5201531公开的一种流体动压型双列螺旋槽端面密封装置、中国专利ZL96108614.9公开的双环带螺旋槽端面密封以及ZL00239202.X公开的双列流体型槽自润滑非接触式机械密封等都有效地调和了这一矛盾。在给定的旋向下，这种密封装置利用一列螺旋槽将密封流体向下游泵送，另一列螺旋槽则将密封流体向上游泵送，并通过这两列螺旋槽所产生的泵汲压差与密封端面内外两侧流体压差相平衡，从而实现螺旋槽端面密封的零泄漏。但是，这类密封的结构比较复杂，安装空间大，而且仅适用于密封端面两侧流体压差不大的工况。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于密封端面两侧流体压力差范围宽泛的具有流体动压效应的自泵送机械密封，以解决现有的单列螺旋槽机械密封端面开启力小、泄漏率大，抗颗粒干扰能力差，双列螺旋槽机械密封的密封端面结构复杂、安装空间大的问题，获得在相同的条件下比上述的密封具有更大的工作弹性，以及零泄漏的效果。
本发明的技术方案是：
一种自泵送流体动压型机械密封，设置于旋转机械的机壳2和轴10或轴套8之间，由动环3、动环用O形圈12、静环11、静环用O形圈5、弹簧7、静环座14等组成；与静环11配合的动环3端面分为槽区和密封坝37，槽区分布在端面的外侧部分，密封坝37分布在端面的外侧部分；槽区开设3组以上的后弯型流体型槽39，后弯型流体型槽39之间的密封面构成密封堰；
所述后弯型流体型槽39包括坡槽32和平槽33两个部分，坡槽32处于动环3端面的大半径部位，平槽33处于动环3端面的小半径部位；
所述后弯型流体型槽39的出口位于动环3密封面的外径处，进口31位于动环3密封面的中部，所述后弯型流体型槽39的进口31通过动环3上的轴向孔道或轴向径向组合孔道30与密封腔1连通；
所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁，一侧为工作面34，另一侧为非工作面35；
所述后弯型流体型槽39中的介质，在动环3旋转时，被后弯型流体型槽39的工作面加速成高速流体，在离心力作用下，沿非工作面35向动环3外径侧流动而泵送至密封腔1内，并在后弯型流体型槽39的进口31处形成低压区，密封腔1内的介质在压差作用下通过动环3上与密封腔1连通的轴向孔道或轴向径向组合孔道30流进后弯型流体型槽39中，形成一次次自泵送循环；这一次次的自泵送循环过程，一方面，实现了机械密封的自润滑；另一方面，流体在密封面之间的不断循环，把密封面之间的摩擦热及时带走，实现了密封的自冲洗；而离心力的作用，增加了流体流向动环3密封面外侧的动力，降低了流体流向动环3密封面内侧的泄漏率；特别是，离心力的作用，使得进入后弯型流体型槽39中的含有固体颗粒的被密封流体，能够产生固体颗粒与基质分离，其中密度大的固体颗粒获得较大的离心力，随流体被泵出重新送至密封腔1中，不进入密封坝37区，避免了密封面之间的磨粒磨损。
所述被后弯型流体型槽39工作面31加速成高速的流体，在被泵出后弯型流体型槽39的过程中，随着后弯型流体型槽39的流通截面积的逐渐增大，流速降低，压力增大，形成分离动环3和静环11的开启力。
所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁型线均为螺旋线。
所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁型线的螺旋线具有相同的螺旋角。
所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁型线的螺旋线的螺旋角不等，工作面34的螺旋角小于非工作面35的螺旋角。
所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁型线的螺旋线与进口31圆孔相切。
所述动环3上的轴向径向组合孔道30与动环3外圆面的连接处的横截面为楔状开口38。
本发明的另一技术方案是：
一种自泵送流体动压型机械密封，设置于旋转机械的机壳2和轴10或轴套8之间，由动环3、动环用O形圈12、静环11、静环用O形圈5、弹簧7、静环座14等组成；与静环11配合的动环3端面分为槽区和密封坝37，槽区分布在端面的外侧部分，密封坝37分布在端面的外侧部分；槽区开设3组以上的后弯型流体型槽39，后弯型流体型槽39之间的密封面构成密封堰；所述后弯型流体型槽39包括坡槽32和平槽33两个部分，坡槽32处于动环端面的大半径部位，平槽33处于动环端面的小半径部位；所述后弯型流体型槽39的进口31与设置在动环3密封面中部的圆形环槽36连通，所述圆形环槽36至少有一个与密封腔1连通的轴向孔道或轴向径向组合孔道30。
所述圆形环槽36具有收集自润滑、自冲洗介质和防止泵送介质不均匀以及后弯型流体型槽39进口31处的流体补充不及时出现空化的作用。
当后弯型流体型槽39的坡槽32面与端面的夹角为0或rp＝r2时，则为等深型槽；当rp＝ro时，则为单一的坡槽32。通过改变后弯型流体型槽39的数量和参数，能满足不同被密封介质的密封要求。
本发明的有益效果
本发明所述的一种自泵送流体动压型机械密封，具有以下几个优点：
①具有优越的密封性能，适用于输送各种易燃、易爆、有毒等工艺流体的离心泵、离心压缩机、搅拌设备及其他旋转机械类轴封，可实现被密封流体的微观无泄漏。
②动环旋转时，不同质量粒子产生不同的离心力，使得本发明的自泵送流体动压型机械密封具有自动清除固体颗粒功能，能避免密封坝的磨粒磨损。
③使用范围宽，既可用作液体密封，又可用作气体密封。
④独特的自润滑、自冷却冲洗功能，保证了机械密封工作的稳定性和耐久性。
⑤在静止状态下高压侧流体直接注入密封面之间，消除了密封面之间启动瞬间的固体摩擦，并在启动瞬间又能迅速形成流体膜并把两密封面分离开来，故该密封亦适用作为频繁开停的旋转机械类轴封。
⑥高压隔离流体来自被密封介质，省去了高压隔离流体的输送***，降低了机泵的运行费用，相应提高了经济效益。
附图说明
图1为开设后弯型流体型槽、进口通过动环上的轴向孔道与密封腔连通的自泵送流体动压型机械密封的轴截面结构示意图。
图2为开设后弯型流体型槽的动环端面示意图。
图3为开设后弯型流体型槽和进口环槽、进口通过动环上的轴向径向组合孔道与密封腔连通的的自泵送流体动压型机械密封的轴截面结构示意图。
图4开设后弯型流体型槽和进口环槽的动环端面示意图。
图5为图3的A-A剖视图。
其中，
R1-动环和静环之间相互贴合的密封端面的内半径；
R2-动环和静环之间相互贴合的密封端面的外半径；
Rp-型槽台阶半径
Ro-型槽进口孔位置半径
Rk-型槽进口孔半径
R3-型槽进口环槽内半径
R4-型槽进口环槽外半径
G-流体型槽的泵汲方向；
β-螺旋角；
h-平槽深
α-坡槽面与端面的夹角
w-动环的旋向；
1-密封腔；2-机壳；3-动环；30-轴向孔道或轴向径向组合孔道；31-进口；32-坡槽；33-平槽；34-工作面；35-非工作面；36-圆形环槽；37-密封坝；38-楔状开口；39-后弯型流体型槽；4-O形圈；5-静环用O形圈；6-防转销；7-弹簧；8-轴套；9，13-紧定螺钉；10-轴；11-静环；12-动环用O形圈；14-静环座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例一
图1和图2描述了一种自泵送流体动压型机械密封，其设置于旋转机械的机壳2和轴10或轴套8之间，由动环3、动环用O形圈12、静环11、静环用O形圈5、弹簧7、静环座14等组成；与静环11配合的动环3端面分为槽区和密封坝37，槽区分布在端面的外侧部分，密封坝37分布在端面的外侧部分；槽区开设12组后弯型流体型槽39，后弯型流体型槽39之间的密封面构成密封堰；
所述后弯型流体型槽39包括坡槽32和平槽33两个部分，坡槽32处于动环端面的大半径部位，平槽33处于动环端面的小半径部位；
所述后弯型流体型槽39的出口位于动环密封面的外径处，进口31位于动环3密封面的中部，所述后弯型流体型槽39的进口31通过动环3上的轴向孔道30与密封腔1连通；
所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁，一侧为工作面34，另一侧为非工作面35；
所述后弯型流体型槽39中的介质，在动环3旋转时，被后弯型流体型槽39的工作面34加速成高速流体，在离心力作用下，沿非工作面35向动环3外径侧流动而泵送至密封腔1内，并在后弯型流体型槽39的进口31处形成低压区，密封腔1内的介质在压差作用下通过动环3上与密封腔1连通的轴向孔道30流进后弯型流体型槽39中，形成一次次自泵送循环；这一次次的自泵送循环过程，一方面，实现了机械密封的自润滑；另一方面，流体在密封面之间的不断循环，把密封面之间的摩擦热及时带走，实现了密封的自冲洗；而离心力的作用，增加了流体流向动环3密封面外侧的动力，降低了流体流向动环3密封面内侧的泄漏率；特别是，离心力的作用，使得进入后弯型流体型槽39中的含有固体颗粒的被密封流体，能够产生固体颗粒与基质分离，其中密度大的固体颗粒获得较大的离心力，随流体被泵出重新送至密封腔1中，不进入密封坝37区，避免了密封面之间的磨粒磨损。
所述被后弯型流体型槽39工作面31加速成高速的流体，在被泵出后弯型流体型槽39的过程中，随着后弯型流体型槽39的流通截面积的逐渐增大，流速降低，压力增大，形成分离动环3和静环11的开启力。
所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁型线均为螺旋线。
所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁型线的螺旋线具有相同的螺旋角。
所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁型线的螺旋线与进口31圆孔相切。
实施例二
图3至图5为另一种自泵送流体动压型机械密封，与实施例一的不同之处在于本实施例所述后弯型流体型槽39的进口31与设置在动环3密封面中部的圆形环槽36连通，所述圆形环槽36设置有6个与密封腔1连通的轴向径向组合孔道30；所述动环3上的轴向径向组合孔道30与动环3外圆面的连接处的横截面呈楔状开口38；所述圆形环槽36具有收集自润滑、自冲洗介质和防止泵送介质不均匀以及后弯型流体型槽39进口31处的流体补充不及时出现空化的作用。
其余结构及实施方式与实施例一相同。

Claims (7)

1.一种自泵送流体动压型机械密封，设置于旋转机械的机壳(2)和轴(10)或轴套(8)之间，由动环(3)、动环用O形圈(12)、静环(11)、静环用O形圈(5)、弹簧(7)、静环座(14)等组成，其特征是：
与静环(11)配合的动环(3)端面分为槽区和密封坝(37)，槽区分布在端面的外侧部分，密封坝(37)分布在端面的外侧部分；槽区开设3组以上的后弯型流体型槽(39)，后弯型流体型槽(39)之间的密封面构成密封堰；
所述后弯型流体型槽(39)包括坡槽(32)和平槽(33)两个部分，坡槽(32)处于动环端面的大半径部位，平槽(33)处于动环端面的小半径部位；
所述后弯型流体型槽(39)的出口位于动环密封面的外径处，进口(31)位于动环(3)密封面的中部，所述后弯型流体型槽(39)的进口(31)通过动环(3)上的轴向孔道或轴向径向组合孔道(30)与密封腔(1)连通；
所述后弯型流体型槽(39)的两侧槽壁，一侧为工作面(34)，另一侧为非工作面(35)；
所述后弯型流体型槽(39)中的介质，在动环旋转时，被后弯型流体型槽(39)的工作面加速成高速流体，在离心力作用下，沿非工作面(35)向动环(3)外径侧流动而泵送至密封腔(1)内，并在后弯型流体型槽(39)的进口(31)处形成低压区，密封腔(1)内的介质在压差作用下通过动环(3)上与密封腔(1)连通的轴向孔道或轴向径向组合孔道(30)流进后弯型流体型槽(39)中，形成一次次自泵送循环；
所述被后弯型流体型槽(39)工作面(31)加速成高速的流体，在被泵出后弯型流体型槽(39)的过程中，随着后弯型流体型槽(39)的流通截面积的逐渐增大，流速降低，压力增大，形成分离动环(3)和静环(11)的开启力。
2.如权利要求1所述的自泵送流体动压型机械密封，其特征是：所述后弯型流体型槽(39)的两侧槽壁型线均为螺旋线。
3.如权利要求1和2所述的自泵送流体动压型机械密封，其特征是：所述后弯型流体型槽(39)的两侧槽壁型线的螺旋线具有相同的螺旋角。
4.如权利要求1和2所述的自泵送流体动压型机械密封，其特征是：所述后弯型流体型槽(39)的两侧槽壁型线的螺旋线的螺旋角不等，工作面(34)的螺旋角小于非工作面(35)的螺旋角。
5.如权利要求1和2所述的自泵送流体动压型机械密封，其特征是：所述后弯型流体型槽(39)的两侧槽壁型线的螺旋线与进口(31)圆孔相切。
6.如权利要求5所述的自泵送流体动压型机械密封，其特征是：所述动环(3)上的轴向径向组合孔道(30)与动环(3)外圆面的连接处的横截面为楔状开口(38)。
7.一种自泵送流体动压型机械密封，设置于旋转机械的机壳(2)和轴(10)或轴套(8)之间，由动环(3)、动环用O形圈(12)、静环(11)、静环用O形圈(5)、弹簧(7)、静环座(14)等组成，其特征是：
与静环(11)配合的动环(3)端面分为槽区和密封坝(37)，槽区分布在端面的外侧部分，密封坝(37)分布在端面的外侧部分；槽区开设3组以上的后弯型流体型槽(39)，后弯型流体型槽(39)之间的密封面构成密封堰；
所述后弯型流体型槽(39)包括坡槽(32)和平槽(33)两个部分，坡槽(32)处于动环端面的大半径部位，平槽(33)处于动环端面的小半径部位；
所述后弯型流体型槽(39)的进口(31)与设置在动环(3)密封面中部的圆形环槽(36)连通，所述圆形环槽(36)至少有一个与密封腔(1)连通的轴向孔道或轴向径向组合孔道(30)。
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