CN103470762A

CN103470762A - 倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构

Info

Publication number: CN103470762A
Application number: CN2013103642621A
Authority: CN
Inventors: 彭旭东; 佘宝瑛; 孟祥铠; 李纪云
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: CN103470762B

Abstract

倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，它包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环端面的另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环中至少有一个密封环的端面上开有依照旋转中心对称分布的倾斜渐变孔，构成渐变孔环带；所述渐变孔的队列排列成与所述的端面的直径成倾斜角的倾斜直线，且各个队列的倾斜角相等；所述队列中的渐变孔从高压侧即上游到低压侧即下游孔径逐渐减小；位于相同半径上的渐变孔的尺寸相同；所述密封环的端面上的上游和下游上设有光滑平面的环形密封坝。本发明具有较好的耐磨性和润滑能力、较强的开启性能和抗干扰能力及较小的泄漏率，可适用于密封各种气体或液体。

Description

倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构

(一）技术领域

本发明所涉及的是旋转轴的端面密封装置，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，属于机械端面密封技术领域。

（二）背景技术

目前，流体机械的转轴密封经常采用机械密封，随着石油化工行业的飞速发展，要求机械密封具有更高的稳定性和长寿命。非接触式机械密封以其动压性能优良，摩擦功耗低、端面润滑效果好，密封性能稳定而越来越受到石化行业的青睐，但目前开发的一些非接触式密封端面结构如：单向螺旋槽、直线槽、双向T型槽，双向U型槽等存在泄漏率大，而较大的泄漏量在一些特殊场合，如：有毒介质、易燃易爆介质等工况下会成为限制其应用的决定性因素；且在矿上、冶金、建筑、石化等高固体颗粒场合，介质中的硬质磨料也容易在槽根部积聚且对端面产生磨损，导致密封失效。为此，Etsion.I最先发明了一种多孔端面应用于泵类液体轴封装置，且目前国内外已有多项此类专利（如：USA Patent6,046,430；USA Patent6,341,782；世界专利WO02093046；中国专利：200510038704.9；200910153312.5）但是由于目前专利中所设计的微孔结构具有相同的几何尺寸，没有从高压侧到低压侧形成收敛型流道，故流体动压效果较差，耐压能力不强，从而使密封端面的流体膜承载能力有限，容易发生端面的接触摩擦磨损，很大程度上抵消了微孔的减磨优势。因此研发一种密封端面结构在增强端面动压开启性能和润滑性能、减小端面摩擦磨损和泄漏率成为机械密封中的一个关键问题。

（三）发明内容

本发明要克服现有单向螺旋槽和直线槽，双向T型槽、U型槽或圆弧槽等存在泄漏率大，防固体颗粒能力和耐摩擦磨损能力差的缺点，同时为了克服微孔端面在低速或高压下流体动压效应差，耐压能力和抗干扰能力不够的缺点，提供一种能实用于各种条件和介质的非接触式机械密封结构——倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，该结构具有动压效应好、防固体颗粒能力和耐摩擦磨损能力强、泄漏率低、端面润滑效果好、耐压能力和抗干扰能力强，使用寿命长。

本发明的有益效果是：同螺旋槽或直线槽或圆弧槽结构相比，所述渐变孔可以吸纳不同大小的固体颗粒或其它磨料，存储润滑剂的能力大小与该孔所处位置的线速度高低相对应，可避免高摩擦热产生并使端面具有较好的耐磨性和润滑能力。与等直径多孔端面相比，所述渐变孔向下游侧倾斜因此具有向下游泵送作用，且沿周向和径向倾斜排布，从而使剪切流和压差流流向一致指向下游侧，因此具有较强的动压开启性能，从而避免了端面的摩擦磨损；所述渐变孔从上游到下游尺寸逐渐减小，沿径向成收敛状排布，因此具有较强的抗干扰能力且泄漏率也较小。

本发明的技术方案：

倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，它包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环端面的另一侧为低压侧即下游，其特征在于：所述动环或静环中至少有一个密封环的端面上开有依照旋转中心对称分布的倾斜渐变孔，构成渐变孔环带；所述渐变孔的队列排列成与所述的端面的直径成倾斜角的倾斜直线，且各个队列的倾斜角相等；所述队列中的渐变孔从高压侧即上游到低压侧即下游孔径逐渐减小；位于相同半径上的渐变孔的尺寸相同；所述密封环的端面上的上游和下游上设有光滑平面的环形密封坝。

所述队列的倾斜度β取值范围为0～90°，其中β为渐变孔队列所在直线和该直线与所述的端面圆周交点处圆周的切线间的夹角，且各个队列倾斜直线的β均相等；所述渐变孔的长轴倾斜角θ取值范围为0～180°，其中θ为渐变孔的长轴和所述的切线间的夹角。

进一步，所述渐变孔环带的径向长度比a定义为a=（r_o-r_g）/（r_o-r_i），其中r_i、r_o分别为开孔端面的内外半径，r_g为端面开孔区的最小半径；所述径向长度比a的取值范围为0.4～1。

进一步，所述渐变孔单个队列包含3～20个渐变孔，优选为5～10个。

进一步，所述渐变孔位于高压侧的孔长轴为0.1～5mm，长、短轴之比为1～10；所述渐变孔位于低压侧的孔长轴为0.05～1mm，长、短轴之比为1～10；所述渐变孔的结构尺寸的渐变幅度为0.05～1mm；所述队列中的相邻渐变孔的等间距相等，相邻两孔之间的间距为0.05～1mm。

进一步，当密封介质为液体时，所述渐变孔的孔深d为0.01～1.5mm，优选值为0.05～1.2mm；当密封介质为气体时，所述渐变孔的孔深d为1～18μm，优选值为3～10μm。

进一步，所述渐变孔队列其孔深沿径向从高压侧到低压侧逐渐变浅，当密封介质为液体时，所述渐变孔在高压侧的孔深d为0.05～1.5mm，在低压侧的孔深为0.01～0.5mm，渐变幅度为0.01～0.25mm；当密封介质为气体时，所述渐变孔在高压侧的孔深d为3～12μm，在低压侧的孔深为1～5μm，渐变幅度为0.5～1μm。

进一步所述队列中的相邻渐变孔的等间距相等，相邻两孔之间的间距为0.05～1mm。

进一步：所述渐变孔孔形是下列之一：圆形，三角形，正方形，椭圆形，菱形，长方形或六边形。

进一步：所述倾斜渐变孔队列排布方式是下列之一：倾斜直线、圆弧线或螺旋线形式。

进一步：所述倾斜渐变多孔端面通过沿周向和径向方向合理排布和渐变孔本身的倾斜，可以实现密封端面的双向旋转。

本发明的原理：

当轴旋转时，所述倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构一方面由于孔自身的方向性，在切向转速剪切作用下，流体将沿着孔长轴方向流动，使得流体在长轴方向不断的累积叠加，受到不断的压缩，压力逐渐增大，从而形成明显的动压效应；另一方面渐变孔沿周向和径向倾斜排布，具有类似于收敛倾斜直线槽结构，使剪切流和压差流方向一致都指向低压侧，故该结构能够形成更强的动压开启力，能够在低速、高压下使密封端面快速开启，从而使密封端面形成全膜润滑，避免了端面间的摩擦磨损。

该密封结构在高压侧设有一密封坝，从而具有很好的停车密封性能，且可以阻止固体颗粒等介质进入密封端面。当有颗粒进入密封端面以后，渐变孔可以起到吸纳作用，有效的发挥孔的防固体颗粒的能力，且渐变孔也可以存储润滑剂，故该结构耐摩擦磨损能力强和润滑效果好；在低压侧也设有一平滑的密封坝结构，可以进一步阻止密封密封流体的泄漏。

该密封结构沿径向方向孔径逐渐减小，孔深沿径向方向也逐渐减小，从而沿径向方向形成收敛的流体膜，提高了密封的流体动静压特性，因此增大了密封的耐压能力和抗干扰能力，同时也提高了密封的开启/停车性能和对变工况的自适应能力。

本发明的优点和有益效果：

本发明提供了一种能实用于各种条件和介质的密封结构，同传统接下密封相比，它具有如下优点：（1）相比于微孔端面，该倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构一方面由于孔自身的方向性，在切向转速剪切作用下，流体将沿着孔长轴方向流动，使得流体在长轴方向不断的累积叠加，受到不断的压缩，压力逐渐增大，从而形成明显的动压效应；另一方面渐变孔沿周向和径向倾斜排布，具有类似于收敛倾斜直线槽结构，故该结构具有更强的动压开启性能，能够在低速、高压下使密封端面快速开启，从而使密封端面形成全膜润滑，避免了端面的摩擦磨损。（2）相比单向螺旋槽、直线槽、双向T型槽，双向U型槽等结构，该密封结构上游侧设有密封坝结构能很好的防止固体颗粒进入密封端面；当有颗粒进入密封端面以后，渐变孔可以起到吸纳作用，有效的发挥孔的防固体颗粒的能力，且渐变孔也可以存储润滑剂，故该结构耐摩擦磨损能力强和润滑效果好；且该结构下游侧也设有一密封坝，从而具有很好的停车密封性能，可以实现密封端面的低泄漏。（3）该倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构沿径向方向孔径逐渐减小，孔深沿径向方向也逐渐减小，从而沿径向方向形成收敛的流体膜，提高了密封的流体动静压特性，因此增大了密封的耐压能力和抗干扰能力，同时也提高了密封的开启/停车性能和对变工况的自适应能力。

（四）附图说明

图1是本发明的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构示意图。

图2是本发明的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构一个周期示意图。

图3是本发明的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构的等深和收敛变深示意图。

图4是本发明的不同形状倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构示意图。

图5是本发明的不同排布方式倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构示意图。

图6是本发明的孔队列按不同形线排布的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构示意图。

图7是本发明的双向旋转倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构示意图。

（五）具体实施方案

下面结合附图对本发明做进一步深入：

实施例1：

参见图1、2、3：

所述渐变孔环带的径向长度比a定义为a=（r_o-r_g）/（r_o-r_i），其中r_i、r_o分别为开孔端面的内外半径，r_g为端面开孔区的最小半径；所述径向长度比a的取值范围为0.4～1。

所述渐变孔单个队列包含3～20个渐变孔，优选为5～10个。

所述渐变孔位于高压侧的孔长轴为0.1～5mm，长、短轴之比为1～10；所述渐变孔位于低压侧的孔长轴为0.05～1mm，长、短轴之比为1～10；所述渐变孔的结构尺寸的渐变幅度为0.05～1mm；所述队列中的相邻渐变孔的等间距相等，相邻两孔之间的间距为0.05～1mm。

当密封介质为液体时，所述渐变孔的孔深d为0.01～1.5mm，优选值为0.05～1.2mm；当密封介质为气体时，所述渐变孔的孔深d为1～18μm，优选值为3～10μm。

所述队列中的渐变孔等深，当密封介质为液体时，所述渐变孔的孔深d为0.01～1.5mm，优选值为0.05～1.2mm；当密封介质为气体时，所述渐变孔的孔深d为1～18μm，优选值为3～10μm。

后者，所述渐变孔队列其孔深沿径向从高压侧到低压侧逐渐变浅，当密封介质为液体时，所述渐变孔在高压侧的孔深d为0.05～1.5mm，在低压侧的孔深为0.01～0.5mm，渐变幅度为0.01～0.25mm；当密封介质为气体时，所述渐变孔在高压侧的孔深d为3～12μm，在低压侧的孔深为1～5μm，渐变幅度为0.5～1μm。

实施例2：

参见图4：所述渐变孔孔形可以是下列之一：圆形，三角形，正方形，椭圆形，菱形，长方形或六边形。

本实施例其余结构与实现方式与实施例1相同。

实施例3：

参见图1、5：所述渐变椭圆孔本身带有方向性，可以绕着各自孔中心倾斜，倾斜角θ范围为0～180。排布1中剪切流和压差流的方向一致都指向下游侧，在切向转速剪切作用下，流体将沿着孔长轴方向流动，使得流体在长轴方向不断的累积叠加，受到不断的压缩，压力逐渐增大，从而形成很明显的动压开启性能从排布2到排布6，随着低压侧上游泵送孔数逐渐增加，从而使高压侧泄漏到低压侧的流体又返回高压侧更加明显，从而使泄漏率逐渐减小，其中排布6中孔都具有上游泵送作用，故其泄漏率最低，且适当的调节倾斜角度可以实现密封端面间的零泄漏。

本实施例其余结构与实现方式与实施例1相同。

实施例4：

参见图6：所述倾斜渐变孔队列排布方式可以是下列之一：倾斜直线、圆弧线或螺旋线形式排布。

本实施例其余结构与实现方式与实施例1相同。

实施例5：

参见图7：所述倾斜渐变多孔端面通过沿周向和径向方向合理排布和渐变孔本身的倾斜，可以实现密封端面的双向旋转。

本实施例其余结构与实现方式与实施例1相同。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对本发明构思的实现形式的举例，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及于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.倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，它包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环端面的另一侧为低压侧即下游，其特征在于：所述动环或静环中至少有一个密封环的端面上开有依照旋转中心对称分布的倾斜渐变孔，构成渐变孔环带；所述渐变孔的队列排列成与所述的端面的直径成倾斜角的倾斜直线，且各个队列的倾斜角相等；所述队列中的渐变孔从高压侧即上游到低压侧即下游孔径逐渐减小；位于相同半径上的渐变孔的尺寸相同；所述密封环的端面上的上游和下游上设有光滑平面的环形密封坝。

2.根据权利要求1所述的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，其特征在于：所述队列的倾斜度β取值范围为0～90°，其中β为渐变孔队列所在直线和该直线与所述的端面圆周交点处圆周的切线间的夹角，且各个队列倾斜直线的β均相等；所述渐变孔的长轴倾斜角θ取值范围为0～180°，其中θ为渐变孔的长轴和所述的切线间的夹角。

3.根据权利要求2所述的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，其特征在于：所述渐变孔环带的径向长度比a定义为a=（r_o-r_g）/（r_o-r_i），其中r_i、r_o分别为开孔端面的内外半径，r_g为端面开孔区的最小半径；所述径向长度比a的取值范围为0.4～1。

4.根据权利要求3所述的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，其特征在于：所述渐变孔单个队列包含3～20个渐变孔，优选为5～10个。

5.根据权利要求4所述的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，其特征在于：当密封介质为液体时，所述渐变孔的孔深d为0.01～1.5mm，优选值为0.05～1.2mm；当密封介质为气体时，所述渐变孔的孔深d为1～18μm，优选值为3～10μm。

6.根据权利要求5所述的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，其特征在于：所述渐变孔队列其孔深沿径向从高压侧到低压侧逐渐变浅，当密封介质为液体时，所述渐变孔在高压侧的孔深d为0.05～1.5mm，在低压侧的孔深为0.01～0.5mm，渐变幅度为0.01～0.25mm；当密封介质为气体时，所述渐变孔在高压侧的孔深d为3～12μm，在低压侧的孔深为1～5μm，渐变幅度为0.5～1μm。

7.根据权利要求5或6所述的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，其特征在于：所述渐变孔的形状是下列之一：椭圆、矩形、菱形、三角形、正方形、或圆形。

8.根据权利要求7所述的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，其特征在于：所述渐变孔位于高压侧的孔长轴为0.1～5mm，长、短轴之比为1～10；所述渐变孔位于低压侧的孔长轴为0.05～1mm，长、短轴之比为1～10；所述渐变孔的结构尺寸的渐变幅度为0.05～1mm；所述队列中的相邻渐变孔的等间距相等，相邻两孔之间的间距为0.05～1mm。

9.根据权利要求8所述的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，其特征在于：所述倾斜渐变孔的队列排布方式可以是下列之一：倾斜直线、圆弧线、或螺旋线。

10.根据权利要求1所述的倾斜渐变多孔端面非接触式机械密封结构，其特征在于：所述倾斜渐变多孔端面通过沿周向和径向方向合理排布和渐变孔本身的倾斜，可以实现密封端面的双向旋转。