CN103527792B - 上游泵送机械密封的动环及其端面型槽 - Google Patents
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Abstract
本技术提供一种密封效果较好的上游泵送机械密封的动环及动环端面型槽。该动环端面型槽是内外两侧壁为螺旋线的螺旋槽，内外两侧壁的末端分别与向螺旋槽内侧延伸的内圆弧和外圆弧相切，内圆弧和外圆弧相连形成端面型槽的封闭端。该动环，动环的密封端面上具有8-15个动环端面型槽，各端面型槽以动环的轴线中心对称。
Description
技术领域
本技术涉及上游泵送机械密封，具体地说，是一种上游泵送机械密封的动环及其端面型槽。
背景技术
上游泵送机械密封是基于现代流体动压润滑理论的一种新型非接触式端面密封。与静环相对的动环端面上开有型槽，动环绕轴线相对于静环转动，利用动环的密封端面的型槽形成的“端面泵”将少量隔离介质沿密封端面泵汲到密封腔内，并在两密封环端面间形成稳定液膜，从而阻止被封介质泄漏。由于被封介质的压力高于隔离介质的压力，而隔离介质的流向是由低压的隔离介质腔流向高压的密封腔腔，所以称之为“上游”泵送。
上游泵送机械密封与普通机械密封相比其特点在于它利用端面开槽技术提高了密封的流体动压效应。由于型槽流体动压效应产生的粘性剪切流与高压被封介质和低压隔离介质产生的压差流方向相反，因此当剪切流与压差流流量相等时可使密封的总泄漏量为零。此外，端面开槽所形成的“端面泵”会使流入的隔离介质逐渐增压。液体压力增高后会使弹性安装的端面脱开形成稳定液膜，起到了润滑作用，大大提高了机械密封的使用寿命。
上游泵送机械密封的密封机理依靠流体动压效应使隔离介质从低压侧流向高压侧，产生开启力以平衡闭合力，实现非接触式密封。上游泵送机械密封端面型槽一般为关于旋转轴中心对称的结构，槽的轮廓线多为直线、螺旋线、圆弧；槽数通常为8到15个，槽深为微米级，密封宽度较大。单一线型型槽结构简洁，建模方便。
图1为上游泵送机械密封中的具有螺旋型槽结构的动环示意图。当动环1沿图示方向旋转时，螺旋槽2槽内隔离介质在螺旋型槽线凸面的作用下增速并沿螺旋槽槽线不断向外径侧输送，形成剪切流，受密封坝3和密封堰4的阻挡，进而形成动压液膜；同时，被密封介质由于压差作用从高压侧5向低压侧6流动，形成压差流，当剪切流与压差流相平衡时实现零泄漏。动压液膜的形成，使动环与静环的端面间无接触磨损，密封件寿命也大大提高。
密封结构、材料特性等关系到其密封性能优劣，其中端面型槽的几何结构及其参数对密封效果的影响最大。螺旋槽是单一型槽中性能较为良好的结构，其液膜承载能力与液膜刚度均大于斜线槽与人字槽，影响其密封性能的型槽参数主要有：槽倾斜角、槽径宽径比等。有关研究表明，槽径宽径比大于0.73后，虽然上游泵送量还在增大，但液膜刚度迅速减小，不利于密封稳定性；根据FLUENT软件对槽内压力进行压力流场模拟分析，内径进口处压力最小，槽末端压力达到最大，但有部分区域出现负压现象，使液膜承载能力下降。
发明内容
本技术的目的是提供一种密封效果较好的上游泵送机械密封的动环端面型槽。
本技术的上游泵送机械密封的动环端面型槽，该端面型槽是内外两侧壁为螺旋线的螺旋槽，内外两侧壁的末端分别与向螺旋槽内侧延伸的内圆弧和外圆弧相切，内圆弧和外圆弧相连形成端面型槽的封闭端。
上述的上游泵送机械密封的动环端面型槽，螺旋线为对数螺旋线。
上述的上游泵送机械密封的动环端面型槽，型槽槽深3-7um，螺旋槽的倾斜角为15°-22°。
本技术同时提供了一种密封效果好的上游泵送机械密封的动环。
该上游泵送机械密封的动环，动环的密封端面上具有8-15个上述的动环端面型槽，各端面型槽以动环的轴线中心对称。
上述的上游泵送机械密封的动环，槽径宽径比为0.5-0.75。
本技术的有益效果：本技术的型槽末端是内圆弧和外圆弧之间的圆弧槽，可以说本技术型槽是螺旋槽与圆弧槽的组合，通过对本技术的组合型槽内的压力与单一螺旋槽的压力进行压力流场在同等条件下进行模拟分析，对于本技术的组合型槽，负压区面积有所减小，承载能力有所提高，本技术的组合型槽的液膜刚度及开启力等性能优于单一螺旋槽。申请人分析，可能是圆弧槽的加入，改变了原来的螺旋槽的出口方向，即使得泵送流体由原来的与上游来流对冲变成了回归低压下游的回流，从而在槽末端形成稳定的高压区屏障，这样，高压区屏障就能更有效的阻断上游来流，密封效果更好。在螺旋槽末端加入相切圆弧槽，槽径宽径比保持不变，即加大了承载槽的面积，在液膜压力分布不变的情况下，开启力将增大。
附图说明
图1是现有的上游泵送机械密封中的具有螺旋槽的动环示意图；
图2是本技术的上游泵送机械密封中的具有组合型槽的动环示意图；
图3是计算区域示意图。
图4是在压力为0.4MPa时动环900r/min下计算区域动环端面静压分布云图。
图5是在压力为0.4MPa时动环2500r/min下计算区域动环端面静压分布云图。
图6是在压力为0.4MPa时动环4000r/min下计算区域动环端面静压分布云图。
图7是静压分布云图中各颜色（灰度）与压力对应图。
具体实施方式
参见图2所示的上游泵送机械密封的动环1，动环的内孔11直径为50mm，外径为100mm。动环的密封端面2上具有12个组合型槽3，各型槽3以动环的轴线中心对称。型槽的进口端与动环内孔相通。组合型槽3包括螺旋槽31和位于螺旋槽末端的圆弧槽32。螺旋槽的内侧壁311和外侧壁312均为对数螺旋线，圆弧槽32的侧壁主要包括内圆弧321和外圆弧322。内侧壁311的末端与向螺旋槽内侧延伸的内圆弧321相切，外侧壁312的末端与向螺旋槽内侧延伸的外圆弧322相切，内圆弧和外圆弧平滑相连形成端面型槽的封闭端。型槽槽深5um，螺旋槽的倾斜角为21°。槽径宽径比为0.7。
对该动环端面静压分布试验如下。
由于整个端面上的槽型成周期性分布，槽数N=12，故取整个密封端面的1/N作为计算区域。计算区域有两条圆弧及两条螺旋线围成，组合型槽3位于计算区域的一侧。计算区域如图3所示。
手工建模后计算出上游泵送机械密封的液膜的压力云图参见图4-7。图7是静压分布云图中各颜色（灰度）与压力对应图，图中数值单位是Pa，如图7中下端最深颜色表示压力为最小，数值为-1.18*105Pa（负压），图7中上端最浅颜色表示压力为最大，数值为1.84*106Pa。
图4-6为被密封介质在压力为0.4MPa时，动环3种不同转速（900r/min、2500 r/min、4000 r/min）下计算区域内液膜的静压分布云图。对照图7，可以看出，在组合型槽外槽根处存在高于介质压力的最大静压，这是增加液膜开启力的重要因素之一，能够局部地阻止高压侧液体向低压侧流动，从而起到一定的密封作用，且由于圆弧槽的回流作用，使得泵送流体由原来的与上游来流对冲变成了回归低压下游的回流，从而在型槽末端形成稳定的高压区屏障，阻断上游来流。在内槽根处存在最小静压，能够将高压侧流向低压侧的泄漏液体吸收并泵送向高压侧，起到减少或杜绝泄漏的作用。组合型槽可在一定程度上提高液膜的稳定性，在槽底部形成高压环，有效地阻止被封介质泄漏。从图中可以看出，负压区面积较小，承载能力有所提高，组合型槽的液膜刚度及开启力等性能优于单一螺旋槽。
Claims (5)
1.上游泵送机械密封的动环端面型槽，该端面型槽是内外两侧壁为螺旋线的螺旋槽，其特征是：内外两侧壁的末端分别与向螺旋槽内侧延伸的内圆弧和外圆弧相切，内圆弧和外圆弧相连形成端面型槽的封闭端。
2.如权利要求1所述的上游泵送机械密封的动环端面型槽，其特征是：螺旋线为对数螺旋线。
3.如权利要求1所述的上游泵送机械密封的动环端面型槽，其特征是：型槽槽深3-7um，螺旋槽的倾斜角为15°-22°。
4.上游泵送机械密封的动环，其特征是：动环的密封端面上具有8-15个权利要求1、2或3所述的动环端面型槽，各端面型槽以动环的轴线中心对称。
5.如权利要求4所述的动环，其特征是：槽径宽径比为0.5-0.75。
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