CN104154235A - 螺旋分布收敛型微孔织构机械密封 - Google Patents

螺旋分布收敛型微孔织构机械密封 Download PDF

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Abstract

螺旋分布收敛型微孔织构机械密封，包括密封动环和静环，在动环和静环中至少一个的密封端面上设置螺旋分布的收敛型微孔织构；织构遍布整个密封端面，或者在靠近低压侧设置环形坝区，微孔织构的各列微孔的中心分布线为螺旋线，微孔织构为收敛型织构，当密封环外侧为高压时，微孔收敛方向与螺旋线展开方向相反；当密封环内侧为高压时，微孔收敛方向与螺旋线展开方向相同；本发明有效提高了密封端面的承载能力，使得密封在更低的转速下打开，并且保证在小膜厚、小压差的情况下润滑膜具有更大的刚度，从而减少启停阶段的碰摩；本发明适用于气体和液体介质，实现密封件的减摩，延长密封的使用寿命，提高密封的可靠性。

Description

螺旋分布收敛型微孔织构机械密封
技术领域
本发明属于旋转轴的机械密封技术领域，特别涉及螺旋分布收敛型微孔织构机械密封。 
背景技术
表面织构技术被广泛用于摩擦副的减摩和减阻，在机械密封领域也得到了成功的应用。工程实践表明表面织构的减摩作用可以有效提高密封端面的耐磨性和使用寿命。 
1996年，以色列学者Etsion最先提出了一种基于激光微孔技术的机械密封，用于泵类的液体轴封。为了改善微孔织构在干气密封以及低速工况下动压开启能力较差的问题，国内外陆续出现了多种新型的端面织构以提高端面微孔织构的作用效果。2007年，专利CN101016949A公开了一种变分布的多孔端面机械密封结构，在密封端面上沿中心对称排布大小不等的微孔，获得更为优异的耐压性、耐磨性和收敛特性；2009年，专利CN101672366A公开了一种倾斜式方向性微孔端面机械密封结构，改用方向性微孔，并使微孔长轴方向与端面直径成倾斜的角度，获得更好的流体动压效果；2010年，专利103090005A公开了一种螺旋分布多孔端面机械密封，在密封环端面上沿轴向均匀分布10到20个螺旋区域，并在每个螺旋区域上均匀分布圆孔，从而减小摩擦转矩、产热量及摩擦磨损。这些织构有效提高了密封的开启力，并通过微孔结构容纳固体颗粒的能力延长了密封的使用寿命。但是这些微孔织构的流体动静压效应有限，只能在高转速和小膜厚的工况下产生足够的承载力，在启停过程中容易发生端面碰摩，产生磨损，影响密封的可靠性和使用寿命。 
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种螺旋分布收敛型微孔织构机械密封，它是一种流体动、静压结合型的下游泵送型机械密封装置，在相同的条件下具有更大的流体膜厚度，或者在相同的流体膜厚度下具有更大的流体膜刚度。 
为了达到上述目的，本发明的技术方案为： 
螺旋分布收敛型微孔织构机械密封，包括机械密封的动环、静环，动环和静环的一个端面相对，形成圆环形的密封端面，在动环和静环的至少一个密封端面上设置织构带，织构带设在整个端面或靠近高压侧的部分端面上；织构带上布置一系列微孔织构，每列微孔织构的中心按照螺旋线分布，即微孔织构中心所在曲线的走向为近似螺旋线、或近似的曲线、斜直线，当密封环外侧为高压时，微孔收敛方向与螺旋线展开方向相反；当密封环内侧为高压时，微孔收敛方向与螺旋线展开方向相同。 
所述的螺旋线的螺旋角α定义如下：设平滑曲线(含斜直线)从半径较小的内半径处的A点(或A’、A”)开始，到半径较大的外半径处的B点(或B’、B”)为止，在内外半径之间的任意半径R处的同心圆与该曲线相交于P点(或P’、P”)，曲线过P点(或P’、P”)的切线(或直线本身)与上述同心圆过P点(或P’、P”)的切线之间的所夹的角α为螺旋角，分布线的螺旋角的范围为0°<|α|<90°，螺旋角α是恒定或是变化的。 
所述微孔织构的每个微孔为沿上游向下游的收敛型形状，即微孔织构上游侧的长度比下游的长度大，即沿螺旋分布线微孔尺寸从大向小变化且微孔大端朝向高压侧，微孔的形状为三角形、水滴形、梯形以及其他具备收敛型特征的几何形状。 
所述收敛型微孔的取向，即中轴线方向与所在位置的螺旋型分布线近似相切。 
所述微孔深度的范围是：0.005～0.2mm；大端宽度的范围是： 0.005～0.1mm；小端与大端的宽度之比的范围是0～0.5；微孔长度与大端宽度之比的范围是：0.2～5；织构微孔沿分布线方向的间距与微孔长度之比的范围是：0.1～1；织构微孔在圆周方向的角度间距范围是：4°～40°；微孔织构的面积密度范围是：0.1～0.6；坝区在半径方向上的宽度与环面宽度之比的范围是0～0.5，上述参数在给定的范围内是恒定或者是变化的。 
本发明的工作原理： 
微孔织构具有几何收敛型特性，使得流体从上游高压端向下游低压端流入微孔织构后，沿微孔中轴线方向上被织构的几何形状挤压，从而在每个微孔织构的末端(下游端)形成高压，从而增大了织构的流体动压效应，产生更大的承载能力。 
同时，螺旋分布的收敛型微孔织构能适应密封环面各处流动的差异。密封环上，从外径处到内径处，回转半径逐渐减小，沿此方向，密封介质的周向速度也呈下降的趋势。密封端面间密封介质的沿端面的流动是其周向流动和径向流动的合成，因而介质的总流动方向沿从外到内的方向是逐渐变化的，越靠近外侧，周向速度分量越大。本发明中收敛型微孔织构按照螺旋式分布，能最大程度地利用流动的这个特点，综合利用流体动静压效应，增大承载能力。 
本发明的有益效果主要表现在：1、密封端面能在更低的转速或者压差下打开，改善密封的启停效果；2、在同等载荷条件下密封能形成更大的膜厚，或者在同等膜厚的情况下密封具有更大的轴向刚度，从而防止密封发生碰摩，并使密封工作更为稳定，提高密封的可靠性。 
附图说明
图1为本发明的端面结构示意图。 
图2为本发明的微孔结构的放大图。 
图3为本发明的微孔织构分布线螺旋角说明示意图。 
图4为本发明的密封结构示意图。 
图5为本发明的微孔形状示意图。 
图6为本发明结构的实施例二的端面结构示意图。 
图7为本发明结构的实施例三的端面结构示意图。 
图8为本发明结构的实施例四的端面结构示意图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。 
参照图1到图4，螺旋分布收敛型微孔织构机械密封，位于旋转机械的机壳和轴之间，包括机械密封的动环4、静环5，动环4和静环5的一个端面相对，形成圆环形的密封端面，密封面的一侧为高压侧，即上游，另一侧为低压侧，即下游；在所述的动环4和静环5的至少一个密封端面上设置织构带1(R3-R2)，织构带1位于密封面的高压侧；微孔织构带的下游设有无织构的坝区2(R2-R1)；织构带1上布置一系列微孔织构，每列微孔织构的中心7按照螺旋线3分布,即各列微孔织构的中心7的分布线的走向为近似螺旋线(不一定是数学上的精确的螺旋线)，或近似的曲线、斜直线，如等角螺旋线、阿基米德螺旋线、圆弧线、斜折线。当密封环外侧为高压时，微孔收敛方向与螺旋线展开方向相反；当密封环内侧为高压时，微孔收敛方向与螺旋线展开方向相同。 
所述的螺旋线的螺旋角α定义如下：设平滑曲线(含斜直线)从半径较小的内半径处的A点(或A’、A”)开始，到半径较大的外半径处的B点(或B’、B”)为止，在内外半径之间的任意半径R处的同心圆与该曲线相交于P点(或P’、P”)，所述曲线过P点(或P’、P”)的切线(或直线本身)与上述同心圆过P点(或P’、P”)的切线之间的所夹的角α为螺旋角，所述分布线的螺旋角的范围为0°<|α|<90°，最佳范围是5°～30°，螺旋角α可以是恒定的，也可以是变化的。 
所述微孔织构的每个微孔为沿上游向下游的收敛型形状，即微孔织构上游侧的长度比下游的长度大，沿螺旋分布线3微孔尺寸从大向小变化且 微孔大端朝向高压侧。微孔的形状为三角形、水滴形、梯形以及其他具备收敛型特征的几何形状。 
所述微孔的取向，即微孔的中轴线方向6与所在位置的螺旋型分布线近似相切(仅指大致相切，并不一定是数学上的精确的相切)； 
所述微孔深度的范围是：0.005～0.2mm；大端宽度的范围是：0.005～0.1mm；小端与大端的宽度之比的范围是0～0.5；微孔长度与大端宽度之比的范围是：0.2～5；织构微孔沿分布线方向的间距与微孔长度之比的范围是：0.1～1；织构微孔在圆周方向的角度间距范围是：4°～40°；微孔织构的面积密度范围是：0.1～0.6；坝区在半径方向上的宽度与环面宽度之比的范围是0～0.5，上述参数在给定的范围内可以是恒定的，或者是变化的。 
实施例一 
图1为本发明实施例一的示意图。图1所示的密封，其密封环端面的外侧为高压侧，即上游，密封端面的内侧为低压侧，即下游。在静环5和动环4(或两者之一)上加工螺旋分布的收敛型微孔织构，织构带1位于端面靠近外径侧，坝区2位于端面靠近内径侧。 
实施例二 
图6为本发明实施例二的示意图。图6所示的密封，其密封环端面的外侧为高压侧，即上游，密封端面的内侧为低压侧，即下游。在静环5和动环4(或两者之一)上加工螺旋分布的收敛型微孔织构，织构带1布满整个环面，无坝区。 
实施例三 
图7为本发明实施例三的示意图。图7所示的密封，其密封环端面的内侧为高压侧，即上游，密封端面的外侧为低压侧，即下游。在静环5和动环4(或两者之一)上加工螺旋分布的收敛型微孔织构，织构带1位于端面靠近内径侧，坝区2位于端面靠近外径侧。 
实施例四 
图8为本发明实施例四的示意图。图8所示的密封，其密封环端面的内侧为高压侧，即上游，密封端面的外侧为低压侧，即下游。在静环5和动环4(或两者之一)上加工螺旋分布的收敛型微孔织构，织构带1布满整个环面，无坝区。 

Claims (5)

1.螺旋分布收敛型微孔织构机械密封，包括机械密封的动环、静环，动环和静环的一个端面相对，形成圆环形的密封端面，其特征在于：在动环和静环的至少一个密封端面上设置织构带，织构带设在整个端面或靠近高压侧的部分端面上；织构带上布置一系列微孔织构，每列微孔织构的中心按照螺旋线分布，即微孔织构中心所在曲线的走向为近似螺旋线、或近似的曲线、斜直线，当密封环外侧为高压时，微孔收敛方向与螺旋线展开方向相反；当密封环内侧为高压时，微孔收敛方向与螺旋线展开方向相同。 
2.根据权利要求1所述的螺旋分布收敛型微孔织构机械密封，其特征在于：所述的螺旋线的螺旋角α定义如下：设平滑曲线(含斜直线)从半径较小的内半径处的A点(或A’、A”)开始，到半径较大的外半径处的B点(或B’、B”)为止，在内外半径之间的任意半径R处的同心圆与该曲线相交于P点(或P’、P”)，曲线过P点(或P’、P”)的切线(或直线本身)与上述同心圆过P点(或P’、P”)的切线之间的所夹的角α为螺旋角，分布线的螺旋角的范围为0°<|α|<90°，螺旋角α是恒定或是变化的。 
3.根据权利要求1所述的螺旋分布收敛型微孔织构机械密封，其特征在于：所述微孔织构的每个微孔为沿上游向下游的收敛型形状，即微孔织构上游侧的长度比下游的长度大，即沿螺旋分布线微孔尺寸从大向小变化且微孔大端朝向高压侧，微孔的形状为三角形、水滴形、梯形以及其他具备收敛型特征的几何形状。 
4.根据权利要求1所述的螺旋分布收敛型微孔织构机械密封，其特征在于：所述收敛型微孔的取向，即中轴线方向与所在位置的螺旋型分布线近似相切。 
5.根据权利要求1所述的螺旋分布收敛型微孔织构机械密封，其特征在于：所述微孔深度的范围是：0.005～0.2mm；大端宽度的范围是： 0.005～0.1mm；小端与大端的宽度之比的范围是0～0.5；微孔长度与大端宽度之比的范围是：0.2～5；织构微孔沿分布线方向的间距与微孔长度之比的范围是：0.1～1；织构微孔在圆周方向的角度间距范围是：4°～40°；微孔织构的面积密度范围是：0.1～0.6；坝区在半径方向上的宽度与环面宽度之比的范围是0～0.5，上述参数在给定的范围内是恒定或者是变化的。 
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