CN104235372A - 一种改善液膜空化特性的动压槽机械密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种有效改善密封端面微间隙液膜空化特性的动压槽机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述结构为在动环或静环密封端面内径侧开设有关于旋转中心对称分布的新型动压槽，该动压槽由两部分槽型组成：动压槽1方向与机械密封旋转方向相反，为常规的上游泵送动压槽，动压槽2沿动压槽1的泵送入口开设，方向与动压槽1槽型相反，两种槽型的组合即本发明所提出的新型动压槽，利用动压槽2的泵送作用来减小动压槽1槽根处的低压区域，即空化区域，来改善液膜的空化特性，提高密封的稳定性，减小空蚀现象。该密封结构适用于一切液体介质的机械密封领域，尤其是高温、高压、高速等极易发生严重空化的工作条件。

Description

一种改善液膜空化特性的动压槽机械密封结构

技术领域

本发明涉及流体机械密封技术和空化理论，具体是指利用两种不同动压槽型的组合形成一种新的动压槽，有效的改善密封端面微间隙液膜的空化特性，降低端面的空蚀破坏，提高密封的稳定性和延长机械密封使用寿命。

背景技术

随着工业技术的发展，对于机械密封的使用条件日益严酷，对其性能提出了更高的要求，主要表现在使用温度范围广、高速化、高压化，对密封材料的要求和使用寿命也越来越严格。近几年也出现了一些新型的机械密封技术，如：表面改型技术、控制平衡比、多端面组合密封、监控密封、磁流体密封技术、纳米科技材料改性等。

在表面改型技术中，出现了以微凹腔和动压槽为代表性的表面改型技术，以色列教授Etsion.I最早提出了表面具有微观凹腔的机械密封，有利于产生动压效应改善润滑状态，但在减小泄漏量问题上效果并不明显。1968年约翰克兰公司伽德纳研制出圆弧面螺旋槽非接触机械密封，获得美国专利3499653，随后该公司在第十一届国际泵讨论会上又提出了上游泵送机械密封。此后，表面改型技术得到了飞速的发展，国内外技术人员提出了圆弧槽、Y形螺旋槽、人字形螺旋槽、矩形槽等端面形貌结构。其中，中国专利96216242.6公开了一种双环带螺旋槽机械密封，在一定程度上增加流体膜的承载能力。中国专利2534428Y公布了一种单列交错流体动压槽上游泵送机械密封，具有良好的瞬间开启能力。中国专利202597706U、203285989U和103122998A分别公布了仿花草流体型、仿鸟翼槽和仿鲨鱼皮流线型槽等非接触机械密封，提高了密封的承载力和流体膜的刚度。中国专利103471771A公布了一种空化可视的多功能密封试验装置，可以直观观测润滑液膜的空化现象，准确、全面的测试各种密封性能参数。中国专利103527792A公布了一种上游泵送机械密封动环及其端面型槽，能够有效减小负压区面积，提高承载能力，拥有较好的密封效果。

但是，在高速运转的密封端面之间，由于密封端面微造型、变形等导致的流道收缩和扩张，容易造成微间隙液膜产生空化现象。螺旋槽是单一型槽中性能最优的结构，根据计算流体力学软件和相关实验结果发现：由于泵送作用和动压效应的综合作用，在螺旋槽内径进口处边缘部分存在着负压现象，当压力低于饱和压力时，即出现了空化现象。在液体润滑机械密封中，空化现象的存在，使密封端面流体膜因为正负压力相抵消而失去承载能力，但是在高转速工况下，会发生严重的空化现象，当空化达到一定的程度后，将导致端面失去开启力，密封端面磨损加剧甚至使密封失效。而且，随着空泡的发展和溃灭，还会在密封端面发生空蚀现象，使密封表面受到破坏。在当前机械密封理论分析计算和实际的产品设计中，大多数都忽略了空化现象，这种情况已成为高性能机械密封技术实现新突破的障碍之一。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的就是弥补现有技术上的不足而提出的，是一种新型的动压槽非接触机械密封结构，它主要是针对现有流体动压型机械密封的设计并未考虑空化现象的问题，提出了一种有效改善密封端面微间隙液膜空化特性的动压槽机械密封结构，保证密封能力。

为实现上述目的，本发明主要涉及密封端面的表面改形问题，在常规的上游泵送机械密封动压槽的基础上，提出的一种新型动压槽结构，其特征在于：新型动压槽结构由动压槽1和动压槽2组合而成，其中动压槽1和动压槽2槽型可以是螺旋线型、圆弧线型、斜线型、T字型、人字型，或不同线型的组合，动压槽1槽宽堰宽比γ₁＝0.5～1，槽径比β₁＝0.3～0.6，槽数N_g＝6～20个，槽深可沿周向呈线性收敛或呈台阶型变化。动压槽2槽宽堰宽比γ₂＝1～1.2γ₁，槽径比β₂＝0.5～0.8β₁，槽数与动压槽1一样，动压槽2的起始端为动压槽1的泵吸入口，两种槽型具体的参数需要根据实际的运行工况和介质特性来优化设计。

本发明的效果主要是：本发明所提出的改善密封端面微间隙液膜空化特性的动压槽，即在常规的动压槽1基础上，从密封端面内径泵吸入口开设方向与动压槽1相反的动压槽2，利用动压槽2的泵送作用来提高动压槽1槽根边缘的负压区域的压力，减小空化区域，提高液膜承载力。通过在相同运行工况下，对本发明提出的新型动压槽和常规的单一动压槽1进行了数值模拟计算，其液膜刚度和开启力等性能都优于单一动压槽1。

附图说明

图1常规的开设螺旋槽的上游泵送机械密封示意图

图2本发明提出的新型动压槽机械密封结构示意图

图3本发明提出的1/N_g新型动压槽机械密封结构示意图

图4本发明提出的新型动压槽机械密封三维示意图

具体实施方式

本发明提出的改善密封端面微间隙液膜空化特性的动压槽开设在机械密封动环端面上，可采用电化学腐蚀、电火化、激光加工等工艺加工端面微造型，利用非接触光学轮廓仪来检测加工精度。

图1所示为常规的开设螺旋槽的上游泵送机械密封结构图，动压槽1的槽型为对数螺旋线，本发明提出的新型动压槽则是在动压槽1的基础上进行改进，如图2所示，在机械密封动环上开设沿旋转中心对称分布的新型动压槽，包含动压槽1和动压槽2，其中，动压槽1槽型为对数螺旋线3，螺旋角θ＝18°，槽宽堰宽比γ₁＝1，槽径比β₁＝0.5，槽数N_g＝12，槽深h₁＝3μm。动压槽2的槽型为方向与动压槽1相反的对数螺旋线4和5，边界线分别是圆弧线6和对数螺旋线3，槽宽堰宽比γ₂＝1，槽径比β₂＝0.25，槽深h₂＝3μm，具体结构如图3所示。

以上所述，仅仅是对本发明构思的实现形式的列举，并非对本发明作任何形式的限制，本发明的保护范围包括本领域技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段，凡依据本发明对以上实施例作任何的等同变化的更改、修饰和演变等，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种改善液膜空化特性的动压槽机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，其特征在于：所述的动环或者静环端面内径侧开设有关于旋转中心对称分布的新型动压槽，所述的新型动压槽由动压槽1和动压槽2组成。

2.根据权利要求1所述的改善液膜空化特性的动压槽机械密封结构，其特征在于：所述的动压槽1槽型可以是螺旋线型、圆弧线型、斜线型、T字型、人字型，或不同线型的组合，其槽开在端面下游，槽深h_１＝3～8μm，槽宽堰宽比γ₁＝0.5～1，槽径比β₁＝0.3～0.6，槽数N_g＝6～20个，槽深可沿周向呈线性收敛或呈台阶型变化。

3.根据权利要求1所述的改善液膜空化特性的动压槽机械密封结构，其特征在于：所述的动压槽2槽型可以是螺旋线型、圆弧线型、斜线型、T字型、人字型，或不同线型的组合，槽的起始端为动压槽1的泵吸入口，槽深h₂＝3～8μm，槽宽堰宽比γ₂＝1～1.2γ₁，槽径比β₂＝0.5～0.8β₁，槽数与动压槽1一样。

4.根据权利要求1所述的改善液膜空化特性的动压槽机械密封结构，其特征在于：动压槽1槽深h₁与动压槽2槽深h₂的关系以及其他槽型参数的选取需要根据实际的运行工况和介质特性来优化设计。