CN105952900A - 具有波形槽端面的密封环及机械密封装置 - Google Patents

Abstract

具有波形槽端面的密封环及机械密封装置。该密封环是在密封端面上开设有由具有端平面高度的隔离部分隔成均匀排布的相同形式的槽，每个槽的形状在密封端面上任意半径处的周面展开形状可表征为关系式：。该结构形式的密封环能够使端面流体膜具有更大的开启力和更高的刚度及承载能力，具有更好的端面流体动压效应。

Description

具有波形槽端面的密封环及机械密封装置

技术领域

本发明涉及端面流体密封元件及具有所述密封元件的端面密封装置，具体的讲是具有波形槽端面的密封环及使用该密封环的机械密封装置。

背景技术

机械密封技术以其优越的性能已广泛应用于众多的旋转机械轴向端面密封的应用中，例如各种型式的泵、压缩机、膨胀机、分离机、反应釜等旋转类机器的轴端密封。目前已有报道和/或使用的流体端面非接触式机械密封装置的基本结构中，通常包括有静止环（静环）、旋转环（动环）、静环座、轴套、传动销、公差环、压紧套、推环、弹簧、防转销等构成组件。静环和动环共轴线相对设置，其相对的端面为密封面。静环沿径向空套在静环座上，与静止环座保持相对静止，其轴向由推环和弹簧浮动支撑，周向由防转销定位，使静环只可沿轴向自由浮动而不能随轴旋转。动环以径向由公差环胀紧在轴套的外圆柱面上，轴向与轴套的台阶面接触并被压紧套轴向压紧，周向由传动销与轴套固定在一起，使动环可随轴套与旋转轴一起同步旋转。

机械密封目前可分为接触式和非接触式两种。非接触式机械密封根据其密封端面流体膜开启力的形成方式不同，又可大致分为动压型和静压型两种。动压型非接触式机械密封一般是利用介质在密封面间的流动形成充分的流体动压效应，以获得足够的流体膜开启力和流体膜刚度。端面流体形式的动压效应主要与密封面相对转速、介质粘度、密封面表面结构相关，其中密封面相对转速和介质粘度往往是取决于使用密封机组的现场条件，技术上更多可改进的是密封面表面结构。目前通常的密封面表面结构设置措施，是在其密封端面中的一侧或两侧端面上，开设有由具有端平面高度的相同形式隔离部分隔成均匀排布的型槽形式，其中以等槽深的螺旋槽、“T”型槽、波形面槽等形式的端面密封最为典型。如何增强端面流体的动压效应，以增大端面流体膜承载能力和流体膜刚度，从而提升密封运行稳定性，最终延长使用寿命，是非接触式机械密封端面槽型研究的主要方向之一。

传统的槽型设计及研究过程中，一般是先设计一种槽型，然后选定一些密封的性能指标量，来对槽型结构及参数进行优化，以期获得最好的端面流体膜特性。其思路是先给定槽型，然后再将该槽型参数和密封进行关联。这就使得槽型的设置不能主动、很好地与端面流体膜的特性匹配，因而难以获得最佳的端面流体动压效应，也就不能获得更大的流体膜刚度和开启力。

发明内容

针对上述情况，本发明首先提供了一种具有波形槽端面的密封环，并进一步提供一种采用该密封环的机械密封装置，以使端面流体膜具有更大的开启力和更高的刚度及承载能力，具有更好的端面流体动压效应。

本发明具有波形槽端面的密封环，同样是在密封端面上开设有由具有端平面高度的隔离部分隔成均匀排布的相同形式的槽。其中，单个槽的槽型在密封端面上任意半径处的周面展开形状可表征为下述的关系式①：

①。

式①中：h为槽中该半径处的槽底部任一点在相对于端平面的轴向上的深度值，通常可为λ的2倍，优选为≤100μm；

λ为槽在相对于端平面的轴向最大深度的1/2值，其值通常可为1～300μm，优选为1～50μm；

a为槽的波形周期系数，a=(2π/N)^1-b ，是对波形系数b导致的波形周期变化进行调整，其具体取值由b和N确定，使其与由槽数量沿密封端面周向等分所形成的周期进行匹配；

b为槽的波形系数，b≤0.8，其影响的是一个槽区内与沿密封环旋转方向的槽的背风侧槽壁的周向弧长与整个槽的周向弧长之比，即背风侧槽壁的周向弧长/(背风侧槽壁的周向弧长+迎风侧槽壁的周向弧长)相关的周向断面轮廓型线状态；

k为所述隔离部系数，表示的是在一个槽的波形周期内有槽部与无槽部的周向宽度比值的变化。由公式①可以推导出，其比值关系为1:(k ^1/b -1)。当k取1时，密封端面的波形区周向上将布满槽；k值增大时，在一个密封端面波形区内，周向有槽区将减小，无槽区将增大；当k值增大到2.5时，在一个密封端面的波形区内，约有40%左右的区域为有槽区，如果继续增大k值，密封端面的流体膜动压效应将显著降低。因此，k的优选取值范围为1～2.5；

N为在整个密封端面上排布的槽的数量；

r为槽底部任一处的半径；

r ₀ 为密封端面外径；

r _g 为密封端面径向上有槽与无槽区分界处的半径；

θ为在密封端面上沿密封环旋转方向的槽背风侧槽壁的边缘型线和迎风侧槽壁的边缘型线分别与密封端面外周处的两个交点间的极坐标角度变量。一般而言，θ=0～2π/(N×k ^{1 /b} )，即可表征出一完整的基准波形区；

φ为槽的边缘型线在密封端面外周处交点的径向方向，与槽的边缘型线上任一点的径向方向间的夹角，通常φ=0～π/N，表示了槽的不同走向与密封端面径向方向间的关系。由于就槽的截面宽度而言，通常采用的是等宽形式的槽，因此所述在密封端面上槽的走向与槽边缘型线的走向是一致的。例如，对于螺旋线型走向的槽而言，φ可以按式计算求得，其中β =10°~30°；经大量测试得知，过大或过小的β值都会对密封端面获得充足的流体膜刚度产生影响，而当β值优选在15°~18°范围内时，密封端面流体膜刚度更为理想。

对于在密封端面上为直线型走向的槽，可包括沿径向走向或与径向具有夹角的斜向走向等不同形式。其中，沿径向走向时，φ恒为零；与径向具有夹角的斜向走向时，φ可按式计算求得，其中的γ为槽的走向与槽的背风侧槽壁型线在密封端面外径侧起点的径向方向间的角度变量。

在上述基础上，一种优选的方案是，所述关系式中的波形系数b=0.1~0.8。波形系数的取值影响槽的所述背风侧槽壁周向弧长与迎风侧槽壁周向弧长的变化，以及两个侧面波形表面的轮廓。当b小于0.1时，该系数的影响基本可略；当b大于0.8以后，将显著影响迎风侧槽壁的周向弧长大小，会导致整个槽对流体介质的动压效应降低。

特别是，当槽底部最深处两侧槽壁中的背风侧槽壁与迎风侧槽壁的周向弧长之比为1:(2^1/b -1)时，可具有更为理想的密封效果。

由于密封端面的直径与波幅都在一定程度上会影响密封介质泄漏量与密封端面流体膜动压特性，因此密封直径较大侧的密封端面周向泄漏通道较长，为控制泄漏量可适当采用较小的波幅；密封直径较小侧的密封端面周向泄漏通道较短，为获取较大开启力和刚度，可适当采用较大的波幅。综合考虑，一般情况下所述关系式①中表示槽的波幅变量λ，即槽在相对于端平面的轴向最大深度1/2的值，与环状密封端面的内半径r _i之比为 0.01～5e-3（即0.01～5´10^-3），是一种更为理想的选择。

由所述关系式①确定了所希望的单个槽型设计后，就可以在密封端面上根据所需设备的槽的数量，形成均匀排布且结构型式相同的全部的槽。

由于在所述密封端面的结构参数中，槽数N会影响密封端面的流体动压效应。随着槽数增大，开启力、泄漏量和液膜刚度先迅速增大，而后增加缓慢并渐趋平稳。通过大量实验得知，在满足各要求的情况下，虽然波的数量N越大密封性能越好，但综合加工成本等各种因素，一般情况下密封端面上槽的数量N为6～30是一种较为合适的选择。

进一步，在上述内容的基础上，所述密封端面上槽的具体形式，即槽的深度，可以为在密封端面的径向上由内向外递增或递减的形式，即槽的开口位于密封端面上流体膜的压力上游侧或压力下游侧。

在上述具有波形槽端面的密封环的基础上，本发明还提供了一种具有波线型槽端面的机械密封装置。所述的密封装置中包括可随旋转轴转动的旋转环和与静环座保持相对静止的静止环，旋转环与静止环以共轴线端面相对设置，其轴向相对的端面为密封端面，所述旋转环和静止环中的至少一个为上述具有波形槽端面的密封环。

在此基础上，所述的旋转环与静止环的密封端面间未开设所述槽的区域间的端平面间隙为0～0.025毫米，优选为0.002～0.025毫米，更好的是0.002～0.005毫米或0.01～0.025毫米。

本发明的具有波形槽端面的密封环及相应的机械密封装置，可以根据需要设置为多种密封型式的布局，如单端面密封、双端面密封、串联式密封（两级以上）、串联带中间迷宫（两级以上），还可跟浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封型式组成组合式密封结构。

计算和测试结果均表明，采用了本发明上述具有波线型槽端面密封环的机械密封装置，能够大幅度提高端面流体膜的动压效应，使密封端面上具有更大的开启力、刚度及承载能力，明显比传统结构形式的密封端面具有更好地流体膜特性。以对内径为69.25mm，外径为76mm，密封端面径向上的无槽区半径r _g 为70.6mm的普通螺旋槽及本发明波线型槽的密封端面为例，对比计算发现：当旋转环与静止环之间的密封端面间隙为1微米时，本发明波线型槽的密封端面介质开启力比普通螺旋槽的介质开启力约增大约22%，流体膜刚度增大约300～600%；当密封端面间隙为2微米时，本发明波线型槽的密封面介质开启力比普通螺旋槽的介质开启力增大约8%，流体膜刚度增大约90%，表明了本发明的结构非常明显的增大了端面流体动压效应。

以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1为具有波线型槽端面密封环的一种机械密封装置的结构示意图。

图2为图1密封环中波线型槽的局部放大立体示意图。

图3为沿图2密封环的外径处波线型槽沿周向展开后的结构示意图。

图4为一种螺旋线型走向槽的结构示意图。

图5为一种直线型的走向槽的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的具有波线型槽端面密封环的一种机械密封装置，具有可随旋转轴17转动的旋转环2和与静环座3保持相对静止的静止环1，旋转环2与静止环1以共轴线端面相对设置，其轴向相对的端面为密封端面。静止环1和旋转环2共轴线设置，其相对的端面形成密封面。静止环1径向空套在静止环座3上，轴向由推环8和弹簧9浮动支撑，周向由防转销10定位，因此静止环1只可沿轴向自由浮动。旋转环2径向由公差环6胀紧在轴套4的外圆柱面上，轴向与轴套4的台阶面接触并被压紧套7经锁紧螺母18轴向压紧，周向由传动销5与轴套4固定在一起，因此旋转环2可随轴套4与旋转轴17一起同步旋转。轴套4径向以其内孔面套装在旋转轴17的外圆柱面上，轴向与旋转轴17上的轴肩处台阶面接触，周向由传动销16与旋转轴17连接。

在静止环1和/或旋转环2的密封端面上设有波线型槽，为控制流入波线型槽的介质量，在泄漏量不超标的情况下尽量提高端面流体膜动压效应，其静止环1与旋转环2之间形成的密封面间隙值为h ₀。一般而言，间隙h ₀为0～0.025毫米，具体可根据实际情况综合考虑各种因素对端平面间隙进行适当调整。例如，对于普通机械密封，两个密封端面基本处于无间隙的直接接触状态；对于气体非接触式密封端面的无槽区间隙h ₀通常约0.002～0.005毫米，而对于某些液体膜非接触式机械密封其端面无槽区间隙h ₀一般约为0.01～0.025毫米。

如图2至图4所示，在静止环1和/或旋转环2的密封端面上开设的所述波线型槽11，各个槽11的型式相同，由具有端平面高度的隔离部14分隔成均匀状排布。所述每个槽11在密封端面上任意半径处的周面展开形状可表征为下述的关系式①：

①。

式①中的h为槽11中该半径处的槽底部任一点在相对于端平面的轴向上的深度值，为40μm；λ为槽11在相对于端平面的轴向最大深度的1/2值，λ= 20μm，并且λ与密封面内半径r _i之比为0.132e-3（即0.132´10^-3）；b为槽11的波形系数，b＝0.6；a为槽11的波形周期系数，a=(2π/N)^1-b =0.772；k为所述隔离部系数，取值为1.4，因此通过隔离部系数k和波形系数b，也可以确定密封端面上沿周向有波形槽的周向弧长总和与无波形槽的周向弧长总和之比为1:(k ^1/b -1)=1:1.75；N为整个密封端面上槽11的排布数量，优选为12个槽；r为槽11底部任一处的半径；r _i是密封端面的内径，r _i为69.25mm；r ₀ 是密封端面外径，为76mm；r _g 是密封端面径向上的有槽11区域与无槽区15分界处的半径，为70.6mm； θ为在密封端面上沿密封环旋转方向的槽11背风侧槽壁12的边缘型线和迎风侧槽壁13的边缘型线分别与密封端外周处的两个交点P，Q间的极坐标角度变量。θ为在密封端面上沿密封环旋转方向的槽背风侧槽壁的边缘型线和迎风侧槽壁的边缘型线分别与密封端面外周处的两个交点间的极坐标角度变量，随槽11中不同半径处的位置不同，根据对所需槽的形状设计，θ应在0～2π/(N×k ^1/b )范围内取值，并形成一个连续的周向波形。

为槽的边缘型线在密封端面外周处交点的径向方向，与该边缘型线上任一点的径向方向间的夹角，通常φ=0～π/N。例如，在图4所示的一种螺旋线型走向的槽11的结构，在一个波线型槽的周期范围内，边缘型线交密封端面外径于P点处，M点为边缘型线上任一点，密封端面中心O与P点及M点径向连线之间的夹角即为，可以通过公式求的：，其中β =15°～18°，特别是β =18°。

槽11的周向由沿密封环旋转方向的迎风侧槽壁13和背风侧槽壁12两部分组成。迎风侧槽壁13边缘断面轮廓与背风侧槽壁12边缘断面轮廓于波形最低处A点分界，并且背风侧槽壁12与迎风侧槽壁13的周向弧长之比为1:(2^1/b -1) =1:2.175。

槽11的开口可位于密封端面上流体膜的压力上游侧或压力下游侧，槽相对于端平面的深度可以为在密封端面的径向上由内向外递增或递减。槽11的开口可以设于密封端面的径向内侧或径向外侧周面，并且优选为是由具有端平面高度的无槽区15所封挡的非贯通槽，无槽区15可以位于密封端面的径向内侧或径向外侧（图中示出的槽11的深度是在密封端面的径向上由内向外递增，并开口于密封端面的径向外侧周面，无槽区15位于密封端面的径向内侧形式）。当槽11的开口位于流体膜的压力上游侧时，可增大密封端面流体膜的承载性能，使用较为广泛，而槽11的开口位于流体膜的压力下游侧时则可降低密封端面的流体泄漏量，在需要泵送的地方可以适用。

实施例2

与实施例1结构的不同处在于，槽11在密封端面上为直线型的走向，包括沿径向或与径向具有适当夹角的斜向走向。其中关系式①中的φ按式计算，其中的γ为槽11的走向与槽的背风侧槽壁12型线在密封端面外径侧起点P的径向方向间的角度变量，如图5所示。其余部分的结构与实施例1的一致。显然，对于沿径向走向的直线型槽而言，φ恒为零。

Claims (10)

1.具有波形槽端面的密封环，在密封端面上开设有由具有端平面高度的隔离部（14）分隔成均匀排布的相同形式的槽（11），其特征为：所述单个槽（11）的槽型在密封端面上任意半径处的周面展开形状可表征为下述的关系式①：

①，

式中：h为槽（11）中该半径处的槽底部任一点在相对于端平面的轴向上的深度值；λ为槽（11）在相对于端平面的轴向最大深度的1/2值；a为槽（11）的波形周期系数，a=(2π/N)^1-b ；b为槽（11）的波形系数，b≤0.8；k为所述隔离部系数，优选为k=1～2.5；N为在整个密封端面上排布的槽（11）的数量；r为槽（11）底部任一处的半径；r ₀ 为密封端面外径；r _g 为密封端面径向上有槽（11）与无槽区（15）分界处的半径；θ为在密封端面上沿密封环旋转方向的槽（11）背风侧槽壁（12）的边缘型线和迎风侧槽壁（13）的边缘型线分别与密封端外周处的两个交点（P，Q）间的极坐标角度变量，θ=0～2π/(N×k ^1/b )；φ为槽的边缘型线在密封端面外周处交点（P）的径向方向，与该边缘型线上任一点（M）的径向方向间的夹角，φ=0～π/N。

2.如权利要求1所述的密封环，其特征为：槽（11）在所述关系式①中的波形系数b=0.1～0.8。

3.如权利要求1所述的密封环，其特征为：槽（11）底部最深处两侧槽壁中沿密封环旋转方向的背风侧槽壁（12）与迎风侧槽壁（13）的周向弧长之比为1:(2^1/b -1)。

4.如权利要求1所述的密封环，其特征为：密封端面上沿周向有波形槽的周向弧长总和与无波形槽的周向弧长总和之比为1:(k ^1/b -1)。

5.如权利要求1所述的密封环，其特征为：

（1）所述的槽（11）为在密封端面上为螺旋线型走向时，关系式①中的φ按式计算，其中β =10°～30°，优选为β =15°～18°；或

（2）所述的槽（11）为在密封端面上为直线型走向时，关系式①中的φ按式计算，其中的γ为槽（11）的走向与槽的背风侧槽壁（12）型线在密封端面外径侧起点（P）的径向方向间的角度变量。

6.如权利要求1所述的密封环，其特征为：所述关系式①中槽（11）在相对于端平面的轴向最大深度1/2的值λ与密封面内半径r _i之比为0.01～5e-3。

7.如权利要求1所述的密封环，其特征为：所述关系式①中密封端面上槽（11）的数量N为6～30。

8.如权利要求1至7之一所述的密封环，其特征为：槽（11）相对于端平面的深度，为在密封端面的径向上由内向外递增，或递减。

9.具有波线型槽端面的机械密封装置，包括可随旋转轴（17）转动的旋转环（2）和与静环座（3）保持相对静止的静止环（1），旋转环（2）与静止环（1）以共轴线端面相对设置，其轴向相对的端面为密封端面，其特征为：所述旋转环（2）和静止环（1）中的至少一个为权利要求1至8之一所述的密封环。

10.如权利要求9所述的机械密封装置，其特征为：所述的旋转环（2）与静止环（1）的密封端面间未开设所述槽（11）的区域间的端平面间隙（h₀）为0～0.025毫米，优选为0.002～0.025毫米，更好的是0.002～0.005毫米或0.01～0.025毫米。