CN106439023B - 一种余弦曲线型机械密封端面结构 - Google Patents

一种余弦曲线型机械密封端面结构 Download PDF

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Abstract

一种余弦曲线型机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环以及所述的静环的密封端面外端作为高压侧即上游，密封端面内端作为低压侧即下游，密封端面低压侧设有光滑且连续的环形密封坝；密封端面高压侧设有多个周期性分布曲线槽，曲线槽的一端开口延伸至密封端面的上游，曲线槽的另一端位于环形坝的上游，每个曲线槽的两侧都配有对称分布的微槽；密封端面位于环形坝上游曲线槽之间未开槽区域设有密封堰。本发明的有益效果是：回流效果明显，泄漏率小、能应用于各种介质，防固体颗粒能力强、静动压效应好、可以频繁启动和双向旋转。

Description

一种余弦曲线型机械密封端面结构
技术领域
本发明涉及一种余弦曲线型机械密封端面结构，属于流体密封技术领域。
背景技术
轴端密封是各种旋转式流体机械中基础的关键部件。目前非接触式机械密封以其优良的性能已成为高参数旋转式流体机械的首选轴端密封。为提高机械密封的工作可靠性，增强密封端面的的润滑性能，消除端面磨损，减小摩擦系数，常常在动环或静环的端面上设置一定的表面织构或型槽，使机械密封流体动压效应和静压效应相结合形成端面开启力，使动静环端面之间形成完整的流体润滑液膜，产生一定的流体膜刚度，防止密封面运行过程中由于外界扰动而引起端面贴合，造成干摩擦，避免端面磨损。但是，与此同时伴随端面流体膜厚度或间隙的增大，将引起较大的泄漏率。
目前，常用的密封装置有干气密封和上游泵送机械密封等，但是这两类先进密封技术均要求采用双端面或串联式机械密封结构，因此增加了使用成本，降低了密封的可靠性，而且对辅助***要求比较苛刻。最近，美国专利US7194803公开了一种端面型槽具有泵送回流功能的激光脸端面密封，在此基础上，国内专利ZL200920043048.5公布了一种具有类似功能的机械密封。
发明内容
为了克服现有技术中密封的回流效果不明显，防固体颗粒能力差，密封性能差的不足，本发明提供一种回流效果明显，泄漏率小、能应用于各种介质，防固体颗粒能力强、静动压效应好、可以频繁启动和双向旋转的一种余弦曲线型机械密封端面结构。
本发明所述的一种余弦曲线型机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环以及所述的静环的密封端面外端作为高压侧即上游，密封端面内端作为低压侧即下游，其特征在于：所述的密封端面低压侧设有光滑且连续的环形密封坝；所述的密封端面高压侧设有多个周期性分布曲线槽，所述的曲线槽沿相应密封端面周向排布成以密封端面中心为圆心的环形，曲线槽的侧面槽线为半个周期的余弦曲线，并且余弦曲线的对称轴沿密封端面径向分布，余弦曲线的开口位于密封端面的上游，余弦曲线的顶点位于环形坝的上游，并且每个曲线槽的两侧都配有对称分布的微槽；所述的密封端面位于环形坝上游曲线槽之间未开槽区域设有用于限流和静密封的密封堰。
所述的曲线槽为等深型槽或是沿径向呈阶梯收敛的或是渐变收敛的收敛型槽，或是从余弦曲线向其对称中心线渐变收敛的收敛型槽。
曲线槽的周期数为：6～20。
所述曲线槽的槽深范围为：1～30μm。
密封介质为液体时，槽深范围为：10～30μm。
密封介质为气体时，槽深范围为：1～10μm。
所述微槽对称分布于曲线槽的两侧，微槽向曲线槽靠拢，所述微槽径向尺寸和周向尺寸均小于曲线槽的径向或周向尺寸。
所述微槽的形状包括多边形、圆、椭圆、和曲边多边形。
所述微槽为多边形和曲边多边形，则所述多边形和曲边多边形一边应和密封坝区相切或重合。
所述曲线槽的宽度为wr,其中0<wr<w，w为密封端面宽度。
所述曲线槽的宽度为wr＝1～6mm。
所述的曲线槽的侧面槽线还可以为类余弦曲线，包括正弦曲线、余弦曲线或者与正弦余弦曲线类似的山形曲线。
本发明的工作原理：密封端面间流体膜中的部分流体在压差流和剪切流作用下，流向下游内径处，同时润滑端面，形成泄漏流。一部分流体进入余弦型曲线槽，在上游侧余弦型曲线槽开口较大，可形成较强的流体静压效应，向下游侧逐渐缩小，可以有效地减小泄漏。余弦型曲线槽沿径向以不同的方式都呈收敛间隙，故余弦型曲线槽根部可产生明显的流体动压效应以形成高压区，可以有效地提高承载能力，同时由于两侧微孔或微槽的存在可产生上游泵送效应，使得泄漏大大减小。由于余弦型曲线槽具有对称的光滑过渡的轮廓，能够较容易地将槽内的固体颗粒带出，大大降低密封端面的磨损，同时加大了密封端面的流体和介质侧流体的交换，可有效地降低密封端面的温度。余弦型曲线槽两侧的微槽或微孔除提供流体动静压效应外，也可将槽底流体向高压侧泵送，部分弥补压差流导致的流体泄漏。在结构尺寸相同的条件下，本发明的新型机械密封相比于类似的流体动压型机械密封，在保证足够的流体动压效应的前提下，使得上游泵送效应大大增强，可以保持较高的流体膜承载能力与流体膜刚度，具有优良的润滑冷却效果，大大减小了密封流体向低压侧的泄漏量及端面摩擦热，同时也具有较强的冲洗作用，提高了防固体颗粒的能力，密封的运行可靠性增强，泄漏率下降。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用余弦型曲线槽及微孔/微槽组合结构的机械密封端面结构，由于型槽侧壁型线采用泵送效应和导流效果良好的余弦曲线，端面之间的流体介质在一定的速度下具有良好的回流效应，防固体颗粒能力加强，余弦型曲线槽两侧的微孔/微槽具有上游泵送效应，进一步提高回流泵送作用，因此改善了机械密封的密封性，可靠性和稳定性；
(2)本发明中的余弦型曲线槽面积分布集中，在上游侧开口面积大，有利于静压效应的提高，向下游侧逐渐减小，有利于减小泄漏。由于余弦型曲线槽沿径向呈收敛间隙，同时所述余弦型曲线槽可以是沿径向呈阶梯收敛的或是渐变收敛的收敛型槽，或是从余弦曲线向其对称中心线渐变收敛的收敛型槽，故采用本发明的机械密封在正常的运转条件下能够产生足够大的流体动压效应和液膜承载能力，提高了机械密封在正常运转情况下的稳定性；
(3)余弦曲线型等深、渐变收敛型槽的加工可采用现代前沿的激光加工技术，能够获得高精度光滑底面等深槽和渐变型槽，本质上保证本发明功能的实现；
(4)本发明的密封结构制成的密封装置可实现双向旋转，密封运行安全可靠，低压启停效果良好，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明的机械密封端面结构示意图(其中，A代表高压侧；B代表低压侧)。
图2是本发明的曲线槽的部分典型结构示意图，其中图中曲线槽为等深型槽。
图3是本发明的曲线槽的部分典型结构示意图，其中图中曲线槽为沿径向阶梯收敛的收敛型槽。
图4是本发明的曲线槽的部分典型结构示意图，其中图中曲线槽为沿径向呈渐变收敛的收敛型槽。
图5是本发明的曲线槽的部分典型结构示意图，其中图中曲线槽为从余弦曲线两侧向其对称中心线收敛的收敛型槽。
图6是本发明的微槽的部分典型结构示意图(省略曲线槽、环形坝以及密封堰)。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
实施例1本发明所述的一种余弦曲线型机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环以及所述的静环的密封端面外端作为高压侧即上游，密封端面内端作为低压侧即下游，所述的密封端面1低压侧设有光滑且连续的环形密封坝11；所述的密封端面高压侧设有多个周期性分布曲线槽12，所述的曲线槽12沿相应的密封端面周向排布成以密封端面中心为圆心的环形，曲线槽12的侧面槽线为半个周期的余弦曲线，并且余弦曲线的对称轴沿密封端面径向分布，余弦曲线的开口位于密封端面的上游，余弦曲线的顶点位于环形坝11的上游，并且每个曲线槽12的两侧都配有对称分布的微槽13；所述的密封端面1位于环形坝上游曲线槽之间未开槽区域设有用于限流和静密封的密封堰14。
所述的曲线槽12为等深型槽图2或是沿径向呈阶梯收敛型槽图3或是渐变收敛的收敛型槽图4，或是从余弦曲线向其对称中心线渐变收敛的收敛型槽图5。
曲线槽12的周期数为：6～20。
所述曲线槽12的槽深范围为：1～30μm。
密封介质为液体时，槽深范围为：10～30μm。
密封介质为气体时，槽深范围为：1～10μm。
所述微槽13对称分布于曲线槽12的两侧，微槽13向曲线槽靠拢，所述微槽13径向尺寸和周向尺寸均小于曲线槽12的径向或周向尺寸。
所述微槽13的形状包括多边形131、圆132、椭圆133、和曲边多边形134。
所述微槽13为多边形和曲边多边形，则所述多边形和曲边多边形一边应和密封坝区相切或重合。
所述曲线槽12的宽度为wr,其中0<wr<w，w为密封端面宽度。
本发明的工作原理：密封端面1间流体膜中的部分流体在压差流和剪切流作用下，流向下游内径处，同时润滑端面，形成泄漏流。一部分流体进入余弦型曲线槽12，在上游侧余弦型曲线槽12开口较大，可形成较强的流体静压效应，向下游侧逐渐缩小，可以有效地减小泄漏。余弦型曲线槽12沿径向以不同的方式都呈收敛间隙，故余弦型曲线槽12根部可产生明显的流体动压效应以形成高压区，可以有效地提高承载能力，同时由于两侧微槽13的存在可产生上游泵送效应，使得泄漏大大减小。由于余弦型曲线槽12具有对称的光滑过渡的轮廓，能够较容易地将槽内的固体颗粒带出，大大降低密封端面的磨损，同时加大了密封端面的流体和介质侧流体的交换，可有效地降低密封端面的温度。余弦型曲线槽12两侧的微槽13除提供流体动静压效应外，也可将槽底流体向高压侧泵送，部分弥补压差流导致的流体泄漏。在结构尺寸相同的条件下，本发明的新型机械密封相比于类似的流体动压型机械密封，在保证足够的流体动压效应的前提下，使得上游泵送效应大大增强，可以保持较高的流体膜承载能力与流体膜刚度，具有优良的润滑冷却效果，大大减小了密封流体向低压侧的泄漏量及端面摩擦热，同时也具有较强的冲洗作用，提高了防固体颗粒的能力，密封的运行可靠性增强，泄漏率下降。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，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包括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 (9)

1.一种余弦曲线型机械密封端面结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环以及所述的静环的密封端面外端作为高压侧即上游，密封端面内端作为低压侧即下游，其特征在于：所述的密封端面低压侧设有光滑且连续的环形密封坝；所述的密封端面高压侧设有多个周期性分布曲线槽，所述的曲线槽沿相应的密封端面周向排布成以密封端面中心为圆心的环形，曲线槽的侧面槽线为半个周期的余弦曲线，并且余弦曲线的对称轴沿密封端面径向分布，余弦曲线的开口位于密封端面的上游，余弦曲线的顶点位于环形密封坝的上游，并且每个曲线槽的两侧都配有对称分布的微槽；所述的密封端面位于环形密封坝上游曲线槽之间未开槽区域设有用于限流和静密封的密封堰。
2.如权利要求1所述的一种余弦曲线型机械密封端面结构，其特征在于：所述的曲线槽为等深型槽或是沿径向呈阶梯收敛的收敛型槽或是沿径向渐变收敛的收敛型槽，或是从余弦曲线向其对称中心线渐变收敛的收敛型槽。
3.如权利要求2所述的一种余弦曲线型机械密封端面结构，其特征在于：曲线槽的周期数为：6~20。
4.如权利要求3所述的一种余弦曲线型机械密封端面结构，其特征在于：所述曲线槽的槽深范围为：1~30μm。
5.如权利要求4所述的一种余弦曲线型机械密封端面结构，其特征在于：密封介质为液体时，槽深范围为：10~30μm。
6.如权利要求4所述的一种余弦曲线型机械密封端面结构，其特征在于：密封介质为气体时，槽深范围为：1~10μm。
7.如权利要求1所述的一种余弦曲线型机械密封端面结构，其特征在于：所述微槽对称分布于曲线槽的两侧，微槽向曲线槽靠拢，所述微槽径向尺寸小于曲线槽的径向尺寸，和周向尺寸均小于曲线槽的周向尺寸。
8.如权利要求7所述的一种余弦曲线型机械密封端面结构，其特征在于：所述微槽的形状包括多边形、圆、椭圆、和曲边多边形。
9.如权利要求8所述的一种余弦曲线型机械密封端面结构，其特征在于：所述微槽为多边形和曲边多边形，则所述多边形和曲边多边形一边应和环形密封坝相切或重合。
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