CN111350824B - 一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构，在动环的密封接触端面上，每个上游侧似月牙型槽的槽顶面和外侧面都是敞口，都由上游侧短圆弧线侧面、上游侧长圆弧线侧面、上游侧内侧面以及上游侧斜底面围成；从上游侧外侧面敞口至上游侧内侧面，上游侧短圆弧线侧面和上游侧长圆弧线侧面均沿顺时针方向逐渐偏转；每个下游侧似月牙型槽的槽顶面和内侧面都是敞口，都是由下游侧长圆弧侧面、下游侧短圆弧侧面、下游侧外侧面以及下游侧斜底面围成；从下游内侧面敞口至下游侧外侧面，下游侧长圆弧侧面和下游侧短圆弧侧面均沿逆时针方向逐渐偏转；无论密封机械顺时针还是逆时针旋转，密封端面都会产生较强的动压效应，保证密封效果。

Description

一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构

技术领域

本发明涉及旋转件的机械密封结构，适应于各种泵、压缩机等旋转机械的轴端密封，尤其是对旋转件在正反双向旋转工况下的轴端密封。

背景技术

机械密封是一种依靠弹性元件对密封端面的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封。随着现代技术的飞速发展，对机械密封的结构要求也越来越高，例如在高温、高压、高速或超低速、真空等极端工况的运行性能。此外，双向旋转的机械密封结构也广泛存在，尤其是对轴逆向旋转时机械密封性能较差的问题比较突出，这需要机械密封结构具有很好的启停稳定性能和足够强的动压效应，从而形成稳定的流体液膜，减少机械密封端面的摩擦磨损，这样才能延长旋转件的使用寿命。而现有的机械密封端面结构没有考虑到内外两侧的动压平衡，启停后的双向旋转也不顺畅，例如中国专利公开号为CN108869749A的文献中提到了一种开放椭圆型线槽端面双向旋转机械密封结构，其只在动、静环设置了椭圆型槽，而且椭圆型槽倾斜的方向也都相同，所以该结构在双向旋转工况下，其动、静环之间没有形成厚度适当的油膜，并没有达到很好的密封效果，尤其是在当转轴逆向旋转时机械密封性能较差的问题比较突出。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有旋转机械存在的当双向旋转时，机械密封结构密封性能差，不能形成良好的流体动压效应，进而得不到更稳定的流体液膜，从而缩短旋转机械的使用寿命的问题，提出一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构以解决这些问题。

本发明一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构的技术方案是：在动环的密封接触端面上，沿圆周方向均匀分布若干组双向似月牙型槽组，每组似月牙型槽组都由位于径向外侧的若干个上游侧似月牙型槽和位于径向内侧的若干个下游侧似月牙型槽组成；若干个上游侧似月牙型槽沿圆周方向同间隔布置，若干个下游侧似月牙型槽沿圆周方向同间隔布置，相邻的两组双向似月牙型槽组之间形成槽组间密封坝。在同一组双向似月牙型槽组中的相邻两个上游侧似月牙型槽之间形成径向密封坝，同一组双向似月牙型槽组中的上游侧似月牙型槽和下游侧似月牙型槽之间形成周向密封坝；每个上游侧似月牙型槽的槽顶面和外侧面都是敞口，每个上游侧似月牙型槽都由上游侧短圆弧线侧面、上游侧长圆弧线侧面、上游侧内侧面以及上游侧斜底面这四个面围成；从上游侧外侧面敞口至上游侧内侧面，上游侧短圆弧线侧面和上游侧长圆弧线侧面均沿顺时针方向逐渐偏转；每个下游侧似月牙型槽的槽顶面和内侧面都是敞口，每个下游侧似月牙型槽都是由下游侧长圆弧侧面、下游侧短圆弧侧面、下游侧外侧面以及下游侧斜底面这四个面围成；从下游内侧面敞口至下游侧外侧面，下游侧长圆弧侧面和下游侧短圆弧侧面均沿逆时针方向逐渐偏转。

本发明采用上述技术方案后的突出效果是：

当动环的旋转方向为顺时针时，在上游侧似月牙型槽的导流作用下，流体迅速流入，并产生较强的流体动压效应，密封端面迅速分离，减少端面磨损；当动环的旋转方向为逆时针时，上游侧似月牙型槽相比顺时针旋转时所产生的动压效应稍微减弱，此时下游侧似月牙型槽的导流作用是更多的流体迅速流入下游侧似月牙型槽中，从而产生较强的动压效应进行补充。所以无论是密封机械顺时针旋转还是逆时针旋转，密封端面都会产生较强的动压效应，在启停时迅速地分离密封端面，形成稳定均匀的流体液膜，减小密封端面的摩擦磨损，提高润滑性能，保证密封的使用寿命，同时，提高下游侧的泵送能力，保证机械密封的效果。

附图说明

图1是本发明一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构在工作状态的轴向剖面图；

图2是图1中本发明第一个实施例结构的俯视放大图；

图3是图2中其中一组双向似月牙型槽组的结构放大图；

图4是图2中A-A局部剖视图；

图5是图3中B-B局部剖视图；

图6是图3中C-C局部剖视图；

图7是图3中一个上游侧似月牙型槽和径向正对的下游侧似月牙型槽的结构放大和部分尺寸标注图；

图8是图1中本发明第二个实施例结构的俯视放大图；

图9是图1中本发明第三个实施例结构的俯视放大图。

图中：

1、2、3.上游侧似月牙型槽；4、5、6.下游侧似月牙型槽；8.槽组间密封坝；9.动环；

10.静环；11.上游侧短圆弧线侧面；12.上游侧长圆弧线侧面；13.上游侧内侧面；14.上游侧斜底面；

20.双向似月牙型槽；

41.下游侧长圆弧侧面；42.下游侧短圆弧侧面；43.下游侧外侧面；44.下游侧斜底面；

71.径向密封坝；72.周向密封坝。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构设置在动环9的密封接触端面上，动环9的密封接触端面正对着静环10的密封接触端面。动环9和静环10都同轴套在转轴上，动环9能沿顺时针或者逆时针旋转。动环9在沿直径方向的外侧是上游高压侧H，沿直径方向的内侧是下游低压侧L。实际应用时，动环9和静环10在轴向上接触在一起，即密封接触端面接触在一起。

参照图1、2，在动环9的密封接触端面上，沿圆周方向均匀分布若干组双向似月牙型槽组20。每组似月牙型槽组20都由位于上游高压侧H即径向外侧的若干个上游侧似月牙型槽和位于下游低压侧L即径向内侧的若干个下游侧似月牙型槽组成。双向似月牙型槽组20的组数为6~20组，图1中仅示出6组。上游侧似月牙型槽和下游侧似月牙型槽的数量均为3~10个，图1中仅示出了3个上游侧似月牙型槽和下游侧似月牙型槽，即上游侧似月牙型槽1、2、3和下游侧似月牙型槽4、5、6。本发明以3个上游侧似月牙型槽1、2、3和3个下游侧似月牙型槽4、5、6的结构为例来描述。

若干个上游侧似月牙型槽沿圆周方向同间隔布置。若干个下游侧似月牙型槽沿圆周方向同间隔布置。上游侧似月牙型槽1、2、3和下游侧似月牙型槽4、5、6在径向的外侧、内侧一一对应布置，即在径向上，一个上游侧似月牙型槽1、2、3和一个下游侧似月牙型槽4、5、6面对面布置。面对面布置的上游侧似月牙型槽的径向槽长是L1、下游侧似月牙型槽的径向槽长是L2，L1/L2范围为1~3。

由于牙型槽的存在，相邻的两组双向似月牙型槽组20之间形成了槽组间密封坝8。在同一组双向似月牙型槽组20中，相邻两个上游侧似月牙型槽1、2、3之间形成了径向密封坝71，同一组双向似月牙型槽组20中的上游侧似月牙型槽1、2、3和下游侧似月牙型槽4、5、6之间形成了周向密封坝72。

参照2、3、4、5、6所示，每个上游侧似月牙型槽1、2、3，其朝向静环10的端面是槽顶面，其位于上游侧的是外侧面，位于下游侧的是内侧面，槽顶面和外侧面都是敞口，因此，每个上游侧似月牙型槽1、2、3都由上游侧短圆弧线侧面11、上游侧长圆弧线侧面12、上游侧内侧面13以及上游侧斜底面14这四个面围成。上游侧短圆弧线侧面11投影于径向横截面上的圆弧线段较上游侧长圆弧线侧面12短。上游侧内侧面13是圆弧面，圆弧开口朝向外侧面，圆弧半径位于槽顶面上。从上游侧外侧面敞口至上游侧内侧面13，上游侧短圆弧线侧面11和上游侧长圆弧线侧面12均沿顺时针方向逐渐偏转。

每个下游侧似月牙型槽4、5、6，其朝向静环10的端面是槽顶面，其朝向静环10的端面是槽顶面，其位于上游侧的是外侧面，位于下游侧的是内侧面，槽顶面和内侧面都是敞口，因此，每个下游侧似月牙型槽4、5、6都是由下游侧长圆弧侧面41、下游侧短圆弧侧面42、下游侧外侧面43以及下游侧斜底面44这四个面围成。下游侧短圆弧侧面42投影于径向横截面上的圆弧线段较下游侧长圆弧侧面41要短。下游侧外侧面43是圆弧面，圆弧开口朝向下游内侧面，圆弧中心点位于槽顶面上。从下游内侧面敞口至下游侧外侧面43，下游侧长圆弧侧面41和下游侧短圆弧侧面42均沿逆时针方向逐渐偏转。

每个上游侧似月牙型槽1、2、3的上游侧短圆弧线侧面11和上游侧长圆弧线侧面12沿顺时针方向的两侧依序布置。每个下游侧似月牙型槽4、5、6的下游侧短圆弧侧面42和下游侧长圆弧侧面41沿逆时针方向的两侧依序布置。这样，在径向上面对面布置的一个上游侧似月牙型槽1、2、3和一个下游侧似月牙型槽4、5、6中，上游侧短圆弧线侧面11在径向面对着下游侧长圆弧侧面41，上游侧长圆弧线侧面12在径向面对着下游侧短圆弧侧面42。

参照图6，连接于上游侧短圆弧线侧面11和上游侧长圆弧线侧面12的上游侧斜底面14，从上游侧短圆弧线侧面11至上游侧长圆弧线侧面12，是由顶部朝底部的方向倾斜，这样，使整个槽中的流体产生更多的势能，加快流体的流动，形成更加强烈的碰撞。每个上游侧似月牙型槽1、2、3最深处的轴向深度h1为1~50μm。在轴向纵截面上，上游侧斜底面14和上游侧长圆弧线侧面12在轴向纵截面上的投影线间的夹角a1为10°~50°。

参照图5，连接于下游侧长圆弧侧面41和下游侧短圆弧侧面42的下游侧斜底面44，从下游侧长圆弧侧面41至下游侧短圆弧侧面42，是由顶部朝底部的方向倾斜。每个下游侧似月牙型槽4、5、6最深处的轴向深度h2为5~100μm。在轴向纵截面上，下游侧斜底面44和下游侧短圆弧侧面42在轴向纵截面上的投影线间的夹角a2为10°~50°。

上游侧内侧面13和下游侧外侧面43在径向横截面上的投影线相互平行。

参见图3，上游高压侧H至下游低压侧L的径向方向为槽长方向，圆周方向为槽宽方向。每组似月牙型槽组20中的上游侧似月牙型槽1、2、3的槽长按顺时针方向依次递增，槽宽按顺时针方向依次递增，也就是槽长和槽宽都是按顺时针的偏转方向递增。

参见图2，径向密封坝71沿圆周方向的直线宽度是1~5㎜，周向密封坝72的径向直线尺寸与动环9外径之比为0.1~0.5。槽组间密封坝8的内外径尺寸与动环9的内外径尺寸对应相同。

参见图7，在径向横截面上，上游侧似月牙型槽1、2、3的上游侧长圆弧线侧面12与上游侧内侧面13在交点处的两切线之间的夹角a5是50~80°。上游侧短圆弧线侧面11和上游侧长圆弧线侧面12这两者在正面对面处的两切线之间的夹角a3为5°~30°。下游侧似月牙型槽4、5、6的下游侧短圆弧侧面42和下游侧外侧面43在交点处的两切线之间的夹角a6是100°~160°。下游侧长圆弧侧面41和下游侧短圆弧侧面42这两者在正面对面处的两切线之间的夹角a4为5°~30°。

参照图8所示，是本发明的第二种实施例，与图2所示的第一种实施例不同的是：上游侧似月牙型槽1、2、3中的上游侧短圆弧线侧面11和上游侧长圆弧线侧面12这两个侧面的位置对调，这样，连接在上游侧短圆弧线侧面11和上游侧长圆弧线侧面12之间的上游侧内侧面13的走向便发生改变，上游侧内侧面13与和下游侧外侧面43在径向横截面上的投影线便不平行了，而是形成一定的夹角。

参照图9所示，是本发明的第三种实施例，与图2所示的第一种实施例不同的是：去掉上游侧内侧面13和下游侧外侧面43，上游侧短圆弧线侧面11和上游侧长圆弧线侧面12直接连接在一起，在径向横面上的投影相交于一点，形成尖牙状。下游侧长圆弧侧面41和下游侧短圆弧侧面42直接连接在一起，在径向横面上的投影相交于一点，形成尖牙状。

本发明工作时，当动环9顺时针（正向）旋转时，由于密封端面在内外径向压差的影响，上游高压侧H产生的压力会使流体进入上游侧似月牙型槽1、2、3中，又因为上游侧似月牙型槽1、2、3为沿顺时针方向的偏转槽，这样在剪切力与旋转科氏力的作用下，使更多流体更加迅速地进入上游侧似月牙型槽1、2、3。在上游侧长圆弧线侧面12处，流体受科氏力的影响，产生撞击，形成较大的动压效应，由于上游侧斜底面14的作用，使流体受到挤压，过渡到上游侧短圆弧线侧面11处，上游侧内侧面13也使流体更迅速地过渡到端面。在上游侧似月牙型槽1、2、3中流体不断的挤压、碰撞，形成流体的高压区，产生动压开启力，从而在动环9密封端面形成良好稳定的流体液膜，减少端面间的接触摩损，显著改善启停效果。此时，下游侧似月牙型槽4、5、6也会流入小部分流体，也会提供部分微小的动压开启力。

当动环9逆时针（反向）旋转时，由于密封端面内外径压差的影响，上游高压侧H产生的压力会使流体进入上游侧似月牙型槽1、2、3中，由于上游侧似月牙型槽1、2、3的偏转方向与旋转方向相反，使更多流体强烈碰撞上游侧短圆弧线侧面11迅速进入似月牙型槽中，由于上游侧斜底面14的存在，使流体具有更大的动能；另一方面，由于下游侧似月牙型槽4、5、6的偏转方向与旋转方向相同，离心力和旋转科氏力使较多的流体进入下游侧似月牙型槽4、5、6内，下游侧斜底面44又为流入下游侧似月牙型槽4、5、6内的流体提供较大的动能。综合上下游似月牙型槽都形成流体的高压区，产生动压开启力，从而在端面形成良好稳定的流体液膜，减少端面间的接触摩损，显著改善逆向旋转时动力不足的问题。因此，本发明结构不仅可以避免高速旋转机械意外反转时密封件的失效，还可以应用在机器运行时同时需要正转和反转的场合。

Claims (8)

1.一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构，其特征是：在动环的密封接触端面上，沿圆周方向均匀分布若干组双向似月牙型槽组（20），每组似月牙型槽组（20）都由位于径向外侧的若干个上游侧似月牙型槽和位于径向内侧的若干个下游侧似月牙型槽组成；若干个上游侧似月牙型槽沿圆周方向同间隔布置，若干个下游侧似月牙型槽沿圆周方向同间隔布置，相邻的两组双向似月牙型槽组（20）之间形成槽组间密封坝（8），在同一组双向似月牙型槽组（20）中的相邻两个上游侧似月牙型槽之间形成径向密封坝（71），同一组双向似月牙型槽组（20）中的上游侧似月牙型槽和下游侧似月牙型槽之间形成周向密封坝（72）；每个上游侧似月牙型槽的槽顶面和外侧面都是敞口，每个上游侧似月牙型槽都由上游侧短圆弧线侧面（11）、上游侧长圆弧线侧面（12）、上游侧内侧面（13）以及上游侧斜底面（14）这四个面围成；从上游侧外侧面敞口至上游侧内侧面（13），上游侧短圆弧线侧面（11）和上游侧长圆弧线侧面（12）均沿顺时针方向逐渐偏转；每个下游侧似月牙型槽的槽顶面和内侧面都是敞口，每个下游侧似月牙型槽都是由下游侧长圆弧侧面（41）、下游侧短圆弧侧面（42）、下游侧外侧面（43）以及下游侧斜底面（44）这四个面围成；从下游内侧面敞口至下游侧外侧面（43），下游侧长圆弧侧面（41）和下游侧短圆弧侧面（42）均沿逆时针方向逐渐偏转。

2.根据权利要求1所述的一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构，其特征是：每个上游侧似月牙型槽的上游侧短圆弧线侧面（11）和上游侧长圆弧线侧面（12）沿顺时针方向的两侧依序布置，每个下游侧似月牙型槽的下游侧短圆弧侧面（42）和下游侧长圆弧侧面（41）沿逆时针方向的两侧依序布置；从上游侧短圆弧线侧面（11）至上游侧长圆弧线侧面（12），上游侧斜底面（14）是由顶部朝底部的方向倾斜，从下游侧长圆弧侧面（41）至下游侧短圆弧侧面（42），下游侧斜底面（44）是由顶部朝底部的方向倾斜；上游侧内侧面（13）和下游侧外侧面（43）在径向横截面上的投影线相互平行。

3.根据权利要求1所述的一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构，其特征是：每组似月牙型槽组（20）中的若干个上游侧似月牙型槽沿径向的槽长以及沿圆周方向的槽宽均按顺时针方向依次递增。

4.根据权利要求1所述的一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构，其特征是：每个上游侧似月牙型槽最深处的轴向深度为1~50μm，每个下游侧似月牙型槽最深处的轴向深度为5~100μm；上游侧斜底面（14）和上游侧长圆弧线侧面（12）在轴向纵截面上的投影线之间的夹角以及下游侧斜底面（44）和下游侧短圆弧侧面（42）在轴向纵截面上的投影线之间的夹角均为10°~50°。

5.根据权利要求1所述的一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构，其特征是：上游侧内侧面（13）和下游侧外侧面（43）均是圆弧面，圆弧中心均位于槽顶面上，上游侧内侧面（13）的圆弧开口朝向上游外侧面，下游侧外侧面（43）的圆弧开口朝向下游内侧面。

6.根据权利要求1所述的一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构，其特征是：径向密封坝（71）沿圆周方向的直线宽度是1~5㎜，周向密封坝（72）的径向直线尺寸与动环外径之比为0.1~0.5，槽组间密封坝（8）的内外径尺寸与动环的内外径尺寸对应相同。

7.根据权利要求2所述的一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构，其特征是：上游侧似月牙型槽中的上游侧短圆弧线侧面（11）和上游侧长圆弧线侧面（12）这两个侧面的位置对调，上游侧内侧面（13）与和下游侧外侧面（43）在径向横截面上的投影线之间形成夹角。

8.根据权利要求1所述的一种双向似月牙型槽端面双向旋转机械密封结构，其特征是：去掉上游侧内侧面（13）和下游侧外侧面（43），上游侧短圆弧线侧面（11）和上游侧长圆弧线侧面（12）直接连接在一起，在径向横面上的投影相交于一点。

Images