CN114483962A - 一种机翼形动压非接触式密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用于石油化工等行业的非接触式密封技术领域，尤其涉及一种机翼形动压非接触式密封结构，包括密封端面相互贴合而形成机械密封的两密封环，任一所述密封环沿其周向于密封端面上间隔设有相同形式的动压槽，所述动压槽包括：沿所述密封端面径向开口于密封端面周缘部的吸入槽；沿所述密封端面周向分别连接于吸入槽两侧的动压翼槽，所述动压翼槽对称且均沿远离吸入槽的方向收敛延伸，所述动压翼槽连接吸入槽一端的径向宽度与吸入槽侧壁的径向宽度相等；沿所述动压翼槽延伸方向间隔设于动压翼槽底部的至少两个分翼槽，且首末两个所述分翼槽分别位于动压翼槽连接吸入槽的一端及动压翼槽的延伸端；其中，所述吸入槽的槽深大于分翼槽的槽深。

Description

一种机翼形动压非接触式密封结构

技术领域

本发明涉及应用于石油化工等行业的非接触式密封技术领域，尤其涉及一种机翼形动压非接触式密封结构。

背景技术

非接触式密封因其功耗低、寿命长、运行可靠、环保等优势广泛应用于热电、石油化工、天然气管道输送等行业的压缩机、泵等旋转设备轴端密封。非接触式密封基于现代流体动压润滑理论，通过在动环和静环之间的密封端面开设一定深度的不同形状的槽，使流体介质进入密封端面，产生流体动压效应，将两个密封端面分开，在密封端面之间形成连续、稳定的流体膜，达到非接触密封运行的目的。

目前，非接触式密封领域应用最广泛的密封结构是螺旋槽和树形槽。螺旋槽流体膜刚度大，稳定性好，但只能单向旋转，如果出现反转，因螺旋槽工作原理会出现反吸，使两个密封环紧紧贴在一起产生干磨擦，引起密封失效。而树形槽能够满足双向旋转要求，但其流体膜刚度小，稳定性差，尤其在高压、高转速工况下，由于反向作用动压效用的影响，经常出现密封环磨损失效问题。

发明内容

本发明提供一种机翼形动压非接触式密封结构，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案为一种机翼形动压非接触式密封结构，包括密封端面相互贴合而形成机械密封的两密封环，任一所述密封环沿其周向于密封端面上间隔设有相同形式的动压槽，所述动压槽包括： 沿所述密封端面径向开口于密封端面周缘部的吸入槽；沿所述密封端面周向分别连接于吸入槽两侧的第一动压翼槽和第二动压翼槽，所述第一动压翼槽和第二动压翼槽对称且均沿远离吸入槽的方向收敛延伸，所述第一动压翼槽和第二动压翼槽连接吸入槽一端的径向宽度与吸入槽侧壁的径向宽度相等；沿所述第一动压翼槽和第二动压翼槽延伸方向间隔设于第一动压翼槽和第二动压翼槽底部的至少两个分翼槽，且首末两个所述分翼槽分别位于第一动压翼槽和第二动压翼槽连接吸入槽的一端及第一动压翼槽和第二动压翼槽的延伸端；其中，所述吸入槽的槽深大于分翼槽的槽深。

进一步，所述吸入槽沿密封环周向的两吸入槽侧壁分别为密封端面的两个径向延伸段，两所述吸入槽侧壁沿吸入槽的径向中线对称，所述吸入槽径向开口于密封端面的外侧周缘部，且所述吸入槽至少包括沿密封环径向连接的第一吸入分槽和第二吸入分槽，外侧的所述第一吸入分槽的槽深均大于内侧第二吸入分槽的槽深。

进一步，所述分翼槽包括分别位于第一动压翼槽和第二动压翼槽连接吸入槽一端和第一动压翼槽和第二动压翼槽延伸端的第一分翼槽和第二分翼槽，所述第一分翼槽和第二分翼槽的径向侧壁均为密封端面的径向延伸段。

进一步，所述第一动压翼槽和第二动压翼槽的收敛延伸方向的外侧延伸壁和内侧延伸壁之间的收敛角为15~35°；所述第一动压翼槽和第二动压翼槽的外侧延伸壁和吸入槽径向中线之间的夹角为50~65°。

进一步，所述吸入槽侧壁和吸入槽径向中线之间形成第一圆心角，所述第一圆心角的范围为6~9°。

进一步，在所述第一分翼槽和第二分翼槽的径向侧壁中，所述第一分翼槽的第一短边壁与吸入槽侧壁之间形成第二圆心角；所述第二分翼槽的第二长边壁与第一分翼槽的第一短边壁之间形成第三圆心角；所述第二分翼槽的第二短边壁与其第二长边壁之间形成第四圆心角；其中，第三圆心角与第二圆心角的比例为2:1；所述第四圆心角与第二圆心角的大小关系1:1。

进一步，所述第一动压翼槽和第二动压翼槽的槽深为1~15微米，所述吸入槽的槽深为15~25微米。

进一步，所述吸入槽的槽深比第一分翼槽的槽深深6~10微米；所述第一分翼槽与第二分翼槽的槽深相同。

进一步，所述吸入槽包括沿密封环径向连接的第一吸入分槽和第二吸入分槽，第一吸入分槽和第二吸入分槽的槽深相差8~12微米。

进一步，两所述密封环包括宽面密封环和窄面密封环，所述窄面密封环的外环径小于宽面密封环的外环径，所述窄面密封环的内环径大于宽面密封环的内环径；所述动压槽设于所述宽面密封环的密封端面上，所述吸入槽侧壁的径向外侧起点所在的密封端面半径与窄面密封环的外环径之间的长度关系为1:1；所述吸入槽通过吸入口径向开口于宽面密封环的密封端面外侧周缘部。

本发明的有益效果为：

本发明提供的机翼形动压非接触式密封结构，通过吸入槽两侧收敛延伸的第一动压翼槽和第二动压翼槽，在密封环无论是顺时针或逆时针高压高速地旋转的工况下，都能够在两密封端面间产生流体动压效果，实现非接触式运转。

本发明提供的机翼形动压非接触式密封结构，通过第一动压翼槽和第二动压翼槽底部与多个分翼槽底部之间的台阶落差结构，在顺时针高速高压地旋转时，与旋转方向相反的动压翼槽内，首个分翼槽和动压翼槽之间的落差能够增加流体流速及提高流体压力的效果，而后续的分翼槽能够有效形成缓冲紊流区，使流体内携带的颗粒杂质在紊流的作用下被带离动压翼槽内，避免颗粒杂质长时间积聚在动压槽内而使流体动压效果减弱，而与旋转方向同向的动压翼槽内，延伸端的分翼槽和动压翼槽之间的落差，能够使从两密封端面之间流入动压翼槽的流体产生紊流，降低流体在逐渐变宽的动压翼槽内的发散趋势和负压强度，有效减弱与旋转方向同向的动压翼槽的反向流体动压效果，而在逆时针高速高压旋转时，上述两动压翼槽的效果相反，进而通过两动压翼槽的台阶落差结构，有效提高在两密封端面之间的流体膜的刚度、稳定性和扛外界干扰能力，以提高本发明密封结构的使用性能和使用寿命。

附图说明

图1是根据本发明实施例1的密封环的密封结构示意图。

图2是根据本发明实施例1的单个机翼形动压槽的细节示意图。

图3是图1中C-C处的剖视图。

图4是图1中D-D处的部分结构剖视图。

图5是根据本发明实施例2的密封端面的结构示意图。

图6是根据本发明实施例3的密封端面的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1至图4，在本发明的实施例1中，根据本发明的一种机翼形动压非接触式密封结构，包括密封端面相互贴合而形成机械密封的两密封环，任一密封环的密封端面上沿周向间隔设有相同形式的动压槽100（动压槽100的个数一般为8-12个，图1中示出的为优选的8个），各动压槽100之间的间隔部位为密封端面的密封坝区200，而密封端面上无动压槽100的圆周部为密封堰区300，动压槽100包括： 沿密封环径向开口于密封端面周缘部的吸入槽110；沿密封环周向分别连接于吸入槽110两侧的第一动压翼槽120和第二动压翼槽121，第一动压翼槽120和第二动压翼槽121对称且均沿远离吸入槽110的方向收敛延伸，第一动压翼槽120和第二动压翼槽121连接吸入槽110一端的径向宽度与吸入槽侧壁114的径向宽度相等；沿第一动压翼槽120和第二动压翼槽121延伸方向间隔设于第一动压翼槽120和第二动压翼槽121底部的至少两个分翼槽，且首末两个分翼槽分别位于第一动压翼槽120和第二动压翼槽121连接吸入槽110的一端及第一动压翼槽120和第二动压翼槽121的延伸端；其中，吸入槽110的槽深大于分翼槽的槽深。本发明提供的机翼形动压非接触式密封结构，通过吸入槽110两侧收敛延伸的第一动压翼槽120和第二动压翼槽121，在密封环无论是顺时针或逆时针高压高速地旋转的工况下，都能够在两密封端面间产生流体动压效果，实现非接触式运转。本发明提供的机翼形动压非接触式密封结构，通过第一动压翼槽120和第二动压翼槽121底部与多个分翼槽底部之间的台阶落差结构，在顺时针高速高压地旋转时，与旋转方向相反的第一动压翼槽120内，首个分翼槽和第一动压翼槽120之间的落差能够增加流体流速及提高流体压力的效果，而后续的分翼槽能够有效形成缓冲紊流区，使流体内携带的颗粒杂质在紊流的作用下被带离第一动压翼槽120内，避免颗粒杂质长时间积聚在动压槽100内而使流体动压效果减弱，而与旋转方向同向的第二动压翼槽121内，延伸端的分翼槽和第二动压翼槽121之间的落差，能够使从两密封端面之间流入第二动压翼槽121的流体产生紊流，降低流体在逐渐变宽的第二动压翼槽121内的发散趋势和负压强度，有效减弱与旋转方向同向的第二动压翼槽121的反向流体动压效果，而在逆时针高速高压旋转时，上述第一动压翼槽120和第二动压翼槽121的动压效果相反，进而通过两第一动压翼槽120和第二动压翼槽121的台阶落差结构，有效提高在两密封端面之间的流体膜的刚度、稳定性和扛外界干扰能力，以提高本发明密封结构的使用性能和使用寿命。

参照图1至图3，在密封环的外周侧为流体高压侧，而在密封环的内周侧为流体低压侧，为使流体自高压侧向低压侧流入吸入槽110内时流体压力能进一步提高，从而提高密封环转动时进入第一动压翼槽120和第二动压翼槽121的流体压力和流体流速，以使流体介质均匀进入两密封端面之间形成均匀稳定的流体膜，吸入槽110沿密封环周向的两吸入槽侧壁114分别为密封端面的两个径向延伸段，两吸入槽侧壁114沿吸入槽110的径向中线对称，吸入槽110径向开口于密封端面的外侧周缘部，吸入槽110整体呈朝向密封环圆心的渐窄收敛的等腰梯形状，且吸入槽110至少包括沿密封环径向连接的第一吸入分槽111和第二吸入分槽112，外侧的第一吸入分槽111的槽深均大于内侧第二吸入分槽112的槽深。

具体地，参照图2和图3，所述吸入槽110包括沿密封环径向连接的第一吸入分槽111和第二吸入分槽112，第一吸入分槽111和第二吸入分槽112的槽深相差8~12微米，两第一吸入分槽111和第二吸入分槽112之间的径向宽度比例为沿吸入槽侧壁114的a点至b点之间m、n的长度比例，m、n的长度比例为1:1。第一动压翼槽120和第二动压翼槽121的槽深为1~15微米，吸入槽110的槽深为15~25微米，吸入槽110的槽深比第一分翼槽122的槽深深6~10微米；第一分翼槽122与第二分翼槽123的槽深相同。因此，整个吸入槽110在槽宽度和深度上都是从密封端面的径向外侧向内侧逐渐收敛的，从而在确保足够进流量的情况下，增强密封端面流体动压效应，提高流体膜刚度和抗干扰性。

具体地，密封坝区200设于密封端面具有动压槽100的外侧圆周部上，而密封堰区300则设于密封端面的无动压槽100的内侧圆周部上，且为了使动压密封效果加强，密封坝区200和密封堰区300之间的面积之比为1:1~1.5:1，而密封坝区200配合多个动压槽100形成的流体动压效应区与密封堰区300之间的面积之比为1.4:1~1.7:1，且各吸入槽110的吸入槽内壁115均与密封坝区200内环径R3相切。

参照图2至图4，为提高第一动压翼槽120和第二动压翼槽121对流体的缓冲紊流效果和流体正向动压效应，以及进一步减弱第一动压翼槽120和第二动压翼槽121的反向动压效应，从而提高两密封端面之间的开启力度，使非接触式密封效果进一步增强，分翼槽包括分别位于第一动压翼槽120和第二动压翼槽121连接吸入槽110一端和第一动压翼槽120和第二动压翼槽121延伸端的第一分翼槽122和第二分翼槽123，第一分翼槽122和第二分翼槽123的径向侧壁均为密封端面的径向延伸段。

参照图2，为了能够根据实际需求调整第一动压翼槽120和第二动压翼槽121的收敛角以及收敛角的朝向，第一动压翼槽120和第二动压翼槽121的收敛延伸方向的外侧延伸壁124和内侧延伸壁125之间的收敛角B1为15~35°；第一动压翼槽120和第二动压翼槽121的外侧延伸壁124和吸入槽110径向中线之间的夹角B2为50~65°。

具体地，参照图2，为了能够根据实际需求调整流体经过吸入槽110的加压强度，吸入槽侧壁114和吸入槽110径向中线之间形成第一圆心角A1，所述第一圆心角A1的范围为6~9°，即吸入槽110的渐窄收敛角为2*A1，即12°~18°。

参照图2，为了优化第一分翼槽122和第二分翼槽123对第一吸入分槽111和第二吸入分槽112内流体的紊流效果，进一步避免颗粒杂质停留在第一吸入分槽111和第二吸入分槽112内，在第一分翼槽122和第二分翼槽123的径向侧壁中，第一分翼槽122的第一短边壁126与吸入槽侧壁114之间形成第二圆心角A2-A1；第二分翼槽123的第二长边壁与第一分翼槽122的第一短边壁126之间形成第三圆心角A3-A2；第二分翼槽123的第二短边壁128与其第二长边壁之间形成第四圆心角A4-A3；其中，第三圆心角与第二圆心角的比例为2:1；第四圆心角与第二圆心角的大小关系1:1。

参照图1和图2，两密封环包括宽面密封环和窄面密封环，窄面密封环的外环径R2小于宽面密封环的外环径R1，窄面密封环的内环径R4大于宽面密封环的内环径R5；动压槽100设于宽面密封环的密封端面上，吸入槽侧壁114的径向外侧起点a所在的密封端面半径与窄面密封环的外环径R2之间的长度关系为1:1；吸入槽110通过吸入口113径向开口于宽面密封环的密封端面外侧周缘部。

在本发明的其他实施例中，吸入槽110周向侧的第一动压翼槽120和第二动压翼槽121数量可以为分别不超过5个，吸入槽110内吸入分槽的数量分别与第一动压翼槽120和第二动压翼槽121的数量相应，每个吸入分槽的径向宽度相同，且沿径向外侧的吸入分槽到径向内侧的吸入分槽呈台阶状渐浅；具体地，参照图5，在本发明的实施例2中，吸入槽110沿密封环周向的两侧分别对称地依次连接有两第一动压翼槽120和两第二动压翼槽121，两第一动压翼槽120和两第二动压翼槽121结构相同，且两第一动压翼槽120和两第二动压翼槽121连接吸入槽110一端的径向宽度之和与吸入槽侧壁114的径向宽度相等；参照图6，在本发明的实施例3中，吸入槽110沿密封环周向的两侧分别对称地依次连接有三个第一动压翼槽120和三个第二动压翼槽121，三个第一动压翼槽120和三个第二动压翼槽121结构相同，且三个第一动压翼槽120和三个第二动压翼槽121连接吸入槽110一端的径向宽度之和与吸入槽侧壁114的径向宽度相等。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和:或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种机翼形动压非接触式密封结构，其特征在于，包括密封端面相互贴合而形成机械密封的两密封环，任一所述密封环沿其周向于密封端面上间隔设有相同形式的动压槽（100），

所述动压槽（100）包括：

沿所述密封端面径向开口于密封端面周缘部的吸入槽（110）；

沿所述密封端面周向分别连接于吸入槽（110）两侧的第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121），所述第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121）对称且均沿远离吸入槽（110）的方向收敛延伸，所述第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121）连接吸入槽（110）一端的径向宽度与吸入槽侧壁（114）的径向宽度相等；

沿所述第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121）延伸方向间隔设于第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121）底部的至少两个分翼槽，且首末两个所述分翼槽分别位于第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121）连接吸入槽（110）的一端及第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121）的延伸端；

其中，所述吸入槽（110）的槽深大于分翼槽的槽深。

2.根据权利要求1所述的机翼形动压非接触式密封结构，其特征在于，

所述吸入槽（110）沿密封环周向的两吸入槽侧壁（114）分别为密封端面的两个径向延伸段，两所述吸入槽侧壁（114）沿吸入槽（110）的径向中线对称，所述吸入槽（110）径向开口于密封端面的外侧周缘部，且所述吸入槽（110）至少包括沿密封环径向连接的第一吸入分槽（111）和第二吸入分槽（112），外侧的所述第一吸入分槽（111）的槽深均大于内侧第二吸入分槽（112）的槽深。

3.根据权利要求2所述的机翼形动压非接触式密封结构，其特征在于，所述分翼槽包括分别位于第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121）连接吸入槽（110）一端和第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121）延伸端的第一分翼槽（122）和第二分翼槽（123），所述第一分翼槽（122）和第二分翼槽（123）的径向侧壁均为密封端面的径向延伸段。

4.根据权利要求3所述的机翼形动压非接触式密封结构，其特征在于，

所述第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121）的收敛延伸方向的外侧延伸壁（124）和内侧延伸壁（125）之间的收敛角（B1）为15~35°；

所述第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121）的外侧延伸壁（124）和吸入槽（110）径向中线之间的夹角（B2）为50~65°。

5.根据权利要求3 所述的机翼形动压非接触式密封结构，其特征在于，

所述吸入槽侧壁（114）和吸入槽（110）径向中线之间形成第一圆心角（A1），所述第一圆心角（A1）的范围为6~9°。

6.根据权利要求5所述的机翼形动压非接触式密封结构，其特征在于，

在所述第一分翼槽（122）和第二分翼槽（123）的径向侧壁中，

所述第一分翼槽（122）的第一短边壁（126）与吸入槽侧壁（114）之间形成第二圆心角（A2-A1）；

所述第二分翼槽（123）的第二长边壁与第一分翼槽（122）的第一短边壁（126）之间形成第三圆心角（A3-A2）；

所述第二分翼槽（123）的第二短边壁（128）与其第二长边壁之间形成第四圆心角（A4-A3）；

其中，第三圆心角与第二圆心角的比例为2:1；

所述第四圆心角与第二圆心角的大小关系1:1。

7.根据权利要求3所述的机翼形动压非接触式密封结构，其特征在于，

所述第一动压翼槽（120）和第二动压翼槽（121）的槽深为1~15微米，所述吸入槽（110）的槽深为15~25微米。

8.根据权利要求7所述的机翼形动压非接触式密封结构，其特征在于，

所述吸入槽（110）的槽深比第一分翼槽（122）的槽深深6~10微米；

所述第一分翼槽（122）与第二分翼槽（123）的槽深相同。

9.根据权利要求2所述的机翼形动压非接触式密封结构，其特征在于，

所述吸入槽（110）包括沿密封环径向连接的第一吸入分槽（111）和第二吸入分槽（112），第一吸入分槽（111）和第二吸入分槽（112）的槽深相差8~12微米。

10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的机翼形动压非接触式密封结构，其特征在于，

两所述密封环包括宽面密封环和窄面密封环，所述窄面密封环的外环径（R2）小于宽面密封环的外环径（R1），所述窄面密封环的内环径（R4）大于宽面密封环的内环径（R5）；

所述动压槽（100）设于所述宽面密封环的密封端面上，所述吸入槽侧壁（114）的径向外侧起点A所在的密封端面半径与窄面密封环的外环径（R2）之间的长度关系为1:1；

所述吸入槽（110）通过吸入口（113）径向开口于宽面密封环的密封端面外侧周缘部。

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