專利名稱：一種負壓型槽端面機械密封結構的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于機械端面密封技術領域，特別涉及適用于各種壓縮機、泵和釜等 旋轉機械轉軸的軸端密封裝置，尤其涉及一種負壓型槽端面機械密封結構。
背景技術：
干氣密封是一種非接觸機械密封，由于其在節(jié)能、環(huán)保、高可靠性等方面的優(yōu)異性 能，逐漸成為機械密封發(fā)展的方向和大型設備設計時的首選密封方式。隨著石化等行業(yè)的 快速發(fā)展，要求機械密封向高參數(shù)發(fā)展，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性以及更長的使用壽命。20世紀90年代以來，以約翰·克蘭公司為代表的國內(nèi)外密封公司相繼推出了單 向螺旋槽、單向人字螺旋槽、單向Y形螺旋槽、單向L形螺旋槽、單向圓弧槽、雙向T形槽、雙 向U形槽、雙向樹形槽等端面形式的密封，實現(xiàn)了非接觸機械密封形式，廣泛應用于離心壓 縮機和泵類轉軸的軸端密封裝置上。在上述槽型中，以螺旋槽的動壓性能最好，即隨著轉速 的增加，密封開啟力和流體膜剛度迅速增加，密封端面易開啟形成非接觸穩(wěn)定運行，使得其 在目前的干氣密封工程設計中應用最為廣泛。但是，對于常見的密封槽型而言，由于密封氣膜剛度隨著轉速的增加而迅速增加， 屬于正壓型槽型結構，在高速工況下易發(fā)生密封氣膜擾動，抗干擾能力差，造成密封端面的 加速磨損，縮短使用壽命。此外，當干氣密封應用于汽輪機等設備時，一般需要暖機過程，即 在低速下運行一定時間，然后再轉為正常的高速運行。這不僅要求干氣密封端面具有高速 下的穩(wěn)定性，而且要求低速時密封端面能順利開啟，以滿足設備的啟動運轉要求。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有正壓型槽結構在高速工況下易發(fā)生密封氣膜擾動、抗干擾能力差、 易磨損、使用壽命短的缺點，本實用新型提供一種應用于高速工況，增強密封間隙穩(wěn)定性， 低速開啟性能好、減少端面接觸磨損、可靠性高、使用壽命長的負壓型槽端面機械密封結 構。本實用新型的技術方案是—種負壓型槽端面機械密封結構，包括機械密封的動環(huán)、靜環(huán)，所述動環(huán)和靜環(huán)的 端面的一側為高壓側即上游，所述動環(huán)和靜環(huán)的端面的另一側為低壓側即下游，其特征在 于所述動環(huán)或靜環(huán)至少一個端面上開有依照旋轉中心對稱分布的負壓槽型組，所述負壓 槽型組的上游設有微孔環(huán)帶，所述負壓槽型組由間隔分布的螺旋形變傾角微孔動壓槽和減 壓槽組成，所述減壓槽靠近動壓槽末端，所述負壓槽型組的下游設有光滑平面的環(huán)形密封 壩。進一步，所述動壓槽由多個成螺旋形排布的動壓微孔組成，所述動壓微孔包括長 軸和短軸，所述長軸與通過該動壓微孔中心的端面半徑具有一定傾斜角度，所述動壓微孔 傾斜角度沿微孔區(qū)上游至下游逐漸變小。進一步，所述微孔環(huán)帶沿徑向設有多個微孔。[0010]進一步，所述微孔環(huán)帶微孔孔深范圍為10 50 μ m，所述動壓微孔長短軸比值范 圍為廣10，槽深范圍為2 10 μ m，所述減壓槽槽深范圍為2 50 μ m。進一步，所述環(huán)形密封壩的徑向寬度范圍為0. 1 10 mm。本實用新型的微孔環(huán)帶的微孔形狀可為圓形、橢圓形、長方形、三角形等規(guī)則形 狀；動壓槽的微孔形狀可以為橢圓形、長方形、三角型等規(guī)則圖形，但須有明顯的方向性； 減壓槽的形狀為圓形、長方形、菱形、弧形四邊形等規(guī)則圖形。本實用新型的工作原理上游高壓產(chǎn)生的壓力流首先進入微孔環(huán)帶，微孔可以吸納氣體中含有的顆粒，可 以大大減少硬質顆粒的進入對密封間隙而導致端面摩擦損傷。由變傾斜微孔組構成的動壓 槽可以產(chǎn)生微孔動壓和宏觀螺旋槽動壓兩種動壓開啟力。由于螺旋形槽良好的動壓性能， 當氣流在切向轉速剪切作用下進入動壓槽后，氣體將沿著動壓槽的螺旋方向流動和壓縮， 在低速下動壓槽也可以形成明顯的動壓開啟力。當流體在剪切作用下繼續(xù)進入動壓槽末端 的減壓槽后，由于流體容積突然增加，壓力急劇降低，形成負壓效應。由于減壓槽與動壓槽 存在一定間距，在低速下減壓槽對動壓槽壓力影響較小。在高速工況下，動壓槽動壓效應形 成的高壓分布沿切向方向的延伸受到減壓槽限制不能持續(xù)增加，甚至出現(xiàn)負增長，即達到 一定速度時動壓槽形成的動壓開啟力不會再明顯增加甚至降低。另一方面，動壓槽中的微 孔傾斜以后在速度剪切作用下使徑向流體阻力減小導致密封上游高壓向低壓側移動而形 成動壓開啟力，其強弱決定于微孔尺寸和傾斜角度。低速時動壓槽中微孔的動壓開啟力不 明顯，以動壓槽宏觀螺旋分布特征形成的動壓開啟力為主。當達到一定速度時，動壓槽中微 孔的動壓效應將變得明顯。動壓槽的微孔采用變傾角設計，動壓槽前端微孔傾角較大，隨著 動壓槽螺旋方向微孔傾角逐漸減小，動壓槽末端微孔傾角最小。動壓槽前端的微孔動壓效 應強，且遠離減壓槽不受負壓效應的影響，產(chǎn)生的動壓開啟力會隨速度的增加不斷增加，而 動壓槽末端微孔傾角小沒有動壓效應，且不同傾斜角度微孔的動壓開啟力隨速度的增加強 度不同，有利于速度變化時保持動壓開啟性能的穩(wěn)定。因此，螺旋形變傾角微孔動壓槽和減 壓槽共同作用可以使得密封端面在高速和低速下均具有良好的動壓開啟性能，并可控制高 速下的密封氣膜剛度。 該密封結構的微孔環(huán)帶和動壓槽由微孔構成，由于微孔的孔深和孔徑比較大形成 的密封間隙尺寸突變效應使得流進微孔的氣體產(chǎn)生渦流，增加了氣體的運動阻力和能量損 失，從而顯著增大密封端面氣膜的阻尼，減小密封振動，增強了密封端面的抗擾動能力，明 顯改善密封間隙動態(tài)穩(wěn)定性。密封工作時，動壓槽提供微孔動壓和宏觀螺旋分布動壓兩種動壓開啟力，減壓槽 可以平衡或減小宏觀螺旋分布在高速時的動壓開啟力，從而可以實現(xiàn)高速和低速下密封端 面均具有明顯的動壓開啟力，而又可抑制高速下氣膜剛度的過快增加。端面的微孔結構可 以顯著增大氣膜阻尼、減小密封振動和防止顆粒磨損能力。在高速條件下，有效提高密封氣 膜的抗干擾能力，保證密封端面的穩(wěn)定性和隨動性，減少端面間的接觸磨損，實現(xiàn)高速端面 密封的穩(wěn)定性和高可靠性。本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在1、密封端面上獨特的動壓槽和減壓槽組 合設計，增強了密封在高速運轉時的抗干擾能力，改善了高速密封端面在低速工況下的動 壓開啟能力；2、抗干密封擾能力的增強，進一步實現(xiàn)了密封端面的高速工況下的非接觸穩(wěn)定性，減少了端面接觸磨損，延長了使用壽命；3、端面微孔結構增強了密封端面高速下的防 顆粒磨損能力，提高了密封的可靠性。
附圖說 明


圖1為本實用新型的端面結構示意圖。圖2為
圖1中A部分的放大圖。圖3為本實用新型縱向剖視圖。
具體實施方式
參照
圖1-3，一種負壓型槽端面機械密封結構，包括機械密封的動環(huán)5、靜環(huán)6，所 述動環(huán)5和靜環(huán)6的端面的一側為高壓側即上游，所述動環(huán)5和靜環(huán)6的端面的另一側為 低壓側即下游，所述動環(huán)5端面上開有依照旋轉中心對稱分布的負壓槽型組，所述負壓槽 型組的上游設有微孔環(huán)帶1，所述負壓槽型組由間隔分布的螺旋形變傾角微孔動壓槽2和 減壓槽3組成，所述減壓槽3靠近動壓槽2末端，所述負壓槽型組的下游設有光滑平面的環(huán) 形密封壩4。所述動壓槽2由多個成螺旋形排布的動壓微孔21組成，所述動壓微孔21包括長 軸和短軸，所述長軸與通過該動壓微孔中心的端面半徑具有一定傾斜角度，所述動壓微孔 21傾斜角度沿微孔區(qū)上游至下游逐漸變小。所述微孔環(huán)帶1沿徑向設有多個微孔。所述微孔環(huán)帶1微孔孔深范圍為10 50 ym，所述動壓微孔長短軸比值范圍為 廣10，槽深范圍為2 10 μ m，所述減壓槽3槽深范圍為2 50 μ m。所述環(huán)形密封壩4的徑向寬度范圍為0. 1 10 mm。本實用新型的微孔環(huán)帶的微孔1形狀可為圓形、橢圓形、長方形、三角形等規(guī)則形 狀；動壓槽2的微孔形狀可以為橢圓形、長方形、三角型等規(guī)則圖形，但須有明顯的方向性； 減壓槽3的形狀為圓形、長方形、菱形、弧形四邊形等規(guī)則圖形。本實用新型的工作原理上游高壓產(chǎn)生的壓力流首先進入微孔環(huán)帶1，微孔可以吸納氣體中含有的顆粒，可 以大大減少硬質顆粒的進入對密封間隙而導致端面摩擦損傷。由變傾斜微孔組構成的動壓 槽2可以產(chǎn)生微孔動壓和宏觀螺旋槽動壓兩種動壓開啟力。由于螺旋形槽良好的動壓性 能，當氣流在切向轉速剪切作用下進入動壓槽2后，氣體將沿著動壓槽2的螺旋方向流動 和壓縮，在低速下動壓槽2也可以形成明顯的動壓開啟力。當流體在剪切作用下繼續(xù)進入 動壓槽末端的減壓槽3后，由于流體容積突然增加，壓力急劇降低，形成負壓效應。由于減 壓槽3與動壓槽2存在一定間距，在低速下減壓槽3對動壓槽2壓力影響較小。在高速工 況下，動壓槽2動壓效應形成的高壓分布沿切向方向的延伸受到減壓槽3限制不能持續(xù)增 力口，甚至出現(xiàn)負增長，即達到一定速度時動壓槽2形成的動壓開啟力不會再明顯增加甚至 降低。另一方面，動壓槽2中的微孔傾斜以后在速度剪切作用下使徑向流體阻力減小導致 密封上游高壓向低壓側移動而形成動壓開啟力，其強弱決定于微孔尺寸和傾斜角度。低速 時動壓槽中微孔的動壓開啟力不明顯，以動壓槽2宏觀螺旋分布特征形成的動壓開啟力為 主。當達到一定速度時，動壓槽中微孔的動壓效應將變得明顯。動壓槽2的微孔采用變傾角設計，動壓槽2前端動壓微孔21傾角較大，隨著動壓槽2螺旋方向微孔傾角逐漸減小，動 壓槽2末端動壓微孔22傾角最小。動壓槽2前端動壓微孔21動壓效應強，且遠離減壓槽 不受負壓效應的影響，產(chǎn)生的動壓開啟力會隨速度的增加不斷增加，而動壓槽2末端動壓 微孔22傾角小沒有動壓效應，且不同傾斜角度微孔的動壓開啟力隨速度的增加強度不同， 有利于速度變化時保持動壓開啟性能的穩(wěn)定。因此，螺旋形變傾角微孔動壓槽2和減壓槽3 共同作用可以使得密封端面在高速和低速下均具有良好的動壓開啟性能，并可控制高速下 的密封氣膜剛度。該密封結構的微孔環(huán)帶1和動壓槽2由微孔構成，由于微孔的孔深和孔徑比較大 形成的密封間隙尺寸突變效應使得流進微孔的氣體產(chǎn)生渦流，增加了氣體的運動阻力和能 量損失，從而顯著增大密封端面氣膜的阻尼，減小密封振動，增強了密封端面的抗擾動能 力，明顯改善密封間隙動態(tài)穩(wěn)定性。該密封結構可以控制密封剛度和增大阻尼，改善密封動態(tài)特性，使該密封的抗干 擾能力或穩(wěn)定性及在高速條件下的性能優(yōu)于一般流體動壓機械密封，并可滿足低壓啟動和 高速運轉對動壓開啟力的要求， 且具有良好的微孔防顆粒能力，使該密封的密封能力和可 靠性得到提高。本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對實用新型構思的實現(xiàn)形式的列舉，本實用新 型的保護范圍的不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護范圍也 及于本領域技術人員根據(jù)本實用新型構思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求1.一種負壓型槽端面機械密封結構，包括機械密封的動環(huán)、靜環(huán)，所述動環(huán)和靜環(huán)的端 面的一側為高壓側即上游，所述動環(huán)和靜環(huán)的端面的另一側為低壓側即下游，其特征在于 所述動環(huán)或靜環(huán)至少一個端面上開有依照旋轉中心對稱分布的負壓槽型組，所述負壓槽型 組的上游設有微孔環(huán)帶，所述負壓槽型組由間隔分布的螺旋形變傾角微孔動壓槽和減壓槽 組成，所述減壓槽靠近動壓槽末端，所述負壓槽型組的下游設有光滑平面的環(huán)形密封壩。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種負壓型槽端面機械密封結構，其特征在于所述動壓槽 由多個成螺旋形排布的動壓微孔組成，所述動壓微孔包括長軸和短軸，所述長軸與通過該 動壓微孔中心的端面半徑具有一定傾斜角度，所述動壓微孔傾斜角度沿微孔區(qū)上游至下游 逐漸變小。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種負壓型槽端面機械密封結構，其特征在于所述微 孔環(huán)帶沿徑向設有多個微孔。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種負壓型槽端面機械密封結構，其特征在于所述微孔環(huán) 帶微孔孔深范圍為10 50 μ m,所述動壓微孔長短軸比值范圍為廣10，槽深范圍為2 10 μ m，所述減壓槽槽深范圍為2 50 ym0
5.根據(jù)權利要求4所述的一種負壓型槽端面機械密封結構，其特征在于所述環(huán)形密 封壩的徑向寬度范圍為0. 1 10 mm。
專利摘要一種負壓型槽端面機械密封結構，包括機械密封的動環(huán)、靜環(huán)，所述動環(huán)和靜環(huán)的端面的一側為高壓側即上游，所述動環(huán)和靜環(huán)的端面的另一側為低壓側即下游，所述動環(huán)或靜環(huán)至少一個端面上開有依照旋轉中心對稱分布的負壓槽型組，所述負壓槽型組的上游設有微孔環(huán)帶，所述負壓槽型組由間隔分布的螺旋形變傾角微孔動壓槽和減壓槽組成，所述減壓槽靠近動壓槽末端，所述負壓槽型組的下游設有光滑平面的環(huán)形密封壩。本實用新型的有益效果增強了密封在高速運轉時的抗干擾能力，改善了高速密封端面在低速工況下的動壓開啟能力；實現(xiàn)了密封端面的高速工況下的非接觸穩(wěn)定性，減少了端面接觸磨損，延長了使用壽命；提高了密封的可靠性。
文檔編號F16J15/16GK201916486SQ20102065323
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月11日 優(yōu)先權日2010年12月11日
發(fā)明者孟祥鎧, 彭旭東, 李紀云, 白少先, 盛頌恩 申請人:浙江工業(yè)大學