具有雙旋向流體動壓槽的非接觸式機械密封環(huán)的制作方法
【專利摘要】具有雙旋向流體動壓槽的非接觸式機械密封環(huán)，在密封端面的外側部沿周向等間距地設置有相同形式的流體動壓槽結構單元；流體動壓槽結構單元為由中心槽和分別與其周向兩側接合并向兩側對稱收斂延伸的相同翼槽構成的機翼形結構；中心槽的兩和側壁邊分別為密封端面的兩個徑向延伸段，內(nèi)側的壁邊為與密封端面同心的弧形，中心槽開口于密封環(huán)周壁部；翼槽兩側的長側邊和收斂延伸端的短槽邊分別為密封端面的兩個徑向延伸段，其中兩翼槽的長側邊分別為與其所在側的中心槽側壁接合的槽口部。該流體動壓槽結構能提高密封流體動壓效應，增大密封端面開啟力，增加密封端面間的流體膜厚度和膜剛度，減少密封泄漏量，并簡化了槽型加工難度，降低密封零部件加工、裝配的工藝要求。
【專利說明】具有雙旋向流體動壓槽的非接觸式機械密封環(huán)
【技術領域】
[0001]本實用新型為一種可用于多種形式的壓縮機、膨脹機、泵、反應釜等旋轉機械的軸端密封的密封環(huán)。
【背景技術】
[0002]流體端面非接觸式機械密封是通過兩相對旋轉的密封環(huán)，依靠旋轉時剪切兩個環(huán)之間的流體，形成流體動壓效應，從而增大端面流體膜承載能力和流體膜剛度。最終使得密封端面長時間處于穩(wěn)定的非接觸狀態(tài)。改變密封端面上設置的流體動壓槽的槽型，是增強端面流體動壓效應，減少密封泄漏量并延長密封使用壽命的有效和常用手段。
[0003]流體端面非接觸式機械密封通常分為單旋向和雙旋向兩大類。單旋向密封環(huán)的密封端面上的流體動壓槽，以具有對數(shù)螺旋線型或阿基米德線型為典型特征，具有流體動壓效應顯著、泄漏量低、流體膜剛度好等優(yōu)勢，但受其槽型幾何特征限定，該類槽型只能用于單向旋轉的工況。在工程實際中，以壓縮機為代表的旋轉機械常會發(fā)生反轉現(xiàn)象，該現(xiàn)象隨著壓縮機容積大型化的趨勢變得愈實用新型顯。具有雙旋向槽型的流體端面非接觸式機械密封環(huán)，即可適應旋轉主機正/反向旋轉的特殊工況要求?，F(xiàn)有的雙旋向槽型以燕尾槽、圣誕樹槽、T形槽、半圓面包槽等為代表，但目前的雙旋向密封環(huán)密封端面上的槽型存在流體膜剛度相對較低、動壓效應相對較弱、開啟力較低、穩(wěn)定工作時建立的流體膜(即流體動壓非接觸式機械密封平穩(wěn)運轉后，在動靜環(huán)之間形成的潤滑膜)厚度相對較小、密封自身零件加工和裝配精度要求相對高等不足，是亟待解決的問題。
實用新型內(nèi)容
[0004]鑒于此，本實用新型提供了一種新結構形式的具有雙旋向流體動壓槽的非接觸式機械密封環(huán)，特別是通過對密封環(huán)中密封端面上的流體動壓槽結構的改進，可以有效解決上述問題。
[0005]本實用新型具有雙旋向流體動壓槽的非接觸式機械密封環(huán)的結構，是在環(huán)體端部具有內(nèi)徑和外徑的密封面上，沿周向以間隔方式設置有流體動壓槽這一基本結構的基礎上，進行的一種新的設計和改進。其中，在密封端面的外側部沿周向等間距地設置有若干個相同結構形式的流體動壓槽結構單元。所說的流體動壓槽結構單元在密封端面的外周部設置的數(shù)量，可根據(jù)所用設備旋轉軸的軸徑和/或對密封要求的不同而定。一般情況下，可優(yōu)選設置為8?20個，更好的設置數(shù)量為12個。
[0006]上述流體動壓槽結構單元的具體結構為:
[0007]—流體動壓槽結構單元為由中心槽和分別與其周向兩側接合并向兩側對稱收斂延伸的相同結構的翼槽構成的機翼形結構；
[0008]——中心槽的槽壁中:兩個側壁邊分別為密封端面的兩個徑向延伸段，徑向內(nèi)側的壁邊為與密封端面同心的弧形，中心槽的開口設于密封環(huán)周壁部；
[0009]—翼槽的槽壁中:兩側壁中的長壁邊(即底邊)和收斂延伸端部的短壁邊分別為密封端面的兩個徑向延伸段，其中兩側翼槽的長壁邊分別為與其所在側的中心槽側壁邊相接合的槽開口部。
[0010]本實用新型上述結構式的雙旋向流體動壓槽的非接觸式機械密封環(huán)，可用作非接觸式機械密封裝置中的旋轉環(huán)(可隨旋轉機械軸一起轉動)和/或靜止環(huán)(不隨旋轉機械軸轉動)。
[0011]在上述基本結構的基礎上，根據(jù)不同設備和/或使用工況條件及要求，還可以單獨或任意組合地選擇下述進一步的優(yōu)選結構方式。
[0012]在上述位于中心槽兩側的翼槽中，作收斂延伸的其內(nèi)側延伸壁與外側延伸壁間的收斂角，可優(yōu)選為30°飛0°，更好的收斂角為38°。改變該收斂角的大小，可以改變密封面間的流體動壓效應，從而調整和改變提升正作用翼槽區(qū)開啟力的大小。例如，減小該收斂角，在相同工況下，密封端面的流體動壓開啟力會有所增大，泄漏量則會較大程度增加；而增大收斂角，則會有相反的效果。
[0013]上述結構中的中心槽的槽深，可以是由其徑向的內(nèi)側壁邊至周壁部開口為等深度的形式，也可以是由其徑向的內(nèi)側的壁邊向周壁部開口呈線性延伸增加的變深楔形槽。采用變深楔形槽時，更優(yōu)選的是使其徑向內(nèi)側壁邊即最淺處的深度，與兩側翼槽的深度相同的形式。中心槽深度的不同，會影響和決定密封端面的靜壓開啟力及靜壓泄漏量。一般情況下，等深槽的深度越深，中心槽的壓力分布界線越明顯且越平行于徑向半徑方向，開啟力越大，且流體膜剛度越好。但這種變化會隨深度的不斷增加而逐漸減小，例如深度超過24 μ m后效果的變化即不明顯了。而采用不等深楔形槽，則能明顯增強靜壓開啟效果，使得整個系統(tǒng)的啟動扭矩降低，且平均深度越深，則靜壓開啟力越大，靜壓泄漏量也越大。因此，可根據(jù)實際需要或不同工況(例如在多級密封中對不同級的密封所允許的泄漏量等)選擇適當槽型和/或槽深。一般情況下，中心槽的深度可優(yōu)選為3~28微米。
[0014]上述結構中所述的翼槽，一般可采用為在其收斂延伸段中具有相同深度的等深槽。由于改變翼槽的深度可改變和影響密封面間的流體動壓效應，因此除在有特殊需要或工況的條件下，翼槽的深度一 般可優(yōu)選為1~8微米，更好的深度為5微米。進一步更好的方式，是使翼槽的深度小于中心槽的深度。計算和實驗表明，增大中心槽的深度，能明顯增強靜壓開啟效果，使得整個系統(tǒng)的啟動扭矩降低。
[0015]在上述的流體動壓槽結構單元中，兩側翼槽中收斂延伸端部短壁邊間的圓心角(如附圖中所示的A2夾角)，優(yōu)選為22.5°~45°。增大該夾角，在其它參數(shù)不變的話，密封端面的泄漏量會相應增加，流體動壓效應則相應降低。反之亦然。該優(yōu)選的夾角范圍，一般情況下都可以使密封端面上的流體動壓效應和泄漏量有較理想的配合，即能有較好的剛漏比值。
[0016]中心槽中的兩側壁邊間的圓心角(如附圖中所示的Al夾角)的優(yōu)選值可為2° ^lO0。該夾角的大小主要會對靜壓開啟力產(chǎn)生影響。夾角小則靜壓開啟力?。坏S夾角的增大，靜壓開啟力雖也相應增大，但這種變化同樣也會隨夾角的繼續(xù)增大而漸不明顯，甚至可能反而有略微降低的趨勢。
[0017]上述兩側翼槽中收斂延伸端部短壁邊間的圓心角(A2)，與中心槽中的兩側壁邊間的圓心角(Al)可以各自相互獨立地選取，但如使該兩個夾角保持有A2/A1為4飛/1，特別是A2/A1為5/1的關系，則是更為可取 的優(yōu)選方式。[0018]在上述結構的中心槽中，其徑向內(nèi)側的弧形壁邊在密封端面上的半徑(R3 )，與密封端面的內(nèi)、外徑(R內(nèi)，R外)間的長度關系，優(yōu)選為(R內(nèi)+ R外)/R3=1.8~2.2，更好的是(R內(nèi)+ R外)/R3=2。增大中心槽中徑向內(nèi)側弧形壁邊在密封端面上的半徑(R3)，密封端面的泄漏量相應也會增大，流體動壓效應和開啟力也會減小。
[0019]同時，在中心槽中內(nèi)壁邊半徑(R3)的上述基礎上，所說翼槽的收斂延伸端部短壁邊中的外側端所在的密封端面半徑(Rl),與密封端面的外徑(R外)和上述中心槽內(nèi)壁邊的半徑(R3 )間的長度關系，還可進一步優(yōu)選為(R外+R3 ) /Rl=L 8^2.2，更好的是(R外+R3 ) /Rl=2。
[0020]更進一步的是，在上述(Rl)和(R3)的基礎上，所說翼槽的收斂延伸端部短壁邊的內(nèi)側端所在的密封端面半徑(R2)，與該短壁邊的外側端的該半徑(Rl)及中心槽內(nèi)壁邊的半徑(R3)間的長度關系，可優(yōu)選為:(R1+R3)/R2=1.8~2.2，更好的(Rl+R3)/R2=2。
[0021]上述翼槽收斂延伸端部短壁邊中的外側端所在密封端面的半徑(Rl)及內(nèi)側端所在密封端面的半徑(R2)，其變化都會改變翼槽槽型的流體動壓效果。例如，Rl過大或過小都會減小密封端面的開啟力，增大泄漏量。而由各半徑間的上述關聯(lián)關系可知，R2可隨Rl的變化而定。
[0022]除上述可以單獨或組合采用的相應優(yōu)選方式外，還可以有的另一種優(yōu)選方式是，所說該翼槽中的外側延伸壁與收斂延伸端部短壁邊間的夾角可優(yōu)選為100°~120°，更好的是110°，和/或翼槽中的內(nèi)側延伸壁與收斂延伸端部短壁邊間的夾角可優(yōu)選為95°~115°，更好的是107°。所說該翼槽中外側延伸壁與收斂延伸端部短壁邊間的夾角，以及內(nèi)側延伸壁與收斂延伸端部短壁邊間的夾角大小，實際上與上述所說的半徑R1、R2、R3等相關聯(lián)，并決定和影響翼槽延伸收斂角的大小。
[0023]上述結構的機械密封環(huán)的基本工作原理和過程，可包括靜態(tài)和動態(tài)兩種不同的工作狀態(tài)。在靜壓工作狀態(tài)下，高壓流體從各流體動壓槽結構單元中心槽的外側周壁開口進入，被擠壓同時從其兩側壁邊處進入兩側的翼槽(尤其是具有變深楔形結構的中心槽)，分別受到作收斂延伸的內(nèi)、外側延伸壁的擠壓而快速流向其收斂延伸部的短壁邊。與目前其它雙旋向密封環(huán)的槽型不同點在于，通過該翼槽收斂延伸部的短壁邊的節(jié)流作用，從而能迅速抬升密封端面的開啟力；
[0024]在動壓工作狀態(tài)下,旋轉環(huán)相對靜止環(huán)旋轉，以順時針旋向為例(反向旋轉時以相反方式類似)，流體從中心槽的外側周壁開口進入中心槽，除受到中心槽深度方向的擠壓外，還受到整個槽組相對運動的剪切作用，流體從中心槽被剪切泵送進流體動壓槽結構單元中旋轉方向后方側的翼槽中，并在該翼槽中受到收斂延伸的內(nèi)、外側延伸壁的擠壓作用和收斂延伸部短壁邊的節(jié)流作用，局部壓力迅速升高。而位于旋轉方向前方的另一側翼槽，則一方面在順時針旋轉的動壓效應影響下，流體被反向剪切，從該翼槽收斂延伸部的短壁邊流向中心槽，另一方面因該翼槽同時又受密封端面的靜壓效應影響，流體又會從中心槽補充流回其自身翼槽中。通過理論計算與仿真發(fā)現(xiàn)，各流體動壓槽結構單元中的該兩個反向收斂延伸的翼槽，會形成高壓區(qū)與低壓區(qū)，并都是位于以翼槽收斂延伸部短壁邊處并沿周向和徑向逐漸擴散開，但低壓區(qū)的壓力總體上低于高壓區(qū)，整個密封端面呈現(xiàn)高壓使得動靜環(huán)呈開啟趨勢。因此，該收斂延伸端部的短壁邊在正作用的翼槽中能產(chǎn)生節(jié)流升壓作用；在負作用翼槽中能補充流體，由能明顯降低負作用翼槽產(chǎn)生的使端面趨于閉合的效果。[0025]由此可以看出，本實用新型上述結構的機械密封環(huán)，特別是密封端面上該“機翼形”流體動壓槽結構單元中的槽型結構，不僅具有開啟力高，開啟間隙較大，能提高密封流體動壓效應，增大密封端面開啟力，增加密封端面間流體膜厚度，提高流體膜剛度(力的變化微元與流體膜厚度變化微元的比值，表征流體膜抗拒外力作用的能力)，同時又能減少密封泄漏量，而且簡化了槽型加工的難度，降低了對密封零部件加工、裝配的工藝要求。因而該機械密封環(huán)尤其適用于(但并非僅限于)大軸徑旋轉機械軸端密封，能提高大軸徑流體動壓非接觸式機械密封的工作穩(wěn)定性，節(jié)約能源，降低工藝介質的泄漏量。且加工工藝簡單，裝配精度要求低的流體動壓非接觸式機械。
[0026]以下結合附圖所示實施例的【具體實施方式】，對本實用新型的上述內(nèi)容再作進一步的詳細說明。但不應將此理解為本實用新型上述主題的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本實用新型上述技術思想情況下，根據(jù)本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應包括在本實用新型的范圍內(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本實用新型具有雙旋向流體動壓槽的非接觸式機械密封環(huán)的一種密封端面的結構示意圖
[0028]圖2是圖1中的局部放大結構示意圖。
【具體實施方式】
[0029]實施例1
[0030]如圖所示的本實用新型具有雙旋向流體動壓槽的非接觸式機械密封環(huán)，在具有內(nèi)徑R內(nèi)=401.62mm和外徑R外=517.68mm的密封端面上，其R3=455.04mm的外側部為密封槽區(qū)2，其中沿周向等間距地設置有若干個(圖1中示出的為12個)相同形式的流體動壓槽結構單元，各流體動壓槽結構單元之間的間隔部位為密封臺區(qū)3，密封槽區(qū)2的內(nèi)側圓周部為無動壓槽結構單元的密封壩區(qū)I。其中:
[0031]——各流體動壓槽結構單元均是由中心槽5以及分別在其周向兩側與之接合并向兩側對稱收斂延伸的相同結構的翼槽4，6構成的“機翼形”結構的動壓槽組。
[0032]—在中心槽5中，其兩個側槽壁邊分別為密封端面的兩個不同位置上的徑向延伸段12，其間的圓心角Al為4° (根據(jù)需要可在2° ^lO0內(nèi)調整)；徑向內(nèi)側的弧形內(nèi)壁邊8位于密封端面上R3=227.52mm的弧形位置；中心槽的開口 9設于密封環(huán)周壁部。中心槽5的深度，可以是由徑向內(nèi)端至槽外口 9為相同深度的等深槽，或是由徑向內(nèi)側的壁邊8向槽外口 9深度線性延伸增加的變深楔形槽，特別是其徑向內(nèi)側的壁邊8的深度應與翼槽4,6的深度相同。中心槽5的深度為24微米。
[0033]—在翼槽4，6中，其兩側槽壁中的長壁邊12’和收斂延伸端部的短壁邊10，也分別為密封端面的兩個不同位置的徑向延伸段，且兩側翼槽4，6中的長壁邊12’分別為與其所在側的中心槽5的側壁邊12相接合的槽開口部；其作收斂延伸的內(nèi)側延伸壁7與外側延伸壁11的收斂角為38° (根據(jù)需要可在30°飛0°范圍內(nèi)調整)，收斂延伸端部短壁邊10的外端a所在的密封端面半徑Rl=485.77mm,收斂延伸端部短壁邊10的內(nèi)端b所在的密封端面半徑R2=470.4mm。各翼槽中外側延伸壁11與收斂延伸端部短壁邊10間的夾角A4為110° (根據(jù)需要可在100°~120°范圍內(nèi)調整)；內(nèi)側延伸壁7與收斂延伸端部短壁邊10間的夾角A5為107° (根據(jù)需要可在95°~115°范圍內(nèi)調整)；兩側翼槽4，6中的延伸端部短壁邊10間的圓心角A2為20° (根據(jù)需要可在22.5°~45°范圍內(nèi)調整)。翼槽由其長壁邊12’至收斂延伸端部短壁邊10的槽深均為5微米的相同深度。
[0034]本實用新型的上述槽型的與目前不同槽型的雙旋向流體動壓槽密封環(huán)的綜合效果對比可如表1所示。
[0035]表1不同流體動壓槽槽型結構密封端面的綜合效果對比表
[0036]
【權利要求】
1.具有雙旋向流體動壓槽的非接觸式機械密封環(huán)，在具有內(nèi)徑(R內(nèi))和外徑(R外)的密封端面上，沿周向以間隔方式設置有流體動壓槽，其特征是在密封端面的外側部沿周向等間距地設置有若干個相同形式的流體動壓槽結構單元，其中: —流體動壓槽結構單元為由中心槽(5)和分別與其周向兩側接合并向兩側對稱收斂延伸的相同結構的翼槽(4，6)構成的機翼形結構； —中心槽(5)的槽壁中，兩個側壁邊分別為密封端面的兩個徑向延伸段(12)，徑向內(nèi)側的壁邊(8)為與密封端面同心的弧形，中心槽的開口(9)設于密封環(huán)周壁部； —翼槽(4，6)的槽壁中，兩側壁中的長壁邊(12’)和收斂延伸端部的短壁邊(10)分別為密封端面的兩個徑向延伸段，其中兩翼槽(4，6)的長壁邊(12’)分別為與其所在側的中心槽(5)側壁邊(12)相接合的槽開口部。
2.如權利要求1所述的機械密封環(huán)，其特征是所說在密封端面的外側部沿周向等間距地設置的相同形式的流體動壓槽結構單元為8~20個。
3.如權利要 求2所述的機械密封環(huán)，其特征是所說在密封端面的外側部沿周向等間距地設置的相同形式的流體動壓槽結構單元為12個。
4.如權利要求1所述的機械密封環(huán)，其特征是翼槽(4，6)中作收斂延伸的內(nèi)側延伸壁(7)與外側延伸壁(11)的收斂角為30°~50。。
5.如權利要求4所述的機械密封環(huán)，其特征是翼槽(4，6)中作收斂延伸的內(nèi)側延伸壁(7)與外側延伸壁(11)的收斂角為38°。
6.如權利要求1所述的機械密封環(huán),其特征是中心槽(5)是由徑向內(nèi)端至槽外口(9)為深度相同的等深槽，或是由與翼槽(4，6)深度相同的徑向內(nèi)側的壁邊(8)向周壁開口(9)深度線性延伸增加的變深楔形槽。
7.如權利要求6所述的機械密封環(huán)，其特征是所說中心槽(5)的深度為3~28微米。
8.如權利要求1所述的機械密封環(huán)，其特征是翼槽(4，6)為在其收斂延伸段中具有相同深度的等深槽。
9.如權利要求8所述的機械密封環(huán)，其特征是所說翼槽(4，6)的深度為1~8微米。
10.如權利要求9所述的機械密封環(huán)，其特征是所說翼槽(4，6)的深度為5微米。
11.如權利要求8所述的機械密封環(huán)，其特征是所說翼槽(4，6)的深度小于中心槽(5)深度。
12.如權利要求1所述的機械密封環(huán)，其特征是流體動壓槽結構單元中兩側翼槽(4，6)中的延伸端部短壁邊(10)間的圓心角(A2)為22.5°~45°，中心槽(5)中的兩側壁邊(12)間的圓心角(Al)為2° ^lO0。
13.如權利要求12所述的機械密封環(huán)，其特征是所說流體動壓槽結構單元中兩側翼槽(4，6)中的延伸端部短壁邊(10)間的圓心角(A2)，與中心槽(5)中的兩側壁邊(12)間的圓心角(Al)之間的關系為A2/A1為4飛/1。
14.如權利要求13所述的機械密封環(huán)，其特征是所說流體動壓槽結構單元中兩側翼槽(4，6)中的延伸端部短壁邊(10)間的圓心角(A2)，與中心槽(5)中的兩側壁邊(12)間的圓心角(Al)之間的關系為A2/A1為5/1。
15.如權利要求1所述的機械密封環(huán)，其特征是所說中心槽(5)中徑向內(nèi)側的弧形內(nèi)壁邊(8)在密封端面上的半徑(R3)，與密封端面內(nèi)徑和外徑(R內(nèi)，R外)間的長度關系為:(R內(nèi) + R 外)/R3=l.8~2.2。
16.如權利要求15所述的機械密封環(huán)，其特征是所說中心槽(5)中徑向內(nèi)側的弧形內(nèi)壁邊(8)在密封端面上的半徑(R3)，與密封端面內(nèi)徑和外徑(R內(nèi)，R外)間的長度關系為:(R 內(nèi) + R 外)/R3=2。
17.如權利要求15所述的機械密封環(huán)，其特征是所說翼槽(4，6)的收斂延伸端部短壁邊(10)的外端(a)所在的密封端面半徑Rl，與密封端面外徑(R外)和中心槽(5)內(nèi)壁邊(8)所在的半徑(R3)間的長度關系為:(R外+R3)/Rl=L 8~2.2。
18.如權利要求17所述的機械密封環(huán)，其特征是所說翼槽(4，6)的收斂延伸端部短壁邊(10)的外端(a)所在的密封端面半徑Rl，與密封端面外徑(R外)和中心槽(5)內(nèi)壁邊(8)所在的半徑(R3)間的長度關系為:(R外+R3)/R1=2。
19.如權利要求17所述的機械密封環(huán)，其特征是所說翼槽(4，6)的收斂延伸端部短壁邊(10)的內(nèi)端(b)所在的密封端面半徑R2，與該短壁邊(10)的外端(a)所在的密封端面半徑R1，以及中心槽(5)內(nèi)壁邊(8)所在的半徑R3間的長度關系為:(R1+R3)/R2=1.8~2.2。
20.如權利要求19所述的機械密封環(huán)，其特征是所說翼槽(4，6)的收斂延伸端部短壁邊(10)的內(nèi)端(b)所在的密封端面半徑R2，與該短壁邊(10)的外端(a)所在的密封端面半徑R1，以及中心槽(5)內(nèi)壁邊(8)所在的半徑R3間的長度關系為:(R1+R3)/R2=2。
21.如權利要求1所述的機械密封環(huán),其特征是所說翼槽(4，6)中的外側延伸壁(11)與其收斂延伸端部短壁邊(10)間的夾角(A4)為100°~120°。
22.如權利要求21所述的機械密封環(huán)，其特征是所說翼槽(4，6)中的外側延伸壁(11)與其收斂延伸端部短壁邊(10)間的夾角(A4)為110°。
23.如權利要求1所述的機械密封環(huán)，其特征是所說翼槽(4，6)中的內(nèi)側延伸壁(7)與其收斂延伸端部短壁邊(10)間的夾角(A5)為95°~115°。
24.如權利要求23所述的機械密封環(huán)，其特征是所說翼槽(4，6)中的內(nèi)側延伸壁(7)與其收斂延伸端部短壁邊(10)間的夾角(A5)為107°。
【文檔編號】F16J15/40GK203585337SQ201320610295
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權日:2013年9月30日
【發(fā)明者】陳侃, 黃澤沛, 張車寧, 王澤平, 劉小明, 張智 申請人:四川日機密封件股份有限公司