液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)，包括由動環(huán)和靜環(huán)構(gòu)成的密封配對副，所述動環(huán)和靜環(huán)的端面的一側(cè)為高壓側(cè)即上游，另一側(cè)為低壓側(cè)即下游，所述動環(huán)或靜環(huán)至少一個端面上從上游到下游依次設(shè)置微米級同心圓環(huán)密封壩和微米級同心圓環(huán)槽，構(gòu)成同心圓環(huán)槽帶；所述同心圓環(huán)槽帶由數(shù)個互不相交的同心圓環(huán)槽和同心圓環(huán)密封壩組成，所述同心圓環(huán)槽之間通過同心圓環(huán)密封壩隔開；所述同心圓環(huán)槽的槽側(cè)壁與相鄰同心圓環(huán)密封壩的壩平面無導角地相交。本發(fā)明可通過圓環(huán)槽使氣液兩相流體產(chǎn)生分離，形成的氣、液兩相交替環(huán)帶有效地阻止了密封流體的泄漏，可有效改善端面間的潤滑狀態(tài)，有效控制泄漏，因此延長了機械密封的使用壽命。
【專利說明】液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于液體潤滑機械端面密封【技術(shù)領(lǐng)域】，適用于潛水泵、各種工業(yè)用泵和航空航天液壓泵的軸端密封裝置，特別適用于黏度較高的液體潤滑機械密封。
技術(shù)背景
[0002]機械密封被廣泛應(yīng)用于石油、石化、化工、航空航天、深海潛水等領(lǐng)域的各類離心泵軸端密封中，一般地，機械密封可分為接觸式機械密封和非接觸式機械密封。接觸式機械密封的摩擦副端面間難以存儲液體潤滑介質(zhì)，啟動扭矩較大，運行時端面一般處于混合潤滑狀態(tài)，避免不了微凸體之間的接觸，潤滑效果差，易導致摩擦磨損；同時，由于動、靜環(huán)端面表面粗糙度的存在，兩端面摩擦副不可能達到完全貼合，端面間形成的微凹坑從內(nèi)徑到外徑連通起來時將構(gòu)成泄漏通道，因此導致容易密封流體的泄漏。非接觸式機械密封是通過端面摩擦副表面改形技術(shù)在端表面上開設(shè)螺旋槽、T型槽、樹形槽、傾斜微孔等各種型槽和型孔，型槽或型孔在摩擦副端面產(chǎn)生相對運動時，因流體動壓效應(yīng)使摩擦副端面相互脫離并處于非接觸狀態(tài)，端面間由一層非常薄的液膜隔開，因此避免了端面摩擦磨損現(xiàn)象的發(fā)生，但是由于兩端面是非接觸的，泄漏率相對比較大。
[0003]同心圓環(huán)槽帶在法蘭密封面上已有廣泛應(yīng)用，但是這主要涉及靜密封領(lǐng)域。與法蘭密封面上的同心圓環(huán)槽帶相比，本發(fā)明所涉及的同心圓環(huán)槽帶不僅摩擦副配對及其密封原理上存在本質(zhì)區(qū)別，而且尺度不是一個數(shù)量級，并且本發(fā)明涉及的是動密封領(lǐng)域，是一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)。為了克服普通機械密封(接觸式)和先進機械密封(非接觸式)的不足，本發(fā)明提供一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)，運行時摩擦副端面之間僅僅產(chǎn)生近接觸，既有效避免了端面啟動扭矩過大、易于磨損、使用壽命不長的問題，同時也避免了摩擦副端面非接觸帶來的大泄漏率、型槽或型孔不易對中等問題，完全可以滿足上述行業(yè)領(lǐng)域中各類離心泵或液壓泵，特別是較高黏度液體泵的軸端密封高要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要克服現(xiàn)有接觸式機械密封摩擦磨損嚴重等問題以及非接觸式機械密封技術(shù)中存在的泄漏率相對較大等問題，提供一種自密封性能好、潤滑效果佳、使用壽命長的機械端面密封結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)，包括由動環(huán)和靜環(huán)構(gòu)成的密封配對副，所述動環(huán)和靜環(huán)的端面的一側(cè)為高壓側(cè)即上游，另一側(cè)為低壓側(cè)即下游，所述動環(huán)或靜環(huán)至少一個端面上從上游到下游交替設(shè)置微米級同心圓環(huán)密封壩和微米級同心圓環(huán)槽，構(gòu)成同心圓環(huán)槽帶；所述同心圓環(huán)槽帶由數(shù)個互不相交的同心圓環(huán)槽和同心圓環(huán)密封壩組成，所述同心圓環(huán)槽之間通過同心圓環(huán)密封壩隔開；所述同心圓環(huán)槽的槽側(cè)壁與相鄰同心圓環(huán)密封壩的壩平面無導角地相交。
[0007]進一步,所述同心圓環(huán)槽的個數(shù)2 < η < 12 ;所述同心圓環(huán)槽和所述同心圓環(huán)密封壩的寬度范圍均為5?120 μ m,優(yōu)選范圍為45?85 μ m ;所述同心圓環(huán)槽的深度范圍均為2?15 μ m,優(yōu)選范圍為4?8 μ m。
[0008]進一步，所述同心圓環(huán)槽寬度為a，所述同心圓環(huán)密封壩寬度為b，b/a = I?2。
[0009]進一步，所述同心圓環(huán)槽的橫截面幾何結(jié)構(gòu)可以是矩形、梯形、V形、U形、拋物線形、半圓形。
[0010]進一步，所述同心圓環(huán)槽帶靠近低壓側(cè)。
[0011]或進一步，所述同心圓環(huán)槽為不連續(xù)槽，徑向相鄰同心圓環(huán)槽錯位布置。
[0012]本發(fā)明的工作原理:當機械密封處于工作狀態(tài)時，密封流體介質(zhì)從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動，流體中的部分氣體從液體中析出并在同心圓環(huán)槽區(qū)匯聚，液體則由于表面張力的作用依然聚集在非開槽區(qū)并自由在表面上滾動，因此在密封端面上形成交替的氣相環(huán)帶和液氣混相環(huán)帶或液相環(huán)帶，相鄰的氣相環(huán)帶和液氣混相環(huán)帶或液相環(huán)帶之間通過液-氣分界面分開，由于相鄰環(huán)帶的氣體和液體的壓力不一樣，氣體和液體的分界面因此就承載一個壓力降，并有效地阻止密封流體的泄漏。距離上游最遠的同心圓環(huán)槽具有足夠小的壓力使得作用在液膜在表面張力足以防止流體從端面間的泄漏，圓環(huán)槽側(cè)壁無導角可以起到更好的節(jié)流效果。當密封再次運行時，存儲在摩擦副端面上溝槽中的流體將起到潤滑作用，從而極大地降低端面磨損率，有效延長了機械密封的使用壽命。
[0013]本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在:(I)摩擦副端面上開設(shè)圓環(huán)槽帶，可以有效分離密封介質(zhì)中的液相成分和氣相成分，并在端面間形成壓力降，有效阻止介質(zhì)泄漏，甚至達到零泄漏；(2)摩擦副端面上開設(shè)圓環(huán)槽帶，可以有效存儲密封介質(zhì)，利于泵的頻繁啟停，減小摩擦，降低磨損，延長機械密封使用壽命；(3)摩擦副端面上開設(shè)圓環(huán)槽帶，其微米級尺寸溝槽所具有的防滲特性可大大降低靜置機械密封的端面滲透率，有利于裝備開車的安全性和可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1(a)是本發(fā)明的端面結(jié)構(gòu)示意圖
[0015]圖1 (b)是本發(fā)明的矩形橫截面變槽深以及矩形、V形和半圓形等橫截面等槽深的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖
[0016]圖2是本發(fā)明的摩擦副端面橫截面結(jié)構(gòu)示意圖
[0017]圖3是本發(fā)明的錯位布置不連續(xù)圓環(huán)槽橫截面結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方案
[0018]參照圖1至圖3，一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)，包括由動環(huán)3和靜環(huán)4構(gòu)成的密封配對摩擦副，所述動環(huán)3和靜環(huán)4的端面I的一側(cè)為高壓側(cè)即上游，另一側(cè)為低壓側(cè)即下游，所述動環(huán)或靜環(huán)至少一個端面上從上游到下游交替設(shè)置微米級同心圓環(huán)槽21和微米級同心圓環(huán)密封壩22，構(gòu)成同心圓環(huán)槽帶2 ;所述同心圓環(huán)槽帶2由數(shù)個互不相交的同心圓環(huán)槽21和同心圓環(huán)密封壩22組成，所述同心圓環(huán)槽21之間通過同心圓環(huán)密封壩22隔開；所述同心圓環(huán)槽的槽側(cè)壁與相鄰同心圓環(huán)密封壩的壩平面無導角地相交。
[0019]進一步,所述同心圓環(huán)槽21的個數(shù)2彡η彡12 ;所述同心圓環(huán)槽21和所述同心圓環(huán)密封壩22的寬度范圍均為5?120 μ m,優(yōu)選范圍為45?85 μ m ;所述同心圓環(huán)槽21的深度范圍均為2?15μπι，優(yōu)選范圍為4?8μπι。
[0020]進一步，所述同心圓環(huán)槽21的寬度為a，所述同心圓環(huán)密封壩22的寬度為b，b/a=I ?2。
[0021]進一步，所述同心圓環(huán)槽21的橫截面幾何結(jié)構(gòu)可以是矩形、梯形、V形、U形、拋物線形、半圓形。
[0022]進一步，所述同心圓環(huán)槽帶2靠近低壓側(cè)。
[0023]或進一步，所述同心圓環(huán)槽21為不連續(xù)槽，徑向相鄰同心圓環(huán)槽錯位布置。
[0024]采用所述矩形同心圓環(huán)槽的端面密封結(jié)構(gòu)和平面端面密封開展15號紅油介質(zhì)靜壓對比實驗，實驗條件是:介質(zhì)壓力IMPa，介質(zhì)溫度35°C，密封端面寬度相同且均為2.5?
4.5mm,同心環(huán)槽數(shù)保持3?5條不變，連續(xù)30天實驗結(jié)果表明，前者的泄漏率是后者的1/2?1/5，其中前者圓環(huán)槽采用所述優(yōu)選值時，其泄漏率僅僅是1/3?1/5，端面越寬，環(huán)槽數(shù)越多，則所述圓環(huán)槽端面密封的泄漏率一般呈現(xiàn)下降趨勢，但是當環(huán)槽寬度小于45 μ m或超過85 μ m,環(huán)槽深度小于3.5 μ m或超過8.5 μ m，其密封效果增效不明顯。
[0025]本發(fā)明可通過圓環(huán)槽使氣液兩相流體產(chǎn)生分離，形成的氣、液兩相交替環(huán)帶有效地阻止了密封流體的泄漏，可有效改善端面間的潤滑狀態(tài)，有效控制泄漏，因此延長了機械密封的使用壽命。
[0026]本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應(yīng)當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能想到的等同技術(shù)手段。
【權(quán)利要求】
1.一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)，包括由動環(huán)和靜環(huán)構(gòu)成的密封配對副，所述動環(huán)和靜環(huán)的端面的一側(cè)為高壓側(cè)即上游，另一側(cè)為低壓側(cè)即下游，所述動環(huán)或靜環(huán)至少一個端面上從上游到下游交替設(shè)置微米級同心圓環(huán)密封壩和微米級同心圓環(huán)槽，構(gòu)成同心圓環(huán)槽帶；所述同心圓環(huán)槽帶由數(shù)個互不相交的同心圓環(huán)槽和同心圓環(huán)密封壩組成，所述同心圓環(huán)槽之間通過同心圓環(huán)密封壩隔開；所述同心圓環(huán)槽的槽側(cè)壁與相鄰同心圓環(huán)密封壩的壩平面無導角地相交。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述同心圓環(huán)槽的個數(shù)2 < η < 12 ;所述同心圓環(huán)槽和所述同心圓環(huán)密封壩的寬度范圍均為5?120 μ m ;所述同心圓環(huán)槽的深度范圍均為2?15 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述同心圓環(huán)槽和所述同心圓環(huán)密封壩的寬度優(yōu)選范圍為45?85 μ m ;所述同心圓環(huán)槽的深度優(yōu)選范圍為4?8 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述同心圓環(huán)槽寬度為a,所述同心圓環(huán)密封壩寬度為b, b/a = I?2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述同心圓環(huán)槽的橫截面幾何結(jié)構(gòu)可以是矩形、梯形、V形、U形、拋物線形、半圓形。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述同心圓環(huán)槽帶靠近低壓側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種液體潤滑圓環(huán)槽端面機械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述同心圓環(huán)槽為不連續(xù)槽，徑向相鄰同心圓環(huán)槽錯位布置。
【文檔編號】F16J15/40GK104165229SQ201410370541
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】彭旭東, 包超英, 孟祥鎧, 江錦波, 陳源, 李紀云 申請人:浙江工業(yè)大學