一種改善液膜空化特性的動(dòng)壓槽機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種有效改善密封端面微間隙液膜空化特性的動(dòng)壓槽機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，包括機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)，所述結(jié)構(gòu)為在動(dòng)環(huán)或靜環(huán)密封端面內(nèi)徑側(cè)開設(shè)有關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心對(duì)稱分布的新型動(dòng)壓槽，該動(dòng)壓槽由兩部分槽型組成：動(dòng)壓槽1方向與機(jī)械密封旋轉(zhuǎn)方向相反，為常規(guī)的上游泵送動(dòng)壓槽，動(dòng)壓槽2沿動(dòng)壓槽1的泵送入口開設(shè)，方向與動(dòng)壓槽1槽型相反，兩種槽型的組合即本發(fā)明所提出的新型動(dòng)壓槽，利用動(dòng)壓槽2的泵送作用來減小動(dòng)壓槽1槽根處的低壓區(qū)域，即空化區(qū)域，來改善液膜的空化特性，提高密封的穩(wěn)定性，減小空蝕現(xiàn)象。該密封結(jié)構(gòu)適用于一切液體介質(zhì)的機(jī)械密封領(lǐng)域，尤其是高溫、高壓、高速等極易發(fā)生嚴(yán)重空化的工作條件。
【專利說明】 一種改善液膜空化特性的動(dòng)壓槽機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及流體機(jī)械密封技術(shù)和空化理論，具體是指利用兩種不同動(dòng)壓槽型的組合形成一種新的動(dòng)壓槽，有效的改善密封端面微間隙液膜的空化特性，降低端面的空蝕破壞，提高密封的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)機(jī)械密封使用壽命。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于機(jī)械密封的使用條件日益嚴(yán)酷，對(duì)其性能提出了更高的要求，主要表現(xiàn)在使用溫度范圍廣、高速化、高壓化，對(duì)密封材料的要求和使用壽命也越來越嚴(yán)格。近幾年也出現(xiàn)了一些新型的機(jī)械密封技術(shù)，如:表面改型技術(shù)、控制平衡比、多端面組合密封、監(jiān)控密封、磁流體密封技術(shù)、納米科技材料改性等。
[0003]在表面改型技術(shù)中，出現(xiàn)了以微凹腔和動(dòng)壓槽為代表性的表面改型技術(shù)，以色列教授Ets1n.1最早提出了表面具有微觀凹腔的機(jī)械密封，有利于產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)改善潤(rùn)滑狀態(tài)，但在減小泄漏量問題上效果并不明顯。1968年約翰克蘭公司伽德納研制出圓弧面螺旋槽非接觸機(jī)械密封，獲得美國(guó)專利3499653，隨后該公司在第十一屆國(guó)際泵討論會(huì)上又提出了上游泵送機(jī)械密封。此后，表面改型技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員提出了圓弧槽、Y形螺旋槽、人字形螺旋槽、矩形槽等端面形貌結(jié)構(gòu)。其中，中國(guó)專利96216242.6公開了一種雙環(huán)帶螺旋槽機(jī)械密封，在一定程度上增加流體膜的承載能力。中國(guó)專利2534428Y公布了一種單列交錯(cuò)流體動(dòng)壓槽上游泵送機(jī)械密封，具有良好的瞬間開啟能力。中國(guó)專利202597706U、203285989U和103122998A分別公布了仿花草流體型、仿鳥翼槽和仿鯊魚皮流線型槽等非接觸機(jī)械密封，提高了密封的承載力和流體膜的剛度。中國(guó)專利103471771A公布了一種空化可視的多功能密封試驗(yàn)裝置，可以直觀觀測(cè)潤(rùn)滑液膜的空化現(xiàn)象，準(zhǔn)確、全面的測(cè)試各種密封性能參數(shù)。中國(guó)專利103527792A公布了一種上游泵送機(jī)械密封動(dòng)環(huán)及其端面型槽，能夠有效減小負(fù)壓區(qū)面積，提高承載能力，擁有較好的密封效果。
[0004]但是，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的密封端面之間，由于密封端面微造型、變形等導(dǎo)致的流道收縮和擴(kuò)張，容易造成微間隙液膜產(chǎn)生空化現(xiàn)象。螺旋槽是單一型槽中性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)軟件和相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):由于泵送作用和動(dòng)壓效應(yīng)的綜合作用，在螺旋槽內(nèi)徑進(jìn)口處邊緣部分存在著負(fù)壓現(xiàn)象，當(dāng)壓力低于飽和壓力時(shí)，即出現(xiàn)了空化現(xiàn)象。在液體潤(rùn)滑機(jī)械密封中，空化現(xiàn)象的存在，使密封端面流體膜因?yàn)檎?fù)壓力相抵消而失去承載能力，但是在高轉(zhuǎn)速工況下，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的空化現(xiàn)象，當(dāng)空化達(dá)到一定的程度后，將導(dǎo)致端面失去開啟力，密封端面磨損加劇甚至使密封失效。而且，隨著空泡的發(fā)展和潰滅，還會(huì)在密封端面發(fā)生空蝕現(xiàn)象，使密封表面受到破壞。在當(dāng)前機(jī)械密封理論分析計(jì)算和實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，大多數(shù)都忽略了空化現(xiàn)象，這種情況已成為高性能機(jī)械密封技術(shù)實(shí)現(xiàn)新突破的障礙之
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于上述問題，本發(fā)明的目的就是彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)上的不足而提出的，是一種新型的動(dòng)壓槽非接觸機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，它主要是針對(duì)現(xiàn)有流體動(dòng)壓型機(jī)械密封的設(shè)計(jì)并未考慮空化現(xiàn)象的問題，提出了一種有效改善密封端面微間隙液膜空化特性的動(dòng)壓槽機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，保證密封能力。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明主要涉及密封端面的表面改形問題，在常規(guī)的上游泵送機(jī)械密封動(dòng)壓槽的基礎(chǔ)上，提出的一種新型動(dòng)壓槽結(jié)構(gòu)，其特征在于:新型動(dòng)壓槽結(jié)構(gòu)由動(dòng)壓槽I和動(dòng)壓槽2組合而成，其中動(dòng)壓槽I和動(dòng)壓槽2槽型可以是螺旋線型、圓弧線型、斜線型、T字型、人字型，或不同線型的組合，動(dòng)壓槽I槽寬堰寬比Y i = 0.5?1，槽徑比β !=0.3?0.6，槽數(shù)Ng = 6?20個(gè)，槽深可沿周向呈線性收斂或呈臺(tái)階型變化。動(dòng)壓槽2槽寬堰寬比Y2= I?1.2 Y1，槽徑比β2 = 0.5?0.8 P1，槽數(shù)與動(dòng)壓槽I 一樣，動(dòng)壓槽2的起始端為動(dòng)壓槽I的泵吸入口，兩種槽型具體的參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行工況和介質(zhì)特性來優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0007]本發(fā)明的效果主要是:本發(fā)明所提出的改善密封端面微間隙液膜空化特性的動(dòng)壓槽，即在常規(guī)的動(dòng)壓槽I基礎(chǔ)上，從密封端面內(nèi)徑泵吸入口開設(shè)方向與動(dòng)壓槽I相反的動(dòng)壓槽2，利用動(dòng)壓槽2的泵送作用來提高動(dòng)壓槽I槽根邊緣的負(fù)壓區(qū)域的壓力，減小空化區(qū)域，提高液膜承載力。通過在相同運(yùn)行工況下，對(duì)本發(fā)明提出的新型動(dòng)壓槽和常規(guī)的單一動(dòng)壓槽I進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，其液膜剛度和開啟力等性能都優(yōu)于單一動(dòng)壓槽I。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1常規(guī)的開設(shè)螺旋槽的上游泵送機(jī)械密封示意圖
[0009]圖2本發(fā)明提出的新型動(dòng)壓槽機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖
[0010]圖3本發(fā)明提出的1/Ng新型動(dòng)壓槽機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖
[0011]圖4本發(fā)明提出的新型動(dòng)壓槽機(jī)械密封三維示意圖

【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明提出的改善密封端面微間隙液膜空化特性的動(dòng)壓槽開設(shè)在機(jī)械密封動(dòng)環(huán)端面上，可采用電化學(xué)腐蝕、電火化、激光加工等工藝加工端面微造型，利用非接觸光學(xué)輪廓儀來檢測(cè)加工精度。
[0013]圖1所示為常規(guī)的開設(shè)螺旋槽的上游泵送機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖，動(dòng)壓槽I的槽型為對(duì)數(shù)螺旋線，本發(fā)明提出的新型動(dòng)壓槽則是在動(dòng)壓槽I的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，如圖2所示，在機(jī)械密封動(dòng)環(huán)上開設(shè)沿旋轉(zhuǎn)中心對(duì)稱分布的新型動(dòng)壓槽，包含動(dòng)壓槽I和動(dòng)壓槽2，其中，動(dòng)壓槽I槽型為對(duì)數(shù)螺旋線3，螺旋角Θ = 18°，槽寬堰寬比Y1 = 1，槽徑比β I = 0.5，槽數(shù)Ng = 12，槽深I(lǐng)i1 = 3 μ m。動(dòng)壓槽2的槽型為方向與動(dòng)壓槽I相反的對(duì)數(shù)螺旋線4和5，邊界線分別是圓弧線6和對(duì)數(shù)螺旋線3，槽寬堰寬比Y2=I,槽徑比β2 = 0.25，槽深h2 =3 μ m，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0014]以上所述，僅僅是對(duì)本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式的限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍包括本領(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，凡依據(jù)本發(fā)明對(duì)以上實(shí)施例作任何的等同變化的更改、修飾和演變等，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種改善液膜空化特性的動(dòng)壓槽機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，包括機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)，其特征在于:所述的動(dòng)環(huán)或者靜環(huán)端面內(nèi)徑側(cè)開設(shè)有關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心對(duì)稱分布的新型動(dòng)壓槽，所述的新型動(dòng)壓槽由動(dòng)壓槽I和動(dòng)壓槽2組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善液膜空化特性的動(dòng)壓槽機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的動(dòng)壓槽I槽型可以是螺旋線型、圓弧線型、斜線型、T字型、人字型，或不同線型的組合，其槽開在端面下游，槽深h i = 3?8 μ m,槽寬堰寬比Y丨=0.5?I,槽徑比β丨=0.3?0.6，槽數(shù)Ng = 6?20個(gè)，槽深可沿周向呈線性收斂或呈臺(tái)階型變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善液膜空化特性的動(dòng)壓槽機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的動(dòng)壓槽2槽型可以是螺旋線型、圓弧線型、斜線型、T字型、人字型，或不同線型的組合，槽的起始端為動(dòng)壓槽I的泵吸入口，槽深h2 = 3?8μπι，槽寬堰寬比Y2 = I?1.2 Y1，槽徑比β2 = 0.5?0.8 P1，槽數(shù)與動(dòng)壓槽I 一樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善液膜空化特性的動(dòng)壓槽機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于--動(dòng)壓槽I槽深h與動(dòng)壓槽2槽深h2的關(guān)系以及其他槽型參數(shù)的選取需要根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行工況和介質(zhì)特性來優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】F16J15/40GK104235372SQ201410445507
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】吳強(qiáng)波, 陳匯龍, 徐成, 左木子 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)