具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封的製作方法

2023-11-02 21:11:52 3

專利名稱：具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，適用於各類離心泵、螺杆泵等液體輸送用旋轉機器的軸端密封，特別適用於易汽化和潤滑性能不良的介質的密封，屬於流體密封技術領域。
背景技術：
通常，非接觸式機械密封裝置，由動環、靜環及傳動部件、推力組件和輔助密封圈等系統零部件及密封輔助系統所構成。為提高一般機械密封的工作可靠性，增強密封端面的潤滑效果，避免端面磨損，減小摩擦係數，常常在動環或靜環的端面上設置一定的表面織構或型槽，如螺旋槽、T型槽、U型槽或不同排布與組合的微孔，使機械密封運行時端面間產生流體動壓效應。這種動壓效應協同端面間的靜壓效應將形成端面開啟力，使動靜環端面之間充滿流體，形成完整的流體潤滑薄膜，產生一定的流體膜剛度，防止密封面運行過程中由於外界擾動而引起端面貼合，造成幹摩擦，避免端面磨損。但是，與此同時伴隨端面流體膜厚度或間隙的增大，將引起較大的洩漏率，這是密封有毒、有害和強腐蝕性液體介質特別是石油、石化和化工行業中密封易汽化介質時所不希望看到的。目前，常選用幹氣密封、上遊泵送機械密封等作為易汽化或潤滑性能不良介質的密封裝置，但是這兩類先進密封技術均要求採用雙端面或串聯式機械密封結構，因此增加了使用成本，降低了密封的可靠性，而且對輔助系統要求比較苛刻。最近，美國Flexibox和 John Crane等著名機械密封生產商推出了端面型槽具有泵送回流功能的雷射臉端面密封 (Evans J. Enhanced performance with laser-etched seal face technology. Sealing Technology,1997, No. 48 ；http://www. johncrane. co. uk/ ；US5529317 「Floating ring seal with return structures and process for making it」和 US7194803 「Seal ring and method of forming micro-topography ring surfaces，，)，在此基石出上，國內有關密封公司也發明了據稱具有類似功能的機械密封(ZL200920043048. 5 「機械密封裝置的摩擦環」)。但是，無論是國外相關技術還是國內仿造專利技術，均存在如下問題①端面回流槽的作用機理不明，也尚未見到有關技術參數與工業領域大量使用的公開報導，國內更是未見一例；②回流槽採用鏡像疊羅漢矩形槽或月牙槽，這種型槽與引流槽之間的協同作用效果不明顯，即端面的流體動壓效應、潤滑效果和回流效果不明顯ZL200920043048. 5 中的主槽僅僅具有徑向變深，在副槽協同下也無法起到回流泵送作用，與此同時，在實際設計、加工與使用中如何實現對主槽與副槽之間的協同作用、兩者間準確的相對位置均未涉及，因而是不完善的；④實驗和數值模擬結果表明(鈕建良「LaserFace液體潤滑機械密封性能研究」，浙江工業大學碩士學位畢業論文，2011年)，上述發明在實際應用中效果不明顯，回流槽的槽深變深型式以及回流槽與引流槽之間的協同作用是關鍵，但是均未明確。型槽仿生發明專利(ZL200910102184. I 「三維似羽毛織構底面型槽氣體端面密封結構」和ZL 200910101512. 6 「三維似魚鱗織構底面型槽流體動壓型液體機械密封結構」)的問世及雷射加工技術與方法的普及，為提出具有回流功能端面密封的新發明提供了思路。

發明內容
為了解決現有端面密封結構中泵送回流型槽技術成本高、實施難度高、潤滑效果和回流效果不明顯的問題，本發明提供一種能充分發揮流體動壓型槽的綜合作用、提高端面潤滑冷卻效果、減少洩漏的具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封。本發明採用的技術方案是一種具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，包括機械密封的動環和靜環， 所述動環和靜環的端面的一側為高壓側即上遊，所述動環和靜環的端面的另一側為低壓側即下遊，所述端面的下遊設有光滑平面的環形密封壩，在所述動環或靜環中至少一個密封端面上設有多組流體型槽，所述流體型槽沿端面周向呈周期性排列，其特徵在於所述流體型槽由引流槽與泵送回流槽複合構成，所述引流槽的平均槽深大於所述泵送回流槽的平均槽深；所述引流槽設置在所述端面的上遊，且與密封介質相連通；所述泵送回流槽是具有飛鳥翼翅外形結構特徵的型槽，槽深呈中間深兩邊淺的變化規律；所述泵送回流槽由迎流部分的下遊泵汲槽和背流部分的上遊泵送槽構成，分別起到類似下遊泵汲和上遊泵送的作用；所述下遊泵汲槽和上遊泵送槽的交界處為泵送回流槽的中部；所述泵送回流槽的中部與所述端面的下遊有一間距，所述泵送回流槽的兩邊末端與所述端面的上遊有一間距；所述泵送回流槽和引流槽之間的非開槽區域構成密封堰。進一步，所述引流槽的槽深為10 30 μ m，沿徑向流向槽深逐漸變淺，斜度為2 10度。進一步，所述泵送回流槽沿流動方向的兩側壁型線為螺旋線、圓弧線或直線。進一步，所述泵送回流槽沿流動方向的兩側壁型線均為對數螺旋線。進一步，所述泵送回流槽的槽深沿周向方向呈中間深、兩邊淺的漸變，槽深變化範圍為I 10 μ m。或則，所述泵送回流槽的槽深沿徑向方向從高壓端到低壓端發生漸變且逐漸變淺，槽深變化範圍為I 10 μ m。或則，所述泵送回流槽的槽深沿周向方向呈中間深、兩邊淺的漸變，且沿徑向方向從高壓端到低壓端發生漸變且逐漸變淺，槽深變化範圍為I 10 μ m。進一步，所述泵送回流槽的槽深變化呈直線漸變，槽深變化範圍為I 10 μ m。或則，所述泵送回流槽的槽深變化呈拋物線漸變，槽深變化範圍為I 10 μ m。進一步，所述泵送回流槽的兩邊末端距離所述端面的上遊的間距為0.05 O. 5mmο本發明中所述引流槽的形狀是矩形、橢圓形、三角形、W形、紡錘形、T形、圓弧形或半圓形；所述引流槽採用變深型槽，槽深沿徑向流向逐漸變淺，可為各種型線漸變，優先選擇拋物線漸變模式。採用雷射打標技術或化學蝕刻技術均可以實現。本發明中所述泵送回流槽的截面形狀是仿飛鳥翼翅形狀，流槽的兩側壁型線是螺旋線、圓弧線、直線。所述泵送回流槽的槽深沿周向、徑向變化，呈直線或拋物線梯級變化或光滑變化，優先選擇拋物線光滑變化。採用雷射打標技術或化學蝕刻技術均可以實現。本發明的有益效果體現在I.本發明採用仿飛鳥翼翅外形結構設計製造泵送回流槽，而且泵送回流槽的側壁型線採用泵送效應最佳的對數螺旋型線，因此不僅仿翼型槽的根部壓力分布均勻，而且在一定速度下端面之間流體回流到上遊的量較大且可以得到受控，因此提高了新型機械密封的密封性、可靠性和穩定性；2.本發明中的引流槽較泵送回流槽深，而且槽深為型線漸變，則可以確保採用本發明的機械密封在正常運轉條件下產生足夠大的流體動壓效應，因此提高了端面流體泵汲效應與流體膜承載能力，機械密封的穩定性特別是正常運轉時的穩定性整體提高；3.螺旋型線和拋物線階梯漸變淺槽的加工採用現代最先進的雷射打標技術，可以確保獲得高精度光滑底面漸變淺槽，從根本上確保漸變淺槽功能的實現；4.本發明的密封結構製成的密封裝置安裝時無旋向要求，可雙向旋轉，可有效控制洩漏率，密封運行安全可靠，使用壽命長。


圖I是本發明的機械密封端面結構示意圖。圖中標示1引流槽；2泵送回流槽；21泵送回流槽側壁；22泵送回流槽中部；23 泵送回流槽末端；3密封堰；4密封壩。圖2是本發明的引流槽部分典型結構示意圖。圖3是本發明的泵送回流槽結構示意圖。圖中標示211泵送回流槽的下遊泵汲槽；212泵送回流槽的上遊泵送槽。
具體實施例方式參照圖1-3，一種具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，包括機械密封的動環和靜環，所述動環和靜環的端面的一側為高壓側即上遊，所述動環和靜環的端面的另一側為低壓側即下遊，所述端面的下遊設有光滑平面的環形密封壩4，在所述動環或靜環中至少一個密封端面上設有多組流體型槽，所述流體型槽沿端面周向呈周期性排列，其特徵在於所述流體型槽由引流槽I與泵送回流槽2複合構成，所述引流槽I的平均槽深大於所述泵送回流槽的平均槽深；所述引流槽I設置在所述端面的上遊，且與密封介質相連通；所述泵送回流槽2是具有飛鳥翼翅外形結構特徵的型槽，槽深呈中間深兩邊淺的變化規律；所述泵送回流槽2由迎流部分的下遊泵汲槽211和背流部分的上遊泵送槽212構成，分別起到類似下遊泵汲和上遊泵送的作用；所述下遊泵汲槽211和上遊泵送槽212的交界處為泵送回流槽2的中部22 ;所述泵送回流槽的中部22與所述端面的下遊有一間距，所述泵送回流槽的兩邊末端23與所述端面上遊有一間距；所述泵送回流槽2和引流槽I之間的非開槽區域構成密封堰3。進一步，所述引流槽I的槽深為10 30 μ m，沿徑向流向槽深逐漸變淺，斜度為 2 10度。進一步，所述泵送回流槽2沿流動方向的兩側壁型線為螺旋線、圓弧線或直線。進一步，所述泵送回流槽2沿流動方向的兩側壁型線均為對數螺旋線。進一步，所述泵送回流槽2的槽深沿周向方向呈中間深、兩邊淺的漸變，槽深變化範圍為I 10 μ m。或則，所述泵送回流槽2的槽深沿徑向方向從高壓端到低壓端發生漸變且逐漸變淺，槽深變化範圍為I 10 μ m。或則，所述泵送回流槽2的槽深沿周向方向呈中間深、兩邊淺的漸變，且沿徑向方向從高壓端到低壓端發生漸變且逐漸變淺，槽深變化範圍為I 10 μ m。進一步，所述泵送回流槽2的槽深變化呈直線漸變，槽深變化範圍為I 10 μ m。或則，所述泵送回流槽2的槽深變化呈拋物線漸變，槽深變化範圍為I 10 μ m。進一步，所述泵送回流槽2的兩邊末端距離所述端面的上遊的間距為O. 05 O. Smnin參照圖2，本發明中所述引流槽的形狀是矩形、橢圓形、三角形、W形、紡錘形、T形、 圓弧形或半圓形；所述引流槽採用變深型槽，槽深沿徑向流向逐漸變淺，可為各種型線漸變，優先選擇拋物線漸變模式。採用雷射打標技術或化學蝕刻技術均可以實現。因此，在零壓差或密封介質壓力較低時，在一定轉速下密封流體也可以克服表面張力的作用，把上遊側密封流體汲入端面，並在端面之間形成具有一定壓力的流體薄膜。參照圖3，本發明中所述泵送回流槽3的截面形狀是仿飛鳥翼翅形狀，流槽的兩側壁21型線是螺旋線、圓弧線、直線。所述泵送回流槽2的槽深沿周向、徑向變化，呈直線或拋物線梯級變化或光滑變化，優先選擇拋物線光滑變化。採用雷射打標技術或化學蝕刻技術均可以實現。所述的泵送回流槽中部槽深為泵送回流槽槽深最大部分，一般為過渡平面。本發明的工作原理是機械密封端面間流體膜中的部分流體在壓力梯度作用下形成壓力流，流向下遊內徑處，同時潤滑端面，形成第I部分洩漏流；流體膜中的大部分流體在密封環轉動所形成的剪切力作用下流入泵送回流槽2。下遊泵汲槽211的泵汲作用產生了流體動壓效應，提高了流體由下遊泵汲槽211進入泵送回流槽中部22部位後的壓力，這部分流體和泵送回流槽2處來自上遊的壓差流匯合，其中一部分流體在壓差作用下由上遊泵送槽212處滲入至端面下遊側，形成第II部分洩漏流；另一部分流體則在端面旋轉產生的剪切作用下，依靠上遊泵送槽212的上遊泵送作用，使壓力高出密封流體壓力，最終突破上遊高壓返回上遊介質側，維持了低的總洩漏量。由於本發明的機械密封端面上同時設有下遊泵汲槽211和具有回流作用的上遊泵送槽212，因此在相同幾何結構尺寸條件下，本發明的新型機械密封相比於類似的流體動壓型機械密封，在不損失流體動壓效應的前提下， 可以保持較高的流體膜承載能力與流體膜剛度及潤滑冷卻效果，減小了密封流體向低壓或大氣側的洩漏量及端面摩擦熱，提高了密封的運行可靠性，而洩漏率卻下降。本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也包括本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求
1.一種具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，包括機械密封的動環和靜環，所述動環和靜環的端面的一側為高壓側即上遊，所述動環和靜環的端面的另一側為低壓側即下遊，所述端面的下遊設有光滑平面的環形密封壩，在所述動環或靜環中至少一個密封端面上設有多組流體型槽，所述流體型槽沿端面周向呈周期性排列，其特徵在於所述流體型槽由引流槽與泵送回流槽複合構成，所述引流槽的平均槽深大於所述泵送回流槽的平均槽深；所述引流槽設置在所述端面的上遊，且與密封介質相連通；所述泵送回流槽是具有飛鳥翼翅外形結構特徵的型槽，槽深呈中間深兩邊淺的變化規律；所述泵送回流槽由迎流部分的下遊泵汲槽和背流部分的上遊泵送槽構成，所述下遊泵汲槽和上遊泵送槽的交界處為泵送回流槽的中部；所述泵送回流槽的中部與所述端面的下遊有一間距，所述泵送回流槽的兩邊末端與所述端面上遊有一間距；所述泵送回流槽和引流槽之間的非開槽區域構成密封堰。
2.如權利要求I所述的具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，其特徵在於所述引流槽的槽深為10 30 μ m，沿徑向流向槽深逐漸變淺，斜度為2 10度。
3.如權利要求2所述的具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，其特徵在於所述泵送回流槽沿流動方向的兩側壁型線為螺旋線、圓弧線或直線。
4.如權利要求3所述的具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，其特徵在於所述泵送回流槽的槽深沿周向方向呈中間深、兩邊淺的漸變，槽深變化範圍為I ΙΟμπι。
5.如權利要求3所述的具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，其特徵在於所述泵送回流槽的槽深沿徑向方向從高壓端到低壓端發生漸變且逐漸變淺，槽深變化範圍為 I 10 μ m0
6.如權利要求3所述的具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，其特徵在於所述泵送回流槽的槽深沿周向方向呈中間深、兩邊淺的漸變，且沿徑向方向從高壓端到低壓端發生漸變且逐漸變淺，槽深變化範圍為I ΙΟμπι。
7.如權利要求4-6之一所述的具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，其特徵在於所述泵送回流槽的槽深變化呈直線漸變，槽深變化範圍為I ΙΟμπι。
8.如權利要求4-6之一所述的具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，其特徵在於所述泵送回流槽的槽深變化呈拋物線漸變，槽深變化範圍為I ΙΟμπι。
9.如權利要求7或8所述的具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，其特徵在於 所述泵送回流槽的兩邊末端距離所述端面上遊的間距為O. 05 O. 5mm。
全文摘要
本發明公開了一種具有回流功能的型槽端面非接觸式機械密封，包括機械密封的動環和靜環，所述動環和靜環的端面的一側為高壓側即上遊，所述動環和靜環的端面的另一側為低壓側即下遊，所述端面的下遊設有光滑平面的環形密封壩，在所述動環或靜環中至少一個密封端面上設有多組流體型槽，特點是所述流體型槽由引流槽與泵送回流槽複合構成，所述引流槽的平均槽深大於所述泵送回流槽的平均槽深；所述引流槽設置在所述端面的上遊，且與密封介質相連通；所述泵送回流槽是具有飛鳥翼翅外形結構特徵的型槽，槽深呈中間深兩邊淺的變化規律；所述泵送回流槽的兩邊末端與所述端面上遊有一間距。本發明具有對密封介質產生下遊泵送與上遊泵送的雙重作用，減小了洩漏量，提高了密封的運行可靠性。
文檔編號F16J15/34GK102588600SQ201210034100
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月15日 優先權日2012年2月15日
發明者孟祥鎧, 彭旭東, 李紀雲, 盛頌恩, 鈕建良 申請人:浙江工業大學