三维似鱼鳞织构底面型槽流体动压型液体机械密封结构

摘要

一种三维似鱼鳞织构底面型槽流体动压型液体机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的端面上设有一不开槽的平面环形密封坝和沿径向呈收敛斜面的环形槽，所述动环或静环中至少有一个密封端面上均布有多个用于液体密封的三维型槽，所述三维型槽由具有三维似鱼鳞织构底面特征的泵汲槽和螺旋槽组成，所述的泵汲槽呈径向延伸且沿端面径向由上游即高压侧至下游即低压侧方向宽度逐渐变窄；所述的螺旋槽呈周向和径向双向延伸，所述的泵汲槽末端连接螺旋槽，所述的泵汲槽连通所述的环形槽；所述三维型槽之间未开槽区域是密封堰。本发明的有益效果：耐压性能优异、端面流体动压效果好、抗咬合能力强、开启特性好、泄漏量小、耐磨损。

说明书

技术领域

本发明涉及的是旋转轴的端面密封装置，特别适用于各种压缩机、泵和釜用搅拌器等旋转流体机械的轴端液体密封装置。

背景技术

公知的单端面流体动压或静压或动静压结合型机械端面密封，还存在一些不足之处，例如螺旋槽流体动压型端面密封(见美国科技杂志Lubrication Engineering，1990，46(9)：pp607；USA Patent 4290611和USA Patent 20020093141以及中国专利90101737.X、96108614.9、98219179、01102213.2、02132978.8和03134193.4)，其端面结构主要由两部分组成，即沿周向均匀分布的数个螺旋槽和与槽根部紧密连接的密封坝，尽管其具有较低的摩擦功耗，端面升举能力也较强，但是泄漏量大于相同规格的普通端面密封；又例如具有相同几何尺寸的多孔或微凹端面密封，无论是表面整体开孔端面密封(见美国科技杂志Tribology Transactions，1996，39(3)：pp677和USA Patent 6046430)，还是表面部分开孔端面密封(见Tribology Transactions，2002，45(3)：pp430；USA Patent 6341782和世界专利WO02093046；中国专利200510038704.9、200620100860.3和200720106746.6)，都还存在耐压能力不强、易发生干磨、抗干扰能力不强和高参数条件下泄漏量较大等不足，因此在一定的操作条件下，端面间流体膜厚不足，或流体膜刚度不足以抵抗外界干扰，导致密封装置运行不稳定，泄漏量超标或不达要求。

发明内容

为了克服液体介质轴封已有技术中耐压能力不强、端面液膜开启能力不能适应更宽的操作条件范围、易发生干磨、动压效果不强、高参数条件下泄漏量较大的不足，本发明提供一种耐压性能优异、端面流体动压效果好、抗咬合能力强、开启特性好、泄漏量小、磨损小且适用于高参数操作条件的三维似鱼鳞织构底表面型槽端面机械密封结构。

本发明的技术方案是：

一种三维似鱼鳞织构底面型槽流体动压型液体机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，所述动环和静环的端面上设有一不开槽的平面环形密封坝和沿径向呈收敛斜面的环形槽，其特征在于：所述动环或静环中至少有一个密封端面上均布有多个用于液体密封的三维型槽，所述三维型槽由具有三维似鱼鳞织构底面特征的泵汲槽和螺旋槽组成，所述的泵汲槽呈径向延伸，所述泵汲槽的织构排布是沿端面径向由上游至下游方向织构深度逐渐变浅，且所述泵汲槽沿端面径向由上游至下游方向宽度逐渐变窄；所述的螺旋槽呈周向和径向双向延伸，所述螺旋槽的织构排布是沿端面周向呈中间织构深度较深、两边织构深度逐渐变浅，且沿端面径向呈上游织构深度较深、下游织构深度较浅；所述的泵汲槽末端连接螺旋槽，所述的泵汲槽连通所述的环形槽；所述三维型槽之间的未开槽区域是密封堰。

进一步，所述三维型槽在密封端面上呈中心对称分布。

进一步，所述泵汲槽和所述螺旋槽中的似鱼鳞织构排布为槽中部织构较粗大、槽两边织构较细小。

进一步，来流方向与所述三维型槽的似鱼鳞织构的长轴垂直，与似鱼鳞织构的短轴平行。

进一步，所述三维型槽的基础底面深度h₀：0.25μm≤h₀≤50μm；所述三维型槽的似鱼鳞织构数量n：0≤n≤∞，深度h₁是：0.5μm≤h₁≤10μm；所述似鱼鳞织构的长、短轴的长度比γ：1≤γ≤5；所述泵汲槽的深度h₂：1μm≤h₂≤150μm，其中对粘度高的液体取较大值；所述泵汲槽的径向长度l₁与密封端面宽度W之比l₁/W：0≤l₁/W＜1；所述螺旋槽的深度h₃：2μm≤h₃≤150μm，其中对粘度高的液体取较大值；所述螺旋槽与端面上游侧的最小径向距离l₂是0.5mm，所述螺旋槽与端面下游侧的最大径向距离l₃是6.5mm。

进一步，所述螺旋槽依照其与泵汲槽的连接点对称分布。

再进一步，所述螺旋槽大体上呈鱼尾形的双向槽。

或者，所述螺旋槽是沿其与泵汲槽的连接点单向分布的单向槽。

由不同层次、不同排列方式的似鱼鳞织构构成的三维型槽端面机械密封结构，可以单向旋转，可以双向旋转。针对不同的泵输介质、泵的操作条件和密封辅助系统操作参数，通过优化设计三维型槽的槽数、泵汲槽和螺旋槽的基础底面深度h₀，泵汲槽的径向长度与密封端面宽度之比l₁/W、泵汲槽的最小深度h₂，织构的数量n、织构的深度h₁、织构的长宽比γ，螺旋槽的螺旋角、螺旋槽的最小深度h₃等参数，可以满足不同场合下对密封性能的使用要求。所述三维型槽可以在密封端面上直接加工似鱼鳞织构表面形成，也可以在加工似鱼鳞织构之前，先在端面上加工出一定深度的泵汲槽和螺旋槽联体型槽，然后再在微米深度的联体型槽底面上按照一定规律和设计要求加工出似鱼鳞织构。

本发明的工作原理是：(1)沿径向呈收敛斜面的环形槽起到对流体的导流作用和提高流体膜刚度的作用，因此获得的密封的抗干扰能力或稳定性优于已有的一般流体动压型机械密封。(2)似鱼鳞织构底面三维形貌泵汲槽对流体进入密封端面产生导流增压作用，在端面运动时产生泵汲效应，并可以吸纳流体，确保密封启动时端面具有足够大的开启力和强润滑作用，因此可避免摩擦副之间的干磨；同时，泵汲槽还具有研磨固体颗粒磨料的效果，可使固体粒子对端面的磨损破坏作用降低到最小。(3)螺旋槽是目前所有种类型槽中具有最优异综合性能的型槽，可以在密封启动和工作时产生强流体动压效应，由此提高端面的升举力，瞬时可以使开启力达到最大；螺旋槽采用不同深度的似鱼鳞织构底面的三维形貌，可增加对不同性质密封流体的吸纳和储存能力，同时螺旋槽远离上游即高压密封介质侧，可以避免介质中的磨料对螺旋槽的磨损；沿周向和径向方向似鱼鳞织构呈现层次结构，其深度逐渐变浅，可以增强微槽的泵汲效应和流体动压效应，提高端面升举力、开启特性和流体膜刚度，确保机械密封在端面供液不足时仍然可以产生足够大的流体膜开启力，保持足够的流体膜刚度，确保机械密封的工作稳定性和有效密封能力。通过优化设计合理布置具有合理深度层次的织构，不仅可以强化端面的润滑效果，增大端面开启特性，防止干磨现象发生，而且还可降低端面的摩擦热，减少或甚至避免密封液体的汽化或结晶，减小磨损，提高密封工作可靠性，延长使用寿命，使密封能适应于更高的操作条件。(4)似鱼鳞织构的长、短轴的长度比设为γ：1≤γ≤5，表示来流方向与织构的长轴垂直，这样可以在型槽中获得最大的泵汲效应和流体动压效应，提高密封的开启特性和液膜刚度。(5)螺旋槽可以设计加工成单向槽，此时的三维型槽形状优选鹰嘴形、镰刀形、或恐龙头形；也可以成双向槽，此时的三维型槽形状优选鱼尾形、月牙形、人字形、或铁锚形。

端面上的密封坝还起到停车密封和进一步阻滞流体泄漏的作用。处于上游的密封坝同时还可防止颗粒磨料进入端面或中、下游。

本发明既可以适用于单方向旋转机械，也适用于双向旋转机械。

本发明可以应用于至少一个密封端面，也可以同时应用于动环和静环两个密封端面；本发明可以应用于端面上游或下游，也可以同时应用于端面的上游和下游；采用本发明的机械密封总体布局可以是单端面机械密封、双端面机械密封或两级、三级及多级机械密封，且当采用两套或两套以上本发明密封时，每套密封的结构设计参数可以相同，也可以不同；采用本发明的机械密封装置可以是散装式机械密封，也可以是集装式机械密封。本发明可以采用金属材料、陶瓷材料和其他非金属材料来制作动环和静环。本发明可以应用于平衡型机械密封，也可以应用于非平衡型机械密封。当一些设备是轴静止而腔室旋转时，本发明同样可以适用。

本发明所述的三维型槽端面机械密封结构的优点和有益效果主要表现在：(1)沿径向方向分布不同密度和不同深度层次似鱼鳞织构的三维织构底面，这种型式螺旋槽不仅具有产生强流体动压效应的能力，同时还具有部分回流或上游泵送能力，同时由于螺旋槽设置在端面中间，远离介质侧且有三维泵汲槽对磨料的研磨能力，因此在相同条件下与一般型式螺旋槽、直线槽、或圆弧槽端面机械密封等流体动压型密封相比，流体膜的承压能力更强，流体膜刚度更大，同时磨损率很低，泄漏量也很小，并且可以实现理论上的零泄漏量和零磨损率；(2)同样设置了分布不同密度和不同深度层次三维似鱼鳞织构的结构底面的泵汲槽，与一般径向槽相比不仅具有更强的下游泵汲能力，而且与上游锥面环形槽以及泵汲槽本身的收敛槽底表面协同作用产生更大的流体静压效应，因此本发明在相同条件下具有更优端面开启特性和更强耐压能力，从而使密封具有优异的低压、低速启停性能，可实现密封的快速开启、停车和对变工况的自适应能力；(3)与一般型式的螺旋槽、直线槽、或圆弧槽端面机械密封等流体动压型密封相比，本发明中由按照一定规律加工排布的不同深度层次、不同排列方式的三维似鱼鳞织构槽底面和将收敛锥面环形槽、泵汲槽和螺旋槽有机集成的端面密封，具有更强的升举能力、更高的耐压能力和更优异的耐磨损特性。

附图说明

图1是本发明的一种机械密封的三维型槽端面示意图。

图2是本发明的三维型槽的部分典型似鱼鳞织构的形貌示意图。

图3是本发明的三维型槽的典型似鱼鳞织构的结构示意图。

图4是本发明沿着附图3中1-1线所取的泵汲槽底截面沿径向方向的似鱼鳞织构示意图。

图5是本发明沿着附图3中2-2线所取的螺旋槽底截面沿圆周方向的似鱼鳞织构示意图。

图6是本发明的部分双向旋转典型三维型槽的结构示意图。

图7是本发明的另一种机械密封的三维型槽端面图。

图8是本发明的部分单向旋转典型三维型槽的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本发明采用激光加工方法或电化学蚀刻方法等加工方法来实现。

参照图1、图3、图4、图5，一种三维似鱼鳞织构底面型槽流体动压型液体机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环的端面下游设有一不开槽的平面环形密封坝3、上游设有沿径向呈收敛斜面的环形槽4，所述动环或静环中至少有一个密封端面上均布有多个用于液体密封的三维型槽2，所述三维型槽2由具有三维似鱼鳞织构底面特征的泵汲槽21和螺旋槽22组成，所述的泵汲槽21呈径向延伸，所述泵汲槽21的织构排布是沿端面径向由上游至下游方向织构深度逐渐变浅，且所述泵汲槽沿端面径向由上游至下游方向宽度逐渐变窄；所述的螺旋槽22呈周向和径向双向延伸，所述螺旋槽22的织构排布是沿端面周向呈中间织构深度较深、两边织构深度逐渐变浅，且沿端面径向呈上游织构深度较深、下游织构深度较浅；所述的泵汲槽21末端连接螺旋槽22，所述的泵汲槽21连通所述的环形槽4；所述三维型槽之间的未开槽区域是密封堰1。

所述三维型槽2在密封端面上呈中心对称分布。

所述螺旋槽22依照其与泵汲槽21的连接点对称分布。所述螺旋槽22大体上呈鱼尾形。所述泵汲槽21和所述螺旋槽22中的似鱼鳞织构排布为槽中部织构较粗大、槽两边织构较细小。来流方向与所述三维型槽2的似鱼鳞织构的长轴垂直，与似鱼鳞织构的短轴平行。

所述三维型槽2的基础底面深度h₀：0.25μm≤h₀≤50μm；所述三维型槽2的似鱼鳞织构数量n：0≤n≤∞，深度h₁是：0.5μm≤h₁≤10μm；所述似鱼鳞织构的长、短轴的长度比γ：1≤γ≤5，所述三维型槽2的似鱼鳞织构的形状优选是圆形、椭圆形、矩形、正方形、月牙形或菱形，部分形状见图2。

所述泵汲槽21的深度h₂：1μm≤h₂≤150μm，其中对粘度高的液体取较大值；所述泵汲槽21的径向长度l₁与密封端面宽度W之比l₁/W：0≤l₁/W＜1。所述泵汲槽21的形状优选是梯形、矩形、正方形、半圆形、椭圆形、或菱形，部分形状见图2。

所述螺旋槽22的深度h₃：2μm≤h₃≤150μm，其中对粘度高的液体取较大值；所述螺旋槽22与端面上游侧的最小径向距离l₂是0.5mm，所述螺旋槽22与端面下游侧的最大径向距离l₃是6.5mm。所述螺旋槽22形状优选是鱼尾形、恐龙头形、月牙形、人字形、或铁锚形，适用于双向旋转机械，见图6。

针对不同的泵输介质、泵的操作条件和密封辅助系统操作参数，通过优化设计三维型槽的槽数、泵汲槽和螺旋槽的基础底面深度h₀，泵汲槽的径向长度与密封端面宽度之比l₁/W、泵汲槽的最小深度h₂，织构的数量n、织构的深度h₁、织构的长宽比γ、螺旋槽的螺旋角及螺旋槽的最小深度h₃等参数，可以满足不同场合下对密封性能的使用要求。所述三维型槽可以在密封端面上直接加工似鱼鳞织构表面形成，也可以在加工似鱼鳞织构之前，先在端面上加工出一定深度的泵汲槽和螺旋槽联体型槽，形成一定深度h₀的基础底面之后，然后再在微米深度的联体型槽底面上按照一定规律和设计要求加工出似鱼鳞织构。

实施例二

参照图7，本实施例与实施例一的不同之处是所述动环或静环的端面上游设有一环形密封坝3、下游设有沿径向呈收敛斜面的环形槽4。所述泵汲槽21的织构排布是沿端面径向由下游至上游方向织构深度逐渐变浅，且所述泵汲槽沿端面径向由下游至上游方向宽度逐渐变窄；所述螺旋槽沿端面径向呈下游织构深度较深、上游织构深度较浅，所述螺旋槽22与端面下游侧的最小径向距离l₂是0.5mm，所述螺旋槽22与端面上游侧的最大径向距离l₃是6.5mm。其余结构与实施方式与实施例一相同。

实施例三

参照图8，本实施例与实施例一、实施例二的不同之处是所述螺旋槽22沿其与泵汲槽21的连接点单向分布。所述螺旋槽22形状优选是鹰嘴形、镰刀形、或恐龙头形，适用于单向旋转机械。

其余结构与实施方式与实施例一、实施例二相同。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。