專利名稱：具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于密封技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封，適用于各種壓縮機(jī)、離心泵、反應(yīng)釜攪拌器等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)軸的密封。
背景技術(shù)：
流體機(jī)械的轉(zhuǎn)軸密封常采用傳統(tǒng)機(jī)械密封，填料密封，骨架油封，迷宮密封等，但傳統(tǒng)機(jī)械密封，填料密封，骨架油封等存在的摩擦行為，一方面增加了功耗，另一方面縮短了密封壽命，增加了設(shè)備維修的頻度；而迷宮密封的泄漏率較大，在高參數(shù)透平壓縮機(jī)中，迷宮密封還是引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)自激振動(dòng)的主要原因之一。流體動(dòng)壓密封的出現(xiàn)，如螺旋槽等型槽非接觸式機(jī)械端面密封的使用，較好地解決了轉(zhuǎn)軸密封的摩擦磨損問(wèn)題。目前，利用流體動(dòng)力學(xué)原理，通過(guò)在密封面上開(kāi)設(shè)動(dòng)壓槽而實(shí)現(xiàn)密封端面非接觸運(yùn)行的非接觸式機(jī)械端面密封已廣泛應(yīng)用于石油、化工、化纖、造紙、電力和冶金行業(yè)的離心式壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、離心泵等設(shè)備上。當(dāng)然，螺旋槽等型槽非接觸式機(jī)械端面密封正常運(yùn)行時(shí)，端面型槽產(chǎn)生流體動(dòng)壓形成端面開(kāi)啟力，減小了密封端面的磨損，同時(shí)也增大了泄漏率。美國(guó)專利5，201，531公開(kāi)的一種流體動(dòng)壓型雙列螺旋槽端面密封裝置有效地調(diào)和了這一矛盾。在給定的旋向下，這種密封裝置利用上游一列螺旋槽將密封流體向下游泵送，下游一列螺旋槽則將密封流體向上游泵送，并通過(guò)這兩列螺旋槽所產(chǎn)生的泵汲壓差與密封端面內(nèi)外兩側(cè)流體壓差相平衡，從而實(shí)現(xiàn)螺旋槽端面密封的零泄漏。但是，這類密封要求有較寬的密封端面，而且僅適用于密封端面兩側(cè)流體的壓差較小，密封流體的粘度較高的工況。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種適用于密封端面兩側(cè)流體壓力、密封流體粘度范圍寬泛的具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封，以解決現(xiàn)在普遍使用的單列螺旋槽端面密封件端面開(kāi)啟力小、泄漏率大，雙列螺旋槽端面密封件的密封端面寬、安裝空間大的問(wèn)題，獲得在相同的條件下比上述的密封具有更大的端面開(kāi)啟力，或者在相同的開(kāi)啟力下具有更小的泄漏率的效果。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封，設(shè)置于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)殼和軸之間，機(jī)殼支承著靜環(huán)，靜環(huán)的背面與機(jī)殼間設(shè)置有彈簧，在彈簧的作用下，靜環(huán)密封端面與一個(gè)套裝于軸上且可以隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)環(huán)的密封端面緊貼，在所述的動(dòng)環(huán)的密封端面上設(shè)有多組流體型槽，所述的流體型槽沿密封端面周向呈周期性排列，所述的流體型槽之間的非開(kāi)槽區(qū)域構(gòu)成密封堰，所述密封端面內(nèi)徑處的非開(kāi)槽區(qū)域構(gòu)成密封壩；所述流體型槽由大型槽和小型槽組合構(gòu)成，所述的大型槽設(shè)置在所述端面的外徑側(cè)，其與密封介質(zhì)相連通一端為泵汲口，與小型槽相連的另一端為泄漏口 ；所述的小型槽設(shè)置在所述端面的中部，其與大型槽相連通的一端為泵汲口，與密封端面內(nèi)徑處的非開(kāi)槽區(qū)域的密封壩相連的一端為泄漏口 ；所述的大型槽和小型槽的槽深按密封端面半徑由大至小呈收斂型變化，沿周向由槽壁凸面至凹面也呈收斂型變化。所述的大型槽和小型槽的兩側(cè)的槽壁型線均為螺旋線。所述的小型槽的槽壁凹面型線連接在大型槽的凹面型線上，小型槽的泵汲口連接于大型槽的泄漏口。所述的大型槽和小型槽的槽深按密封面半徑由大至小呈線性收斂型變化，大型槽和小型槽的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈線性收斂型變化。所述的流體型槽的槽數(shù)η:10彡η彡40，槽的螺旋角a:12°彡α彡25°，槽底沿徑向的直線收斂斜面或階梯收斂斜面與端面的夾角β…0.02°1°，槽底沿周向的線性收斂斜面與端面的夾角β θ:0.02° ^ β e ^ 0.1°，大型槽與小型槽的徑向長(zhǎng)度比VL2:2 ( L1A2 ( 4，流體型槽的徑向長(zhǎng)度與密封端面寬度比L/ff:0.6彡L/W彡0.8，大型槽和小型槽的泵汲口寬度與各自型槽的堰寬比B/C:0.8 ( B1ZiC1彡1.2、0.2彡B2/C2彡0.4。所述的大型槽的槽深按密封端面由外側(cè)至內(nèi)側(cè)呈3-4個(gè)階梯等差遞減收斂型變化，小型槽為I個(gè)階梯，其槽深比大型槽的最小槽深淺I個(gè)公差；所述的大型槽和小型槽的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈線性收斂型變化。本發(fā)明的工作原理是:沿徑向和周向呈收斂斜面的流體型槽，在密封端面旋轉(zhuǎn)時(shí)，從大型槽外側(cè)的泵汲口泵入流體，在槽底直線收斂斜面或階梯收斂斜面的作用下，產(chǎn)生流體動(dòng)壓和開(kāi)啟力，并獲得較大的流體膜剛度，形成一定的抗干擾能力和運(yùn)行穩(wěn)定性；大型槽內(nèi)側(cè)連接的小型槽，其深度和槽寬比大型槽的均小，進(jìn)一步加大了流體膜的承載力，減小了泄漏率，密封端面上的密封壩起到停車密封和阻滯流體泄漏的作用。針對(duì)不同的泵送介質(zhì)、泵的操作條件和密封輔助系統(tǒng)操作參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)流體型槽的槽數(shù)、槽的螺旋角、槽底的線性收斂斜面或階梯收斂斜面與端面的夾角、大型槽與小型槽的徑向長(zhǎng)度比、流體型槽的徑向長(zhǎng)度與密封端面寬度比、大型槽和小型槽的泵汲口寬度與各自型槽的堰寬比等參數(shù)，可以滿足不同場(chǎng)合下對(duì)密封性能的使用要求。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所述的具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封,其流體動(dòng)壓槽由大槽和小槽組成，槽深按密封面半徑由大至小、沿周向由槽壁凸面至凹面呈收斂型變化，密封流體在泵入流體動(dòng)壓槽時(shí)壓力逐漸增大，故在其性能上表現(xiàn)為以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):①流體膜剛度大，承載能力強(qiáng)，適用于密封端面兩側(cè)流體的壓差范圍較大，密封流體的粘度范圍較寬的工況；②泄漏率小。其泄漏率與接觸式機(jī)械密封相當(dāng)，為一般螺旋槽端面密封的85% ;③功率消耗小。其功耗略高丁一般螺旋槽端面密封，但僅為接觸式機(jī)械密封的5%左右；④由于流體動(dòng)壓槽周向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，流體膜壓更加均勻，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，不僅適用于高速運(yùn)行，也適用于低速運(yùn)行；⑤采用單列槽，密封面寬度比上述雙列槽密封面窄。

圖1為一種具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封示意圖。圖2為一種具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)環(huán)密封端面示意圖。圖3為圖2的組合流體型槽用平行于槽壁的螺旋面截取的槽深截面圖。 圖4為圖2的組合流體型槽用不同半徑的圓柱面截取的槽深截面圖。圖5為圖2所述的具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)環(huán)三維圖。[0020]圖6為另一種具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)環(huán)密封端面示意圖。圖7為圖6的組合流體型槽用平行于槽壁的螺旋面截取的槽深截面圖。圖8為圖6的組合流體型槽用不同半徑的圓柱面截取的槽深截面圖。圖9為圖6所述的具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)環(huán)三維圖。其中，RO—?jiǎng)迎h(huán)和靜環(huán)之間相互貼合的密封端面的內(nèi)半徑；Rl-小型槽4-5的內(nèi)半徑；R2——小型槽4-5的外半徑，大型槽4_4的內(nèi)半徑；R3—?jiǎng)迎h(huán)和靜環(huán)之間相互貼合的密封端面的外半徑；Rb——平衡半徑；G——流體型槽4-2的泵汲方向；α——螺旋角；w—端面開(kāi)設(shè)有流體型槽4-2的動(dòng)環(huán)的旋向；B1Zt1—大型槽的泵汲口寬度與其型槽的堰寬比；B2ZC2—小型槽的泵 汲口寬度與其型槽的堰寬比；β θ——槽底沿周向的線性收斂斜面與端面的夾角；βΓ——槽底沿徑向的直線收斂斜面或階梯收斂斜面與端面的夾角；L/W——流體型槽的徑向長(zhǎng)度與密封端面寬度比，L = R3-R1，V = R3-R0 ；1-軸；2-機(jī)殼；3-靜環(huán)；4_動(dòng)環(huán)；4-1_密封壩；4_2_流體型槽；4_3_密封堰；4-4-大型槽；4-5_小型槽；4-6_大型槽的泵汲口 ；4-7_大型槽的槽壁凸面；4_8_大型槽的槽壁凹面；4-9-大型槽的泄漏口 ；4-10_小型槽的泵汲口 ；4-11_小型槽的槽壁凹面；4-12-小型槽的泄漏口 ；4-13_大型槽的槽壁凸面；5-彈簧；6_軸套。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。實(shí)施例一圖1為一種具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封，設(shè)置于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)殼2和軸I之間，機(jī)殼2支承著靜環(huán)3，靜環(huán)3的背面與機(jī)殼2間設(shè)置有彈簧5，在彈簧5的作用下，靜環(huán)5的密封端面與一個(gè)套裝于軸I上且可以隨軸I一起轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)環(huán)4的密封端面緊貼，在所述動(dòng)環(huán)4的密封端面上設(shè)有多組流體型槽4-2，所述流體型槽4-2沿密封端面周向呈周期性排列，所述流體型槽4-2之間的非開(kāi)槽區(qū)域構(gòu)成密封堰4-3，所述密封端面內(nèi)徑處的非開(kāi)槽區(qū)域構(gòu)成密封壩4-1 ;所述流體型槽4-2由大型槽4-4和小型槽4-5組合構(gòu)成，所述大型槽4-4設(shè)置在所述端面的外徑側(cè)，其與密封介質(zhì)相連通一端為泵汲口 4-6，與小型槽4-5相連的另一端為泄漏口 4-9 ;所述小型槽4-5設(shè)置在所述端面的中部，其與大型槽4-4相連通的一端為泵汲口 4-10，與密封端面內(nèi)徑處的非開(kāi)槽區(qū)域的密封壩相連的一端為泄漏口 4-12 ;所述大型槽4-4和小型槽4-5的槽深按密封端面半徑由大至小呈收斂型變化，沿周向由槽壁凸面至凹面也呈收斂型變化。所述的大型槽4-4和小型槽4-5的兩側(cè)的槽壁型線均為螺旋線。所述的小型槽的槽壁凹面4-11型線連接在大型槽的槽壁凹面4-8型線上，小型槽的泵汲口 4-10連接于大型槽的泄漏口 4-9。所述的大型槽4-4和小型槽4-5的槽深按密封面半徑由大至小呈線性收斂型變化，大型槽4-4和小型槽4-5的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈線性收斂型變化。圖2、圖3和圖4表達(dá)了具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)環(huán)的形態(tài)。本實(shí)施例中，流體型槽的槽數(shù)η= 12，槽的螺旋角α =15.5°，槽底沿徑向的直線收斂斜面與端面的夾角
= 0.04°，槽底沿周向的線性收斂斜面與端面的夾角=0.04°，大型槽4-4與小型槽4-54-2的徑向長(zhǎng)度比L1Zl2 = 3，流體型槽的徑向長(zhǎng)度與密封端面寬度比L/W = 0.7,大型槽4-4和小型槽4-5的泵汲口寬度與各自型槽的堰寬比BA^B1ZiC1 = 1.0、B2/C2 = 0.33，其動(dòng)環(huán)的三維圖如圖5所示。沿徑向和周向呈收斂斜面的流體型槽4-2，在密封端面以w方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，從大型槽4-4外側(cè)的泵汲口泵入流體(如圖1中G方向)，在槽底直線收斂斜面或階梯收斂斜面的作用下，產(chǎn)生流體動(dòng)壓和開(kāi)啟力，并獲得較大的流體膜剛度，形成一定的抗干擾能力和運(yùn)行穩(wěn)定性；大型槽4-4內(nèi)側(cè)連接的小型槽4-5，其深度和槽寬比大型槽的均小，進(jìn)一步加大了流體膜的承載力，減小了泄漏率，密封端面上的密封壩起到停車密封和阻滯流體泄漏的作用。針對(duì)不同的泵送介質(zhì)、泵的操作條件和密封輔助系統(tǒng)操作參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)流體型槽的槽數(shù)、槽的螺旋角、槽底的線性收斂斜面或階梯收斂斜面與端面的夾角、大型槽4-4與小型槽4-5的徑向長(zhǎng)度比、流體型槽的徑向長(zhǎng)度與密封端面寬度比、大型槽4-4和小型槽4-5的泵汲口寬度與各自型槽的堰寬比等參數(shù)，可以滿足不同場(chǎng)合下對(duì)密封性能的使用要求。實(shí)施例二 參照?qǐng)D6、圖7及圖8，本實(shí)施例與實(shí)施例一的不同之處是所述流體型槽的大型槽4-4的槽深按密封端面由外側(cè)至內(nèi)側(cè)呈3個(gè)階梯等差遞減收斂型變化，小型槽4-5為I個(gè)階梯，其槽深比大型槽4-4的最小槽深淺I個(gè)公差；槽底沿徑向的階梯收斂斜面與端面的夾角β ^ = 0.04° ;流體型槽的大型槽4-4和小型槽4-5的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈線性收斂型變化，槽底沿周向的線性收斂斜面與端面的夾角=0.04°，其動(dòng)環(huán)的三維圖如圖9所示。其余結(jié)構(gòu)及實(shí)施方式與實(shí)施例一相同。
權(quán)利要求1.一種具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封，設(shè)置于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)殼(2)和軸(I)之間，機(jī)殼⑵支承著靜環(huán)(3)，靜環(huán)(3)的背面與機(jī)殼(2)間設(shè)置有彈簧(5)，在彈簧(5)的作用下，靜環(huán)(3)密封端面與一個(gè)套裝于軸(I)上且可以隨軸(I) 一起轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)環(huán)(4)的密封端面緊貼，在所述的動(dòng)環(huán)(4)的密封端面上設(shè)有多組流體型槽(4-2)，所述的流體型槽(4-2)沿密封端面周向呈周期性排列，所述的流體型槽(4-2)之間的非開(kāi)槽區(qū)域構(gòu)成密封堰(4-3)，所述的密封端面內(nèi)徑處的非開(kāi)槽區(qū)域構(gòu)成密封壩(4-1);其特征在于:所述流體型槽(4-2)由大型槽(4-4)和小型槽(4-5)組合構(gòu)成，所述的大型槽(4-4)設(shè)置在所述端面的外徑側(cè)，其與密封介質(zhì)相連通一端為泵汲口(4-6)，與小型槽(4-5)相連的另一端為泄漏口(4-9);所述的小型槽(4-5)設(shè)置在所述端面的中部，其與大型槽(4-4)相連通的一端為泵汲口(4-10)，與密封端面內(nèi)徑處的非開(kāi)槽區(qū)域的密封壩(4-1)相連的一端為泄漏口(4-12);所述的大型槽(4-4)和小型槽(4-5)的槽深按密封端面半徑由大至小呈收斂型變化，沿周向由槽壁凸面至凹面也呈收斂型變化。
2.如權(quán)利要求1所述的具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封，其特征在于:所述的大型槽(4-4)和小型槽(4-5)的兩側(cè)的槽壁型線均為螺旋線。
3.如權(quán)利要求2所述的具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封，其特征在于:所述的小型槽的槽壁凹面(4-11)型線連接在大型槽的槽壁凹面(4-8)型線上，小型槽的泵汲口(4-10)連接于大型槽的泄漏口(4-9)。
4.如權(quán)利要求3所述的具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封，其特征在于:所述的大型槽(4-4)和小型槽(4-5)的槽深按密封面半徑由大至小呈線性收斂型變化，大型槽(4-4)和小型槽(4-5)的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈線性收斂型變化。
5.如權(quán)利要求3所述的具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封，其特征在于:所述的流體型槽的槽數(shù)n:1 040，槽的螺旋角a:12° < α < 25°，槽底沿徑向的直線收斂斜面或階梯收斂斜面與端面的夾角β…0.02° (1°，槽底沿周向的線性收斂斜面與端面的夾角β e:0.02° ^ β θ ^ 0.1°，大型槽(4-4)與小型槽(4-5)的徑向長(zhǎng)度比L1A2:2 ( L1A2 ( 4，流體型槽的徑向長(zhǎng)度與密封端面寬度比L/ff:0.6彡L/W彡0.8，大型槽(4-4)與小型槽(4-5)的泵汲口寬度與各自型槽的堰寬比B/L:0.8彡B1Zl1彡1.2、0.2 ^ B2/L2 ( 0.4。
6.如權(quán)利要求3所述的具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封，其特征在于:所述的大型槽(4-4)的槽深按密封端面由外側(cè)至內(nèi)側(cè)呈3-4個(gè)階梯等差遞減收斂型變化，小型槽(4-5)為I個(gè)階梯，其槽深比大型槽(4-4)的最小槽深淺I個(gè)公差；所述的大型槽(4-4)和小型槽(4-5)的槽深沿周向由槽壁凸面至凹面呈線性收斂型變化。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種具有組合流體型槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械端面密封，其動(dòng)環(huán)的密封端面上設(shè)有多組流體型槽，沿密封端面周向呈周期性排列；所述流體型槽由大型槽和小型槽組合構(gòu)成，大型槽設(shè)置在所述端面的外徑側(cè)，其與密封介質(zhì)相連通一端為泵汲口，與小型槽相連的另一端為泄漏口；小型槽設(shè)置在所述端面的中部，其與大型槽相連通的一端為泵汲口，與密封端面內(nèi)徑處的非開(kāi)槽區(qū)域的密封壩相連的一端為泄漏口；大型槽和小型槽的槽深按密封端面半徑由大至小呈收斂型變化，沿周向由槽壁凸面至凹面也呈收斂型變化。該機(jī)械端面密封適用于密封端面兩側(cè)流體壓力、密封流體粘度范圍寬泛的工況，具有較大的端面開(kāi)啟力，或者在相同的開(kāi)啟力下具有更小的泄漏率的效果。
文檔編號(hào)F16J15/40GK203051777SQ201220591958
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者馬晨波, 陶丹萍, 胡瓊, 孫見(jiàn)君, 涂橋安, 王衍, 陶凱 申請(qǐng)人:南京林業(yè)大學(xué)