一种可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构的制作方法
【专利摘要】一种可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，动环或静环中至少一个密封环的密封端面上开设沿端面圆周均匀分布且可双向旋转的表面织构，表面织构包括毫米级深度的圆形减压孔、圆弧槽以及微米级深度的螺旋槽和方向性倾斜微孔；圆弧槽位于端面高压侧即上游，圆形减压孔位于端面低压侧即下游；圆弧槽以某一半径为对称轴，位于圆弧槽两侧的螺旋槽沿对称轴对称布置，螺旋槽的槽根伸向下游，圆形减压孔位于槽根处；螺旋槽起始于端面高压侧，螺旋槽自上游到下游逐渐向圆弧槽的方向弯转，并且宽度逐渐缩小；螺旋槽和圆弧槽之间有密封堰，密封堰上开设方向性倾斜微孔；表面织构的下游位置设有一连续的环形密封坝。
【专利说明】
一种可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构
技术领域
[0001]本发明涉及机械端面密封结构设计技术领域，具体涉及一种可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构，特别适用于启停频繁的各种压缩机、栗和釜用搅拌器等旋转机械的轴端密封装置。
【背景技术】
[0002]机械密封因其泄漏率低、摩擦功耗小、寿命长等显著优势在旋转机械的轴端密封上获得了广泛应用，比如石化、能源以及航空航天等行业的压缩机、栗以及釜用搅拌器等旋转机械的轴端密封。随着石油化工和航空航天等行业的迅猛发展，要求机械密封能适应高参数、变工况及特殊物性介质等恶劣的密封环境。目前国内外密封织构形式包括微孔织构和沟槽型织构，微孔织构端面具有较好的耐磨能力和吸纳固体颗粒的作用，适用于固体颗粒含量较高的密封场合，但微孔易被颗粒堵塞从而散失织构功能。沟槽型织构若型线设计合理，能起到导流作用，动压开启特性一般较好，目前国内外采用较多的沟槽型线包括螺旋线、圆弧线、直线等;但由于沟槽型织构在低压条件下动压效应弱，形成的流体膜承载能力较差，且在频繁启停过程中，端面易碰损;在高压条件下，沟槽的型线选择及组合十分重要，若处理不当则使密封环端面气膜稳定性差，易使密封环发生碰磨与偏磨，严重削弱密封环寿命O
【发明内容】
[0003]本发明要克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种能适应旋转机械频繁启停、密封介质中固体颗粒含量高以及介质温度高的端面机械密封结构。
[0004]本发明的技术方案是:
[0005]一种可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面上开设沿端面圆周均匀分布且可双向旋转的跨尺度槽孔结合的表面织构，所述跨尺度槽孔结合的表面织构包括毫米级深度的圆形减压孔5、圆弧槽2以及微米级深度的螺旋槽3和方向性倾斜微孔4;所述圆弧槽2位于端面高压侧即上游，所述圆形减压孔5位于端面低压侧即下游;圆弧槽2以某一半径为对称轴，位于圆弧槽2两侧的螺旋槽3沿所述的对称轴对称布置，螺旋槽3的槽根伸向下游，圆形减压孔5位于槽根处;螺旋槽3起始于端面高压侧，螺旋槽3自上游到下游逐渐向圆弧槽2的方向弯转，并且宽度逐渐缩小;所述螺旋槽3和圆弧槽2之间有密封堰1，密封堰I上开设方向性倾斜微孔4，方向性倾斜微孔4的长轴与螺旋槽3的靠近圆弧槽2—侧的界线平行;所述可双向旋转的跨尺度槽孔结合的表面织构的下游位置设有一连续的环形密封坝6。
[0006]进一步，所述圆形减压孔的深度ho为:0.1mm;所述圆弧槽深度hi为:Imm 3mm ；所述方向性倾斜微孔深度h2为:50ym<h3 < 10ym ；所述沿径向对称布置螺旋槽的深度h3为:5μ??彡h4彡ΙΟμ??;所述沿径向对称布置螺旋槽的螺旋角β为:5°彡β彡15°。
[0007]进一步，所述沿径向对称布置螺旋槽的槽根部位有η个圆形减压孔:1<η<2。
[0008]利用本发明所述的一种可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构可适用于单方向或双方向交替旋转机械。
[0009]本发明的工作原理:
[0010]本发明提供的可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构，在密封端面高压侧即上游开有毫米级深度的圆弧槽、微米级深度的沿径向对称布置的螺旋槽，圆弧槽和螺旋槽之间的密封堰上开设有长轴与螺旋槽型线方向基本相同的微米级深度的方向性倾斜微孔，螺旋槽的槽根部设毫米级深度的圆形减压孔。在低速或低压工况下，由上游高压产生的压力流在进入方向性倾斜微孔后，在切向转速剪切作用下，微孔长轴方向流体流量不断累积，压力逐渐提高，形成微型动压槽，实现低压工况下端面的开启；圆弧槽和螺旋槽对流体起到导流作用，能保证方向性倾斜微孔尽可能快地获得流体的补给，提升了微型动压槽的动压开启特性，实现密封环端面的快速开启。在高速或高压工况下，由上游高压产生的压力流主要进入织构开口朝向与转轴旋转方向一致的螺旋槽内，在螺旋槽槽根部产生高压区，将密封端面分开并形成流体膜;一部分流体进入毫米级深度的圆形减压孔，避免螺旋槽根部高压区因压力过高而造成流体膜不稳定，提高了密封环的抗阻尼特性;方向性倾斜微孔可提升流体膜动压开启特性，同时改善流体膜压力分布，提升流体膜稳定性;毫米级深度的圆弧槽加速了流体在密封环端面的流通，一方面能增强密封端面的散热，另一方面能形成周向波度和轴向锥度，增强密封环动压效应;通过各表面织构的协同作用可实现密封环达到最大的动压开启特性，同时能适应密封环由于工况条件的突然改变而引起密封环动压效应骤降，提升了密封端面的流体膜稳定性，延长了密封寿命。当输送介质中固体颗粒含量较高时，方向性倾斜微孔和圆形减压孔能起到吸纳颗粒、防止颗粒磨损密封端面的作用;而圆弧槽和螺旋槽的导流作用可以及时带走微孔和减压孔内的颗粒介质，防止被固体颗粒堵塞，保证了微孔织构功能的正常发挥，提高密封端面对固体颗粒的适应性。
[0011 ]本发明的有益效果主要表现在:
[0012]在低速或低压及高速或高压条件下均开启容易、动压效应强、流体膜稳定性好，泄漏率底，密封寿命长，适应含固体颗粒介质环境，能满足旋转机械频繁启停工况及反转要求。
【附图说明】
[0013]图1是本发明实施例1的可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面结构示意图。
[0014]图2是本发明实施例1的可双向旋转的跨尺度槽孔结合的表面织构局部放大图。
[0015]图3是本发明实施例1的沿着附图2中A-A线所取的表面织构槽底截面示意图。
[0016]图4是本发明实施例1的沿着附图2中B-B线所取的表面织构槽底截面示意图。
[0017]图5是本发明实施例2的螺旋槽和圆弧槽槽底截面沿半径方向的织构示意图(其中C、E代表上游侧，D、F代表下游侧)。
[0018]图6是本发明的可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面结构示意图，其中上下左右的四个区块分别表示了四种结构。
[0019]其中:卜密封堰;2-圆弧槽;3-螺旋槽;4-方向性倾斜微孔;5-圆形减压孔;6-环形密封坝。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图进一步说明本发明
[0021]参照附图:
[0022]实施例1
[0023]参照附图1、图2、图3和图4，一种可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面上开设沿端面圆周均匀分布且可双向旋转的跨尺度槽孔结合的表面织构，所述跨尺度槽孔结合的表面织构包括毫米级深度的圆形减压孔5、圆弧槽2以及微米级深度的螺旋槽3和方向性倾斜微孔4;所述圆弧槽2位于端面高压侧即上游，所述圆形减压孔5位于端面低压侧即下游；圆弧槽2以某一半径为对称轴，位于圆弧槽2两侧的螺旋槽3沿所述的对称轴对称布置，螺旋槽3的槽根伸向下游，圆形减压孔5位于槽根处;螺旋槽3起始于端面高压侧，螺旋槽3自上游到下游逐渐向圆弧槽2的方向弯转，并且宽度逐渐缩小;所述螺旋槽3和圆弧槽2之间有密封堰I，密封堰I上开设方向性倾斜微孔4，方向性倾斜微孔4的长轴与螺旋槽3的靠近圆弧槽2—侧的界线平行;所述可双向旋转的跨尺度槽孔结合的表面织构的下游位置设有一连续的环形密封坝6。
[0024]进一步，所述圆形减压孔的深度ho为:0.1mm;所述圆弧槽深度hi为:Imm 3mm ；所述方向性倾斜微孔深度h2为:50ym<h3 < 10ym ；所述沿径向对称布置螺旋槽的深度h3为:5μ??彡h4彡ΙΟμ??;所述沿径向对称布置螺旋槽的螺旋角β为:5°彡β彡15°。
[0025]进一步，所述沿径向对称布置的螺旋槽3的槽根部位有η个圆形减压孔为:KnS2。
[0026]实施例2
[0027]参照1、2、3、5，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述的螺旋槽3和圆弧槽2的深度从上游往下游逐渐减小或呈阶梯形递减，其余结构和实施方式与实施例1相同。这种结构在实施例1的基础上流体动压效果进一步得到提升，流体膜刚度和端面开启特性更优。
[0028]实施例3
[0029]参照图1、2、3、4、6，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述圆形减压孔5位于沿径向对称布置的螺旋槽3之间靠近上游侧的密封堰I上，如图6下部所示。
[0030]或如图6左部所示，螺旋槽3的末端为一段圆弧，该圆弧定义为:与两个减压孔相内切且与密封端面同心的圆，其与螺旋槽的螺旋线相交构成的两段圆弧。O
[0031]或如图6上部所示，两侧的螺旋槽相交()，，在两侧的螺旋槽3的各自的槽根处各有一个圆形减压孔5 ο其余结构和实施方式与实施例1相同。
[0032]后两种结构在实施例1的基础上可保证螺旋槽3末端形成2个均匀分布的高压区，提升了流体动压效果以及流体膜的稳定性，端面开启特性更优。
[0033]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包括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。
【主权项】
1.一种可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面上开设沿端面圆周均匀分布且可双向旋转的跨尺度槽孔结合的表面织构，所述跨尺度槽孔结合的表面织构包括毫米级深度的圆形减压孔(5)、圆弧槽(2)以及微米级深度的螺旋槽(3)和方向性倾斜微孔(4);所述圆弧槽2位于端面高压侧即上游，所述圆形减压孔5位于端面低压侧即下游；圆弧槽(2)以某一半径为对称轴，位于圆弧槽(2)两侧的螺旋槽3沿所述的对称轴对称布置，螺旋槽(3)的槽根伸向下游，圆形减压孔(5)位于槽根处;螺旋槽(3)起始于端面高压侧，螺旋槽(3)自上游到下游逐渐向圆弧槽(2)的方向弯转，并且宽度逐渐缩小;所述螺旋槽(3)和圆弧槽(2)之间有密封堰(I)，密封堰(I)上开设方向性倾斜微孔(4)，方向性倾斜微孔(4)的长轴与螺旋槽(3)的靠近圆弧槽(2)—侧的界线平行;所述可双向旋转的跨尺度槽孔结合的表面织构的下游位置设有一连续的环形密封坝(6)。2.如权利要求1所述的一种可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构，其特征在于:所述圆形减压孔(5)的深度ho为:0.5mm^ho^ 1mm;所述圆弧槽深度hi为:lmm^hi^3mm ；所述方向性倾斜微孔(4)深度h2为:50ym<h3 < 10ym ；所述沿径向对称布置螺旋槽(3)的深度h3为:5μ??彡h4彡ΙΟμ??;所述沿径向对称布置螺旋槽的螺旋角β为:5°彡β彡15°。3.如权利要求2所述的一种可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构，其特征在于:所述沿径向对称布置螺旋槽(3)的槽根部位有η个圆形减压孔，1<η<2。4.如权利要求3所述的一种可双向旋转的跨尺度槽孔结合端面机械密封结构，其特征在于:两侧的螺旋槽(3)相交，在两侧的螺旋槽(3)的各自的槽根处各有一个圆形减压孔(5)。
【文档编号】F16J9/20GK106015572SQ201610609154
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月27日
【发明人】彭旭东, 王冰清, 孟祥铠
【申请人】浙江工业大学