专利名称：具有定深比台阶槽端面密封环的机械密封装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转机器的轴端密封装置，可用于各种型式的压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜等旋转类机器的轴端密封。
背景技术：
机械密封广泛应用于众多的旋转机械轴向端面密封。目前已有报道和/或使用的流体端面非接触式机械密封装置中，通常包括一组可随旋转轴转动的旋转环(即动环)和固定于与机座固连的静环座上的静止环(静环)，其轴向相对的端面为密封端面。在其两密封端面中的一侧或两侧端面上，通常都开设有经具有端平面高度的相同形式隔离部分(堰区)分隔成均匀排布的水平底面形式，或两端底面深度不同的斜底形式的浅槽，其中以等槽深螺旋槽和“T”形槽的端面密封最为典型。如何增强端面流体的动压效应，以增大端面流体膜承载能力和流体膜刚度，从而提升密封运行稳定性，最终延长使用寿命，是非接触式机械密封研究的主要方向之一。而改变密封端面上开设的浅槽槽型，常是增强端面流体动压效应的一种有效手段。如中国专利02146449. 9公开了一种双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置。其结构是螺旋槽的上游即高压侧更宽、下游即低压侧更窄，且螺旋槽的深度从上游即高压侧到下游即低压侧逐渐变浅，从而形成一种三维收敛形螺旋槽。该双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置可获得更大的流体膜刚度，但其倾斜的螺旋状槽底加工非常困难。中国专利02132978. 8公开了一种由角形微槽族组成的螺旋槽端面机械密封。该角形微槽走向与螺旋槽方向一致，该密封端面浅槽结构显得比较复杂，因该角形微槽沿螺旋槽走向分布，且不存在明显的收缩形状，难以大幅提升端面流体膜刚度。
发明内容
针对上述情况，本发明提供了一种具有新结构槽型密封端面环，具体讲是一种具有定深比台阶槽端面密封环的机械密封装置，可具有更为理想的流体动压效果。本发明具有定深比台阶槽端面密封环的机械密封装置，是在目前包括有可随旋转轴转动的旋转环和固定于静止环座上的静止环，其轴向相对的端面为密封端面，并至少在其中一侧密封端面上开设有经具有端平面高度的相同形式隔离部分隔成均匀排布的浅槽基础上，将各浅槽的槽底由至少两个递次加深的台阶构成，各台阶与其相邻上一台阶间的高度距离hi;以及其台阶面至密封端面的深度距离\应满足关系式(t.+Co)/^) = m。式中的Ctl为密封环工作时密封端面的流体膜厚度，取值范围(Γ0. 03毫米，可以根据实际情况综合考虑各种因素进行适当调整。例如，对于普通机械密封，密封端面基本处于无间隙的直接接触状态；对于干气密封端面间隙通常约为O. 003、. 005毫米；而对于某些液体膜非接触式机械密封其端面间隙一般约为O. 0Γ0. 025毫米。关系式中的m为台阶的定深比系数，取值范围I. 7 2. O。关系式中更优选的是定深比系数m=l. 866。上述结构中所说浅槽的具体结构，为适应不同的具体或特定工作条件或需要，同样可以根据实际情况按常规方式在目前已有报道和/或使用的如直线槽、斜线槽、螺旋槽、圆孤槽、人字槽、T形槽等中选择。所说密封端面上开设的浅槽数量并无过多限定，但计算和试验显示，一般情况下，浅槽的数量超过25个后，数量的进一步增加对效果改变已不明显，因此从动压效果及加工工艺性方面考虑，密封端面上的浅槽数量一般可优选为1(Γ18个。对所说密封端面浅槽中槽底台阶结构的设置方式，可以采用使浅槽中与密封端面具有最大深度距离的台阶面位于槽的径向外侧端，也可以位于槽的径向内侧端；密封端面上开设的浅槽，可以为其径向内侧端由具有端平面高度的阻断结构所封挡的非贯通槽，或为其径向外侧端由具有端平面高度的阻断结构所封挡的非贯通槽，也可以为贯通其所在密封端面径向内外侧两端的贯通槽等。本发明上述设置台阶槽密封端面的密封装置，实际应用中与密封端面具有最大深度距离的最深台阶，可以根据需要位于高压上游侧或下游侧，前者可增大端面流体膜的承载性能，使用较为广泛，后者则可降低端面流体泄漏量，在需泵送的地方使用。进一步，上述不同设置形式的浅槽中，优选使所说各浅槽中与密封端面具有相同深度距离台阶面的径向外侧边沿，处于距密封端面旋转轴心具有相同半径的圆周上。本发明上述台阶槽形式结构的密封端面结构，相对于目前采用的平底和斜底槽形式，可具有更加优越的流体动压效果。例如-对^ = 3微米，槽深为11微米，径向槽长14毫米，坝长2毫米的密封端面，分别采用只设一个台阶、设两个平均分布的等深度台阶以及按本发明上述深度分配比例的两个台阶的三种情况，对其流体膜承载力进行计算分析表明，其流体膜的承载力分别为520. 5Ν、682· IN和767. 6Ν,即本发明流体膜承载力相对于只设一个台阶时提升了 47. 5%，较平均分布的的两个等深度台阶时提升了 12. 5%。本发明上述的机械密封装置中，所说具有定深比的台阶槽，可以单独设置在其中的旋转环(动环)密封端面上，或单独设置在其中静止环(静环)密封端面上，也可以同时设置在动环和静环的相对两侧密封端面上。可以理解，本发明上述具有定深比台阶槽端面密封环的机械密封装置中，密封环端面中开设的台阶槽式浅槽中各相邻台阶距密封端面的深度，是按所说的定深比值m递减的。相对于平底槽和斜底槽，本发明密封端面上的该台阶结构型的浅槽，不仅更具有可加工性，而且在工作时端面流体膜具有更大的开启力和更高的刚度及承载能力，具有更加显著的端面流体动压效应。以下结合由附图所示实施例的具体实施方式
，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
图I是本发明机械密封装置中台阶槽位于旋转环(动环)密封端面外径侧的一种基本状态结构示意图。图2是图I中旋转环密封端面的结构示意图。图3是图2中一个台阶槽的局部放大结构示意图。图4是沿图3中台阶槽边沿台阶型线径向展开的结构示意图。
具体实施例方式图1-4所示的是本发明具有定深比台阶槽端面密封环的机械密封装置的一种结构，图中所示的是台阶槽位于旋转环密封端面外径侧的一种形式。该机械密封装置由静(止)环I、旋转环(动环)2、静环座3、轴套4、传动销5、公差环6、压紧套7、推环8、弹簧9、防转销10等构成。静环I和动环2共轴线面对面设置，其相对的端面形成密封面。静环I径向空套在静环座3上，轴向由推环8和弹簧9浮动支撑，周向由防转销10定位，因此静环I只可沿轴向自由浮动。动环2径向由公差环6胀紧在轴套4的外圆柱面上，轴向与轴套4的台阶面接触并被压紧套7轴向压紧，周向由传动销5与轴套4固定在一起，因此动环2可随轴套4与旋转轴15 —起同步旋转。在图2和图3所示的动环密封端面(也可以为静环，或同时在动环和静环的密封端面)上，开设有经具有端平面高度的相同形式隔离部12 (堰区)分隔成数量1(Γ18个、一般不超过25个均匀排布的浅槽11。各浅槽11的槽底由至少两个递次加深的台阶13构成(图中示出为三级台阶)，与密封端面具有相同深度距离\台阶面的径向外侧边沿16，处于距密封端面旋转轴心具有相同半径的圆周上。如图4所示，各级台阶与其相邻的上一台阶间的高度距离hi;和其台阶面至密封端面的深度距离ti;应满足关系式AtfCci)/CO =m。式中的Ctl为密封环工作时密封端面的流体膜厚度，取值范围(Γ0. 03毫米，可根据具体的密封要求选择为定比值系数，取值范围I. 7 2.0，优选为m=l. 866。此时，台阶槽中最浅一级台阶中所说关系式中的hi;与其底面至密封端面的距离\实际上是相等的。图中所示浅槽11中与密封端面具有最大深度距离h的台阶面，采用的是位于槽的径向外侧端，且其径向内侧端是由具有端平面高度的阻断结构14 (坝区)所封挡的非贯通槽的形式。由于台阶槽型的浅槽11设置在密封环端面的外径侧，外径侧台阶的深度&最深，其余各台阶沿径向由外向内逐级递减。此结构可适用于密封端面的外径侧为上游侧的密封。流体由外径侧最深一级台阶进入台阶槽，逐级向较浅的台阶流动，在台阶和各相邻槽间隔离部12的作用下，压力逐渐升高，当流体到达径向内侧的阻断结构14交界处时，流体压力可达到极大值。此种形式的结构使用最为广泛，可适用于各种压缩机、泵、风机等的密封。除上述形式外，根据需要，该台阶槽也可以开设在密封端面的内径侧，即其径向外侧端由具有端平面高度的阻断结构所封挡的非贯通槽，并使与密封端面具有最大深度距离h的台阶面位于槽的径向内侧端，即各台级阶的深度由内径侧向外径侧逐级变浅。该结构一般可适用于密封端面的内径侧为上游侧的上游泵送型密封中，特别是对泄漏量有特殊要求的一些泵、压缩机。此外，在特殊情况下，上述的台阶槽也可以采用为贯通其所在密封端面径向内外侧两端的贯通槽的形式。上述的实施例只涉及了单级密封结构。在实际使用过程中，密封的总体布局根据需要可有多种型式，如单端面密封、双端面密封、串联式密封(两级以上)、串联带中间迷宫(两级以上)，还可跟浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封型式组成组合式密封，其密封装置中均可以采用本发明上述台阶槽型的结构设计。
权利要求
1.具有定深比台阶槽端面密封环的机械密封装置，包括可随旋转轴(15)转动的旋转环(2)和固定于静止环座(3)上的静止环(1)，其轴向相对的端面为密封端面，至少在其中一侧密封端面上开设有经具有端平面高度的相同形式隔离部(12)分隔成均匀排布的浅槽(11)，其特征是各浅槽(11)的槽底由至少两个递次加深的台阶(13)构成，各台阶与其相邻上一台阶间的高度距离(Iii)和其台阶面至密封端面的深度距离Ui)应满足关系式(ti+CU/QO = m，式中的Ctl为密封环工作时密封端面的流体膜厚度，取值范围(Γ0. 03毫米，m为定比值系数，取值范围I. 7 2. O。
2.如权利要求I所述的机械密封装置，其特征是所说关系式中的m=l.866。
3.如权利要求I所述的机械密封装置，其特征是所说的浅槽(I)中与密封端面具有最大深度距离Ui)的台阶面位于槽的径向外侧端。
4.如权利要求I所述的机械密封装置，其特征是所说的浅槽(I)中与密封端面具有最大深度距离Ui)的台阶面位于槽的径向内侧端。
5.如权利要求I所述的机械密封装置，其特征是所说的浅槽(I)为其径向内侧端由具有端平面高度的阻断结构所封挡的非贯通槽。
6.如权利要求I所述的机械密封装置，其特征是所说的浅槽(I)为其径向外侧端由具有端平面高度的阻断结构所封挡的非贯通槽。
7.如权利要求I所述的机械密封装置，其特征是所说的浅槽(I)为贯通其所在密封端面径向内外侧两端的贯通槽。
8.如权利要求I至7之一所述的机械密封装置，其特征是所说各浅槽(I)中与密封端面具有相同深度距离Ui)台阶面的径向外侧边沿(16)，处于距密封端面旋转轴心具有相同半径的圆周上。
全文摘要
具有定深比台阶槽端面密封环的机械密封装置，包括可随旋转轴转动的旋转环和固定于静止环座上的静止环，其轴向相对的端面为密封端面，至少在其中一侧密封端面上开设有经具有端平面高度的相同形式隔离部分隔成均匀排布的浅槽。各浅槽的槽底由至少两个递次加深的台阶构成，各台阶与其相邻上一台阶间的高度距离和其台阶面至密封端面的深度距离应满足关系式(ti+C0)/(hi)＝m，式中的C0为密封环工作时密封端面的流体膜厚度，取值范围0~0.03毫米，m为定比值系数，取值范围1.7~2.0。相对于平底槽和斜底槽，本发明结构的机械密封装置在工作时，可具有更加显著的端面流体动压效应，并具有更大的承载能力和流体膜刚度。
文档编号F16J15/16GK102927282SQ20121044931
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者王和顺, 朱维兵, 董霖, 王良柱, 牛苗苗, 邬瓦尼, 李珂, 郑建科, 秦小屿, 陈华, 汪勇, 徐红, 黎玉彪, 陈坤 申请人:西华大学