專利名稱：一種可實現(xiàn)零磨損和零泄漏且防固體顆粒的機械密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及端面機械密封機構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種可實現(xiàn)零磨損和零泄漏且防固體顆粒的新型機械密封結(jié)構(gòu)，目的在于獲得更強的流體泵送能力和更大的流體動壓效果，從最大程度上減少密封環(huán)端面的磨粒磨損。
背景技術(shù)：
機械密封是一種廣泛應(yīng)用于航空航天，國防軍工，核能發(fā)電等高新技術(shù)領(lǐng)域以及石油、石化和化工等領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)軸軸向端面密封裝置，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對機械密封提出了更高的要求，特別是為了適應(yīng)高溫高壓高速的苛刻條件的要求，提出了用于密封液體介質(zhì)的上游泵送機械密封；近年來，由于上游泵送機械密封的研究主要是圍繞“減少泄漏量”和“提高動壓效”的目標(biāo)來改進(jìn)密封端面的形貌。中國專利96216242. 6公開了一種雙環(huán)帶螺旋槽機械密封，這種機械密封是在密封環(huán)中間開設(shè)有螺旋槽，在內(nèi)外徑處各有一個密封壩，這樣可以在一定程度上增加流體膜的承載能力，但動壓效應(yīng)還是較弱；以色列教授 Etsion.1 在 Model for mechanical seals with regularmicrosurface structure.Tribology transactions, 39(3) :677— 683 (1996) 一一文中提出了表面具有圍觀凹腔的機械密封，通過理論計算和實驗研究發(fā)現(xiàn)，微觀凹腔有利于產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)，所以這類機械密封在改善潤滑，提高流體膜剛度方面效果明顯，但是這種微凹腔不能產(chǎn)生泵送效應(yīng)，所以無法解決減少泄露問題；中國專利200710067282. 7涉及一種變分布多孔端面機械密封結(jié)構(gòu)，包括機械密封的動環(huán)和靜環(huán)，在所述動環(huán)或靜環(huán)中至少一個密封端面上開有微孔，所述微孔大小不等，在密封端面上呈中心對稱分布，此機械密封在一定程度上增加流體膜的耐壓性、耐磨性和收斂性，從而提高了流體膜的動壓效果，但是其動壓效果增加效果緩慢，泵送能力較弱，尤其對于開機時干摩擦問題的改善效果甚微，另外根據(jù)實驗驗證密封端面全布孔沒有密封端面部分布孔時產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)強；中國專利200510038704. 9公開了一種槽腔相互結(jié)合的端面機械密封，這種機械密封是在機械密封的動環(huán)或者是靜環(huán)上開設(shè)具有一定分布位置的微觀潤滑腔和一定形式的宏觀泵送槽，這兩種造型的結(jié)合使得機械密封的流體動壓效應(yīng)和上游泵送效應(yīng)更為顯著，適用于一切液體介質(zhì)用機械密封，主要優(yōu)點是將微觀的潤滑腔和宏觀的泵送槽相結(jié)合，解決了密封的泄露和潤滑減磨問題，但對于改善在開機時的潤滑狀況效果不夠明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了避免上述技術(shù)中的不足而提出的一種新型的機械密封結(jié)構(gòu)，它主要是針對現(xiàn)有流體動壓型機械密封所存在的問題如防泄漏能力(上游泵送能力)較弱，動壓效應(yīng)不突出，開機時存在干摩擦問題等而發(fā)明的具有更強的上游泵送能力，更好的動壓效果，理想的防固體顆粒能力，良好的瞬間開啟和停車密封性能的新型無泄漏非接觸式機械密封，能同時兼顧提高潤滑冷卻效果，降低熱變形，提高密封環(huán)的運行穩(wěn)定性。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的主要涉及機械密封的動環(huán)，其主要技術(shù)特點是在密封動環(huán)的密封端面上開設(shè)軸向橫截面為翼型輪廓線組成的翼型槽和沿密封端面周向和半徑方向呈間斷扇形分布的微孔。翼型槽的內(nèi)徑rl大于密封環(huán)的內(nèi)徑R1，翼型槽的外徑r2小于密封環(huán)的外徑R2，從而形成具有雙密封壩的流體動壓槽端面，軸向橫截面為翼型的翼型槽位于密封動環(huán)中間，所開槽數(shù)N為12 30個，槽的深度H為5 30um，翼型輪廓線為NACA系列翼型以及圓弧翼型當(dāng)中的任何一種翼型輪廓線，沿密封端面周向和半徑方向呈間斷扇形分布的微孔分布于密封壩區(qū)或分布于密封堰區(qū)，其周向開孔長度比α =0. 3 O. 5，徑向開孔長度比β =0. 45 O. 85,所開微孔的深度h為5 30um,所開微孔半徑r為20 50um,微孔深徑比ε不小于0.1，所開微孔為矩形或圓弧截面微孔，密封端面上呈間斷扇形分布的微孔欄數(shù)m為12 38。
該結(jié)構(gòu)各工藝參數(shù)按以上取值，各工藝參數(shù)在此取值范圍內(nèi)可使得該結(jié)構(gòu)機械密封達(dá)到理想的流體動壓效應(yīng)和上游泵送效應(yīng)。這種密封環(huán)表面同時開設(shè)有軸向橫截面為翼型輪廓線組成的流體動壓槽和沿密封端面周向和半徑方向呈間斷扇形分布的微孔的機械密封結(jié)構(gòu)適用于任何液體介質(zhì)的密封。本發(fā)明的效果主要是在機械密封的動環(huán)上開設(shè)軸向橫截面為翼型輪廓線組成的翼型槽，槽與槽之間的密封堰相當(dāng)于泵葉片，當(dāng)機械密封旋轉(zhuǎn)時，動環(huán)端面的泵葉片隨之旋轉(zhuǎn)，整個動環(huán)端面相當(dāng)于一個具有高效做功能力(泵送能力)的“泵”，將從密封端面由高壓側(cè)泄露至低壓側(cè)的流體泵送回高壓側(cè)，同時直徑小于端面流體膜厚度的固體顆粒在離心力作用下向外運動，從而有效防止了固體顆粒進(jìn)入密封端面；通過沿周向和半徑方向呈間斷扇形分布的微孔“富集效應(yīng)”更大程度的加強流體動壓效應(yīng)，有效改善了開機時的潤滑狀況，從而使這種新型機械密封的流體動壓效應(yīng)和泵送效應(yīng)更加顯著，這樣在達(dá)到零泄漏的同時更大程度的提高了密封的承載能力，大大增強了機械密封環(huán)的運行穩(wěn)定性，防固體顆粒能力明顯提高，潤滑效果明顯改善，極大地延長了機械密封的使用壽命。


附圖1為本發(fā)明動環(huán)端面結(jié)構(gòu)示意附圖2為本發(fā)明動環(huán)端面尺寸結(jié)構(gòu)示意附圖3為本發(fā)明動環(huán)端面A-A視附圖4本發(fā)明局部放大圖B;
附圖5本發(fā)明局部放大圖C ;
附圖6為機械密封的工作原理附圖6的圖面說明如下
I一密封靜環(huán)；2 —密封動環(huán)；3 —傳動銷；4一彈簧；5 —彈簧座；6 —緊定螺釘7—傳動螺釘；8—動環(huán)O形圈；9—靜環(huán)O形圈；10—防轉(zhuǎn)銷；11—壓蓋；12—推環(huán)；13—軸
符號說明
周向開孔長度比α = LI / L2 ;
徑向開孔長度比β = ( R2 — rl ) / ( R2 — Rl );微孔深徑比ε = h / 2r。
具體實施例方式本發(fā)明可采用激光加工方式來實現(xiàn)密封環(huán)表面的設(shè)計方案，激光加工技術(shù)日趨成熟且容易控制，可實現(xiàn)對所需形貌的加工。在機械密封動環(huán)上開設(shè)關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心對稱的沿周向和半徑方向呈間斷扇形分布的微孔和關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心對稱分布的軸向橫截面為翼型輪廓線組成的翼型槽，如圖1所示；微孔和翼型槽的開設(shè)可按下述步驟進(jìn)行首先，在密封環(huán)的所有區(qū)域開設(shè)間斷扇形分布的微孔，這些微孔的微孔深度h為5 30um，微孔的半徑r為20 50um，其周向開孔長度比α為O. 3 O. 5，徑向開孔長度比β為O. 45 O. 85，如圖5所示；然后，在密封環(huán)的中間區(qū)域內(nèi)開設(shè)軸向橫截面為翼型輪廓線組成的翼型槽，槽的深度H為(f 1.1) h，這樣在翼型槽的區(qū)域，翼型槽會覆蓋預(yù)先開設(shè)的微孔，實現(xiàn)微孔和翼型槽相結(jié)合的密封端面形貌，所開翼型槽關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心對稱分布，槽的個數(shù)N為12 30個，槽的深度H為5 30um ;由于開 設(shè)在密封動環(huán)上，軸向橫截面為翼型輪廓線組成的翼型槽的傾斜方向和動環(huán)的旋轉(zhuǎn)方向相反，如圖1所示；密封環(huán)的工作過程如圖6所示，當(dāng)主機啟動后，旋轉(zhuǎn)軸通過緊定螺釘6帶動彈簧座5回轉(zhuǎn)，而彈簧座5則通過傳動螺釘7和傳動銷3帶動彈簧4，推環(huán)12，動環(huán)密封O形圈8和密封動環(huán)2 —起旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生密封動環(huán)2和密封靜環(huán)I的相對回轉(zhuǎn)運動和良好的貼合接觸，這樣，帶有一定壓力的粘性流體介質(zhì)進(jìn)入密封動環(huán)2和密封靜環(huán)I的端面間，由于機械密封的動環(huán)上開設(shè)有軸向橫截面為翼型輪廓線組成的翼型槽，槽與槽之間的密封堰相當(dāng)于泵葉片，當(dāng)機械密封旋轉(zhuǎn)時，動環(huán)端面的泵葉片隨之旋轉(zhuǎn)，整個動環(huán)端面相當(dāng)于一個具有高效做功能力(泵送能力)的“泵”，將從密封端面由高壓側(cè)泄露至低壓側(cè)的流體泵送回高壓側(cè)，同時直徑小于端面流體膜厚度的固體顆粒在離心力作用下向外運動，從而有效防止了固體顆粒進(jìn)入密封端面，上游泵送效應(yīng)和動壓效應(yīng)顯著體現(xiàn)；通過沿周向和半徑方向呈間斷扇形分布的微孔“富集效應(yīng)”更大程度的加強流體動壓效應(yīng)，流體動壓效應(yīng)使流體膜產(chǎn)生軸向的開啟力，此開啟力通過平衡由密封介質(zhì)壓力和彈簧力所構(gòu)成的閉合力，使兩密封端面分離，有效改善了開機時的潤滑狀況，實現(xiàn)非接觸、零泄漏。本實施例為說明本發(fā)明其槽型形狀和分布位置，微孔分布位置都不受限制，可以是發(fā)明內(nèi)容中所提到的一切情形。
權(quán)利要求
1.一種可實現(xiàn)零磨損和零泄漏且防固體顆粒的機械密封結(jié)構(gòu)，包括機械密封的動環(huán)和靜環(huán)，其特征在于所述動環(huán)的密封端面上開設(shè)有關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心對稱分布的軸向橫截面為翼型輪廓線組成的翼型槽和關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心對稱的沿周向和半徑方向呈間斷扇形分布的微孔，所述動環(huán)密封端面的上游和下游各設(shè)有一連續(xù)的環(huán)形密封壩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實現(xiàn)零磨損和零泄漏且防固體顆粒的機械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于所述動環(huán)的密封端面的翼型槽的內(nèi)徑rl大于密封環(huán)的內(nèi)徑R1，翼型槽的外徑r2小于密封環(huán)的外徑R2，從而形成具有雙密封壩的流體動壓槽端面；翼型槽位于密封動環(huán)中間，槽數(shù)N=12 30個，槽的深度H為(f1. l)h，h為微孔深度，槽的深度H=5 30um ;翼型槽的傾斜方向和動環(huán)的旋轉(zhuǎn)方向相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實現(xiàn)零磨損和零泄漏且防固體顆粒的機械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于所述翼型輪廓線為NACA系列翼型以及圓弧翼型當(dāng)中的任何一種翼型輪廓線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實現(xiàn)零磨損和零泄漏且防固體顆粒的機械密封結(jié)構(gòu)，其特征在于所述微孔為矩形或圓弧截面，分布在密封壩區(qū)或分布在密封堰區(qū)，微孔欄數(shù)m=12 38，其周向開孔長度比α =0.3 O. 5，徑向開孔長度比β =0. 45 O. 85，所開微孔深度h=5 30um,所開微孔半徑r=20 50um,微孔深徑比ε不小于O.1,從上游到下游微孔面積密度沿徑向逐漸增大。
全文摘要
本發(fā)明是一種可實現(xiàn)零磨損和零泄漏且防固體顆粒的機械密封結(jié)構(gòu)，包括機械密封的動環(huán)、靜環(huán)，所述動環(huán)密封端面上開設(shè)有關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心對稱分布的軸向橫截面為翼型輪廓線組成的翼型槽，槽與槽之間形成密封堰，密封端面的上游和下游各設(shè)有一連續(xù)的環(huán)形密封壩，并且在密封端面的非槽區(qū)開設(shè)有關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心對稱的沿周向和半徑方向呈間斷扇形分布的微孔。該密封結(jié)構(gòu)可適用于一切液體介質(zhì)的機械密封應(yīng)用領(lǐng)域，特別適用于高溫，高壓，高速，含固體微粒介質(zhì)等苛刻的工作條件。
文檔編號F16J15/40GK103016743SQ20121053635
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者陳匯龍, 鄧志丹, 蔡盛川, 何秀華, 韋丹丹 申請人:江蘇大學(xué)