具有流線型槽端面的密封環(huán)及機(jī)械密封裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及端面流體密封元件及具有所述密封元件的端面密封裝置，具體的講是 具有流線型槽端面的密封環(huán)及使用該密封環(huán)的機(jī)械密封裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)械密封裝置和技術(shù)廣泛應(yīng)用于眾多的旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸向端面密封的應(yīng)用中，例如各 種型式的栗、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、分離機(jī)、反應(yīng)釜等旋轉(zhuǎn)類機(jī)器的軸端密封。目前已有報(bào)道和/ 或使用的流體端面非接觸式機(jī)械密封裝置的基本結(jié)構(gòu)中，通常包括有靜止環(huán)（靜環(huán)）、旋轉(zhuǎn) 環(huán)（動環(huán)）、靜環(huán)座、軸套、傳動銷、公差環(huán)、壓緊套、推環(huán)、彈簧、防轉(zhuǎn)銷等構(gòu)成組件。靜環(huán)和 動環(huán)共軸線相對設(shè)置，其相對的端面為密封面。靜環(huán)徑向空套在靜環(huán)座上，與靜止環(huán)座保持 相對靜止，其軸向由推環(huán)和彈簧浮動支撐，周向由防轉(zhuǎn)銷定位，使靜環(huán)只可沿軸向自由浮動 而不能隨軸旋轉(zhuǎn)。動環(huán)徑向由公差環(huán)脹緊在軸套的外圓柱面上，軸向與軸套的臺階面接觸 并被壓緊套軸向壓緊，周向由傳動銷與軸套固定在一起，使動環(huán)可隨軸套與旋轉(zhuǎn)軸一起同 步旋轉(zhuǎn)。
[0003] 機(jī)械密封目前可分為接觸式和非接觸式兩種。非接觸式機(jī)械密封根據(jù)其密封端面 流體膜開啟力的形成方式不同，又可大致分為動壓型和靜壓型兩種，當(dāng)然兩種類型的機(jī)械 密封端面開啟力構(gòu)成中都可能同時(shí)具有流體動壓力和靜壓力，區(qū)別是其中某一種類型的壓 力是構(gòu)成該密封開啟力的主要因素。動壓型非接觸式機(jī)械密封一般是利用介質(zhì)在密封面間 的流動形成充分的流體動壓效應(yīng)，以獲得足夠的流體膜開啟力和更高的流體膜剛度。端面 流體動壓效應(yīng)主要與密封面相對轉(zhuǎn)速、介質(zhì)粘度、密封面表面結(jié)構(gòu)相關(guān)，這其中密封面相對 轉(zhuǎn)速和介質(zhì)粘度往往是取決于使用密封機(jī)組的現(xiàn)場條件，技術(shù)上更多可改進(jìn)的是密封面表 面結(jié)構(gòu)。目前通常的密封面表面結(jié)構(gòu)設(shè)置措施是在其兩密封端面中的一側(cè)或兩側(cè)端面上， 開設(shè)有由具有端平面高度的相同形式隔離部分（堰區(qū)）分隔成均勻排布的型槽形式，其中 以等槽深的螺旋槽、"T"型槽、波形面的端面密封最為典型。如何增強(qiáng)端面流體的動壓效應(yīng)， 以增大端面流體膜承載能力和流體膜剛度，從而提升密封運(yùn)行穩(wěn)定性，最終延長使用壽命， 是非接觸式機(jī)械密封端面槽型研究的主要方向之一。
[0004] 傳統(tǒng)的槽型設(shè)計(jì)及研究過程中，一般是先設(shè)計(jì)一種槽型，然后選定一些密封的性 能指標(biāo)量，來對槽型結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期獲得最好的端面流體膜特性。其思路是先給 定槽型，然后再將該槽型參數(shù)和密封進(jìn)行關(guān)聯(lián)。這就使得槽型的設(shè)置不能主動、很好地與端 面流體膜的特性匹配，因而難以獲得最佳的端面流體動壓效應(yīng)，也就不能獲得更大的流體 膜剛度和開啟力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述情況，本發(fā)明提供了一種具有流線型槽端面的密封環(huán)及機(jī)械密封裝置， 以使端面流體膜具有更大的開啟力和更高的剛度及承載能力，具有更好的端面流體動壓效 應(yīng)，并且不增加現(xiàn)有工藝的加工難度。
[0006] 本發(fā)明具有流線型槽端面的密封環(huán)，基本結(jié)構(gòu)同樣是在所述端面上開設(shè)有由具有 端平面高度的相同形式的隔離部分隔成均勻排布的型槽。其中，所述的型槽為其中心線沿 密封流體質(zhì)點(diǎn)由密封環(huán)周邊向內(nèi)流動的流線軌跡設(shè)置的槽，型槽沿密封環(huán)圓周的開口弧長 與相鄰隔離部同圓周的弧長的比值范圍為0. 2~5,優(yōu)選的比值范圍為0. 8~1. 2。
[0007] 本發(fā)明中將密封端面上的型槽形狀根據(jù)密封流體在密封端面上的流線形運(yùn)動軌 跡來設(shè)計(jì)，其密封原理是使密封流體由槽開口沿流線型槽向槽根部逐步擠壓收縮，并最終 在槽根部形成很強(qiáng)的剪切及擠壓作用，從而形成顯著的流體動壓效應(yīng)。其流線型槽邊緣型 線的基本形狀由端面密封流體膜的流體軌跡確定，密封流體質(zhì)點(diǎn)沿周向作近似勻速圓周運(yùn) 動，沿徑向以速度與半徑成反比的規(guī)律運(yùn)動，周向及徑向運(yùn)動的合成即是密封流體質(zhì)點(diǎn)的 基本流線形狀。實(shí)驗(yàn)證明，在密封端面上設(shè)置與密封流體的流線形運(yùn)動軌跡相匹配的型槽， 能夠獲得比現(xiàn)有的對數(shù)螺旋槽或"T"形槽形成的端面流體膜具有更大的開啟力和更高的剛 度及承載能力，以及更加優(yōu)越的流體動壓效果，并且不會對現(xiàn)有的密封環(huán)加工工藝提出更 高的要求。所述的密封環(huán)可以為機(jī)械密封裝置上的動環(huán)和/或靜環(huán)。
[0008] 在上述基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，一種具體的結(jié)構(gòu)形式可以為，使所述型槽的邊緣型線 的極角9與極徑r之間的關(guān)系為
其中：0。為型線邊緣于型槽開口 處起點(diǎn)的初始極角，r。為型槽的邊緣型線于型槽開口處起點(diǎn)的半徑，h為軸向相對的兩密封 端面的平均間隙，Q為密封間隙內(nèi)介質(zhì)體積的泄漏量，co為兩密封端面相對旋轉(zhuǎn)的角速度。 假定密封端面是固定于一個平面坐標(biāo)系統(tǒng)中的，則每一個槽區(qū)的邊緣槽線都會對應(yīng)有一個 2.冗 e。，而相鄰兩個槽區(qū)同側(cè)的邊緣型線之間的％相差為--，其中n為槽數(shù)。 n
[0009] 上述結(jié)構(gòu)中，所述型槽的開口可以位于密封端面上流體膜的壓力上游側(cè)或壓力下 游側(cè)。其中，型槽的開口位于流體膜的壓力上游側(cè)時(shí)可增大密封端面流體膜的承載性能，使 用較為廣泛，而型槽的開口位于流體膜的壓力下游側(cè)時(shí)則可降低密封端面的流體泄漏量， 在需要栗送的地方可以適用。
[0010] 進(jìn)一步的，所述型槽為開口于密封端面的徑向內(nèi)側(cè)或徑向外側(cè)周面的非貫通槽 時(shí)，密封端面上開設(shè)有所述型槽部分的環(huán)區(qū)的徑向長度與未開設(shè)所述型槽部分的環(huán)區(qū)的徑 向長度之比一般可為0. 3~5,優(yōu)選范圍為0. 6~1. 5。
[0011] 根據(jù)不同的工況環(huán)境和要求，上述結(jié)構(gòu)中所述型槽的深度一般可以為〇. 002~10 毫米，優(yōu)選為〇. 002~0. 030毫米。例如，對于氣體非接觸式密封，其型槽深度的取值范圍可 以為0. 002~0. 012毫米；對于液體非接觸式密封其型槽深度的取值范圍可以為0. 008~ 0. 030毫米；對于熱變形端面密封，其型槽深度的取值范圍則可為數(shù)毫米。
[0012] 上述結(jié)構(gòu)中，密封端面上開設(shè)的所述型槽的數(shù)量，可根據(jù)不同工況條件和需要而 定。一般情況下，沿密封端面圓周均勻設(shè)有<25個型槽即已滿足需要。如果型槽的數(shù)量進(jìn) 一步增加，對密封效果的改變已不明顯了。而從動壓效果及加工工藝性方面綜合而言，密封 端面上的型槽數(shù)量可優(yōu)選為8~18個。
[0013] 本發(fā)明上述結(jié)構(gòu)的密封環(huán)能具有廣泛的適用性，例如可以根據(jù)需要設(shè)置為多種密 封型式的布局，如單端面密封、雙端面密封、串聯(lián)式密封（兩級以上）、串聯(lián)帶中間迷宮（兩 級以上），還可跟浮環(huán)密封、碳環(huán)密封、迷宮密封等其它密封型式組成組合式密封結(jié)構(gòu)。
[0014] 在上述結(jié)構(gòu)密封環(huán)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明進(jìn)一步還提供了一種具有流線型槽端面的機(jī) 械密封裝置。該裝置的結(jié)構(gòu)中同樣包括可隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)環(huán)和與靜止環(huán)座保持相對靜 止的靜止環(huán)，其軸向相對的端面為密封端面。其中，所述旋轉(zhuǎn)環(huán)和靜止環(huán)中的至少一個為上 述結(jié)構(gòu)的密封環(huán)。
[0015] 進(jìn)一步，該密封裝置中所述的旋轉(zhuǎn)環(huán)與靜止環(huán)的密封端面間未開設(shè)所述型槽的區(qū) 域間的端平面間隙為〇~〇. 025毫米，具體可根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮各種因素對端平面間 隙進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。例如，對于普通機(jī)械密封，兩個密封端面基本處于無間隙的直接接觸狀 態(tài)；對于氣體非接觸式密封端面的間隙通常約〇. 002~0. 005毫米；而對于某些液體膜非 接觸式機(jī)械密封其端面間隙一般約為0. 01~0. 025毫米。
[0016] 實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明的開設(shè)有流線型槽端面的密封環(huán)及采用該結(jié)構(gòu)密封環(huán)的機(jī)械密 封裝置，可以在現(xiàn)有的加工工藝基礎(chǔ)上，極大幅度提高端面流體膜在密封端面上具有更大 的開啟力和剛度及承載能力，明顯具有比傳統(tǒng)密封端面更好的端面流體動壓效應(yīng)。
[0017] 以下結(jié)合實(shí)施例的【具體實(shí)施方式】，對本發(fā)明的上述內(nèi)容再作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。 但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思 想情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包括在本發(fā) 明的范圍內(nèi)。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明具有流線型槽端面密封環(huán)的密封端面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2為