专利名称：一种负压型槽端面机械密封结构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机械端面密封技术领域，特别涉及适用于各种压缩机、泵和釜等 旋转机械转轴的轴端密封装置，尤其涉及一种负压型槽端面机械密封结构。
背景技术：
干气密封是一种非接触机械密封，由于其在节能、环保、高可靠性等方面的优异性 能，逐渐成为机械密封发展的方向和大型设备设计时的首选密封方式。随着石化等行业的 快速发展，要求机械密封向高参数发展，具有更高的稳定性和可靠性以及更长的使用寿命。20世纪90年代以来，以约翰·克兰公司为代表的国内外密封公司相继推出了单 向螺旋槽、单向人字螺旋槽、单向Y形螺旋槽、单向L形螺旋槽、单向圆弧槽、双向T形槽、双 向U形槽、双向树形槽等端面形式的密封，实现了非接触机械密封形式，广泛应用于离心压 缩机和泵类转轴的轴端密封装置上。在上述槽型中，以螺旋槽的动压性能最好，即随着转速 的增加，密封开启力和流体膜刚度迅速增加，密封端面易开启形成非接触稳定运行，使得其 在目前的干气密封工程设计中应用最为广泛。但是，对于常见的密封槽型而言，由于密封气膜刚度随着转速的增加而迅速增加， 属于正压型槽型结构，在高速工况下易发生密封气膜扰动，抗干扰能力差，造成密封端面的 加速磨损，缩短使用寿命。此外，当干气密封应用于汽轮机等设备时，一般需要暖机过程，即 在低速下运行一定时间，然后再转为正常的高速运行。这不仅要求干气密封端面具有高速 下的稳定性，而且要求低速时密封端面能顺利开启，以满足设备的启动运转要求。
发明内容为了克服现有正压型槽结构在高速工况下易发生密封气膜扰动、抗干扰能力差、 易磨损、使用寿命短的缺点，本实用新型提供一种应用于高速工况，增强密封间隙稳定性， 低速开启性能好、减少端面接触磨损、可靠性高、使用寿命长的负压型槽端面机械密封结 构。本实用新型的技术方案是—种负压型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的 端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，其特征在 于所述动环或静环至少一个端面上开有依照旋转中心对称分布的负压槽型组，所述负压 槽型组的上游设有微孔环带，所述负压槽型组由间隔分布的螺旋形变倾角微孔动压槽和减 压槽组成，所述减压槽靠近动压槽末端，所述负压槽型组的下游设有光滑平面的环形密封 坝。进一步，所述动压槽由多个成螺旋形排布的动压微孔组成，所述动压微孔包括长 轴和短轴，所述长轴与通过该动压微孔中心的端面半径具有一定倾斜角度，所述动压微孔 倾斜角度沿微孔区上游至下游逐渐变小。进一步，所述微孔环带沿径向设有多个微孔。[0010]进一步，所述微孔环带微孔孔深范围为10 50 μ m，所述动压微孔长短轴比值范 围为广10，槽深范围为2 10 μ m，所述减压槽槽深范围为2 50 μ m。进一步，所述环形密封坝的径向宽度范围为0. 1 10 mm。本实用新型的微孔环带的微孔形状可为圆形、椭圆形、长方形、三角形等规则形 状；动压槽的微孔形状可以为椭圆形、长方形、三角型等规则图形，但须有明显的方向性； 减压槽的形状为圆形、长方形、菱形、弧形四边形等规则图形。本实用新型的工作原理上游高压产生的压力流首先进入微孔环带，微孔可以吸纳气体中含有的颗粒，可 以大大减少硬质颗粒的进入对密封间隙而导致端面摩擦损伤。由变倾斜微孔组构成的动压 槽可以产生微孔动压和宏观螺旋槽动压两种动压开启力。由于螺旋形槽良好的动压性能， 当气流在切向转速剪切作用下进入动压槽后，气体将沿着动压槽的螺旋方向流动和压缩， 在低速下动压槽也可以形成明显的动压开启力。当流体在剪切作用下继续进入动压槽末端 的减压槽后，由于流体容积突然增加，压力急剧降低，形成负压效应。由于减压槽与动压槽 存在一定间距，在低速下减压槽对动压槽压力影响较小。在高速工况下，动压槽动压效应形 成的高压分布沿切向方向的延伸受到减压槽限制不能持续增加，甚至出现负增长，即达到 一定速度时动压槽形成的动压开启力不会再明显增加甚至降低。另一方面，动压槽中的微 孔倾斜以后在速度剪切作用下使径向流体阻力减小导致密封上游高压向低压侧移动而形 成动压开启力，其强弱决定于微孔尺寸和倾斜角度。低速时动压槽中微孔的动压开启力不 明显，以动压槽宏观螺旋分布特征形成的动压开启力为主。当达到一定速度时，动压槽中微 孔的动压效应将变得明显。动压槽的微孔采用变倾角设计，动压槽前端微孔倾角较大，随着 动压槽螺旋方向微孔倾角逐渐减小，动压槽末端微孔倾角最小。动压槽前端的微孔动压效 应强，且远离减压槽不受负压效应的影响，产生的动压开启力会随速度的增加不断增加，而 动压槽末端微孔倾角小没有动压效应，且不同倾斜角度微孔的动压开启力随速度的增加强 度不同，有利于速度变化时保持动压开启性能的稳定。因此，螺旋形变倾角微孔动压槽和减 压槽共同作用可以使得密封端面在高速和低速下均具有良好的动压开启性能，并可控制高 速下的密封气膜刚度。 该密封结构的微孔环带和动压槽由微孔构成，由于微孔的孔深和孔径比较大形成 的密封间隙尺寸突变效应使得流进微孔的气体产生涡流，增加了气体的运动阻力和能量损 失，从而显著增大密封端面气膜的阻尼，减小密封振动，增强了密封端面的抗扰动能力，明 显改善密封间隙动态稳定性。密封工作时，动压槽提供微孔动压和宏观螺旋分布动压两种动压开启力，减压槽 可以平衡或减小宏观螺旋分布在高速时的动压开启力，从而可以实现高速和低速下密封端 面均具有明显的动压开启力，而又可抑制高速下气膜刚度的过快增加。端面的微孔结构可 以显著增大气膜阻尼、减小密封振动和防止颗粒磨损能力。在高速条件下，有效提高密封气 膜的抗干扰能力，保证密封端面的稳定性和随动性，减少端面间的接触磨损，实现高速端面 密封的稳定性和高可靠性。本实用新型的有益效果主要表现在1、密封端面上独特的动压槽和减压槽组 合设计，增强了密封在高速运转时的抗干扰能力，改善了高速密封端面在低速工况下的动 压开启能力；2、抗干密封扰能力的增强，进一步实现了密封端面的高速工况下的非接触稳定性，减少了端面接触磨损，延长了使用寿命；3、端面微孔结构增强了密封端面高速下的防 颗粒磨损能力，提高了密封的可靠性。
附图说 明
图1为本实用新型的端面结构示意图。图2为
图1中A部分的放大图。图3为本实用新型纵向剖视图。
具体实施方式
参照
图1-3，一种负压型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环5、静环6，所 述动环5和静环6的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环5和静环6的端面的另一侧为 低压侧即下游，所述动环5端面上开有依照旋转中心对称分布的负压槽型组，所述负压槽 型组的上游设有微孔环带1，所述负压槽型组由间隔分布的螺旋形变倾角微孔动压槽2和 减压槽3组成，所述减压槽3靠近动压槽2末端，所述负压槽型组的下游设有光滑平面的环 形密封坝4。所述动压槽2由多个成螺旋形排布的动压微孔21组成，所述动压微孔21包括长 轴和短轴，所述长轴与通过该动压微孔中心的端面半径具有一定倾斜角度，所述动压微孔 21倾斜角度沿微孔区上游至下游逐渐变小。所述微孔环带1沿径向设有多个微孔。所述微孔环带1微孔孔深范围为10 50 ym，所述动压微孔长短轴比值范围为 广10，槽深范围为2 10 μ m，所述减压槽3槽深范围为2 50 μ m。所述环形密封坝4的径向宽度范围为0. 1 10 mm。本实用新型的微孔环带的微孔1形状可为圆形、椭圆形、长方形、三角形等规则形 状；动压槽2的微孔形状可以为椭圆形、长方形、三角型等规则图形，但须有明显的方向性； 减压槽3的形状为圆形、长方形、菱形、弧形四边形等规则图形。本实用新型的工作原理上游高压产生的压力流首先进入微孔环带1，微孔可以吸纳气体中含有的颗粒，可 以大大减少硬质颗粒的进入对密封间隙而导致端面摩擦损伤。由变倾斜微孔组构成的动压 槽2可以产生微孔动压和宏观螺旋槽动压两种动压开启力。由于螺旋形槽良好的动压性 能，当气流在切向转速剪切作用下进入动压槽2后，气体将沿着动压槽2的螺旋方向流动 和压缩，在低速下动压槽2也可以形成明显的动压开启力。当流体在剪切作用下继续进入 动压槽末端的减压槽3后，由于流体容积突然增加，压力急剧降低，形成负压效应。由于减 压槽3与动压槽2存在一定间距，在低速下减压槽3对动压槽2压力影响较小。在高速工 况下，动压槽2动压效应形成的高压分布沿切向方向的延伸受到减压槽3限制不能持续增 力口，甚至出现负增长，即达到一定速度时动压槽2形成的动压开启力不会再明显增加甚至 降低。另一方面，动压槽2中的微孔倾斜以后在速度剪切作用下使径向流体阻力减小导致 密封上游高压向低压侧移动而形成动压开启力，其强弱决定于微孔尺寸和倾斜角度。低速 时动压槽中微孔的动压开启力不明显，以动压槽2宏观螺旋分布特征形成的动压开启力为 主。当达到一定速度时，动压槽中微孔的动压效应将变得明显。动压槽2的微孔采用变倾角设计，动压槽2前端动压微孔21倾角较大，随着动压槽2螺旋方向微孔倾角逐渐减小，动 压槽2末端动压微孔22倾角最小。动压槽2前端动压微孔21动压效应强，且远离减压槽 不受负压效应的影响，产生的动压开启力会随速度的增加不断增加，而动压槽2末端动压 微孔22倾角小没有动压效应，且不同倾斜角度微孔的动压开启力随速度的增加强度不同， 有利于速度变化时保持动压开启性能的稳定。因此，螺旋形变倾角微孔动压槽2和减压槽3 共同作用可以使得密封端面在高速和低速下均具有良好的动压开启性能，并可控制高速下 的密封气膜刚度。该密封结构的微孔环带1和动压槽2由微孔构成，由于微孔的孔深和孔径比较大 形成的密封间隙尺寸突变效应使得流进微孔的气体产生涡流，增加了气体的运动阻力和能 量损失，从而显著增大密封端面气膜的阻尼，减小密封振动，增强了密封端面的抗扰动能 力，明显改善密封间隙动态稳定性。该密封结构可以控制密封刚度和增大阻尼，改善密封动态特性，使该密封的抗干 扰能力或稳定性及在高速条件下的性能优于一般流体动压机械密封，并可满足低压启动和 高速运转对动压开启力的要求， 且具有良好的微孔防颗粒能力，使该密封的密封能力和可 靠性得到提高。本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新 型的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也 及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
权利要求1.一种负压型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的端 面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，其特征在于 所述动环或静环至少一个端面上开有依照旋转中心对称分布的负压槽型组，所述负压槽型 组的上游设有微孔环带，所述负压槽型组由间隔分布的螺旋形变倾角微孔动压槽和减压槽 组成，所述减压槽靠近动压槽末端，所述负压槽型组的下游设有光滑平面的环形密封坝。
2.根据权利要求1所述的一种负压型槽端面机械密封结构，其特征在于所述动压槽 由多个成螺旋形排布的动压微孔组成，所述动压微孔包括长轴和短轴，所述长轴与通过该 动压微孔中心的端面半径具有一定倾斜角度，所述动压微孔倾斜角度沿微孔区上游至下游 逐渐变小。
3.根据权利要求1或2所述的一种负压型槽端面机械密封结构，其特征在于所述微 孔环带沿径向设有多个微孔。
4.根据权利要求3所述的一种负压型槽端面机械密封结构，其特征在于所述微孔环 带微孔孔深范围为10 50 μ m,所述动压微孔长短轴比值范围为广10，槽深范围为2 10 μ m，所述减压槽槽深范围为2 50 ym0
5.根据权利要求4所述的一种负压型槽端面机械密封结构，其特征在于所述环形密 封坝的径向宽度范围为0. 1 10 mm。
专利摘要一种负压型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环和静环的端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环的端面的另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环至少一个端面上开有依照旋转中心对称分布的负压槽型组，所述负压槽型组的上游设有微孔环带，所述负压槽型组由间隔分布的螺旋形变倾角微孔动压槽和减压槽组成，所述减压槽靠近动压槽末端，所述负压槽型组的下游设有光滑平面的环形密封坝。本实用新型的有益效果增强了密封在高速运转时的抗干扰能力，改善了高速密封端面在低速工况下的动压开启能力；实现了密封端面的高速工况下的非接触稳定性，减少了端面接触磨损，延长了使用寿命；提高了密封的可靠性。
文档编号F16J15/16GK201916486SQ20102065323
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月11日 优先权日2010年12月11日
发明者孟祥铠, 彭旭东, 李纪云, 白少先, 盛颂恩 申请人:浙江工业大学