具有组合槽端面的密封环及机械密封装置的制作方法

本发明涉及端面流体密封中具有组合槽端面的密封环，以及具有该组合槽端面密封环的机械密封装置。

背景技术：

机械密封技术以其优越的性能已广泛应用于众多的旋转机械轴向端面密封的应用中，例如各种型式的泵、压缩机、膨胀机、分离机、反应釜等旋转类机器的轴端密封。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的基本结构中，通常包括有静止环（静环）、旋转环（动环）、静环座、轴套、传动销、公差环、压紧套、推环、弹簧、防转销等构成组件。静环和动环共轴线相对设置，其相对的端面为密封面。静环沿径向空套在静环座上，与静止环座保持相对静止，其轴向由推环和弹簧浮动支撑，周向由防转销定位，使静环只可沿轴向自由浮动而不能随轴旋转。动环以径向由公差环胀紧在轴套的外圆柱面上，轴向与轴套的台阶面接触并被压紧套轴向压紧，周向由传动销与轴套固定在一起，使动环可随轴套与旋转轴一起同步旋转。

机械密封按密封面是否接触，可分为接触式和非接触式两种，其中又以非接触式具有更高的稳定性和更长的使用寿命。非接触式机械密封的一种典型方式是利用介质在密封面间的流动形成流体动压效应，以获得足够的流体膜开启力和足够高的流体膜刚度，从而使两密封端面被流体膜分开，实现非接触式运转。端面流体动压效应主要与密封端面的表面结构、密封面相对转速、介质粘度相关，这其中密封面相对转速和介质粘度往往是取决于使用密封机组的现场条件，技术上更多可改进的是密封端面的表面结构。目前通常的密封端面表面结构设置措施是在静环和动环相对的两密封端面中的一侧或两侧端面上，开设有由具有端平面高度的相同形式隔离部分（堰区）分隔成均匀排布的型槽形式，其中以等槽深的螺旋槽、“T”型槽的端面密封最为典型。如何设计出更好的密封面表面结构，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端面槽型研究的主要方向之一。

技术实现要素：

本发明首先提供了一种用于机械密封装置的具有组合槽端面的密封环，以及具有该组合槽端面密封环的机械密封装置。

本发明具有组合槽端面的密封环，是在密封环的密封端面上由具有端平面高度的隔离部分（密封堰）隔成均匀排布的型槽单元，各型槽单元中包括有长、短两个槽。其中：

——两个槽相邻开口于密封环的同侧周缘部，其中短槽开口弧长对应的密封环中心的圆心角与长槽开口弧长对应的密封环中心的圆心角之比为1.3~0.8。比值过大会降低长槽的周向宽度，使长槽区域的动压效应下降；比值太小，不利于在小间隙状态下引入较多介质到密封面间，同样会导致动压效应不能显著提升；

——短槽和长槽在密封端面上延伸的槽的端面分别处于密封环不同半径的圆周处，且短槽的延伸槽端面与所邻长槽的侧壁相交叠。例如，当两个槽中的短槽处于旋转方向的背风位置时，则其在密封端面上延伸的槽端面与长槽背风侧的槽壁相交叠；若两个槽中的短槽处于旋转方向的迎风位置时，则其在密封端面上延伸的槽端面与长槽迎风侧的槽壁相交叠；

——两个槽中处于旋转方向的背风位置的槽的轴向深度为2~30微米，处于迎风位置的槽的轴向深度为1~15微米，且背风位置槽的轴向深度大于迎风位置槽的轴向深度，其中优选的背风位置的槽轴向深度与迎风位置的槽的轴向深度之比是3~1.2。

上述密封环的结构中，密封环的外径与内径间的径向长度为密封端面的径向长度；开口于密封环的周缘部并在密封端面上延伸的型槽单元中的长短两个槽，由其各自的周缘槽口至各自在密封端面上延伸的槽端面间的径向距离，为其各自槽的径向长度。其中，长槽的径向长度与密封环的密封端面径向长度之比优选的是0.3~0.8。此比值如果过小，则流入槽区的介质流量少，不利于形成充分的流体动压；比值过大，则密封端面上无槽区的径向长度较小，不利于有效阻止介质的泄漏。

另一方面，短槽的径向长度与长槽的径向长度之比可优选为0.4~0.6。此比值过小，不利于介质流入槽区以形成流分的流体动压；若比值过大，亦不能有效提升流体动压，同时还会引起泄漏量的增加。

在密封端面上，由于所述型槽单元中短槽的延伸槽端面与所邻长槽的侧壁相交叠，因此通过改变或调整其交叠程度，也可达到改变和调整介质在密封间隙的流动状态及动压效应的目的。其中，所述短槽在长槽所邻侧壁交叠部分的槽延伸端面弧长的圆心角与短槽开口弧长的所述圆心角之比，可优选为0.3~0.6。如果交叠程度过大，即此比值大，使介质在两槽交界处的介质流通时过流面的减小量受到影响，不利于获得充分的挤压效应，从而影响动压效应，反之，又会降低进入长槽介质的总量，影响长槽迎风侧及槽底介质的动压效应。

在上述密封环的型槽单元中，对所述的长、短两个槽的位置，可根据具体密封要求的不同而设置。其中，将长槽设于迎风位置的槽，短槽为处于背风位置的槽，可作为一种常用的优选方式。

同样，根据具体设备和/或密封需要，所述型槽单元中的两个槽可以开口于密封环的外侧周缘部或内侧周缘部。其中，常用的是两个槽均开口于密封环外侧周缘部的形式，即型槽单元设置在密封端面的径向外侧部位中。此时，型槽单元中的两个槽在密封端面上延伸的槽端面与密封环内周缘间，则为具有端平面高度的密封端面（密封坝）；反之亦然。

密封端面上型槽的设置数量会影响密封端面的流体动压效应，且随着槽数的增大，开启力、泄漏量和液膜刚度通常会先迅速增大，而后增加缓慢并渐趋平稳。因此一般情况下，在满足各方面要求的前提下，增加密封端面中上述型槽单元的设置数量，有利于提高密封性能。但综合满足需要及加工成本等因素，所述型槽单元在密封端面上设置的数量一般至少为6个，优选的数量为6~30个。

就所述型槽单元中的长、短两个槽而言，并没有特别的要求，都可以采用目前已有报道和/使用的常规形式的槽。由于密封端面上所设置的槽型不同，对密封状态下的流体动压效应、开启力、泄漏量、液膜刚度等因素的影响，以及所适用的设备和/或工况条件等都有所不同。尽管对型槽单元中的长、短两个槽的可以根据需要分别选择而无需有特别的限定或要求，但可以理解的是，两个槽槽型间的差异越大，对密封效果的各种影响因素也会更加复杂或掌控。因此一般情况下，在同一型槽单元中的长、短两个槽，优选为同类型的槽，例如同为螺旋槽、直线槽、圆弧型槽等，即使为适应或满足特定的设备和/或工况等需要而采取不同类型槽进行组合，也优先采用槽型相近的槽相互组合（如螺旋槽与圆弧槽等）。

具体设计时，根据对密封的实际要求，可以先按常规方式确定型槽单元中两个槽中的一个后，再根据另一个槽的常规方式及上述的两个槽间的相关参数关系，得到另一个槽。以两个槽均为螺旋槽为例，按照螺旋槽边缘型线的常规公式①，可以先设计出型槽单元中的长槽（或短槽），再按照该公式并根据两个槽间上述的相关参数关系范围，即可得到与之相邻设置的短槽（或长槽）：

①。

公式①中的r为极坐标中对数螺旋线的极半径（r_i≤r≤r₀），r_i为对数螺旋线的基圆即密封环内圆的半径，φ为对数螺旋线起始处的极角（0~180°），θ为对数螺旋线极角（可根据需要确定），β为螺旋角（可根据需要确定）。

在上述具有组合槽密封环的基础上，本发明进一步提供了一种具有组合槽密封环的机械密封装置，其基本结构与目前的同类机械密封装置相同，都具有共轴线相对设置的静止环和旋转环，其相对的端面间为密封端面，静止环周向上由防转销与静环座相互定位，并经轴向设置的弹簧和推环浮动支承在静环座中；旋转环可经轴套与轴作传动连接。其中，所述的静止环和旋转环中的至少一个，采用的是上述在密封端面上设置有所述型槽单元的组合槽端面密封环。

计算表明，采用本发明上述具有组合槽密封环的机械密封装置，能显著提高密封端面流体膜的动压效应，使密封端面上具有更大的开启力、刚度及承载能力，特别在小间隙状态下（间隙小于3微米），明显具有比传统密封端面更好地流体膜特性，有效增大了端面流体动压效应。

本发明上述结构的密封环及其使用该密封环的机械密封装置，具有广泛的适用性。例如，可以根据需要设置为多种密封型式的布局，包括单端面密封、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）等，还可以与浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封型式组成为组合式密封结构应用。

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。

附图说明

图1是使用本发明具有组合槽端面密封环的一种机械密封装置的结构示意图。

图2是图1中密封环的型槽单元在密封端面上的一种排布状态示意图。

图3是图2密封端面中的一个型槽单元区域的放大结构示意图。

具体实施方式

图1所示的是采用本发明具有组合槽端面密封环的一种机械密封装置。与目前常规的机械密封装置的结构一样，具有共轴线相对设置的静止环5和旋转环7，其相对的端面间为具有间隙h₀的密封端面。h₀一般可为0~0.025毫米，具体可根据实际情况综合考虑进行调整。例如，对于普通机械密封，两密封端面基本处于直接接触的无间隙状态；对于气体非接触式密封端面的无槽区间隙h₀通常约为0.002~0.005毫米；对于某些液体膜非接触式机械密封的端面无槽区间隙h₀一般约为0.01~0.025毫米。静止环5周向上由防转销14与静环座8相互定位，并经轴向设置的弹簧13和推环12浮动支承在静环座8中；旋转环7经传动销10与轴套9及轴11作传动连接。其中的静止环5和/或旋转环7为在密封端面的外周侧均匀排布有6~30个（例如12个）由长槽2和短槽1共同组成的型槽单元6的组合槽端面密封环。

图2和图3是图1中具有组合槽端面密封环的一种结构形式。密封环的内半径r4为60mm，外半径r1为81mm。在密封环的密封端面上由具有端平面高度的隔离部（密封堰）3分隔成均匀排布的相同结构的型槽单元6，各型槽单元6中包括有均采用螺旋槽型的长槽2和短槽1，且短槽1处于旋转方向的背风位置，长槽2处于迎风位置。两个槽相邻开口于密封环的外侧周缘部，且短槽1开口弧长AB对应的密封环中心的圆心角θ₁与长槽2开口弧长BC对应的密封环中心的圆心角θ₂之比，为θ₁:θ₂=1。短槽1和长槽2在密封端面上延伸的槽的端面分别处于密封环不同半径r2（r2=76mm）和r3（r3=71mm）的圆周处，且短槽1的延伸槽端面与所邻长槽2的侧壁15相交叠。短槽1在长槽2所邻侧壁15交叠部分的槽延伸端面弧长DE的圆心角θ₃与短槽1开口弧长AB的所述圆心角θ₁之比，为θ₃:θ₁=0.4。两个槽在密封端面上延伸的槽的端面与密封环的内周缘间为具有端平面高度的密封端面（密封坝）4。

两个槽由其周缘开口至各自在密封端面上延伸的槽端面间的径向距离分别为该槽的径向长度。其中短槽1的径向长度与长槽2的径向长度之比的范围为0.5，且长槽2的径向长度与密封端面的径向长度之比为0.48。

所述两个槽中，处于背风位置的短槽1的轴向深度h_g1为10微米，槽2的轴向深度h_g2为5微米。

具体设计时，根据对密封参数/条件的实际要求，可按照上述螺旋槽边缘型线的公式①设计得到两个槽中的长槽2（或短槽1），再根据公式①和两槽间上述的参数关系要求，得到相应的短槽1（或长槽2）。公式①中的相关参数同上，其中的极半径为r_i≤r≤r₀，对数螺旋线起始处的极角φ为0~180°，对数螺旋线极角θ可根据具体要求确定，螺旋角β为5°～30°。

与同类型尺寸参数规格的普通螺旋槽的对比计算结果显示，当密封面间隙为1微米时，采用具有组合槽端面密封环的本例密封面间的介质开启力，可比普通螺旋槽增大约90%，流体膜刚度约增大900%；当密封面间隙为2微米时，本发明组合槽的密封面介质开启力可比普通螺旋槽约增大约60%，流体膜刚度约增大650%。表明了本发明具有组合槽端面的密封环能有效增大端面流体的动压效应，特别是在小间隙密封时，本发明具有组合槽端面的密封环对流体膜刚度和开启力的提高能具有更大的优势。