端面密封组件的制作方法

1.本发明涉及机械密封技术领域，尤其是涉及一种端面密封组件。


背景技术：

2.机械密封端面结构在各种旋转式流体机械中是基础的关键部件。机械密封是在垂直于旋转轴线的端面流体压力和补偿元件的作用及辅助密封的共同作用下，保持密封环贴合且相对滑动，构成的流体泄漏少的装置。普遍的机械端面密封，对于气体介质和液体介质的密封，均有相对成熟的密封端面和结构设计。随着密封技术的发展和密封应用介质的延伸，对于在密封两侧因压力和温度的不同而可能发生相变的介质应用，相关的设计还存在不足和空白。此类应用场景基本上是介质在密封腔体内，处于一定的温度和压力的状态下而保持液态，而在密封之外的条件下，则会变为汽相。所以，在密封端面上通常会发生相变，如果不采取针对性的设计对相变进行控制，密封则不能有效工作，甚至出现失效或者事故。对于这种情况，较常见的是接触式的机械端面密封，其端面不设置任何槽型，基本为平端面。这种设计的弊端是密封端面磨损较大，寿命相对较短，故而也有一些设计采用锥度和局部深槽的非接触式端面密封，目的是利用流体静压效应提高开启力，进而改善摩擦磨损情况。但是此类的静压型密封的可控设计参数较少，并且往往泄漏率较高。还有一些端面设计是利用流体动压效应，往往是依据端面的旋转方向，设置动压浅槽，如几微米到几十微米深度的螺旋形浅槽，可以兼顾摩擦磨损改善和泄漏率的控制两方面的优势。但是动压槽都具有方向性，旋转方向不定的情况，甚至在低速的情况下动压槽的优势会随之失效，同时浅槽的加工成本也比较高。本技术旨在设计一种端面密封组件，以解决上述问题。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种端面密封组件，可改善密封间隙内的压力分布，控制相变发生的潜在位置，减小密封的端面比压，提高密封承载力，在低速运转和启停阶段也可以保护端面，减少不必要的磨损。
4.根据本发明实施例的端面密封组件，包括：第一密封环，所述第一密封环形成有第一端面；第二密封环，所述第二密封环形成有与所述第一端面正对的第二端面，所述第一端面与所述第二端面之间形成由高压侧向低压侧延伸的密封间隙；其中，所述第一端面与所述第二端面中的至少一个上形成有周向槽，所述第一端面与所述第二端面中的至少一个上形成有径向槽，所述周向槽与所述径向槽均位于高压侧与低压侧之间以控制所述密封间隙内流体相变的潜在位置。
5.本发明所涉及的端面密封组件，端面外侧的流体沿径向槽流入端面间隙，并且通过周向槽，将周向槽以外的全部区域都保持在较高的压力下，使密封实际的端面比压减小，提高了密封的承载力，同时，周向槽能够避免流体局部压力降低到流体的饱和蒸气压之下发生相变，从而限制相变发生的潜在位置，有效降低汽化区域在整个密封间隙所占的比例，
提高密封效果，除此之外，本发明所提出的端面密封组件在低速运转和启停阶段也有更好的表现，保护端面，减少不必要的磨损。
6.根据本发明的一些实施例，所述径向槽位于所述周向槽的高压侧。
7.根据本发明的一些实施例，所述径向槽构造为多个，且多个所述径向槽在所述第一端面和/或所述第二端面的周向上间隔布置，多个所述径向槽分别与所述周向槽连通。
8.根据本发明的一些实施例，所述周向槽包括多个在周向上间隔布置的连接段，每个所述连接段与一个或多个所述径向槽连通。
9.根据本发明的一些实施例，所述周向槽构造为在环绕第一密封圈旋转中心的波浪状，每个所述径向槽与所述周向槽的径向最靠近高压侧的一端连通。
10.根据本发明的一些实施例，所述径向槽包括：第一径向槽，所述第一径向槽构造为邻近高压侧的多个，多个所述第一径向槽在周向上间隔布置；第二径向槽，所述第二径向槽构造为邻近低压侧的多个，多个所述第二径向槽在周向上间隔布置，所述第一径向槽与所述第二径向槽在周向上交错布置。
11.根据本发明的一些实施例，所述周向槽构造为多个，多个所述周向槽构造为环绕所述第一密封圈旋转中心的同心圆。
12.根据本发明的一些实施例，所述周向槽包括高压侧周向槽和低压侧周向槽，所述径向槽设置于所述高压侧周向槽的高压侧和/或所述高压侧周向槽与所述低压侧周向槽之间和/或所述低压侧周向槽的低压侧。
13.根据本发明的一些实施例，所述高压侧周向槽和/或所述低压侧周向槽构造为环绕第一密封圈旋转中心的波浪状。
14.根据本发明的一些实施例，所述周向槽的深度为d1，所述径向槽的深度为d2，且满足：0.05mm≤d1≤2mm、0.05mm≤d2≤2mm。
15.根据本发明的一些实施例，所述周向槽的宽度为d1，所述径向槽的宽度为d2，且满足：0.1mm≤d1≤2mm、0.1mm≤d2≤2mm。
16.根据本发明的一些实施例，所述周向槽构造为在周向上连续的多个波浪段、折线段或曲线。
17.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
19.图1是本发明一个实施例的端面密封组件的结构示意图；
20.图2是本发明另一个实施例的端面密封组件的结构示意图；
21.图3是本发明另一个实施例的端面密封组件的结构示意图；
22.图4是本发明另一个实施例的端面密封组件的结构示意图；
23.图5是本发明一个实施例的周向槽和径向槽的平面示意图；
24.图6是本发明另一个实施例的周向槽和径向槽的平面示意图；
25.图7是本发明另一个实施例的周向槽和径向槽的平面示意图；
26.图8是本发明另一个实施例的周向槽和径向槽的平面示意图；
27.图9是本发明另一个实施例的周向槽和径向槽的平面示意图；
28.图10是本发明一个实施例的端面密封组件的端面局部变形结果示意图；
29.图11是本发明一个实施例的端面密封组件密封间隙内的压力分布图；
30.图12是本发明一个实施例的端面密封组件密封间隙内的相态分布图。
31.附图标记：
32.1：轴；2：壳体；3：第一密封环；4：第二密封环；5：第一径向槽；6：高压侧周向槽；7：密封坝；8：第二径向槽；9：低压侧周向槽。
具体实施方式
33.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。下面参考图1-图10 描述根据本发明实施例的端面密封组件。
38.对于在密封两侧因压力和温度的不同而可能发生相变的介质应用，较常见的是接触式的机械端面密封，其端面大多不设置任何槽型，基本为平端面，这种密封方式密封端面磨损较大，寿命相对较短，故而也有一些设计采用锥度和局部深槽的非接触式端面密封，目的是利用流体静压效应提高开启力，进而改善摩擦磨损情况。但是此类的静压型密封的可控设计参数较少，并且往往泄漏率较高。还有一些端面设计是利用流体动压效应，往往是依
据端面的旋转方向，设置动压浅槽，如几微米到几十微米深度的螺旋形浅槽，可以兼顾摩擦磨损改善和泄漏率的控制两方面的优势。但是动压槽都具有方向性，旋转方向不定的情况，甚至在低速的情况下动压槽的优势会随之失效，同时浅槽的加工成本也比较高。本技术旨在设计一种端面密封组件，以在一定程度上解决上述技术问题。
39.下面参考图1-图12描述根据本发明实施例的端面密封组件。
40.根据本发明的端面密封组件，参考图1，该端面密封组件包括：第一密封环3和第二密封环4，第一密封环3形成有第一端面，第二密封环4形成有与第一端面正对的第二端面，第一端面与第二端面之间形成由高压侧向低压侧延伸的密封间隙；其中，第一端面与第二端面中的至少一个上形成有周向槽，第一端面与第二端面中的至少一个上形成有径向槽，周向槽与径向槽均位于高压侧与低压侧之间以控制密封间隙内流体相变的位置。
41.其中，高压侧可以位于第一密封环与第二密封环的径向内侧，而低压侧可以位于第一密封环与第二密封环的径向外侧，当然高压侧与低压侧的设置可以根据端面密封组件所应用的环境以及具体的场景进行确定。
42.本领域技术人员知晓的是，对于在密封间隙内流动的流体，在流动方向上会存在沿程压力降低，压力降低的程度与与密封间隙的尺度成反比，密封间隙尺度越大，压力降低的程度越小。本发明提出的端面密封组件，由于在第一端面和第二端面中的至少一个上形成有周向槽，第一端面与第二端面中的至少一个上形成有径向槽，周向槽可以构造为环绕第一密封环3旋转中心或第二密封环4旋转中心的环形槽，密封端面外侧的流体流入径向槽和周向槽后，径向槽和周向槽外侧区域均可保持较高的压力，使密封的端面比压减小，进而提高密封的承载力。同时，由于径向槽和周向槽以外的区域均保持在较高的压力下，可避免流体局部压力降低到饱和蒸气压之下而发生相变，由此，限制相变发生的潜在位置，将相变位置限制在有限的区域内，此处需要说明的是，密封间隙内如果发生相变，汽相的所占的面积比例会比较大，由于气体的粘度远小于液体，大面积汽化区域不利于密封保持工作状态，通过将相变位置限制在有限的区域内，相当于扩大了润滑区域，有效减少第一端面和第二端面之间因接触而发生的磨损，显著提高端面密封组件的工作寿命。同时，本领域技术人员知晓的是，当端面密封组件用于旋转机械密封时，启停阶段速度较低，在端面密封组件上同时设置有周向槽和径向槽，在不转的情况下，端面比压也可以很小，也具有一定的承载力，所以通过设置径向槽能够在密封启停阶段保护端面，避免摩擦，通过参数化的设计，使端面密封组件在对泄漏率进行有效控制的同时，适用于低中高各种转速。同时，由于周向槽和径向槽的对称设计，使端面密封组件可适用于多种旋转方向，而不再受单一旋转方向的限制。
43.此处需要说明的是，承载力包括两部分，分别为流体在间隙内的压力分布的积分和固体接触时的接触力，端面比压是指固体接触力与密封承载力的比值，由于径向槽和周向槽可以使流体压力稳定在一个较宽的范围，在一定程度上避免流体压力降低，所以流体在密封间隙内的压力分布的积分面积会增大，相当于增大了密封承载力，也即减小了端面比压。
44.根据本发明的一些实施例，当端面密封组件用于旋转机械密封时，旋转机械进一步包括轴1和壳体2，壳体2底部开孔，旋转机械的轴1从孔中穿出，壳体2上固定连接第一密封环3，第一密封环3形成有第一端面，第二密封环4连接在轴1上且可以绕轴1转动，第二密封环4形成有第二端面，第一密封环3的第一端面与第二密封环4的第二端面正对贴合。此处
需要说明的是，第一密封环3和第二密封环4的运行状态不受特别限制，也可以将第二密封环固定连接在壳体2上，第一密封环3绕轴1转动，在壳体2内，位于第一密封环3和第二密封环4的外部形成有高压区，轴体与第一密封环3和第二密封环4之间形成有低压区，壳体2内高压区的介质可以由密封间隙进入低压区，以在第一密封环3与第二密封环4之间发生相对转动时进行润滑以及提高第一密封环3与第二密封环4之间的承载能力。
45.根据本发明的一些实施例，径向槽和周向槽在密封环上的位置不受特别限制，例如，参考图1，径向槽和周向槽可以均设置在第二密封环4上；参考图2，径向槽和周向槽可以均设置在第一密封环3上；参考图3，径向槽设置在第二密封环4上，周向槽设置在第一密封环3上；参考图4，径向槽设置在第一密封环3上，周向槽设置在第二密封环4上，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。
46.根据本发明的一些实施例，径向槽和周向槽的相对位置关系不受特别限制，径向槽可以位于周向槽的低压侧，或，参考图1和图5，径向槽可以位于周向槽的高压侧。当径向槽位于周向槽的高压侧时，在较高的密封压力的作用下，径向槽将密封流体沿箭头g 的方向从上游向下游引流。此外，在周向槽的内侧即低压侧还有一平面环带即r0与r2之间的环带，起节流和停车密封的作用，可以称之为密封坝7。如图11的压力分布图所示，高压的压力通过径向槽的引导和周向槽的保持在密封坝以外都呈现较高压力。这种设计可以在保持平衡比不变的条件下，通过增大液体润滑比例，有效降低端面比压，应对密封端面中相变的情况，并将可能发生的汽化区域控制在较窄的范围之内，有效减少第一端面和第二端面发生磨损，显著提高端面密封组件的工作寿命。
47.根据本发明的一些实施例，参考图5，径向槽可以构造为多个，且多个径向槽在第一端面和/或第二端面的周向上间隔布置，多个径向槽分别与周向槽连通。具体地，当径向槽位于周向槽的高压侧时，径向槽靠近周向槽的一端与周向槽连通，流体可经径向槽导流直接流入周向槽，使周向槽以外的全部区域都保持在较高的压力下，减小密封的端面比压，提高密封的承载力。
48.根据本发明的一些实施例，周向槽可以是连续的槽，也可以是不连续的槽，参考图 6，周向槽包括多个在周向上间隔布置的连接段，每个连接段与一个或多个径向槽连通。具体地，位于密封环上的周向槽可以是由多个彼此断开的连接段形成的，每个连接段均是一段槽，径向槽的一端可以与连接段连通，形成周向排布的t型槽。
49.根据本发明的一些实施例，参考图7，周向槽构造为在环绕第一密封圈旋转中心的波浪状，每个径向槽与周向槽的径向最靠近高压侧的一端连通。具体地，波浪形周向槽上距离旋转中心最远处均连通一个径向槽，流体经径向槽导流流入周向槽，经径向槽流入周向槽的流体可以在流入周向槽后均保持较高的压力，使周向槽的外侧均为高压区，进而减小端面比压，提高密封承载力。
50.根据本发明的一些实施例，流体经径向槽导流流入周向槽后，可减小端面密封组件的端面比压，提高密封承载力，为了进一限制相变发生的区域，可以在周向槽的高压侧和低压侧均设置径向槽，参考图8，径向槽可以进一步包括第一径向槽5和第二径向槽 8，第一径向槽5构造为邻近高压侧的多个，多个第一径向槽5在周向上间隔布置，第二径向槽8构造为邻近低压侧的多个，多个第二径向槽8在周向上间隔布置，即第一径向槽与第二径向槽分别位于周向槽的两侧，第一径向槽与周向槽的径向最靠近高压侧的一端连通，第二径向槽
与周向槽的径向最靠近低压侧的一端连通，第一径向槽5与第二径向槽8在周向上交错布置，即第二径向槽8可以正对相邻两个第一径向槽5形成的间隙。
51.根据本发明的一些实施例，流体流入周向槽后可避免压力继续降低，使流体局部压力稳定在流体饱和蒸气压之上，从而限制相变发生的区域，为了进一步减小汽化可能发生的区域，参考图8，周向槽也同样可以构造为多个，多个周向槽构造为环绕第一密封圈旋转中心的同心圆。
52.根据本发明的一些实施例，周向槽包括高压侧周向槽6和低压侧周向槽9，需要说明的是，此处所指的高压侧和低压侧是相对的，沿流体流动方向压力整体呈逐渐降低的趋势，高压侧周向槽6是指周向槽设置于流体流动方向的上游，低压侧周向槽9是指周向槽设置于流体流动方向的下游，径向槽设置于高压侧周向槽6的高压侧和/或高压侧周向槽6与低压侧周向槽9之间和/或低压侧周向槽9的低压侧。具体地，径向槽可以仅设置于高压侧周向槽6的高压侧；或，径向槽仅设置于高压侧周向槽6与低压侧周向槽9 之间；或，径向槽仅设置于低压侧径向槽9的低压侧；或，径向槽包括第一径向槽5和第二径向槽8，第一径向槽5设置于高压侧周向槽6的高压侧，第二径向槽8设置于高压侧周向槽6与低压侧周向槽9之间；或，径向槽包括第一径向槽5和第二径向槽8，第一径向槽5设置于高压侧周向槽6与低压侧周向槽9之间，第二径向槽8设置于低压侧周向槽9的低压侧；或，径向槽包括第一径向槽5和第二径向槽8，第一径向槽5设置于高压侧周向槽6的高压侧，第二径向槽8设置于低压侧周向槽9的低压侧；或，径向槽包括第一径向槽5、第二径向槽8和第三径向槽(图中未示出)，第一径向槽5设置于高压侧周向槽6的高压侧，第二径向槽8设置于高压侧周向槽6与低压侧周向槽9 之间，第三径向槽设置于低压侧周向槽9的低压侧，由此，进一步减小端面密封组件的端面比压，提高密封承载力，限制相变发生的区域。
53.根据本发明的一些实施例，高压侧周向槽6与低压侧周向槽9的形状不受特别限制，例如，高压侧周向槽6和/或低压侧周向槽9构造为环绕第一密封圈3旋转中心的波浪状。具体地，高压侧周向槽6构造为环绕第一密封圈3旋转中心的同心圆，低压侧周向槽9 构造为环绕第一密封圈3旋转中心的波浪状(图中未示出)；或，参考图9，高压侧周向槽6构造为环绕第一密封圈3旋转中心的波浪状，低压侧周向槽9构造为环绕第一密封圈3旋转中心的同心圆；或，参考图10，高压侧周向槽6与低压侧周向槽9均构造为环绕第一密封圈3旋转中心的波浪状。由此，波浪状的周向槽保持流体压力的范围更大，使周向槽具有一定径向槽所能达到的效果。需要说明的是，可以设置朝向径向外部凸出的波浪状周向槽，也可以设置朝向内部径向凸出的波浪状周向槽。
54.根据本发明的一些实施例，参考图3，周向槽的深度d1可以是恒定的，也可以是变化的。可选地，周向槽的在整个周向上可以为同一深度，此时，周向槽的深度d1是恒定的；周向槽在周向上的深度还可以周期性变化，例如，每隔60度，周向槽具有一个波度的变化，根据本发明的一些实施例，周向槽的深度d1满足0.05mm≤d1≤2mm。由此，周向槽采用深槽，相比于浅槽而言，深槽的加工方式比较多，可采用的工艺手段比较多，并且深槽对精度的要求相对宽容，可在一定程度上降低生产成本。
55.根据本发明的一些实施例，参考图4，径向槽的深度d2可以是恒定的，也可以是变化的。可选地，径向槽的底面可以是平面，此时径向槽的深度d2是恒定的；径向槽的底面还可以是斜面，此时径向槽的深度是变化的，根据本发明的一些实施例，径向槽的深度d2满足
0.05mm≤d2≤2mm。由此，径向槽采用深槽，相比于浅槽而言，深槽的加工方式比较多，可采用的工艺手段比较多，并且深槽对精度的要求相对宽容，可在一定程度上降低生产成本。
56.根据本发明的一些实施例，参考图5，周向槽的宽度d1可以是恒定的，也可以是变化的。可选地，周向槽在整个周向上的宽度是一致的，或者周向槽的底部至槽口为收口型或敞口型的，此时，周向槽在径向上的宽度是变化的，根据本发明的一些实施例，周向槽的宽度d1满足0.1mm≤d1≤2mm。
57.根据本发明的一些实施例，参考图5，径向槽的宽度d2可以是恒定的，也可以是变化的。可选地，径向槽的底部的宽度至槽口的宽度可以是一致的，或者径向槽的底部至槽口为收口型或敞口型的，此时，径向槽的宽度是变化的，根据本发明的一些实施例，径向槽的宽度d2满足0.1mm≤d1≤2mm。
58.根据本发明的一些实施例，周向槽的形状和构造不受特别限制，可以为在周向上连续的多个波浪段、折线段或曲线，以适应不同工况。如图7和图8所示，第一周向槽可以构造为波浪状，第二周向槽可以构造为波浪状，根据第一密封环3和第二密封环4的尺寸，以及不同介质的种类以及高压侧和低压侧的分布，可以设置朝向径向外部凸出的波浪状周向槽，也可以设置朝向内部径向凸出的波浪状周向槽。将周向槽构造为波浪状，使周向槽所能保持流体压力的范围更大，使周向槽具有一定径向槽所能达到的效果，扩大了周向槽所能控制流体压力变化的范围。在加工过程中，加工波浪状的周向槽相比于同时加工环形周向槽和径向槽的效率高。
59.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
60.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。