一种动静压型柱状微凸体波度分布机械密封结构的制作方法
【专利摘要】一种动静压型柱状微凸体波度分布机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，动环和静环上至少有一个密封端面，所述的密封端面上游侧设有柱状微凸体织构5，所述的密封端面的下游侧设有环形密封坝4，所述密封坝的端面为光滑表面；柱状微凸体织构5上等间距地分布有波峰1和波谷2，所述的波峰1位于密封端面的直径上，所述的波谷2自下游的环形密封坝4向上游的密封端面的高压侧延伸，逐渐变宽并变深，波谷2的形状是锥面。
【专利说明】
一种动静压型柱状微凸体波度分布机械密封结构
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种旋转式流体机械的轴端密封结构，特别涉及一种动静压型柱状微凸体波度分布机械密封结构，适用于含有一定量固体磨料的中高温液体介质旋转机械的轴端密封。
【背景技术】
[0002]机械密封是防止旋转式机械轴端泄漏的关键部件，以其低泄漏、低功耗、长寿命等显著的性能优势在石油、石化、化工、制药和电力等领域获得广泛应用。随着上述行业的快速发展，要求机械密封向高参数、集成化和智能化发展以及能够适应环境多样化。然而就普通的液体润滑机械密封包括现有波度端面机械密封、上游栗送机械密封和微孔端面密封而言，在密封启停阶段以及低速运行状态下，动环与静环易发生接触摩擦磨损，不仅使端面产生严重磨损，而且动静环相对滑动所产生的摩擦热将引起端面变形，所以在对密封要求频繁启停、运转速度较低以及高温高压操作工况的情况下，不宜采用普通的流体润滑机械密封:在高温高压环境下，普通的流体润滑机械密封易发生端面变形从而破坏密封运行稳定性，增大泄漏量，甚至导致故障的发生。同样，普通机械密封也难以适用于介质中含有固体颗粒的工况，固体颗粒进入密封端面起研磨剂的作用，使密封发生激烈磨损而失效。
【发明内容】
[0003]本发明要克服现有技术中密封端面在启停阶段以及低速运行状态下易发生摩擦磨损失效、在高温高压下运行不稳定、难以适用于含有固体颗粒的环境的不足，提供一种动静压型柱状微凸体波度分布机械密封结构。与普通的流体润滑机械密封相比动静压型柱状微凸体波度分布机械密封具有以下优点:流体动静压效应强，拥有良好的启停特性，工作时摩擦热量小，散热特性好，适应含固体颗粒介质的能力强等。
[0004]—种动静压型柱状微凸体波度分布机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，其特征在于:动环和静环上至少有一个密封端面，所述的密封端面上游侧设有柱状微凸体织构5，所述的密封端面的下游侧设有环形密封坝4，所述密封坝的端面为光滑表面;柱状微凸体织构5上等间距地分布有波峰I和波谷2，所述的波峰I位于密封端面的直径上，所述的波谷2自下游的环形密封坝4向上游的密封端面的高压侧延伸，逐渐变宽并变深，波谷2的形状是锥面。
[0005]所述柱状微凸体的高度为0.6?3mm，最高与最低两者高度之差为2.5?20μπι;柱状微凸体的高径比为3?30。
[0006]所述柱状微凸体织构中心距与密封端面两端压差ΔP大小有关，当Δ P彡0.1MPa时取值 100?200μπι，当0.lMPa< Δ P彡1.0MPa时取值I?50μπι，当 Δ p>l.0MPa时取值O?0.1μm，且当压差Δ P越高时取值越小。
[0007]所述环形密封坝的高度等于柱状微凸体织构的高度。
[0008]所述三维波度形貌的波数为2?30个，波谷及其邻近柱状微凸体的高度沿径向呈线性收敛锥形;所述柱状微凸体织构的截面形状可为圆形、椭圆形、六边形、三角形或正方形;所述柱状微凸体织构之间沿径向方向的中心距从端面高压侧至低压侧呈逐渐增大的趋势分布。
[0009]本发明的工作原理是:
[0010]当密封工作时，流体介质从间隙较大的波谷柱状微凸体处进入密封端面，在径向压差流的作用下，从密封端面上游向下游流动，由于柱状微凸体的高度沿径向呈线性收敛锥形，端面间隙逐渐减小，从而形成较强的流体静压效应，可实现密封启停阶段的非接触运行，避免密封在启停阶段发生密封端面的直接接触磨损;在周向剪切流作用下，密封流体从波谷柱状微凸体处向波峰柱状微凸体处流动，由于柱状微凸体的高度从波谷向波峰侧逐渐变大，也即端面间隙逐渐减小，从而有助于密封形成显著的流体动压效应，实现密封在小压差条件下的非接触稳定运行，由此可见，这种柱状微凸体织构波度分布的机械密封是一种典型的流体动静压型机械密封。在密封端面的下游侧设有环形密封坝，且密封坝的高度大于或等于柱状微凸体织构的高度，从而实现停车密封，且能防止经柱状微凸体粉碎的固体颗粒进入下游侧。柱状微凸体之间存在的微隙所产生的微小渗流，不仅起到及时润滑端面、减小摩擦解数的作用，而且可以降低端面摩擦热和端面变形。
[0011]密封端面上的柱状微凸体织构是采用LIGA技术加工获得，一方面，这些沿径向锥形分布和沿周向波度分布的柱状微凸体织构对进入密封端面的固体颗粒具有较强的粉碎作用，且粉碎后的微小固体颗粒落入柱状柱状微凸体之间的空隙中，在离心力和气流的共同作用下能及时排出密封端面；另一方面，间隔合理布置的柱状微凸体能起到强化端面散热的效果，因为密封端面所产生的摩擦热和流体剪切热能通过柱状柱状微凸体之间的间隙及时散出，从而有效降低密封端面温升，提高密封工作可靠性，使密封能适应更广的操作工况。
[0012]本发明的有益效果是:
[0013](I)密封端面的柱状微凸体织构高度呈现三维波度分布，其中沿径向的收敛锥度柱状微凸体可产生显著静压效应，可实现密封在启停阶段的非接触状态，从而改善密封的启停特性;沿周向的波度分布柱状微凸体可产生流体动压效应，从而实现密封在小压差条件下的非接触稳定运行。
[0014](2)密封端面上游侧加工的非等高柱状微凸体织构一方面对流体介质中所含的固体颗粒介质有较强的粉碎作用，且粉碎的固体颗粒能从柱状柱状微凸体之间的间隙中及时排出，从而提高密封适应含固颗粒介质场合;另一方面，柱状柱状微凸体之间的间隙有助于及时将密封端面的摩擦热和粘性剪切热及时散出，从而减小密封端面温升，提高密封工作可靠性。
[0015](3)通过合理设计柱状微凸体织构的分布密度、高径比等柱状微凸体结构参数，以及三维波度形貌的波数、波高和波距等波度结构参数，可实现柱状微凸体织构与三维波度形貌的协同作用，从而产生更强的流体动静压效应，实现密封在工作时的非接触运行，显著提高密封可靠性，延长使用寿命。
【附图说明】
[0016]图1是本发明实的端面结构示意图。
[0017]图2是图1的侧视图。
[0018]图3是图1的剖视图。
[0019]图4是本发明的柱状微凸体形状示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图及实例对本发明做详细描述。
[0021 ]实施例
[0022]参照图1、图2、图3和图4，
[0023]—种动静压型柱状微凸体波度分布机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，其特征在于:动环和静环上至少有一个密封端面，所述的密封端面上游侧设有柱状微凸体织构5，所述的密封端面的下游侧设有环形密封坝4，所述密封坝的端面为光滑表面;柱状微凸体织构5上等间距地分布有波峰I和波谷2，所述的波峰I位于密封端面的直径上，所述的波谷2自下游的环形密封坝4向上游的密封端面的高压侧延伸，逐渐变宽并变深，波谷2的形状是锥面。
[0024]所述柱状微凸体的高度为0.6?3mm，最高与最低两者高度之差为2.5?20μπι;柱状微凸体的高径比为3?30。
[0025]所述柱状微凸体织构之间的中心距与密封端面两端压差ΔP大小有关，当Δρ<
0.1MPa时取值 100?200μπι，当0.IMPa< Δ ρ彡 I.0MPa时取值I?50μπι，当 Δ ρ> I.0MPa时取值O?0.Ιμπι，且当压差Δ P越高时取值越小。
[0026]所述环形密封坝4的高度等于柱状微凸体织构5的高度。
[0027]所述柱状微凸体织构的截面形状可为圆形6、椭圆形、六边形7、三角形9或正方形8。
[0028]本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
【主权项】
1.一种动静压型柱状微凸体波度分布机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，其特征在于:动环和静环上至少有一个密封端面，所述的密封端面上游侧设有柱状微凸体织构(5)，所述的密封端面的下游侧设有环形密封坝(4)，所述密封坝的端面为光滑表面;柱状微凸体织构(5)上等间距地分布有波峰(I)和波谷(2)，所述的波峰(I)位于密封端面的直径上，所述的波谷(2)自下游的环形密封坝(4)向上游的密封端面的高压侧延伸，逐渐变宽并变深，波谷(2)的形状是锥面。2.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于:所述柱状微凸体的高度为0.6?3 mm，最高与最低两者高度之差为2.5?20μπι;柱状微凸体的高径比为3?30。3.根据权利要求2所述的密封结构，其特征在于:所述柱状微凸体织构的中心距与密封端面两端压差Δ P大小有关，当Δ P彡0.IMPa时取值100?200μπι，当0.lMPa< Δ p彡I.0MPa时取值I?50μπι，当Δ p>l.0MPa时取值O?0.Ιμπι，且当压差Δ ρ越高时取值越小。4.根据权利要求3所述的密封结构，其特征在于:所述环形密封坝的高度等于柱状微凸体织构的最大高度。
【文档编号】F16J15/34GK106015580SQ201610600826
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月27日
【发明人】彭旭东, 王冰清, 刘梦静, 孟祥铠, 李纪云
【申请人】浙江工业大学