[发明专利]具有波形槽端面的密封环及机械密封装置

说明书

技术领域

本发明涉及端面流体密封元件及具有所述密封元件的端面密封装置，具体的讲是具有波形槽端面的密封环及使用该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。

机械密封目前可分为接触式和非接触式两种。非接触式机械密封根据其密封端面流体膜开启力的形成方式不同，又可大致分为动压型和静压型两种。动压型非接触式机械密封一般是利用介质在密封面间的流动形成充分的流体动压效应，以获得足够的流体膜开启力和流体膜刚度。端面流体形式的动压效应主要与密封面相对转速、介质粘度、密封面表面结构相关，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面表面结构。目前通常的密封面表面结构设置措施，是在其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隔成均匀排布的型槽形式，其中以等槽深的螺旋槽、“T”型槽、波形面槽等形式的端面密封最为典型。如何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。

传统的槽型设计及研究过程中，一般是先设计一种槽型，然后选定一些密封的性能指标量，来对槽型结构及参数进行优化，以期获得最好的端面流体膜特性。其思路是先给定槽型，然后再将该槽型参数和密封进行关联。这就使得槽型的设置不能主动、很好地与端面流体膜的特性匹配，因而难以获得最佳的端面流体动压效应，也就不能获得更大的流体膜刚度和开启力。

发明内容

针对上述情况，本发明首先提供了一种具有波形槽端面的密封环，并进一步提供一种采用该密封环的机械密封装置，以使端面流体膜具有更大的开启力和更高的刚度及承载能力，具有更好的端面流体动压效应。

本发明具有波形槽端面的密封环，同样是在密封端面上开设有由具有端平面高度的隔离部分隔成均匀排布的相同形式的槽。其中，单个槽的槽型在密封端面上任意半径处的周面展开形状可表征为下述的关系式①：

①。

式①中：h为槽中该半径处的槽底部任一点在相对于端平面的轴向上的深度值，通常可为λ的2倍，优选为≤100μm；

λ为槽在相对于端平面的轴向最大深度的1/2值，其值通常可为1～300μm，优选为1～50μm；

a为槽的波形周期系数，a=(2π/N)^1-b，是对波形系数b导致的波形周期变化进行调整，其具体取值由b和N确定，使其与由槽数量沿密封端面周向等分所形成的周期进行匹配；

b为槽的波形系数，b≤0.8，其影响的是一个槽区内与沿密封环旋转方向的槽的背风侧槽壁的周向弧长与整个槽的周向弧长之比，即背风侧槽壁的周向弧长/(背风侧槽壁的周向弧长+迎风侧槽壁的周向弧长)相关的周向断面轮廓型线状态；

k为所述隔离部系数，表示的是在一个槽的波形周期内有槽部与无槽部的周向宽度比值的变化。由公式①可以推导出，其比值关系为1:(k^1/b-1)。当k取1时，密封端面的波形区周向上将布满槽；k值增大时，在一个密封端面波形区内，周向有槽区将减小，无槽区将增大；当k值增大到2.5时，在一个密封端面的波形区内，约有40%左右的区域为有槽区，如果继续增大k值，密封端面的流体膜动压效应将显著降低。因此，k的优选取值范围为1～2.5；

N为在整个密封端面上排布的槽的数量；

r为槽底部任一处的半径；