[發(fā)明專利]一種動靜壓結合型非對稱波度端面流體機械密封結構

有效

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• 申請日: 2011-09-26
• 公開（公告）號: CN102322528A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發(fā)明（設計）人: 劉瑩;劉偉;黃偉峰;翟靜靜;劉向鋒;王玉明
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F16J15/40
• 分類號: F16J15/40
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術領域

本發(fā)明涉及旋轉式流體機械的流體端面機械密封結構，特別涉及一種動靜壓結合型非對稱波度端面流體機械密封結構。

背景技術

機械密封是防止旋轉式流體機械軸端泄漏的主要手段，隨著石化、核電等行業(yè)的快速發(fā)展，對機械密封的要求向高參數發(fā)展，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性以及更長的使用壽命。傳統(tǒng)的接觸式機械密封端面間無法形成穩(wěn)定的液膜，因此其使用壽命較短，特別是在高速、高壓的場合，或者啟停、變工況等較頻繁的場合，對密封的可靠性要求更高。端面的磨損、密封環(huán)的熱裂等都容易導致密封的失效。非接觸式密封端面的開啟主要由流體膜來承載，一貫反映用于上述高性能要求的場合。因此，設計一種構型，能夠同時產生流體靜壓力、流體動壓力，減少密封端面的接觸，可以有效地避免密封的失效，同時保持較小的端面間隙以控制泄漏量。

公知的流體動壓或靜壓或動靜壓結合型機械端面密封，還存在一些不足之處，例如端面開螺旋槽流體動壓型端面密封(見USA?Patent?3744805、USAPatent?4420162和USA?Patent?4212475以及中國專利96108614.9、98103575.2、02132978.8和03134193.4)，其端面結構主要由沿周向均勻分布的數個螺旋槽和與槽根部緊密連接的密封壩組成，盡管其摩擦功耗較低，端面開啟能力也較強，但是其泄漏量大于相同規(guī)格的普通端面機械密封。同時，工作中排屑的性能很差，宜造成介質中顆粒的堆積；又如端面多孔或微凹機械密封，無論是端面整體開孔(見USA?Patent?6046430)，還是端面部分開相同微孔(USA?Patent6341782，中國專利200620100860.3和200720106746.6)或方向性微孔(中國專利200920198889.3和201020653230.5)，都存在抗壓能力、抗干擾能力不強，高參數下易發(fā)生大變形導致泄漏量較大等不足，因此在苛刻環(huán)境下，端面間流體膜厚不足，或者流體膜剛度不足以抵抗外界干擾，導致密封系統(tǒng)不能正常穩(wěn)定運行，也存在排屑能力差的問題。美國專利USA?Patent?3738667設計了一種結構使得密封變形后端面能夠產生一種波度。Lebeck和Young設計了一種端面對稱波度密封形式，包括波度、錐度、壩區(qū)，對其進行了相應的實驗研究。美國專利USA?Patent?4836561對此種端面對稱波度密封形式進行了闡述。雖然此密封結構能夠適用于多種工況，泄漏量較小，也較好解決了介質中顆粒堆積的問題，但在密封穩(wěn)定運行過程中，對稱波度的存在將削弱了流體的靜壓能力，從而降低了密封系統(tǒng)的承載力和穩(wěn)定性，增加了失效的風險。

發(fā)明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種動靜壓結合型非對稱波度端面流體機械密封結構，抗壓能力、抗干擾能力強，高參數下具有較小泄漏量，啟停過程流體動壓效果好、正常運行時流體承載力充足。

為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是：

一種動靜壓結合型非對稱波度端面流體機械密封結構，包括主軸7、機械密封的動環(huán)15和靜環(huán)17，動環(huán)15和靜環(huán)17端面的一側為高壓側，即上游，另一側為低壓側，即下游，動環(huán)15和靜環(huán)17上至少有一個密封端面上具有兩個以上的三維非對稱波度形貌，非對稱波度在密封端面上呈周期性排布，非對稱波度密封端面包括壩區(qū)1、錐面4、波峰2、波谷3以及形成的波峰高度5和波谷深度6，壩區(qū)1為處在低壓側的一不開槽的平行環(huán)形密封壩，波峰2和波谷3通過錐面4相連，錐面4為高壓側向低壓側形成的線性收斂錐形，直至與壩區(qū)1相接。

所述壩區(qū)1的寬度小于密封環(huán)的寬度。

所述錐面4的錐角β₁的取值范圍為100～1500μrad。

所述非對稱波度沿錐面4同一周期內錐角β₁相同，波度曲線沿周向呈非對稱性分布，非對稱波度在密封端面上沿周向呈周期性排布。

所述非對稱波度沿旋轉方向，收斂部分的曲線對應的中心角大于波度發(fā)散部分曲線對應的中心角，收斂區(qū)的峰值h_p、谷值h_v滿足h_p≥h_v或h_p≤h_v，收斂區(qū)的峰值h_p、谷值h_v在2～20μm范圍內。

所述非對稱波度的波度形狀具有方向性，呈中心對稱分布，包括正弦波、余弦波、斜直線波或指數波形狀。

所述的非對稱波度度數在1～40范圍內。