[發明專利]表面性質圖案化的機械密封環

在審

• 申請號: 202010084275.3
• 申請日: 2020-02-10
• 公開（公告）號: CN111089173A
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發明（設計）人: 黃偉峰;劉向鋒;尹源;劉瑩;李永健;李德才;郭飛;賈曉紅;王子羲
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F16J15/34
• 分類號: F16J15/34
• 代理公司: 北京華進京聯知識產權代理有限公司 11606
• 代理人: 趙永輝

針對現有技術中，由于需要通過減材制造形成提供流體膜剛度結構，從而導致機械密封性能受到影響的問題，本發明提供了一種用于液體介質機械密封的表面性質圖案化的機械密封環。不同于現有技術中采用槽、波度、錐度、梯度等高度變化圖案來產生流體膜剛度以改善密封性能的方式，本發明中密封端面各處仍為平面區域，通過對密封端面進行表面處理，使得密封介質在密封端面上不同區域流動時與密封端面間的滑移性存在差異，從而提供流體膜剛度，避免了現有技術中減材制造方式對機械密封性能產生的影響。

技術領域

本發明涉及機械密封領域，特別是涉及一種表面性質圖案化的機械密封環。

背景技術

機械密封是一種軸端密封形式，因其性能優異而得到廣泛應用。人們通常通過在機械密封環端面上加工微米尺度的槽、波度、錐度、階梯等端面高度變化圖案使之可在工作中形成流體膜剛度，使兩密封環的相對位置具備一定的穩定性。此外，特定的高度變化圖案在穩定的小膜厚下可以產生泵送效果或反向泵送效果，利用這一特點將介質從低壓側向高壓側泵送，可以起到部分或完全抵消泄漏的效果。

但這種高度變化圖案的加工因其尺度之微小而非常困難，尤其是精度難以控制，端面幾何特征的設計也因此受限。加工中去除材料的作用還會導致環體發生變形(微米級的微小變形在機械密封中即會產生明顯影響)。

在機械密封的設計中，通常需要首先確保兩密封環的相對位置不會因誤差或擾動而過大地偏離預期的設計點(事實上，微米級的偏離就會導致泄漏量和/或摩擦狀態的顯著變化)。為達到這一目的，兩密封環中通常有至少一個被設計為浮動安裝的：其能在密封介質和端面接觸(如果有)的作用下較為靈活地運動，并且借助下述兩類原理中的一種或兩種來確保一個浮動安裝的密封環能與另一密封環維持較為穩定的相對位置：

一是用超過端面內介質壓力的較大的閉合力來使兩密封環發生接觸，從而保持貼合；

二是為兩密封環端面間隙內的介質賦予剛度，具體來說其為間隙內的介質賦予這樣一種性質：當兩密封環的相對位置發生改變時，介質的壓強分布發生改變，并且其結果是抑制兩密封環相對位置的改變。傳統的機械密封設計中采用槽、波度、錐度、階梯等高度變化圖案來產生這樣的效果。

對于第一種方案，通過接觸來確保貼合會使得機械密封端面隨旋轉而發生摩擦，而這一點會隨著轉速的提高和載荷的上升而變得越來越不可接受，密封環在這種情況下會迅速磨損。對于第二種方案，由于槽、波度、錐度等機械結構需要通過材料去除加工形成，由于尺度微小，相對精度難以控制，造成性能不穩定，且圖案設計受到加工工藝的限制，加工過程中需要去除材料，可能導致環體變形。

發明內容

基于此，有必要針對目前的機械密封裝置中，需要通過減材制造形成提供流體膜剛度結構，從而導致機械密封性能受到影響的問題，提供一種表面性質圖案化的機械密封環。

上述目的通過下述技術方案實現：

一種表面性質圖案化的機械密封環，包括動環和靜環，動環和靜環相對的表面為密封端面，所述動環和/或所述靜環上的所述密封端面包括第一區域至第N區域共N個區域，N為不小于2的自然數，所述第一區域至所述第N區域均為平面區域，密封介質在所述第一區域至所述第N區域上的滑移性逐漸增高。

在其中一個實施例中，所述第一區域至所述第N區域當中的任一區域為連續區域。

在其中一個實施例中，所述第一區域至所述第N區域以所述表面性質圖案化的機械密封環軸線為中心形成嵌套環形結構。

在其中一個實施例中，相對靠近所述軸線區域的滑移性低于相對遠離所述軸線區域的滑移性。

在其中一個實施例中，所述第一區域至所述第N區域當中的任一區域為非連續區域。

在其中一個實施例中，所述第一區域至第N區域當中的任一區域沿所述密封端面周向均勻分布。