[發明專利]一種超高壓零泄漏機械密封端面結構

在審

• 申請號: 202010492904.6
• 申請日: 2020-06-03
• 公開（公告）號: CN111520479A
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 馬學忠;張偉政;丁雪興
• 申請（專利權）人: 蘭州理工大學
• 主分類號: F16J15/447
• 分類號: F16J15/447;F16J15/16
• 代理公司: 上海思牛達專利代理事務所(特殊普通合伙) 31355
• 代理人: 丁劍

一種超高壓零泄漏機械密封端面結構，包括機械密封的動環、靜環，所述動環或靜環端面的一側為高壓側即上游，所述動環或靜環端面的另一側為低壓側即下游，所述動環或靜環其中之一的端面被分為五個功能結構區域，該系列區域在密封端面環帶狀區域內分布且從下游側到上游側依次為密封壩區、導向功能結構區、低壓控漏功能結構區、隔離功能結構區和高壓承載功能結構區。導向、低壓控漏和隔離功能結構區由周向臺階、微織構和環槽組合構成，其中導向功能結構區另有徑向直線槽聯通低壓控漏、隔離、高壓承載功能結構區和上游側，高壓承載功能結構區為錐面構型，在導向、低壓控漏和隔離功能結構區之間是密封堰。本發明的有益效果是可在導向結構和隔離結構功能影響下在低壓控漏功能結構區產生包圍密封端面的低壓區形成強節流作用從而克服超高壓差阻力，同時上游側錐面構型產生強流體靜壓效應，使密封運行在非接觸狀態。該發明可使用于液體、氣體或氣液混相介質，在超高壓條件下易實現零泄漏和非接觸運行，服役壽命長。

技術領域

本發明涉及機械端面密封技術領域，特別涉及一種適用于超高液體或氣體壓力下的零泄漏密封端面型槽結構，適用于泵、壓縮機等流體機械的旋轉軸端密封裝置。

背景技術

在現有機械端面密封技術領域，為了防止高壓流體沿轉軸的泄漏，往往采用多級密封串聯的形式，比如三級串聯的流體動壓型機械密封通過三次分壓阻漏實現密封，或者首先采用流體靜壓型機械密封基本完成泄壓，進一步利用二三級密封在低壓下防止泄漏實現密封。上述兩種方式是核主泵機械密封的典型形式，流體壓力約為16MPa，則對于更高流體壓力比如30MPa，該方式使密封級數進一步增多，不僅使整機效率降低，也不利于整機集成化和輕量化發展。此外，Salant等在流體靜壓型機械密封靜環內部開設空腔以填充帶壓流體，以期通過改變該流體壓力來控制環體變形，從而調控密封液膜厚度以控制泄漏量。由于平衡間隙過小會導致端面接觸和摩擦磨損加劇，故Salant等所提方法仍然未克服流體靜壓型機械密封泄漏量大的特點。因此，在機械密封技術領域，由于無法有效控制超高流體壓力導致的強壓差流，目前仍然缺乏針對超高壓力流體的有效泄漏控制方法。

發明內容

為了控制超高流體壓力導致的強壓差流，克服現有機械端面密封技術無法有效控制密封泄漏量的不足，同時改善密封摩擦學性能并保證密封承載性能，本發明提供一種超高壓零泄漏機械密封端面結構，在單級密封下即可有效平衡超高壓力流體的強壓差流，實現零泄漏，并使機械密封具有良好的摩擦學性能和承載性能。

本發明的技術方案：

一種超高壓零泄漏機械密封端面結構，包括機械密封的動環、靜環，所述動環或靜環端面的一側為高壓側即上游，所述動環或靜環端面的另一側為低壓側即下游，所述動環或靜環其中之一的端面被分為五個功能結構區域，該系列區域在密封端面環帶狀區域內分布且從下游側到上游側依次為密封壩區、導向功能結構區、低壓控漏功能結構區、隔離功能結構區和高壓承載功能結構區。導向、低壓控漏和隔離功能結構區由周向臺階、微織構和環槽組合構成，其中導向功能結構區另有徑向直線槽聯通低壓控漏、隔離、高壓承載功能結構區和上游側，高壓承載功能結構區為錐面構型，在導向、低壓控漏和隔離功能結構區之間是密封堰。

進一步，所述導向功能結構區由三部分組成，第一部分為呈周期性分布的微織構或周向臺階，其周期數范圍為1～100；第二部分為一環槽；第三部分為呈周期性分布的徑向直線槽且其與上游側聯通，其周期數范圍為2～10，深度范圍為5～1000μm，槽區圓心角范圍為1～10°。第一部分微織構或周向臺階可與第二部分環槽或與第三部分徑向直線槽聯通呈發散狀。

進一步，所述低壓控漏和隔離功能結構區均由呈周期性分布的周向臺階組成，其與所述徑向直線槽逐一配對聯通呈發散型槽即二者周期數一致，其深度范圍為1～200μm，寬度范圍為0.1～8mm；或則所述低壓控漏和隔離功能結構區均由微織構和環槽組成，所述每兩個徑向直線槽之間均布有2～20個微織構并與所述環槽聯通。