一种轴端机械密封结构论文和设计-李振涛

全文摘要

本实用新型提供了一种轴端机械密封结构，包括密封环，在所述密封环的密封端面上间隔开设有多个仿月牙刺形槽结构，所述仿月牙刺形槽结构包括至少一个月牙形圆弧槽、用于将流体介质从所述密封环的外径侧引导进入所述月牙形圆弧槽的引流槽、以及用于将月牙形圆弧槽内的流体介质分流到所述密封环的外径侧的分流槽。通过设置月牙形圆弧槽、引流槽、以及分流槽，有利于在旋转过程中具有增强流体动压效应的作用，具有泵入泵出循环的功能；引流槽的开设使足够的介质流体进入端面并形成稳定的液膜，而分流槽的分流作用对于液膜则具有调节膜压的作用；可以有效提高端面间液膜的动压效应增强液膜的刚度和抗变形能力，提高密封端面的开启力。

主设计要求

1.一种轴端机械密封结构，包括密封环，其特征在于，在所述密封环的密封端面上间隔开设有多个仿月牙刺形槽结构，所述仿月牙刺形槽结构以所述密封端面的径向为轴线对称设置，所述仿月牙刺形槽结构包括至少一个月牙形圆弧槽、用于将流体介质从所述密封环的外径侧引导进入所述月牙形圆弧槽的引流槽、以及用于将月牙形圆弧槽内的流体介质分流到所述密封环的外径侧的分流槽；所述引流槽与分流槽沿所述仿月牙刺形槽结构的对称轴对称设置。

设计方案

2.根据权利要求1所述的轴端机械密封结构，其特征在于，所述月牙形圆弧槽包括靠近所述密封环外径侧的第一弧线和远离所述密封环外径侧的第二弧线，所述第一弧线的圆心和第二弧线的圆心均位于所述月牙形圆弧槽的内侧。

3.根据权利要求1所述的轴端机械密封结构，其特征在于，所述月牙形圆弧槽的两端具有逐渐缩小的收敛角，所述收敛角a的取值范围为3°~15°。

4.根据权利要求2所述的轴端机械密封结构，其特征在于，所述第一弧线和第二弧线相交，所述第一弧线和第二弧线围绕形成所述月牙形圆弧槽，所述月牙形圆弧槽在所述密封环径向的尺寸从中心向两端逐渐减小。

5.根据权利要求2所述的轴端机械密封结构，其特征在于，所述月牙形圆弧槽还包括分别与第一弧线和第二弧线相交的第三弧线和第四弧线，所述第三弧线和第四弧线位于同一圆的边界线上。

6.根据权利要求1所述的轴端机械密封结构，其特征在于，所述引流槽沿所述密封环的径向向外延伸，所述分流槽沿所述密封环的径向向外延伸。

7.根据权利要求1至6任一项所述的轴端机械密封结构，其特征在于，所述仿月牙刺形槽结构包括径向间隔设置的多个月牙形圆弧槽，所述引流槽和分流槽均在径向延伸、并与多个所述月牙形圆弧槽连接。

8.根据权利要求7所述的轴端机械密封结构，其特征在于，多个所述月牙形圆弧槽的尺寸相同或多个所述月牙形圆弧槽的尺寸在沿径向向内的方向上尺寸逐渐缩小。

9.根据权利要求1至6任一项所述的轴端机械密封结构，其特征在于，在所述密封端面的周向上，相邻的所述仿月牙刺形槽结构之间的未开槽区域为密封堰，所述月牙形圆弧槽的周向尺寸与密封堰的周向尺寸的比值为3~6。

10.根据权利要求1至6任一项所述的轴端机械密封结构，其特征在于，在所述密封端面的径向上，所述仿月牙刺形槽结构与密封环内径侧之间为密封坝，所述月牙形圆弧槽的径向尺寸与所述密封坝的径向尺寸的比值为1~2.5。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于机械密封技术领域，具体涉及一种轴端机械密封结构。

背景技术

在现代能源、化工行业的生产中，泵、压缩机等旋转设备的非接触式机械密封装置的设计与使用早已形成成熟的经验，基于现代流体动压润滑理论，非接触式密封装置的端面通过开设具有一定深度的不同形状的开槽，使得流体经过密封面时的间隙面积发生变化，从而造成流体压力变化，达到泵送的流动效果。开槽的动压效应在密封端面之间形成连续、稳定的液膜，膜内压力的作用使液膜具备一定刚度和一定的承载力，并将密封端面分开达到非接触密封的目的。端面非接触状态可以减少干摩擦，延长密封装置的使用周期，液膜的存在更能减少摩擦系数起到润滑的作用。

对于需要正反双向旋转的流体机械设备，旋转方向的变化与频繁启停不利于液膜的形成与稳定运行，频繁的启停、换向所造成的泄漏量增大，以及因液膜刚度减小所造成的开启力下降等问题。目前可用于双向旋转的液膜密封端面结构，虽然在一定转速和压力范围内具有一定的气膜刚度、承载力，但是其动压效果较单向旋转的端面结构大大降低，使其不易打开，端面存在较重磨损，尤其是在暖机、多次启停的工况下，槽区和坝区分界线处磨损尤为严重，端面磨损形成后，启停及正常运转过程中，液体动压效果进一步减弱，端面固相接触更加频繁，严重影响密封的整体性能及寿命。

发明内容

本实用新型针对现有技术中存在的上述问题，提供一种轴端机械密封结构，可以有效提高端面间液膜的动压效应，液膜的刚度与稳定性更好，减少密封的泄漏量并有效延长机构的运行周期，提高密封结构的使用性能。

为达到上述技术目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

一种轴端机械密封结构，包括密封环，在所述密封环的密封端面上间隔开设有多个仿月牙刺形槽结构，所述仿月牙刺形槽结构以所述密封端面的径向为轴线对称设置，所述仿月牙刺形槽结构包括至少一个月牙形圆弧槽、用于将流体介质从所述密封环的外径侧引导进入所述月牙形圆弧槽的引流槽、以及用于将月牙形圆弧槽内的流体介质分流到所述密封环的外径侧的分流槽；所述引流槽与分流槽沿所述仿月牙刺形槽结构的对称轴对称设置。

进一步的，主轴的旋转方向变换后，所述引流槽与分流槽互换。

进一步的，所述月牙形圆弧槽包括靠近所述密封环外径侧的第一弧线和远离所述密封环外径侧的第二弧线，所述第一弧线的圆心和第二弧线的圆心均位于所述月牙形圆弧槽的内侧。

进一步的，所述月牙形圆弧槽的两端具有逐渐缩小的收敛角。

进一步的，所述收敛角a的取值范围为3°~15°。

进一步的，所述第一弧线和第二弧线相交，所述第一弧线和第二弧线围绕形成所述月牙形圆弧槽。

进一步的，所述月牙形圆弧槽在所述密封环径向的尺寸从中心向两端逐渐减小。

进一步的，所述月牙形圆弧槽还包括分别与第一弧线和第二弧线相交的第三弧线和第四弧线，所述第三弧线和第四弧线位于同一圆的边界线上。

进一步的，所述第三弧线的直径大于等于所述密封环的外径。

进一步的，所述第一弧线和第二弧线为同心弧线。

进一步的，所述仿月牙刺形槽结构包括径向间隔设置的多个月牙形圆弧槽，所述引流槽和分流槽均在径向延伸、并与多个所述月牙形圆弧槽连接。

进一步的，多个所述月牙形圆弧槽的尺寸相同。

进一步的，多个所述月牙形圆弧槽的尺寸在沿径向向内的方向上尺寸逐渐缩小。

进一步的，所述引流槽沿所述密封环的径向向外延伸，所述分流槽沿所述密封环的径向向外延伸。

进一步的，所述引流槽具有沿所述密封环的轴向延伸设置的两个侧壁。

进一步的，所述月牙形圆弧槽具有沿所述密封环的轴向延伸设置的圆弧槽壁、以及与与所述密封端面平行设置的槽底。

进一步的，所述引流槽和分流槽深度为2~25μm。

进一步的，所述月牙形圆弧槽的深度为2~20μm。

进一步的，所述引流槽和分流槽的深度与所述月牙形圆弧槽的深度相同。

进一步的，所述引流槽在远离所述月牙形圆弧槽的方向上深度增加，所述引流槽具有扩口的导流底部。

进一步的，所述导流底部为倾斜平面或者倾斜的台阶面。

进一步的，在所述密封端面的周向上，相邻的所述仿月牙刺形槽结构之间的未开槽区域为密封堰，所述月牙形圆弧槽的周向尺寸与密封堰的周向尺寸的比值为3~6。

进一步的，在所述密封端面的径向上，所述仿月牙刺形槽结构与密封环内径侧之间为密封坝，所述月牙形圆弧槽的径向尺寸与所述密封坝的径向尺寸的比值为1~2.5。

本实用新型提供的轴端机械密封结构，通过设置多个对称设置的仿月牙刺形槽结构，满足主轴的双向旋转的要求；并且通过设置月牙形圆弧槽、引流槽、以及分流槽，有利于在旋转过程中具有增强流体动压效应的作用，具有泵入泵出循环的功能；引流槽和分流槽具有稳压的作用，引流槽的开设使足够的介质流体进入端面并形成稳定的液膜，而分流槽的分流作用对于液膜则具有调节膜压的作用；可以有效提高端面间液膜的动压效应增强液膜的刚度和抗变形能力，提高密封端面的开启力，减少因开启力不足造成的密封失效问题，减少密封的泄漏量并有效延长机构的运行周期，整体提高装置的使用性能；减少因为频繁旋转方向转换所造成的密封失效问题，有效减少密封泄漏量和延长密封机械装置的运行周期。引流槽和分流槽对称设置，也就是形状尺寸完全相同，在变换旋转方向时，两种槽的功能互换。月牙形圆弧槽为规则圆弧线，旋转时，周向上月牙形圆弧槽内介质流动变化为渐变式，速度冲击较小；并且月牙形圆弧槽内槽壁为圆弧面，使得壁面上的应力分布应力均匀，避免了局部应力集中; 因而相对于目前常用的螺旋槽, 设置为月牙形圆弧槽具有更好的动压效果, 增强液膜刚度, 提高抗外界干扰能力。

结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为本实用新型所提出的轴端机械密封结构的第一个实施例的结构示意图；

图2为图1中A-A向剖视放大的第一种形式结构示意图；

图3为图1中A-A向剖视放大的第二种形式结构示意图；；

图4为图1中A-A向剖视放大的第三种形式结构示意图；；

图5为图1中一个仿月牙刺形槽结构的放大结构示意图；

图6也为图1中一个仿月牙刺形槽结构的放大结构示意图；

图7为本实用新型所提出的轴端机械密封结构的第二个实施例的结构示意图；

图8为图7中一个仿月牙刺形槽结构的放大结构示意图；

图9为本实用新型所提出的轴端机械密封结构的第三个实施例的结构示意图；

图10为图9中一个仿月牙刺形槽结构的放大结构示意图；

图11为本实用新型所提出的轴端机械密封结构的第四个实施例的结构示意图；

图12为图11中一个仿月牙刺形槽结构的放大结构示意图；

符号说明：

10-密封环的密封端面，20-仿月牙刺形槽结构，1-月牙形圆弧槽，11-圆弧槽壁，111-第一弧线，112-第二弧线，113-第三弧线，114第四弧线，12-槽底，2-引流槽，21-导流底部，3-分流槽，4-密封坝，5-密封堰。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语 “内”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，以产品正常使用状态下靠近用户的一侧为“前”，远离用户的一侧为“后”。术语仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参阅图1-图6，是本实用新型所提出的轴端机械密封结构的第一个实施例，一种轴端机械密封结构，包括密封环，在密封环的密封端面10上间隔开设有多个仿月牙刺形槽结构20，密封环外径侧为介质高压侧，内径侧为低压侧。其中密封环为动环和\/或静环，利用动环和静环实现轴端密封，也就是仿月牙刺形槽结构1可以设置在静环上、也可以设置在动环上、或者在动环和静环上均设置。

参见图1、图5所示，仿月牙刺形槽结构1以密封端面10的径向为轴线对称设置，在主轴正向或反向旋转时，仿月牙刺形槽结构20均能起到相同的动压效应，在两个密封环的密封端面之间形成连续、稳定的液膜，满足主轴的双向旋转的要求。仿月牙刺形槽结构20包括至少一个月牙形圆弧槽1、用于将液体从密封环的外径侧引导进入月牙形圆弧槽1的引流槽2、以及用于将月牙形圆弧槽1内的液体分流到密封环的外径侧的分流槽3；引流槽2与分流槽3沿仿月牙刺形槽结构20的对称轴对称设置。设置引流槽2和分流槽3，有利于在旋转过程中具有增强流体动压效应的作用，具有泵入泵出循环的功能；引流槽2和分流槽3具有稳压的作用，引流槽2的开设使足够的介质流体进入密封端面并形成稳定的液膜，而分流槽3的分流作用对于液膜则具有调节膜压的作用；可以有效提高密封端面间液膜的动压效应增强液膜的刚度和抗变形能力，提高密封端面的开启力，减少因开启力不足造成的密封失效问题，减少密封的泄漏量并有效延长机构的运行周期，整体提高装置的使用性能；减少因为频繁旋转方向转换所造成的密封失效问题，有效减少密封泄漏量和延长密封机械装置的运行周期。引流槽2和分流槽3对称设置，也就是形状尺寸完全相同，在主轴变换旋转方向时，引流槽2和分流槽3向互换，也就是功能作用互换。如定义旋转方向为前，则每个仿月牙刺形槽结构2中位于前侧的为引流槽2，位于后侧的为分流槽。本专利中月牙形圆弧槽1为规则圆弧线，在主轴旋转时，使得在周向上月牙形圆弧槽1内介质流动变化为渐变式，使得对于月牙形圆弧槽1槽壁的速度冲击较小；并且月牙形圆弧槽1的槽壁为圆弧面，使得壁面上的应力分布应力均匀，避免了局部应力集中; 因而相对于目前常用的螺旋槽, 设置为月牙形圆弧槽具有更好的动压效果, 增强液膜刚度, 提高抗外界干扰能力。

参见图5所示，月牙形圆弧槽1的两端具有逐渐缩小的收敛角113，设置收敛角，有利于增强月牙形圆弧槽1对于流体介质的泵送效果，增强流体的动压效应，有利于增强液膜的刚度和抗变形能力。优选设置收敛角113的角度取值范围为3°~15°。月牙形圆弧槽1具有沿密封环的轴向延伸设置的圆弧槽壁11、以及与密封端面10平行设置的槽底12。月牙形圆弧槽1的深度为2~20μm，月牙形圆弧槽1沿密封端面10的轴向的尺寸B，月牙形圆弧槽1沿密封端面10的径向最大的尺寸b1，B\/b1为10~20，优选设置B\/b1为14~16。也就是设置月牙形圆弧槽1的周向尺寸远远大于径向尺寸，有利于在尽量减小密封端面10上的开槽面积的同时，保证动压效果，增加液膜的刚度。

参见图1所示，引流槽2和分流槽3的槽宽为w，w取值为2-5μm；引流槽2和分流槽3深度为2~25μm。引流槽2沿密封环的径向向外延伸，分流槽3也沿密封环的径向向外延伸。引流槽2和分流槽3的结构相同，以引流槽2为例详细介绍，引流槽2具有沿密封环的轴向延伸设置的两个侧壁，还具有一个底部，对于引流槽2底部的第一种形式如图2所示，设置引流槽2为等深度值槽，也就是引流槽2的底部21为与密封端面10平行的平面；优选设置引流槽的底部21与月牙形圆弧槽1的槽底12平齐，也就是引流槽2的深度与月牙形圆弧槽1的深度相同。

引流槽2底部设置第二种形式如图3所示，引流槽2的底部21为沿径向向内渐变收敛，也就是引流槽2在远离月牙形圆弧槽1的方向上深度逐渐增加，引流槽2具有扩口的导流底部21，导流底部21为倾斜的平面。

引流槽2底部设置第三种形式如图4所示，引流槽2的底部21为沿径向呈阶梯型收敛，也就是引流槽2在远离月牙形圆弧槽1的方向上深度台阶状增加，引流槽2具有扩口的导流底部21，导流底部21为台阶面。

参见图1所示，在密封端面10的周向上，相邻的仿月牙刺形槽结构20之间的未开槽区域为密封堰5，月牙形圆弧槽1的周向尺寸与密封堰的周向尺寸的比值为3~6；确保在周向上由于槽区与堰区的深度变化达到提高动压作用，提高液膜刚度。

在密封端面10的径向上，仿月牙刺形槽结构20与密封环内径侧之间为密封坝4，月牙形圆弧槽1的径向尺寸与密封坝4的径向尺寸的比值为1~2.5；以保证密封端面10上具有足够的槽区面积，保证对于密封介质泵送效果，以满足密封要求。

本实施例中，参见图6所示，月牙形圆弧槽1包括靠近密封环外径侧的第一弧线111和远离密封环外径侧的第二弧线112，或者说月牙形圆弧槽1的端面边界具有第一弧线111和第二弧线112，第一弧线111和第二弧线112沿密封环的轴向延伸形成月牙形圆弧槽1的圆弧槽壁11；第一弧线111的圆心和第二弧线112的圆心均位于月牙形圆弧槽1的内侧，在密封端面10上靠近圆心的方向为内。第一弧线111和第二弧线112为不同半径、不同圆心的弧线，第一弧线111和第二弧线112相交，第一弧线111和第二弧线112围绕形成月牙形圆弧槽1的端面，或者说是形成月牙形圆弧槽1的轴截面。第一弧线111的半径小于第二弧线112的半径，第一弧线111和第二弧线112相交后，形成月牙形圆弧槽1在密封环径向的尺寸从对称轴向两端逐渐减小；也就是第一弧线111在周向的尺寸等于第二弧线112在周向的尺寸。收敛角a是由第一弧线111和第二弧线112相交形成的；引流槽2和分流槽3连接在月牙形圆弧槽1中部。

多个仿月牙刺形槽结构20在周向上呈均匀分布，仿月牙刺形槽结构1的数量为4~20个，其优选值为6~14个。每个仿月牙刺形槽结构20设置有一个月牙形圆弧槽1、一个引流槽2、以及一个分流槽3。

参阅图7-图8，是本实用新型所提出的轴端机械密封结构的第二个实施例，本实施例与第一个实施例的主要区别在于：仿月牙刺形槽结构设置有多个月牙形圆弧槽1，其他可以采用与第一个实施例相同的结构。

一种轴端机械密封结构，包括密封环，在密封环的密封端面10上间隔开设有多个仿月牙刺形槽结构20，仿月牙刺形槽结构1以密封端面10的径向为轴线对称设置，在主轴正向或反向旋转时，仿月牙刺形槽结构20均能起到相同的动压效应，在两个密封环的密封端面之间形成连续、稳定的液膜，满足主轴的双向旋转的要求。

仿月牙刺形槽结构20包括径向间隔设置的多个月牙形圆弧槽1，引流槽2和分流槽3均在径向延伸、进而与多个月牙形圆弧槽1连接。通过设置径向间隔并排设置的多个月牙形圆弧槽1，有利于增加在径向上的泵送效果，有利于形成稳定的在径向延伸的均匀的液膜；通过引流槽2可以将密封环外径侧的流体介质引流到径向并排设置的多个月牙形圆弧槽1内，引流槽2保证了有足够的介质流体进入密封端面并形成稳定的液膜，而分流槽3的分流作用对于液膜则具有调节膜压的作用；可以有效提高密封端面间液膜的动压效应增强液膜的刚度和抗变形能力。

本实施例中，仿月牙刺形槽结构20设置有三个月牙形圆弧槽1、一个引流槽2、以及一个分流槽3。设置三个月牙形圆弧槽1的尺寸相同，也可以设置月牙形圆弧槽1的尺寸在沿径向向内的方向上尺寸逐渐缩小。

参阅图9-10，是本实用新型所提出的轴端机械密封结构的第三个实施例，本实施例与第一个实施例的主要区别在于：月牙形圆弧槽的结构不同，其他可以采用与第一个实施例相同的结构。

仿月牙刺形槽结构20包括一个月牙形圆弧槽1、用于将液体从密封环的外径侧引导进入月牙形圆弧槽1的引流槽2、以及用于将月牙形圆弧槽1内的液体分流到密封环的外径侧的分流槽3；引流槽2与分流槽3沿仿月牙刺形槽结构20的对称轴对称设置。设置引流槽2和分流槽3，有利于在旋转过程中具有增强流体动压效应的作用，具有泵入泵出循环的功能；引流槽2和分流槽3具有稳压的作用，引流槽2的开设使足够的介质流体进入密封端面并形成稳定的液膜，而分流槽3的分流作用对于液膜则具有调节膜压的作用；可以有效提高密封端面间液膜的动压效应增强液膜的刚度和抗变形能力，提高密封端面的开启力，减少因开启力不足造成的密封失效问题，减少密封的泄漏量并有效延长机构的运行周期，整体提高装置的使用性能；减少因为频繁旋转方向转换所造成的密封失效问题，有效减少密封泄漏量和延长密封机械装置的运行周期。

本实施例中，月牙形圆弧槽1包括靠近密封环外径侧的第一弧线111、远离密封环外径侧的第二弧线112、，或者说月牙形圆弧槽1的端面边界具有第一弧线111和第二弧线112，第一弧线111和第二弧线112沿密封环的轴向延伸形成月牙形圆弧槽1的圆弧槽壁11；第一弧线111的圆心和第二弧线112的圆心均位于月牙形圆弧槽1的内侧，在密封端面10上靠近圆心的方向为内。月牙形圆弧槽1还包括分别与第一弧线111和第二弧线112相交的第三弧线113和第四弧线114，其中第三弧线113和第四弧线114位于同一圆的边界线上。也就是月牙形圆弧槽1的端面边界是由第一弧线111和第二弧线112、以及第三弧线113和第四弧线114所在的圆的边界线三者相交形成的，使得月牙形圆弧槽1的槽面更宽，液膜流量更大，润滑效果更好。第一弧线111和第二弧线112为同心弧线，第一弧线111和第三弧线113相交形成一个位于端部的收敛角，第一弧线111和第四弧线114相交形成另一个位于端部的收敛角，也就是第一弧线111在周向的尺寸大于第二弧线112在周向的尺寸，第二弧线112在周向的尺寸、第三弧线113在周向的尺寸、以及第四弧线114在周向的尺寸等于第一弧线111在周向的尺寸。

参阅图11-图12，是本实用新型所提出的轴端机械密封结构的第四个实施例，本实施例与第三个实施例的主要区别在于：仿月牙刺形槽结构设置有多个月牙形圆弧槽1，其他可以采用与第三个实施例相同的结构。

本实施例中，仿月牙刺形槽结构20设置有三个月牙形圆弧槽1、一个引流槽2、以及一个分流槽3。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

设计图

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