[发明专利]一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构

说明书

技术领域

本发明涉及旋转式流体机械的流体端面机械密封结构，特别涉及一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构。

背景技术

机械密封是防止旋转式流体机械轴端泄漏的主要手段，随着石化、核电等行业的快速发展，对机械密封的要求向高参数发展，具有更高的稳定性和可靠性以及更长的使用寿命。传统的接触式机械密封端面间无法形成稳定的液膜，因此其使用寿命较短，特别是在高速、高压的场合，或者启停、变工况等较频繁的场合，对密封的可靠性要求更高。端面的磨损、密封环的热裂等都容易导致密封的失效。非接触式密封端面的开启主要由流体膜来承载，一贯反映用于上述高性能要求的场合。因此，设计一种构型，能够同时产生流体静压力、流体动压力，减少密封端面的接触，可以有效地避免密封的失效，同时保持较小的端面间隙以控制泄漏量。

公知的流体动压或静压或动静压结合型机械端面密封，还存在一些不足之处，例如端面开螺旋槽流体动压型端面密封(见USA Patent 3744805、USAPatent 4420162和USA Patent 4212475以及中国专利96108614.9、98103575.2、02132978.8和03134193.4)，其端面结构主要由沿周向均匀分布的数个螺旋槽和与槽根部紧密连接的密封坝组成，尽管其摩擦功耗较低，端面开启能力也较强，但是其泄漏量大于相同规格的普通端面机械密封。同时，工作中排屑的性能很差，宜造成介质中颗粒的堆积；又如端面多孔或微凹机械密封，无论是端面整体开孔(见USA Patent 6046430)，还是端面部分开相同微孔(USA Patent6341782，中国专利200620100860.3和200720106746.6)或方向性微孔(中国专利200920198889.3和201020653230.5)，都存在抗压能力、抗干扰能力不强，高参数下易发生大变形导致泄漏量较大等不足，因此在苛刻环境下，端面间流体膜厚不足，或者流体膜刚度不足以抵抗外界干扰，导致密封系统不能正常稳定运行，也存在排屑能力差的问题。美国专利USA Patent 3738667设计了一种结构使得密封变形后端面能够产生一种波度。Lebeck和Young设计了一种端面对称波度密封形式，包括波度、锥度、坝区，对其进行了相应的实验研究。美国专利USA Patent 4836561对此种端面对称波度密封形式进行了阐述。虽然此密封结构能够适用于多种工况，泄漏量较小，也较好解决了介质中颗粒堆积的问题，但在密封稳定运行过程中，对称波度的存在将削弱了流体的静压能力，从而降低了密封系统的承载力和稳定性，增加了失效的风险。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构，抗压能力、抗干扰能力强，高参数下具有较小泄漏量，启停过程流体动压效果好、正常运行时流体承载力充足。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种动静压结合型非对称波度端面流体机械密封结构，包括主轴7、机械密封的动环15和静环17，动环15和静环17端面的一侧为高压侧，即上游，另一侧为低压侧，即下游，动环15和静环17上至少有一个密封端面上具有两个以上的三维非对称波度形貌，非对称波度在密封端面上呈周期性排布，非对称波度密封端面包括坝区1、锥面4、波峰2、波谷3以及形成的波峰高度5和波谷深度6，坝区1为处在低压侧的一不开槽的平行环形密封坝，波峰2和波谷3通过锥面4相连，锥面4为高压侧向低压侧形成的线性收敛锥形，直至与坝区1相接。

所述坝区1的宽度小于密封环的宽度。

所述锥面4的锥角β₁的取值范围为100～1500μrad。

所述非对称波度沿锥面4同一周期内锥角β₁相同，波度曲线沿周向呈非对称性分布，非对称波度在密封端面上沿周向呈周期性排布。

所述非对称波度沿旋转方向，收敛部分的曲线对应的中心角大于波度发散部分曲线对应的中心角，收敛区的峰值h_p、谷值h_v满足h_p≥h_v或h_p≤h_v，收敛区的峰值h_p、谷值h_v在2～20μm范围内。

所述非对称波度的波度形状具有方向性，呈中心对称分布，包括正弦波、余弦波、斜直线波或指数波形状。

所述的非对称波度度数在1～40范围内。