[发明专利]一种密封环以及带有该密封环的机械密封装置

说明书

技术领域

本发明属于机械密封的密封环领域，涉及一种在密封端面设有浅槽的密封环，特别涉及一种在密封端面设有槽底为曲面的浅槽的密封环，还涉及一种带有该密封环的机械密封装置，适用于各种形式的接触式机械密封和非接触式机械密封。

背景技术

机械密封广泛应用于泵、压缩机、反应釜、搅拌器、离心机和过滤机等传输或处理各种流体的旋转设备。在机械密封中，动密封环（亦称动环）随轴一起旋转，并和静密封环（亦称静环）紧密贴合组成主密封，以防止密封介质泄漏。机械密封的使用性能主要取决于两密封环的密封端面之间的摩擦状态，主要磨损部分也发生在密封端面，因此动环和静环是机械密封的核心部件。机械密封一般分为接触式机械密封和非接触式机械密封两种。在接触式机械密封中，互相贴合的两个密封环的密封端面一般被设计和制造得尽可能平整，以便使两个密封端面紧密贴合时间隙尽可能小从而减小泄露。然而，接触式机械密封主要在混合摩擦和边界摩擦状态下工作，两个密封端面一般处于接触状态，磨损、功耗和发热量都比较大，寿命较短，在高速、高压下使用受到限制。

通过在密封环平端面开设浅槽可以增强密封端面的润滑，降低端面上的摩擦和磨损，减小摩擦热，提高密封的稳定性和寿命。目前在端面开设浅槽的机械密封已经发展成为一种典型的非接触式机械密封。这种非接触式机械密封是在其中一个密封环的平端面开设一系列的深度为微米级的浅槽，如螺旋槽、圆弧槽、叶形槽、T形槽、Y形槽、L形槽、直槽以及各种异形槽等，在运转时，由于浅槽的动压效应，将进入该槽的密封流体的压力升高，该压力作用在相互贴合的动、静环密封端面上，将这两个面推开而不接触，并在之间形成连续、稳定的密封流体的薄膜，实现非接触密封。

浅槽一般在碳化钨、碳化硅、氮化硅等硬质密封环的密封端面上开设，高精度加工比较困难，但是其几何形状对流体薄膜的厚度、刚度、承载能力和稳定性影响较大，良好的浅槽几何形状设计及高精度加工是机械密封的核心技术。

公知的在密封端面设有浅槽的密封环，还存在不足。

例如，普通的平底等深螺旋槽、圆弧槽、叶形槽、T形槽、Y形槽、L形槽以及各种异形槽，由于槽深相等，对密封流体的压缩不强，流体动压效应不强，所以在一定工况下，流体膜厚度不足，或者在一定流体膜厚度下流体膜的刚度不足，造成密封性能的不稳定。

通过在密封环的密封端面开设非等深的浅槽来增强端面流体的动压效应，进而增大端面流体薄膜的承载能力和流体膜薄刚度，从而提升密封运行稳定性和可靠性并延长使用寿命，是机械密封的主要发展方向之一。

例如，公开号CN1415877A的中国专利文献公开了一种双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，其密封环的密封端面上开设的螺旋浅槽的槽深从高压测到低压测逐渐变浅；公开号CN101985981A的中国专利文献公开了一种槽底为斜平面的斜直线槽机械密封环；公开号US5722665A的美国专利文献公开了一种由两级平底台阶或斜底台阶构成的动压槽；公开号CN102927282A的中国专利文献公开了一种沿径向次第变深的多级平底台阶构成的螺旋槽机械密封端面；公开号CN101469771A的中国专利文献公开了一种可双向旋转的阶梯圆弧槽机械密封端面。这些非等深浅槽一般具有结构精细而精度高，粗糙度要求严格的特点，可加工性一般较差，有的很难加工出来，有的甚至无法直接加工出来，现多采用高能激光束分层加工来近似成形，在加工精度和表面粗糙度等方面存在不足。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种在密封端面设有槽底面为曲面的浅槽的密封环，还提供了一种带有该密封环的机械密封装置。

一个圆周在三维空间中有五个自由度，可以借助数学方法，选择五个独立变量建立坐标系和方程来描述该圆周的位姿和位置及其运动。而瞬时位姿和位置可以由直线运动或转动或由它们构成的复合运动来描述。当以适当的位姿沿着一条直线或曲线运动时，其运动轨迹在三维空间是曲面，也可以是正高斯曲率曲面或零高斯曲率曲面。显然，如果该圆周在运动时与密封环平的密封端面相交，在密封环上会形成连续变深的光滑连续曲面，因此可以用这样的曲面来定义浅槽的底面。当以这样的正高斯曲率曲面来定义浅槽的底面时，如果用一系列过密封环轴线的平面截切浅槽会得到一系列截面，存在一个区间，在此区间内各截面的面积沿着顺时针方向或逆时针方向是逐渐减小的，因此该曲面可以被用来定义浅槽的底面。