[发明专利]具有曲面槽密封端面的机械密封环

说明书

具有曲面槽密封端面的机械密封环，在密封端面上沿周向等间距排布有沿径向延伸且高度低于端平面的相同形式的密封槽，密封槽以深度渐增形式由径向内侧内向外延伸并开口于密封环的外周面。密封槽中具有槽的任一截面部位在其所在圆周方向的展开状态均呈正弦或余弦曲线状的NURBS曲面槽，各相邻NURBS曲面槽各自的波谷线两侧及相邻槽间的波脊线两侧的槽面分别为对称分布，各相邻NURBS曲面槽在其波脊线处平滑过渡连续，形成沿密封环周向依次首尾相连的渐近连续曲面，所述NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间具有夹角λ。该结构的机械密封环，可同时具有在较高转速密封工况下的流体动压效应，以及在较低转速工况下较强的流体静压效应，降低了密封受工况扰动的影响，保证机械密封长周期平稳可靠地运行。

技术领域

本发明涉及端面机械密封设备中的一种有曲面槽密封端面的机械密封环，可用于各种形式的泵、压缩机、膨胀机、反应釜等旋转机械轴端密封设备，尤其适用核电主泵轴密封要求在辐射、温度变化范围大、要求平稳运行周期长等应用环境。

背景技术

机械密封通常用于泵、压缩机等旋转流体机械的轴端密封，以阻止流体工作介质沿轴与装置腔体的圆环形缝隙泄漏至环境侧。其主要构成部分包括辅助静密封圈、结构壳体、弹簧元件和一对相对旋转的密封环所组成的摩擦副。根据摩擦副的工作状态又可分为接触式与非接触式。其中，接触式机械密封，由于密封环之间没有形成完全的流体膜润滑状态，环固体与固体之间存在接触应力，在长周期运行过程中摩擦磨损不可避免。非接触式机械密封，则是在密封端面上开设有流体型槽，包括流体动压槽、流体静压槽，工作时，轴端相对的动、静环之间形成完整的流体润滑膜，其间由流体承载而相互分离并保持固定间隙，摩擦磨损近似为零。因此，在相同工况下非接触式机械密封较之接触式机械密封更能在长周期运行过程中保持性能的稳定。在非接触式机械密封的密封端面中的两类槽型在产生轴向开启力（即端面承载力）方面的原理各不相同：

流体动压槽，其产生轴向开启力的原理是由于这类槽型在密封环周向上的高度（槽深）呈周期变化。密封环相对旋转会使得端面间流体产生周向速度，当遇到周向高度变化时，产生流体动压效应而形成轴向开启力。

流体静压槽，其产生轴向开启力的原理是由于这类槽型沿端面径向上的高度（槽深）呈现出高压侧深，低压侧浅的趋势。在介质压力作用下，流体产生沿径向速度，当遇到径向高度变化时，产生流体静压效应而形成轴向开启力。

目前，大量应用的非接触式机械密封所具有的槽型要么为流体动压槽型，要么为流体静压槽型。具有流体动压槽型的机械密封泄漏量相对流体静压机械密封更小，但在低速运转时由于流体动压效应较弱，容易造成端面碰擦，增加了摩擦副的磨损几率。而具流体静压槽型的机械密封，则由于端面流场为径向汇流形式，其承载能力受介质粘度影响，所以易受温度的影响，尤其当介质为水时，温度对密封性能的影响较为明显。

发明内容

鉴于此，本发明提出了中一种新结构形式的具有曲面槽密封端面的机械密封环，不仅能具有流体动压效应，还能具有较强流体静压效应，以适应和满足较低转速和/或较高转速等不同使用工况条件的需要。

本发明具有曲面槽密封端面的机械密封环，基本结构同样是在密封端面上沿周向等间距排布有沿径向延伸且高度低于端平面的相同形式的密封槽。其中，所述的密封槽以深度渐增形式由径向内侧内向外延伸并开口于密封环的外周面，密封槽中具有槽的任一截面部位在其所在圆周方向的展开状态均呈正弦或余弦曲线状的NURBS（即非均匀有理B样条）曲面槽，各相邻NURBS曲面槽各自的波谷线两侧及相邻槽间的波脊线两侧的槽面分别为对称分布，各相邻NURBS曲面槽在波脊线处平滑过渡连续，形成沿密封环周向依次首尾相连周期性循环的平滑连续曲面，所述NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间具有相应的夹角。

本发明中所称的曲面槽的含义，是指槽中任一位置处的截面形状，在沿其所在的密封环半径的圆周方向展开后，均呈平滑过渡的连续曲线状态。