具有曲面槽密封端面的机械密封环制造技术

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

Mechanical sealing ring with curved groove sealing end face

Has the seal surface groove mechanical seal ring on the sealing end surface along the circumferential spacing are arranged along the radial extension and height below the seal groove end plane of the same form, with increasing depth of sealing groove form from the radially inner extend outwards and are open to the peripheral surface of the sealing ring. Any section in the seal groove with a groove of the unfolded state in the circumferential direction of the groove surface showed NURBS sine or cosine curve shape and the groove surface of each respective adjacent NURBS surfaces groove on both sides of the line trough and adjacent groove between the wave ridge on both sides are symmetrical, the adjacent NURBS surfaces in the continuous groove the wave ridge line smooth transition, the formation of continuous asymptotic surfaces along the circumferential seal in the end to end, the bottom line of NURBS surface groove and the sealing end plane with angle

【技术实现步骤摘要】
具有曲面槽密封端面的机械密封环
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。上述的机械密封环中，所述NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间的相应夹角的值，通常情况下可以选择1分~10度，更好的夹角的值可以为15~25分。该夹角的大小，可以影响密封端面间介质流体的动压效应和部分静压效应。通过调整该夹角的大小，可以调整平稳运行时摩擦副的两密封环之间的介质膜厚度，以及密封的泄漏量。增大该夹角，在较高转速工况下密封的泄漏量会较大程度增加，但过多地增大该夹角，会使得密封泄漏量受温度影响的程度加剧。一般情况下，在上述机械密封环的密封端面上，所述的密封槽可采取但不限于沿周向等间距分布为3~30个,优选的设置数量为6~16个。密封槽设置的数量，与密封介质压力、粘度，密封轴径、转速以及对密封性能要求等因素有关。一般情况下，增加密封槽的数量可以提高动压效应，但泄漏量也相对增大，同时由于密封端面润滑冷却条件可相对较好，对延长密封端面的寿命会更有利。因此，在其它参数不变或相近的情况下，为控制密封泄漏量，介质压力越高，可减少密封槽的数量；介质压力越低、则可适当增加密封槽的数量。为适应和满足不同使用工况的实际需要，上述的机械密封环中，所述的密封槽在密封端面上可以相应采取不同的设置形式。例如，为适应对密封装置的寿命和长周期运行有较高要求，但对密封泄漏量的要求相对不高的应用环境，所述的各NURBS曲面槽可以为在密封端面上以贯通形式由密封端面的内径缘径向延伸至密封环外周面的方式设置。其密封槽中任一位置点与端平面方向间的深度h可由式①表示。式①中的λ为NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间的该相应夹角的值，R为所述槽中该深度h所在位置点的半径，Ri为密封端面的内缘半径，θ=0~2π：h=(tanλ)(1-cos(nθ))(R-Ri)①。此种在密封端面上全部为单一贯通型NURBS曲面槽的密封环，虽然有利于流体静压效应的增强，但密封的泄漏量也会相应增大。所述的密封槽在密封端面上的另一种设置形式，可以为在所述密封端面的径向内侧设置有一具有端平面高度的环状密封坝区，所述的NURBS曲面槽由密封坝区的径向外缘向外延伸至密封环的外周面。由于此结构能产生较好的流体动压效应，因而特别适用于对密封设备长时间连续稳定运行，并对密封平稳性要求相对较高的工况条件。其密封坝区的径向宽度与NURBS曲面槽的谷底线在密封端平面方向上的径向投影长度之比为0.1~1:1。其中，增大密封坝区的径向宽度，有利于减小密封端面的泄漏量，但同时对密封端面的润滑性减弱，对密封寿命有影响。此外，所述密封坝区的平面度可以控制为0.0003~0.001mm，优选的平面度为0.0003mm。坝区的平面度除影响泄漏量外，还可影响密封端面液膜的均匀性，严重时会甚至可导致密封端面的磨损。密封槽中任一位置点与端平面方向间的深度h，可由式②表示。式②中的λ为NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间的夹角，R为所述槽中该深度h所在位置点的半径，Ri为密封端面的内缘半径，N为密封坝区的径向宽度，θ=0~2π：h=(tanλ)(1-cos(nθ))(R-Ri-N)②。为能同时获得较好的流体动压效应和静压效应，以适应在低速或启动频繁的工况的应用环境，所述的密封槽还可以采取的一种设置形式，是在所述密封端面的径向内侧由内向外依次设置有一具有端平面高度的环状密封坝区和一环状的锥面区，所述的NURBS曲面槽由锥面区的径向外缘延伸并开口于密封环外周面。此结构是通常情况下最具有广泛适用性的一种形式。其中：——所述锥面区的锥面线与所述密封坝区的平面（即密封端平面）相交，形成了与密封端平面间沿径向由外向内收敛的所述锥角。一般情况下，对该锥角与NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间夹角间的大小关系无需限定，但在显著增加所述锥面区径向宽度的情况下，则优选为使该锥角小于所述的NURBS曲面槽的谷底线与密封端平面间的夹角。通常情况下所述锥角大小的取值范围可以为1分~10度；但在较高压力的工况（例如≥10MPa）条件下的密封，该锥角大小的优选范围则可以为10~30分；上述锥面区锥角的大小可影响密封的静压开启力本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征是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（6），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（1），各相邻NURBS曲面槽（1）各自的波谷线（4）两侧及相邻槽间的波脊线（5）两侧的槽面分别为对称分布，各相邻NURBS曲面槽（1）在其波脊线（5）处平滑过渡连续，形成沿密封环周向依次首尾相连的周期性循环的平滑连续曲面，所述NURBS曲面槽（1）的谷底线（4）与密封端平面间具有夹角（

【技术特征摘要】
1.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，其特征是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（6），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（1），各相邻NURBS曲面槽（1）各自的波谷线（4）两侧及相邻槽间的波脊线（5）两侧的槽面分别为对称分布，各相邻NURBS曲面槽（1）在其波脊线（5）处平滑过渡连续，形成沿密封环周向依次首尾相连的周期性循环的平滑连续曲面，所述NURBS曲面槽（1）的谷底线（4）与密封端平面间具有夹角（λ）。2.如权利要求1所述的机械密封环，其特征是所述NURBS曲面槽（1）的谷底线（4）与密封端平面间的夹角（λ）的值为1分~10度，优选的夹角（λ）值为15~25分。3.如权利要求1所述的机械密封环，其特征是所述的密封槽在密封端面上沿周向等间距分布为3~30个，优选密封槽设置数量为6~16个。4.如权利要求1至3之一所述的机械密封环，其特征是所述的各NURBS曲面槽（1）为在密封端面上以贯通形式由密封端面的内径缘径向延伸至密封环外周面（6），密封槽中任一位置点与端平面方向间的深度h可由式①表示，式中的λ为NURBS曲面槽（1）的谷底线（4）与密封端平面间的夹角，R为所述槽中该深度h所在位置点的半径，Ri为密封端面的内缘半径，θ=0~2π：h=(tanλ)(1-cos(nθ))(R-Ri)①。5.如权利要求1至3之一所述的机械密封环，其特征是在所述密封端面的径向内侧设置有一具有端平面高度的环状密封坝区（2），所述的NURBS曲面槽（1）由密封坝区（2）的径向外缘向外延伸至密封环的外周面（6），密封坝区（2）的径向宽度（N）与NURBS曲面槽（1）的径向宽度（m）之比为N:m=(0.1~1):1，密封槽中任一位置点与端平面方向间的深度h可由式②表示，式中的λ为NURBS曲面槽（1）的谷底线（4）与密封端平面间的夹角，R为所述槽中该深度h所在位置点的半径，Ri为密封端面的内缘半径，N为密封坝区（2）的径向宽度，θ=0~2π：h=(tanλ)(1-cos(nθ))(R-Ri-N)②。6.如权利要求1至3之一所述的机械密封环，其特征是在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张君凯，陈侃，王旭，李龙，刘伟，吴忠永，李志山，吴希曦，黄美，
申请(专利权)人：四川日机密封件股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51