本發明涉及端面流體密封中具有組合槽端面的密封環，以及具有該組合槽端面密封環的機械密封裝置。

背景技術：

機械密封技術以其優越的性能已廣泛應用于眾多的旋轉機械軸向端面密封的應用中，例如各種型式的泵、壓縮機、膨脹機、分離機、反應釜等旋轉類機器的軸端密封。目前已有報道和/或使用的流體端面非接觸式機械密封裝置的基本結構中，通常包括有靜止環（靜環）、旋轉環（動環）、靜環座、軸套、傳動銷、公差環、壓緊套、推環、彈簧、防轉銷等構成組件。靜環和動環共軸線相對設置，其相對的端面為密封面。靜環沿徑向空套在靜環座上，與靜止環座保持相對靜止，其軸向由推環和彈簧浮動支撐，周向由防轉銷定位，使靜環只可沿軸向自由浮動而不能隨軸旋轉。動環以徑向由公差環脹緊在軸套的外圓柱面上，軸向與軸套的臺階面接觸并被壓緊套軸向壓緊，周向由傳動銷與軸套固定在一起，使動環可隨軸套與旋轉軸一起同步旋轉。

機械密封按密封面是否接觸，可分為接觸式和非接觸式兩種，其中又以非接觸式具有更高的穩定性和更長的使用壽命。非接觸式機械密封的一種典型方式是利用介質在密封面間的流動形成流體動壓效應，以獲得足夠的流體膜開啟力和足夠高的流體膜剛度，從而使兩密封端面被流體膜分開，實現非接觸式運轉。端面流體動壓效應主要與密封端面的表面結構、密封面相對轉速、介質粘度相關，這其中密封面相對轉速和介質粘度往往是取決于使用密封機組的現場條件，技術上更多可改進的是密封端面的表面結構。目前通常的密封端面表面結構設置措施是在靜環和動環相對的兩密封端面中的一側或兩側端面上，開設有由具有端平面高度的相同形式隔離部分（堰區）分隔成均勻排布的型槽形式，其中以等槽深的螺旋槽、“T”型槽的端面密封最為典型。如何設計出更好的密封面表面結構，增強端面流體的動壓效應，以增大端面流體膜承載能力和流體膜剛度，從而提升密封運行穩定性，最終延長使用壽命，是非接觸式機械密封端面槽型研究的主要方向之一。

技術實現要素：

本發明首先提供了一種用于機械密封裝置的具有組合槽端面的密封環，以及具有該組合槽端面密封環的機械密封裝置。

本發明具有組合槽端面的密封環，是在密封環的密封端面上由具有端平面高度的隔離部分（密封堰）隔成均勻排布的型槽單元，各型槽單元中包括有長、短兩個槽。其中：

——兩個槽相鄰開口于密封環的同側周緣部，其中短槽開口弧長對應的密封環中心的圓心角與長槽開口弧長對應的密封環中心的圓心角之比為1.3~0.8。比值過大會降低長槽的周向寬度，使長槽區域的動壓效應下降；比值太小，不利于在小間隙狀態下引入較多介質到密封面間，同樣會導致動壓效應不能顯著提升；

——短槽和長槽在密封端面上延伸的槽的端面分別處于密封環不同半徑的圓周處，且短槽的延伸槽端面與所鄰長槽的側壁相交疊。例如，當兩個槽中的短槽處于旋轉方向的背風位置時，則其在密封端面上延伸的槽端面與長槽背風側的槽壁相交疊；若兩個槽中的短槽處于旋轉方向的迎風位置時，則其在密封端面上延伸的槽端面與長槽迎風側的槽壁相交疊；

——兩個槽中處于旋轉方向的背風位置的槽的軸向深度為2~30微米，處于迎風位置的槽的軸向深度為1~15微米，且背風位置槽的軸向深度大于迎風位置槽的軸向深度，其中優選的背風位置的槽軸向深度與迎風位置的槽的軸向深度之比是3~1.2。

上述密封環的結構中，密封環的外徑與內徑間的徑向長度為密封端面的徑向長度；開口于密封環的周緣部并在密封端面上延伸的型槽單元中的長短兩個槽，由其各自的周緣槽口至各自在密封端面上延伸的槽端面間的徑向距離，為其各自槽的徑向長度。其中，長槽的徑向長度與密封環的密封端面徑向長度之比優選的是0.3~0.8。此比值如果過小，則流入槽區的介質流量少，不利于形成充分的流體動壓；比值過大，則密封端面上無槽區的徑向長度較小，不利于有效阻止介質的泄漏。

另一方面，短槽的徑向長度與長槽的徑向長度之比可優選為0.4~0.6。此比值過小，不利于介質流入槽區以形成流分的流體動壓；若比值過大，亦不能有效提升流體動壓，同時還會引起泄漏量的增加。

在密封端面上，由于所述型槽單元中短槽的延伸槽端面與所鄰長槽的側壁相交疊，因此通過改變或調整其交疊程度，也可達到改變和調整介質在密封間隙的流動狀態及動壓效應的目的。其中，所述短槽在長槽所鄰側壁交疊部分的槽延伸端面弧長的圓心角與短槽開口弧長的所述圓心角之比，可優選為0.3~0.6。如果交疊程度過大，即此比值大，使介質在兩槽交界處的介質流通時過流面的減小量受到影響，不利于獲得充分的擠壓效應，從而影響動壓效應，反之，又會降低進入長槽介質的總量，影響長槽迎風側及槽底介質的動壓效應。

在上述密封環的型槽單元中，對所述的長、短兩個槽的位置，可根據具體密封要求的不同而設置。其中，將長槽設于迎風位置的槽，短槽為處于背風位置的槽，可作為一種常用的優選方式。

同樣，根據具體設備和/或密封需要，所述型槽單元中的兩個槽可以開口于密封環的外側周緣部或內側周緣部。其中，常用的是兩個槽均開口于密封環外側周緣部的形式，即型槽單元設置在密封端面的徑向外側部位中。此時，型槽單元中的兩個槽在密封端面上延伸的槽端面與密封環內周緣間，則為具有端平面高度的密封端面（密封壩）；反之亦然。

密封端面上型槽的設置數量會影響密封端面的流體動壓效應，且隨著槽數的增大，開啟力、泄漏量和液膜剛度通常會先迅速增大，而后增加緩慢并漸趨平穩。因此一般情況下，在滿足各方面要求的前提下，增加密封端面中上述型槽單元的設置數量，有利于提高密封性能。但綜合滿足需要及加工成本等因素，所述型槽單元在密封端面上設置的數量一般至少為6個，優選的數量為6~30個。

就所述型槽單元中的長、短兩個槽而言，并沒有特別的要求，都可以采用目前已有報道和/使用的常規形式的槽。由于密封端面上所設置的槽型不同，對密封狀態下的流體動壓效應、開啟力、泄漏量、液膜剛度等因素的影響，以及所適用的設備和/或工況條件等都有所不同。盡管對型槽單元中的長、短兩個槽的可以根據需要分別選擇而無需有特別的限定或要求，但可以理解的是，兩個槽槽型間的差異越大，對密封效果的各種影響因素也會更加復雜或掌控。因此一般情況下，在同一型槽單元中的長、短兩個槽，優選為同類型的槽，例如同為螺旋槽、直線槽、圓弧型槽等，即使為適應或滿足特定的設備和/或工況等需要而采取不同類型槽進行組合，也優先采用槽型相近的槽相互組合（如螺旋槽與圓弧槽等）。

具體設計時，根據對密封的實際要求，可以先按常規方式確定型槽單元中兩個槽中的一個后，再根據另一個槽的常規方式及上述的兩個槽間的相關參數關系，得到另一個槽。以兩個槽均為螺旋槽為例，按照螺旋槽邊緣型線的常規公式①，可以先設計出型槽單元中的長槽（或短槽），再按照該公式并根據兩個槽間上述的相關參數關系范圍，即可得到與之相鄰設置的短槽（或長槽）：

①。

公式①中的r為極坐標中對數螺旋線的極半徑（r_i≤r≤r₀），r_i為對數螺旋線的基圓即密封環內圓的半徑，φ為對數螺旋線起始處的極角（0~180°），θ為對數螺旋線極角（可根據需要確定），β為螺旋角（可根據需要確定）。

在上述具有組合槽密封環的基礎上，本發明進一步提供了一種具有組合槽密封環的機械密封裝置，其基本結構與目前的同類機械密封裝置相同，都具有共軸線相對設置的靜止環和旋轉環，其相對的端面間為密封端面，靜止環周向上由防轉銷與靜環座相互定位，并經軸向設置的彈簧和推環浮動支承在靜環座中；旋轉環可經軸套與軸作傳動連接。其中，所述的靜止環和旋轉環中的至少一個，采用的是上述在密封端面上設置有所述型槽單元的組合槽端面密封環。

計算表明，采用本發明上述具有組合槽密封環的機械密封裝置，能顯著提高密封端面流體膜的動壓效應，使密封端面上具有更大的開啟力、剛度及承載能力，特別在小間隙狀態下（間隙小于3微米），明顯具有比傳統密封端面更好地流體膜特性，有效增大了端面流體動壓效應。

本發明上述結構的密封環及其使用該密封環的機械密封裝置，具有廣泛的適用性。例如，可以根據需要設置為多種密封型式的布局，包括單端面密封、雙端面密封、串聯式密封（兩級以上）、串聯帶中間迷宮（兩級以上）等，還可以與浮環密封、碳環密封、迷宮密封等其它密封型式組成為組合式密封結構應用。

以下結合由附圖所示實施例的具體實施方式，對本發明的上述內容再作進一步的詳細說明。但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發明上述技術思想情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應包括在本發明的范圍內。

附圖說明

圖1是使用本發明具有組合槽端面密封環的一種機械密封裝置的結構示意圖。

圖2是圖1中密封環的型槽單元在密封端面上的一種排布狀態示意圖。

圖3是圖2密封端面中的一個型槽單元區域的放大結構示意圖。

具體實施方式

圖1所示的是采用本發明具有組合槽端面密封環的一種機械密封裝置。與目前常規的機械密封裝置的結構一樣，具有共軸線相對設置的靜止環5和旋轉環7，其相對的端面間為具有間隙h₀的密封端面。h₀一般可為0~0.025毫米，具體可根據實際情況綜合考慮進行調整。例如，對于普通機械密封，兩密封端面基本處于直接接觸的無間隙狀態；對于氣體非接觸式密封端面的無槽區間隙h₀通常約為0.002~0.005毫米；對于某些液體膜非接觸式機械密封的端面無槽區間隙h₀一般約為0.01~0.025毫米。靜止環5周向上由防轉銷14與靜環座8相互定位，并經軸向設置的彈簧13和推環12浮動支承在靜環座8中；旋轉環7經傳動銷10與軸套9及軸11作傳動連接。其中的靜止環5和/或旋轉環7為在密封端面的外周側均勻排布有6~30個（例如12個）由長槽2和短槽1共同組成的型槽單元6的組合槽端面密封環。

圖2和圖3是圖1中具有組合槽端面密封環的一種結構形式。密封環的內半徑r4為60mm，外半徑r1為81mm。在密封環的密封端面上由具有端平面高度的隔離部（密封堰）3分隔成均勻排布的相同結構的型槽單元6，各型槽單元6中包括有均采用螺旋槽型的長槽2和短槽1，且短槽1處于旋轉方向的背風位置，長槽2處于迎風位置。兩個槽相鄰開口于密封環的外側周緣部，且短槽1開口弧長AB對應的密封環中心的圓心角θ₁與長槽2開口弧長BC對應的密封環中心的圓心角θ₂之比，為θ₁:θ₂=1。短槽1和長槽2在密封端面上延伸的槽的端面分別處于密封環不同半徑r2（r2=76mm）和r3（r3=71mm）的圓周處，且短槽1的延伸槽端面與所鄰長槽2的側壁15相交疊。短槽1在長槽2所鄰側壁15交疊部分的槽延伸端面弧長DE的圓心角θ₃與短槽1開口弧長AB的所述圓心角θ₁之比，為θ₃:θ₁=0.4。兩個槽在密封端面上延伸的槽的端面與密封環的內周緣間為具有端平面高度的密封端面（密封壩）4。

兩個槽由其周緣開口至各自在密封端面上延伸的槽端面間的徑向距離分別為該槽的徑向長度。其中短槽1的徑向長度與長槽2的徑向長度之比的范圍為0.5，且長槽2的徑向長度與密封端面的徑向長度之比為0.48。

所述兩個槽中，處于背風位置的短槽1的軸向深度h_g1為10微米，槽2的軸向深度h_g2為5微米。

具體設計時，根據對密封參數/條件的實際要求，可按照上述螺旋槽邊緣型線的公式①設計得到兩個槽中的長槽2（或短槽1），再根據公式①和兩槽間上述的參數關系要求，得到相應的短槽1（或長槽2）。公式①中的相關參數同上，其中的極半徑為r_i≤r≤r₀，對數螺旋線起始處的極角φ為0~180°，對數螺旋線極角θ可根據具體要求確定，螺旋角β為5°～30°。

與同類型尺寸參數規格的普通螺旋槽的對比計算結果顯示，當密封面間隙為1微米時，采用具有組合槽端面密封環的本例密封面間的介質開啟力，可比普通螺旋槽增大約90%，流體膜剛度約增大900%；當密封面間隙為2微米時，本發明組合槽的密封面介質開啟力可比普通螺旋槽約增大約60%，流體膜剛度約增大650%。表明了本發明具有組合槽端面的密封環能有效增大端面流體的動壓效應，特別是在小間隙密封時，本發明具有組合槽端面的密封環對流體膜剛度和開啟力的提高能具有更大的優勢。