一种倾斜方向协同设计的型孔织构密封端面结构

技术领域

本发明涉及一种型孔织构密封端面结构，尤其涉及一种倾斜方向协同设计的型孔织构密封端面结构。

背景技术

压缩机、离心泵和搅拌设备等旋转机械轴端一般需设置密封以避免设备内部介质泄漏或外部杂质进入设备内部，其中能实现密封端面非接触运行的非接触式机械密封是其优选方案。非接触式机械密封通过在密封端面开设流体动静压结构以产生显著的流体动静压承载力以实现非接触运行，如何对流体产生更强的流体动压效应以强化流体膜承载力和刚度是机械密封设计的主要驱动力之一。目前气体润滑和液体润滑机械密封中一般以对数螺旋槽为代表的流体动压型槽作为首选流体动压结构，这种连续型织构相较于型孔、微凸体等离散型织构具有显著更强的流体动压效应，能产生更大的流体膜承载力和刚度。不过，当密封介质中含有固体颗粒或密封端面接触磨损时，产生的磨屑进入密封端面型槽织构后，固体颗粒会沿着型槽织构滑动并在槽根附近聚集，随着颗粒的增多，会对配对密封环端面造成严重磨损，这也是型槽端面机械密封对介质洁净度和端面磨损非常敏感的原因所在。型孔织构具有很好的容屑能力，为进入密封间隙内的微小固体颗粒构造出一个个离散的吸纳空间，故而相较于型孔织构端面密封具有更好的耐磨能力。然而，型孔织构端面密封虽然具有良好的容屑能力和耐磨性能，但其仍存在着密封端面流体膜承载力小、刚度小和动压效应弱的问题，限制了其在非接触式机械密封中的推广应用。

发明内容

针对现有型孔织构端面机械密封所存在的流体动压效应弱、流体膜承载力和刚度小的不足，本发明提出了一种通过型孔形状、排布和孔底形貌方向性协同设计以强化流体动压效应的型孔织构密封端面结构。

本发明采用的技术方案是：一种倾斜方向协同设计的型孔织构密封端面结构，该结构设置在动环和/或静环的密封端面上；所述密封端面的外径侧为上游高压侧，密封端面的内径侧为下游低压侧；该结构包括型孔织构区和不开孔的密封坝区，其中，型孔织构区设置在所述密封端面靠近上游高压侧的位置，密封坝区设置在所述密封端面靠近下游低压侧的位置；

所述型孔织构区包括以旋转中心为圆心呈环形阵列设置的多个方向性型孔栏，每个方向性型孔栏包括多个从内径侧至外径侧依次设置的方向性型孔织构，位于同一圆周方向上的型孔织构形成方向性型孔带；

所述型孔织构为长半轴长度与短半轴长度不相等的方向性型孔，型孔织构的底面设有方向性形貌，方向性形貌包括多个方向性沟槽；所述型孔织构的长半轴与型孔织构的型孔中心所在圆周线切线呈一形状倾斜角θ

所述方向性型孔带(4)沿径向的数量为n个，不同方向性型孔带(4)距离动环或静环旋转中心的半径为r

式中，r

所述型孔排布线(7)为螺旋线或直线，型孔排布线(7)为螺旋线时由如下公式所示：

型孔排布线(7)为直线时由如下公式所示：

y＝k

该线经过点(0，r

所述型孔织构(5)的轮廓线为椭圆形或类水滴型曲线(541)，型孔织构(5)的轮廓线为水滴型曲线(541)时，类水滴型曲线(541)内部存在长半轴(521)和短半轴(522)，类水滴型曲线(541)由如下公式所示：

式中m为型孔轮廓边数；B为放大系数，n

优选地，所述形状倾斜角θ

优选地，所述形状倾斜角θ

优选地，所述形状倾斜角θ

优选地，所述型孔织构的短半轴长度与长半轴长度之比的取值范围为0.2～0.95。

优选地，所述型孔织构的短半轴长度与长半轴长度之比的取值范围为0.4～0.6。

优选地，所述方向性型孔带沿径向的数量范围为2～10；所述方向性型孔栏沿周向的数量范围为6～300。

优选地，所述方向性型孔带沿径向的数量范围为3～6；所述方向性型孔栏沿周向的数量范围为18～60。

优选地，所述型孔织构的边界轮廓线呈椭圆线或类水滴型曲线。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过对型孔倾斜角度、排布角度和底部形貌角度的协同设计，同时考虑型孔轮廓内的长短半轴比值来提高型孔端密封的综合密封性能，主要提高了流体膜承载力和流体膜刚度。

(2)本发明型孔端面密封的容屑能力较强，耐磨性好，具有较长的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施案例一中端面具有倾斜方向协同设计型孔织构的密封环。

图2是本发明实施案例一中椭圆形型孔密封环的局部放大图。

图3是本发明实施案例一中椭圆形型孔密封端面几何参数示意图。

图4是本发明实施案例一中单个椭圆形型孔三维结构示意图。

图5是本发明实施案例一中单个椭圆形型孔几何参数示意图。

图6是本发明实施案例二中型孔轮廓线为类水滴型曲线的密封环结构示意图。

图7是本发明实施案例二中单个类水滴型曲线型孔几何参数示意图。

图8是本发明实施案例三中排布线为直线的密封端面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参照附图，一种倾斜方向协同设计的型孔织构密封端面结构，该结构设置在动环和/或静环的密封端面上；所述密封端面的外径侧为上游高压侧，密封端面的内径侧为下游低压侧；该结构包括型孔织构区2和不开孔的密封坝区1，其中，型孔织构区2设置在所述密封端面靠近上游高压侧的位置，密封坝区1设置在所述密封端面靠近下游低压侧的位置；

所述型孔织构区2包括以旋转中心为圆心呈环形阵列设置的多个方向性型孔栏3，每个方向性型孔栏3包括多个从内径侧至外径侧依次设置的方向性型孔织构5，位于同一圆周方向上的型孔织构5形成方向性型孔带4；

所述型孔织构5为长半轴511长度与短半轴512长度不相等的方向性型孔，型孔织构5的底面设有方向性形貌6，方向性形貌6包括多个方向性沟槽；所述型孔织构5的长半轴511与型孔织构5的型孔中心513所在圆周线切线呈一形状倾斜角θ

所述形状倾斜角θ

所述形状倾斜角θ

所述孔底方向性形貌6是采用激光打标技术加工而成，所述孔底方向性形貌6沟槽方向可通过激光打标参数中的填充角度自由设置。微孔底部三条纹理线按一定间隔进行分布。实施案例一中，三条纹理线的下凹部分间隔s

所述型孔织构5的短半轴512长度b与长半轴511长度a之比γ的取值范围为0.2～0.95，优选值范围为0.4～0.6。实施案例一中，长半轴与短半轴的比值γ为0.417。

所述方向性型孔栏3沿周向的数量范围为6～300，优选值为18～60。实施案例一中，方向性型孔栏3沿周向的数量为24。

所述方向性型孔带4沿径向的数量范围为2～10，优选值为3～6。同个方向性型孔带4中型孔的中心处于同一半径，不同方向性型孔带孔中心各自处于不同的半径r

实施例二

参照图6和图7，实施案例二和实施案例一不同之处在于型孔织构5的轮廓线为类水滴型曲线541，类水滴型曲线内部存在长半轴521和短半轴522。类水滴型曲线按如下公式(3)表示出，式中m为型孔轮廓边数；B为放大系数，可通过调整B的大小，从而控制轮廓大小；n

实施案例三

参照图8，该实施案例三与实施案例二的不同之处在于型孔排布线71为直线，直线满足公式(4)。该线经过点(0，r

y＝k

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。