[发明专利]一种超高压零泄漏机械密封端面结构

说明书

一种超高压零泄漏机械密封端面结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环或静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环或静环端面的另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环其中之一的端面被分为五个功能结构区域，该系列区域在密封端面环带状区域内分布且从下游侧到上游侧依次为密封坝区、导向功能结构区、低压控漏功能结构区、隔离功能结构区和高压承载功能结构区。导向、低压控漏和隔离功能结构区由周向台阶、微织构和环槽组合构成，其中导向功能结构区另有径向直线槽联通低压控漏、隔离、高压承载功能结构区和上游侧，高压承载功能结构区为锥面构型，在导向、低压控漏和隔离功能结构区之间是密封堰。本发明的有益效果是可在导向结构和隔离结构功能影响下在低压控漏功能结构区产生包围密封端面的低压区形成强节流作用从而克服超高压差阻力，同时上游侧锥面构型产生强流体静压效应，使密封运行在非接触状态。该发明可使用于液体、气体或气液混相介质，在超高压条件下易实现零泄漏和非接触运行，服役寿命长。

技术领域

本发明涉及机械端面密封技术领域，特别涉及一种适用于超高液体或气体压力下的零泄漏密封端面型槽结构，适用于泵、压缩机等流体机械的旋转轴端密封装置。

背景技术

在现有机械端面密封技术领域，为了防止高压流体沿转轴的泄漏，往往采用多级密封串联的形式，比如三级串联的流体动压型机械密封通过三次分压阻漏实现密封，或者首先采用流体静压型机械密封基本完成泄压，进一步利用二三级密封在低压下防止泄漏实现密封。上述两种方式是核主泵机械密封的典型形式，流体压力约为16MPa，则对于更高流体压力比如30MPa，该方式使密封级数进一步增多，不仅使整机效率降低，也不利于整机集成化和轻量化发展。此外，Salant等在流体静压型机械密封静环内部开设空腔以填充带压流体，以期通过改变该流体压力来控制环体变形，从而调控密封液膜厚度以控制泄漏量。由于平衡间隙过小会导致端面接触和摩擦磨损加剧，故Salant等所提方法仍然未克服流体静压型机械密封泄漏量大的特点。因此，在机械密封技术领域，由于无法有效控制超高流体压力导致的强压差流，目前仍然缺乏针对超高压力流体的有效泄漏控制方法。

发明内容

为了控制超高流体压力导致的强压差流，克服现有机械端面密封技术无法有效控制密封泄漏量的不足，同时改善密封摩擦学性能并保证密封承载性能，本发明提供一种超高压零泄漏机械密封端面结构，在单级密封下即可有效平衡超高压力流体的强压差流，实现零泄漏，并使机械密封具有良好的摩擦学性能和承载性能。

本发明的技术方案：

一种超高压零泄漏机械密封端面结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环或静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环或静环端面的另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环其中之一的端面被分为五个功能结构区域，该系列区域在密封端面环带状区域内分布且从下游侧到上游侧依次为密封坝区、导向功能结构区、低压控漏功能结构区、隔离功能结构区和高压承载功能结构区。导向、低压控漏和隔离功能结构区由周向台阶、微织构和环槽组合构成，其中导向功能结构区另有径向直线槽联通低压控漏、隔离、高压承载功能结构区和上游侧，高压承载功能结构区为锥面构型，在导向、低压控漏和隔离功能结构区之间是密封堰。

进一步，所述导向功能结构区由三部分组成，第一部分为呈周期性分布的微织构或周向台阶，其周期数范围为1～100；第二部分为一环槽；第三部分为呈周期性分布的径向直线槽且其与上游侧联通，其周期数范围为2～10，深度范围为5～1000μm，槽区圆心角范围为1～10°。第一部分微织构或周向台阶可与第二部分环槽或与第三部分径向直线槽联通呈发散状。

进一步，所述低压控漏和隔离功能结构区均由呈周期性分布的周向台阶组成，其与所述径向直线槽逐一配对联通呈发散型槽即二者周期数一致，其深度范围为1～200μm，宽度范围为0.1～8mm；或则所述低压控漏和隔离功能结构区均由微织构和环槽组成，所述每两个径向直线槽之间均布有2～20个微织构并与所述环槽联通。