CN103185140B - 仿鸟翼翅槽的径向分流型槽端面机械密封结构 - Google Patents

Abstract

仿鸟翼翅槽的径向分流型槽端面密封结构，包括两个机械密封环，即动环和静环，所述动环和静环中至少一个机械密封环的端面上设有多个沿圆周分布的仿鸟翼翅槽的径向分流型槽，所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽位于介质高压侧，即上游；所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽包括一个引流槽和两个以上似鸟翼翅槽结构的分流槽，所述分流槽与引流槽相联接且位于引流槽的背风侧，所述分流槽沿径向分布，同时向周向方向延伸；所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽之间未开槽区域是密封堰，所述端面上周向未开槽区域形成的环带是密封坝，所述密封坝位于端面低压侧，即下游。

Description

仿鸟翼翅槽的径向分流型槽端面机械密封结构

技术领域

本发明涉及一种旋转式流体机械的气体端面机械密封结构，用于各种压缩机、膨胀机、泵、反应釜等旋转机械的旋转轴气体密封。

背景技术

干气密封以其独特的优越性在各种高速旋转机械上获得了广泛应用，如离心压缩机、膨胀机、风机等。干气密封是通过在密封端面上开设各种流体动静压型槽，当动环旋转时，利用型槽的动静压效应将气体介质泵入密封端面，进入端面的流体介质在型槽根部流动受阻因此产生一定的开启力并推开端面，从而实现动静环的非接触运行，其中目前使用最广泛的端面型槽为螺旋槽。螺旋槽及其衍生型槽气体端面密封的报道有很多，如中国专利20154747236U、20152390U和96216242.6，欧洲专利EP0470406A1、EP0564153A1等。但是，这些螺旋槽干气密封仍然存在着低速低压或低速高压工况下启停特性不佳，气膜刚度不够大，端面开启能力不能适应更宽的操作范围等问题，导致干气密封在使用过程中出现难以快速开启，低速运行稳定性不佳，密封端面容易产生干磨的问题，难以满足高压等高参数条件下机械密封的运行要求。

发明内容

为了克服干气密封已有技术中存在的上述不足，本发明借鉴低速飞行高负荷鸟类在飞行状态下羽翼翅槽结构的特殊作用，提供了一种在低速低压或低速高压工况下端面静压效应强、气膜刚度大且启停特性较好的仿鸟翼翅槽的径向分流型槽端面机械密封结构。

本发明的技术方案是：

仿鸟翼翅槽的径向分流型槽端面机械密封结构，包括两个机械密封环，即动环和静环，其特征在于：所述动环和静环中至少一个机械密封环的端面上设有多个沿圆周分布的仿鸟翼翅槽的径向分流型槽，所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽位于介质高压侧，即上游；所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽包括一个引流槽和两个以上似鸟翼翅槽结构的分流槽，所述分流槽与引流槽相联接且位于引流槽的背风侧，所述分流槽沿径向分布，同时向周向方向延伸；所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽之间未开槽区域是密封堰，所述端面上周向未开槽区域形成的环带是密封坝，所述密封坝位于端面低压侧，即下游。

进一步，所述引流槽和分流槽侧壁型线为螺旋线或圆弧线或直线。

进一步，所述引流槽的深度h₁＝3～50μm，所述分流槽的深度h₂＝2～20μm，所述分流槽的深度h₂小于或等于引流槽的深度h₁；所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽个数N的取值范围为：3≤N≤32，优选值范围为：6≤N≤20。

更进一步，所述各分流槽之间具有不开槽的密封堰，所述分流槽个数N_b的取值范围为：2≤N_b≤12，优选值范围为：2≤N_b≤6。

更进一步，所述分流槽在某一半径R_g1或R_h1处的周向弧长w₁＝R_g1θ₁或w₁＝R_h1θ₁与对应相同半径处引流槽的密封堰周向弧长w＝R_g1θ或w＝R_h1θ之比w₁/w的取值优选范围为w₁/w＝0.2～0.8；其中R_g1为下游侧分流槽的外半径，R_h1为上游侧分流槽的外半径；θ₁为一个周期内下游侧分流槽的外半径R_g1处周向夹角，θ为一个周期内，未开槽的密封堰在端面外径R_o处的周向夹角；所述分流槽在径向方向上的开槽宽度之和l₁与引流槽径向开槽宽度l之比l₁/l的取值优选范围为：l₁/l＝0.4～0.8。

再进一步，所述分流槽为贯通相邻两个引流槽的环槽。

再进一步，所述分流槽的深度小于或等于引流槽的深度。

再进一步，所述引流槽的槽深在不同半径处相等或从端面上游至端面下游逐渐递减。

本发明的工作原理：

借鉴适合低速高负荷飞行鸟类(如鹰、鹫等)的翼翅结构，模仿此类鸟的翼翅及翅槽外形设计端面型槽轮廓。自然界中适合低速稳定飞行鸟类的翼翅后缘和翼尖都有明显翅槽结构，翅槽中的翼缝形成了多个气流通道，下翼面高压气流通过这些翼缝分流至上翼面低压区，具有减阻顺通气流、减弱涡流的作用，有效提高了低速飞行鸟类的飞行稳定性。当端面型槽为仿鸟翼翅槽的径向分流型槽干气密封运行时，引流槽起到对气体径向流动的导流作用和泵汲作用，分流槽起到对引入端面内气体的均流均压作用，同时气流在多个分流槽尖端所形成的压力峰产生叠加效应，通过优化设计可使引流槽和分流槽协同作用，对流体介质产生更强的压缩效应和泵汲效应，因此在相同膜厚下具有大的气膜刚度，在旋转机械启动期间具有优良开启特性。

本发明的优点和有益效果：

(1)位于引流槽背风侧的多个分流槽具有更佳的流体导流效果，能使端面压力分布更均匀，气膜刚度更大，同时气流在多个分流槽尖端所形成的压力峰具有一定的叠加效应，使端面的承载能力更大，端面易于开启。

(2)引流槽的流道较宽，分流槽的流道较窄，从引流槽至分流槽形成了多个收敛形流道，且槽深由引流槽至分流槽可逐渐变浅，所形成的三维收敛型槽具有更佳的收敛特性，可对流体介质产生更强的压缩效应和泵汲效应，在相同膜厚下具有更大的气膜刚度。

(3)本发明借鉴低速飞行鸟类翼翅后缘的翅槽结构，通过改变分流槽的周向弧长比、径向宽度比及相对引流槽的位置，可实现仿鸟翼翅槽的径向分流型槽在不同工况条件下稳定运行，即可适用于更宽的操作范围。

附图说明

图1是本发明实施案例一的开槽端面示意图；

图2是本发明实施案例一的开槽端面几何结构参数统一定义示意图；

图3是本发明实施案例一附图2中A-A线所取的平面织构示意图；

图4是本发明实施案例二的具有多种外形分流槽的仿鸟翼翅槽的径向分流型槽端面示意图；

图5是本发明实施案例三的分流槽为周向环槽的开槽端面示意图；

图6是本发明实施案例四的下游分流槽为周向环槽的开槽端面示意图；

图7是本发明实施案例四的上游分流槽为周向环槽的开槽端面示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施进一步详述。

实施例一

参照图1、图2和图3，一种仿鸟翼翅槽的径向分流型槽端面机械密封结构，包括两个机械密封环，即动环、静环，所述动环或静环中至少一个机械密封环的端面上设有多个沿密封端面圆周分布的仿鸟翼翅槽的径向分流型槽，所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽位于介质高压侧即上游，所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽包括一个引流槽3和两个以上似鸟翼翅槽结构的分流槽2，所述分流槽2位于引流槽3的背风侧，且分流槽沿径向分布，同时向周向方向延伸。所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽之间未开槽区域是密封堰，所述端面上周向未开槽区域形成的环带是密封坝，所述密封坝位于端面低压侧即下游。

所述引流槽和分流槽侧壁型线为螺旋线或圆弧线或直线。

所述引流槽3的深度h₁＝3～50μm，所述分流槽2的深度h₂＝2～20μm，所述分流槽2的深度h₂小于或等于引流槽3的深度h₁；所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽个数N的取值范围为：3≤N≤32，优选值范围为：6≤N≤20。

所述各分流槽2之间具有不开槽的密封堰，所述分流槽2个数N_b的取值范围为：2≤N_b≤12，优选值范围为：2≤N_b≤6。

所述分流槽2在某一半径R_g1或R_h1处的周向弧长w₁＝R_g1θ₁或w₁＝R_h1θ₁与对应相同半径处引流槽3的密封堰1周向弧长w＝R_g1θ或w＝R_h1θ之比w₁/w的取值优选范围为w₁/w＝0.2～0.8；其中R_g1为下游侧分流槽的外半径，R_h1为上游侧分流槽的外半径；θ₁为一个周期内下游侧分流槽的外半径R_g1处周向夹角，θ为一个周期内，未开槽的密封堰在端面外径R_o处的周向夹角；所述分流槽2在径向方向上的开槽宽度之和l₁与引流槽3径向开槽宽度l之比l₁/l的取值优选范围为：l₁/l＝0.4～0.8。

所述分流槽2为贯通相邻两个引流槽的环槽，不同分流槽之间构成的环槽处于相同或不同半径范围内。

所述引流槽3的槽深在不同半径处相等或从端面上游至端面下游逐渐递减。

针对不同的流体介质、操作条件和辅助系统操作参数，通过优化设计仿鸟翼翅槽的径向分流型槽的周期数N、分流槽数量N_b、分流槽周向弧长比、分流槽径向宽度比及相对主槽位置等参数，可以满足不同工况条件下密封性能的要求。

实施例二

参照图4，本实施例与实施例一的不同之处在于，分流槽的外形可以是侧壁型线为直线或圆弧线或螺旋线的三角形、四边形、菱形、梯形，其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例三

参照图5，本实施例与实施例一的不同之处在于分流槽2的周向弧长与引流槽3对应的密封堰1的周向弧长之比w₁/w＝1，即分流槽2为周向环槽，其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例四

参照图6和图7，本实施例与实施例一的不同之处在于位于上游的分流槽周向弧长w₁与引流槽3对应密封堰的周向弧长w之比w₁/w＝R_h1θ₁/R_h1θ和位于下游的分流槽周向弧长w₂与引流槽3对应的密封堰的周向弧长w′之比w₂/w′＝R_g1θ₁/R_g1θ不相等，其中图6所示位于上游的分流槽的周向弧长与引流槽3对应密封堰的周向弧长之比w₁/w<1，位于下游的分流槽的周向弧长与引流槽3对应密封堰的周向弧长之比w₂/w′＝1；图7中位于上游的分流槽的周向弧长与引流槽3对应密封堰的周向弧长之比w₁/w＝，位于下游的分流槽的周向弧长与引流槽3对应密封堰的周向弧长之比w₂/w′<1，其余结构和实施方式与实施例一相同。

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想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.仿鸟翼翅槽的径向分流型槽端面机械密封结构，包括两个机械密封环，即动环和静环，其特征在于：所述动环和静环中至少一个机械密封环的端面上设有多个沿圆周分布的仿鸟翼翅槽的径向分流型槽，所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽位于介质高压侧，即上游；所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽包括一个引流槽和两个以上似鸟翼翅槽结构的分流槽，所述分流槽与引流槽相联接且位于引流槽的背风侧，所述分流槽沿径向分布，同时向周向方向延伸；所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽之间未开槽区域是密封堰，所述端面上周向未开槽区域形成的环带是密封坝，所述密封坝位于端面低压侧，即下游；所述的引流槽类似于飞鸟的翼翅，分流槽类似于鸟翼后缘的翅槽翼缝，且引流槽和分流槽的型线与圆周线成一定角度的锐角；端面型槽侧壁型线为螺旋线、圆弧线或直线，且端面型槽侧壁型线与圆周线成一定角度的锐角。

2.根据权利要求1所述的机械密封结构，其特征在于：所述引流槽的深度h₁＝3～50μm，所述分流槽的深度h₂＝2～20μm，所述分流槽的深度h₂小于或等于引流槽的深度h₁；所述仿鸟翼翅槽的径向分流型槽个数N的取值范围为：6≤N≤20。

3.根据权利要求2所述的机械密封结构，其特征在于：所述各分流槽之间具有不开槽的密封堰，所述分流槽个数N_b的取值范围为：2≤N_b≤6。

4.根据权利要求3所述的机械密封结构，其特征在于：所述分流槽在某一半径R_g1或R_h1处的周向弧长w₁＝R_g1θ₁或w₁＝R_h1θ₁与对应相同半径处引流槽的密封堰周向弧长w＝R_g1θ或w＝R_h1θ之比w₁/w的取值优选范围为w₁/w＝0.2～0.8；其中R_g1为下游侧分流槽的外半径，R_h1为上游侧分流槽的外半径；θ₁为一个周期内下游侧分流槽的外半径R_g1处周向夹角，θ为一个周期内，未开槽的密封堰在端面外径R_o处的周向夹角；所述分流槽在径向方向上的开槽宽度之和l₁与引流槽径向开槽宽度l之比l₁/l的取值优选范围为：l₁/l＝0.4～0.8。

5.根据权利要求3所述的机械密封结构，其特征在于：所述分流槽为贯通相邻两个引流槽的环槽。

6.根据权利要求4或5所述的机械密封结构，其特征在于：所述分流槽的深度小于或等于引流槽的深度。

7.根据权利要求4或5所述的机械密封结构，其特征在于：所述引流槽的槽深在不同半径处相等或从端面上游至端面下游逐渐递减。