CN103470773A

CN103470773A - 仿鸟翼型多通道槽端面密封结构

Info

Publication number: CN103470773A
Application number: CN2013103725855A
Authority: CN
Inventors: 彭旭东; 张风云; 白少先; 李纪云; 孟祥铠
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-08-23
Also published as: CN103470773B

Abstract

仿鸟翼型多通道槽端面密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环或静环至少一个密封环的端面上设有多个沿圆周均匀分布的仿鸟翼型多通道槽，所述仿鸟翼型多通道槽位于介质高压侧，即上游；所述仿鸟翼型多通道槽包括两个及以上引流槽和一个或多个圆弧槽，所述圆弧槽位于引流槽的下游侧且与引流槽相联接，所述引流槽均与介质高压侧或上游相连通并且沿周向均匀分布，所述引流槽之间以不开槽的密封堰隔离；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。本发明具有端面静压效应强，功耗低，低速下运行稳定好，泄漏量小，抗干扰性能优异，特别适用于反应釜、搅拌器等设备用非接触式干式气体密封的端面密封装置。

Description

仿鸟翼型多通道槽端面密封结构

技术领域

本发明涉及一种仿鸟翼型多通道槽端面密封结构，属于旋转轴的非接触式干式气体密封装置，适用于各种压缩机、泵及釜等旋转设备转轴用轴端密封装置。

背景技术

旋转式流体机械设备的转轴一般采用普通机械密封或非接触式端面密封，为避免“液封液”或“液封气”带来的功耗高、设备投资大、润滑与冷却系统复杂、泄漏大等问题，提高机械密封的开启特性、稳定性、密封性并节能降耗，进入20世纪70年代末，密封技术开始以“气封液”或“气封气”的干式气体密封部分替代上述普通接触式或非接触式液体润滑机械密封，并取得了显著成效，其中以John Crane（www.johncrane.com）、Flowserve（www.flowserve.com）和Bergmann（www.eagleburgmann.com）为代表的世界著名密封企业相继开发出了螺旋槽、带内环槽的螺旋槽和V型槽等单向旋转干式气体密封以及枞树型槽、T型槽和U型槽等双向旋转干式气体密封，以及中国专利96108614.9（双环带螺旋槽端面密封），98103575.2（可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封），200910153312.5（双列倾斜式方向性微孔端面无泄漏机械密封结构），01102213.2（可双向旋转的螺旋槽端面密封装置），02146449.9（双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置），201310059819.0（可双向旋转的燕尾槽端面机械密封结构）等都是干式气体端面密封的成功案例。上述干式气体端面密封一般都存在启动或停车性能较差，泄漏率较大或抗外界扰动能力不理想的不足，难以满足低速、频繁启动等特殊运行要求。

发明内容

为了克服干已有技术中气密封存在的上述不足，本发明基于仿生学原理和气体动力学理论，借鉴低速飞行高负荷鸟类在飞行状态下翼翅小翼羽结构的特殊作用，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、气膜刚度大且泄漏率低的仿鸟翼型多通道槽端面密封结构。相比于上述干式气体端面密封，本发明综合了已有干式气体端面密封的优点，

本发明技术方案：

仿鸟翼型多通道槽端面密封结构，包括两个机械密封环，即动环和静环，其特征在于：所述动环或静环至少一个密封环的端面上设有多个沿圆周均匀分布的仿鸟翼型多通槽，所述仿鸟翼型多通槽位于介质高压侧，即上游；所述仿鸟翼型多通槽包括两个以上引流槽2和一个或多个圆弧槽3，所述圆弧槽3位于引流槽2的下游侧且与每个引流槽2相联接，所述引流槽2与密封环外径相连通，所述两个以上的引流槽2沿周向分布，所述各个引流槽2之间以不开槽的密封堰1隔离，所述端面上周向未开槽区域形成的环带是密封坝4，所述密封坝4位于端面低压侧，即下游。

进一步，所述引流槽的侧壁型线为螺旋线或圆弧线或直线。

进一步，所述引流槽2的深度h₁=3～30μm，其槽深从端面上游至端面下游逐渐变浅；所述圆弧槽3的深度h₂=2～20μm，所述圆弧槽的深度小于或等于引流槽的深度；所述仿鸟翼型多通槽个数N的取值范围为：4≤N≤30，优选值范围为：6≤N≤20。

进一步，所述引流槽2在端面外圆处的周向弧长之和w₁=r_o(θ₂+θ₁)与相同半径处仿鸟翼型多通槽周向弧长w=r_oθ之比的取值优选范围为：w₁/w=0.2～0.8，所述圆弧槽3在径向方向上的开槽宽度l₁=r_b-r_g与仿鸟翼型多通道槽的径向开槽总宽度l=r_o-r_g之比的取值优选范围为：l₁/l=0.1～0.5。

进一步，所述引流槽为双列连通螺旋槽，所述上游螺旋槽与下游螺旋槽的螺旋角方向相反，所述下游螺旋槽与圆弧槽相联接。

进一步，所述引流槽的个数N_y=3，所述三个引流槽沿周向分布，所述圆弧槽的个数N_h=2，所述圆弧槽沿径向分布；所述中间引流槽与背风侧引流槽通过上游圆弧槽贯通，所述中间引流槽与下游圆弧槽不连通。

进一步，所述引流槽的个数N_y=3，所述三个引流槽沿周向分布，所述圆弧槽的个数N_h=2，所述圆弧槽沿径向分布；所述中间引流槽与迎风侧引流槽通过上游圆弧槽贯通，所述中间引流槽与下游圆弧槽不连通。

进一步，所述引流槽的个数N_y=4，所述四个引流槽，即迎风侧长引流槽2b、迎风侧短引流槽2d、背风侧短引流槽2c、背风侧长引流槽2a沿周向分布，所述圆弧槽的个数N_h=2，所述圆弧槽沿径向分布；所述迎风侧短引流槽2d与背风侧短引流槽2c通过上游圆弧槽3a贯通，所述迎风侧短引流槽2d或背风侧引流槽2c与下游圆弧槽3b不连通，背风侧长引流槽2a与迎风侧长引流槽2b通过下游圆弧槽3b连通。

本发明的工作原理：

借鉴适合低速飞行鸟类的翼翅结构，模仿此类飞鸟翼翅外形及小翼羽结构设计端面型槽轮廓。自然界中适合低速稳定飞行的鸟类翼翅翼面上方有小翼羽结构，小翼羽与上翼面之间具有多个可供气流通过翼缝，对前方来流具有更强的导流和汇流作用，可有效防止气流过早脱离翼面而形成涡流，从而有效避免了飞行中失速情况的发生。当端面型槽为仿鸟翼型多通道槽干气密封运行时，多个引流槽起到对气体径向流动的导流作用和泵汲作用，下游圆弧槽起着对引入端面内流体的均压稳压作用，同时还贯通了多个引流槽，使多股流体在背风侧引流槽槽根处汇流，因此在相同膜厚下具有更大的气膜刚度，此外，圆弧槽对流体具有周向导流作用，与相同工况下的螺旋槽相比具有更低的泄漏。

本发明的优点及有益效果：

1、位于上游侧的多个引流槽具有更强的导流作用和泵汲作用，可产生更佳的流体动静压效应，端面承载力更大；圆弧槽贯通了多个引流槽，使多股流体在背风侧引流槽槽根处汇流叠加，进一步提高了端面的承载能力，从而使端面在低速下易于快速开启。

2、圆弧槽对流体具有周向导流和均流稳压的作用，从而使型槽在产生较高流体膜刚度的同时可有效地减少泄漏，具有优异的综合密封性能。

3、本发明借鉴低速飞行鸟类翼翅前缘的小翼羽结构，通过改变引流槽的周向宽度比及圆弧槽的径向宽度比及相对引流槽的位置，可实现仿鸟翼型多通道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为本发明仿鸟翼型双通槽端面结构示意图；

图2a为本发明仿鸟翼型双通槽端面几何结构参数定义示意图；

图2b是图2a的A-A向剖视图；

图3为本发明仿鸟翼型多通道槽端面结构在介质低压侧结构示意图；

图4为本发明实例二的仿鸟翼型多通道槽双翼端面结构示意图；

图5为本发明实例三的仿鸟翼型多通道槽在背风侧汇流的结构示意图；

图6为本发明实例四的仿鸟翼型多通道槽在迎风侧汇流的结构示意图

图7为本发明实例五的仿鸟翼型多通道槽多个双通串联的结构示意图。

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

参见图1、图2和图3，

本实例中一种仿鸟翼型多通槽端面密封结构，它包括两个机械密封环，即动环和静环，其特征在于：所述动环或静环至少一个密封环的端面上设有多个沿圆周均匀分布的仿鸟翼型多通槽，所述仿鸟翼型多通槽位于介质高压侧，即上游；所述仿鸟翼型多通槽包括两个以上引流槽2和一个或多个圆弧槽3，所述圆弧槽 3位于引流槽2的下游侧且与每个引流槽2相联接，所述引流槽2与密封环外径相连通，所述两个以上的引流槽2沿周向分布，所述各个引流槽2之间以不开槽的密封堰1隔离，所述端面上周向未开槽区域形成的环带是密封坝4，所述密封坝4位于端面低压侧，即下游。

所述引流槽2的侧壁型线为螺旋线或圆弧线或直线。

所述引流槽2的深度h₁=3～30μm，其槽深从端面上游至端面下游逐渐变浅；所述圆弧槽3的深度h₂=2～20μm，所述圆弧槽的深度小于或等于引流槽的深度；所述仿鸟翼型多通槽个数N的取值范围为：4≤N≤30，优选值范围为：6≤N≤20。

所述引流槽2在端面外圆处的周向弧长之和w₁=r_o(θ₂+θ₁)与相同半径处仿鸟翼型多通槽周向弧长w=r_oθ之比的取值优选范围为：w₁/w=0.2～0.8，所述圆弧槽3在径向方向上的开槽宽度l₁=r_b-r_g与仿鸟翼型多通道槽的径向开槽总宽度l=r_o-r_g之比的取值优选范围为：l₁/l=0.1～0.5。

所述引流槽2的槽深从端面上游至端面下游相等或逐渐递减。

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型多通槽的周期数N、引流槽数量N_b、引流槽周向弧长比、汇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

参见图4，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述引流槽2为双列连通螺旋槽，所述上游螺旋槽2a与下游螺旋槽2b的螺旋角方向相反，所述下游螺旋槽2b与圆弧槽3相联接，其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例三

参见图5，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述引流槽的个数N_y=3，所述三个引流槽沿周向分布，所述圆弧槽的个数N_h=2，所述圆弧槽沿径向分布，所述中间引流槽2c与背风侧引流槽2a通过上游圆弧槽3a贯通，所述中间引流槽2c与下游圆弧槽3b不连通，其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例四

参见图6，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述引流槽的个数N_y=3，所述三个引流槽沿周向分布，所述圆弧槽的个数N_h=2，所述圆弧槽沿径向分布，所述中间引流槽2c与迎风侧引流槽2b通过上游圆弧槽3a贯通，所述中间引流槽2c与下游圆弧槽3b不连通，其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例五

参见图7，本实例与实施例一的不同之处在于，所述引流槽的个数N_y=4，所述四个引流槽，即迎风侧长引流槽2b、迎风侧短引流槽2d、背风侧短引流槽2c、背风侧长引流槽2a沿周向分布，所述圆弧槽的个数N_h=2，所述圆弧槽沿径向分布；所述迎风侧短引流槽2d与背风侧短引流槽2c通过上游圆弧槽3a贯通，所述迎风侧短引流槽2d或背风侧引流槽2c与下游圆弧槽3b不连通，背风侧长引流槽2a与迎风侧长引流槽2b通过下游圆弧槽3b连通，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

1.仿鸟翼型多通道槽端面密封结构，包括两个机械密封环，即动环和静环，其特征在于：所述动环或静环至少一个密封环的端面上设有多个沿圆周均匀分布的仿鸟翼型多通槽，所述仿鸟翼型多通槽位于介质高压侧，即上游；所述仿鸟翼型多通槽包括两个以上引流槽（2）和一个或多个圆弧槽（3），所述圆弧槽（3）位于引流槽（2）的下游侧且与每个引流槽(2)相联接，所述引流槽（2）与密封环外径相连通，所述两个以上的引流槽（2）沿周向分布，所述各个引流槽（2）之间以不开槽的密封堰（1）隔离，所述端面上周向未开槽区域形成的环带是密封坝（4），所述密封坝（4）位于端面低压侧，即下游。

2.根据权利要求1所述的仿鸟翼型多通道槽端面密封结构，其特征在于：所述引流槽的侧壁型线为螺旋线或圆弧线或直线。

3.根据权利要求2所述的仿鸟翼型多通道槽端面密封结构，其特征在于：所述引流槽2的深度h₁=3～30μm，其槽深从端面上游至端面下游逐渐变浅；所述圆弧槽3的深度h₂=2～20μm，所述圆弧槽的深度小于或等于引流槽的深度；所述仿鸟翼型多通槽个数N的取值范围为：4≤N≤30，优选值范围为：6≤N≤20。

4.根据权利要求3所述的仿鸟翼型多通道槽端面密封结构，其特征在于：所述引流槽（2）在端面外圆处的周向弧长之和w₁=r_o(θ₂+θ₁)与相同半径处仿鸟翼型多通槽周向弧长w=r_oθ之比的取值优选范围为：w₁/w=0.2～0.8，所述圆弧槽（3）在径向方向上的开槽宽度l₁=r_b-r_g与仿鸟翼型多通道槽的径向开槽总宽度l=r_o-r_g之比的取值优选范围为：l₁/l=0.1～0.5。

5.根据权利要求4所述的仿鸟翼型多通道槽端面密封结构，其特征在于：所述引流槽为双列连通螺旋槽，所述上游螺旋槽与下游螺旋槽的螺旋角方向相反，所述下游螺旋槽与圆弧槽相联接。

6.根据权利要求4所述的仿鸟翼型多通道槽端面密封结构，其特征在于：所述引流槽的个数N_y=3，所述三个引流槽沿周向分布，所述圆弧槽的个数N_h=2，所述圆弧槽沿径向分布；所述中间引流槽与背风侧引流槽通过上游圆弧槽贯通，所述中间引流槽与下游圆弧槽不连通。

7.根据权利要求4所述的仿鸟翼型多通道槽端面密封结构，其特征在于：所述引流槽的个数N_y=3，所述三个引流槽沿周向分布，所述圆弧槽的个数N_h=2，所述圆弧槽沿径向分布；所述中间引流槽与迎风侧引流槽通过上游圆弧槽贯通，所述中间引流槽与下游圆弧槽不连通。

8.根据权利要求4所述的仿鸟翼型多通道槽端面密封结构，其特征在于：所述引流槽的个数N_y=4，所述四个引流槽，即迎风侧长引流槽2b、迎风侧短引流槽2d、背风侧短引流槽2c、背风侧长引流槽2a沿周向分布，所述圆弧槽的个数N_h=2，所述圆弧槽沿径向分布；所述迎风侧短引流槽2d与背风侧短引流槽2c通过上游圆弧槽3a贯通，所述迎风侧短引流槽2d或背风侧引流槽2c与下游圆弧槽3b不连通，背风侧长引流槽2a与迎风侧长引流槽2b通过下游圆弧槽3b连通。