CN103629360A - 一种带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，该装置包括有基座、端柱面浮动密封环、柱面弹性支承环和端面弹性支承件；端柱面浮动密封环内安装有现有高速旋转机械中的转子轴颈；在所述转子轴颈的外部顺次安装端柱面浮动密封环、柱面弹性支承环和基座后，便形成了本发明设计的带有弹性支承及螺旋槽的气体端柱面组件式密封装置。端柱面浮动密封环的圆柱形密封界面和转子轴颈的柱面之间构成动压柱状密封区域。本发明的气体端柱面组合式密封装置，通过柔性支承和动压气膜在适应密封位置工作过程中的变形的同时实现非接触、小泄漏密封，同时通过端柱面结构来适应非轴端位置密封的安装空间要求。

Description

一种带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置

技术领域

本发明属于旋转轴密封技术领域，特别涉及一种带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，这种密封装置可以用于各种形式的压缩机、膨胀机、泵等高速旋转机械的旋转轴（即转子轴颈）上。

背景技术

公知的高转速流体机械多处密封位置工作条件特殊，接触式密封难于适应高滑速和高环温工况，流体动静、压结合型端面气体密封装置还存在一定的不足。例如因转子系统工作状态变化引起密封位置出现变形时适应性不够出现局部接触，引起泄漏增大或接触磨损，造成密封性能不稳定；受各种机械不同密封位置结构空间条件约束，非轴端位置采用端面密封装置受到限制，难以安装使用，适应性不够。

在密封副旋转表面轴向位移跳动较大的流体机械中，端面气膜密封结构的多种结构改进（包括端面密封副的可倾块、瑞利阶梯动压、螺旋槽动压、增加膜厚的静压、增加刚度的对置静压等），都因转子系统的机动变形过大的缘故，或是接触磨损、或是泄漏过大而存在不足。

发明内容

为了克服高速转子系统工作过程中因系统工作状态变化造成密封位置出现变形，从而引起密封环出现接触磨损、系统工作稳定性下降或泄漏过大的不足，同时适应高速转子沿线非轴端密封位置空间结构要求，本发明提供一种带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，通过柔性支承和动压气膜在适应密封位置工作过程中的变形的同时实现非接触、小泄漏密封，同时通过端柱面结构来适应非轴端位置密封的安装空间要求。

本发明设计了一种带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，其特征在于：该密封装置包括有基座（1）、端柱面浮动密封环（3）、柱面弹性支承环（4）和端面弹性支承件（5）；

基座（1）的中心是中心通孔（106），该中心通孔（106）用于转子轴颈（2）的一端穿过。基座（1）的内部设有安装腔（102）、下凸台（103）、上凸台（104）；安装腔（102）设置在底板（107）的内板面上，底板（107）的外板面上设有螺纹孔（101），该安装腔（102）用于放置端面弹性支承件（5）；下凸台（103）和上凸台（104）设置在基座（1）的内壁上，下凸台（103）与上凸台（104）之间是内腔（105），该内腔（105）用于放置柱面弹性支承环（4）。

端柱面浮动密封环（3）的外环面（3A）为光滑圆面。

端柱面浮动密封环（3）的内环面（3B）的上端均匀分布有柱面螺旋槽（3B2）和柱面密封台（3B3），每两个柱面螺旋槽（3B2）之间是柱面密封台（3B3）；端柱面浮动密封环（3）的内环面（3B）的下端是柱面密封坝（3B1）。

端柱面浮动密封环（3）的下端为下端面（3D）。

端柱面浮动密封环（3）的上端为上端面（3C），在所述上端面（3C）上均匀分布有端面螺旋槽（3C2）和端面密封台（3C3），每两个端面螺旋槽（3C2）之间是端面密封台（3C3）；上端面（3C）与内环面（3B）上端的接合处为端面密封坝（3C1）。

内环面（3B）上的柱面螺旋槽（3B2）和柱面密封台（3B3）的设置个数是相同的。

上端面（3C）上的端面螺旋槽（3C2）和端面密封台（3C3）的设置个数是相同的。

柱面弹性支承环（4）上设有外环面（401）和内环面（402）。柱面弹性支承环（4）的外环面（401）与基座（1）的内腔（105）接触，柱面弹性支承环（4）的内环面（402）与端柱面浮动密封环（3）的外环面（3A）接触。

端面弹性支承件（5）为弹簧结构。端面弹性支承件（5）设置的个数与基座（1）的内底部上均匀设置的安装腔（102）的个数相同。

本发明带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置的优点在于：

①以圆周布局的柱面弹性支承环与端柱面浮动密封环的配合，实现了本发明设计的气体柱面密封装置在工作状态下的变形适应能力，进而避免或减小了接触磨损。

②以圆周布局的端面弹性支承件与端柱面浮动密封环的配合，实现了本发明设计的气体端面密封装置在工作状态下的变形适应能力，进而避免或减小了接触磨损。

③端柱面浮动密封环与转子轴颈在工作状态下的偏心，能够因其动压效果产生压力气膜，实现微间隙非接触。

④端柱面浮动密封环的内壁设计成光滑密封坝和螺旋槽结合分布的形式，密封坝段能够有效阻隔泄漏，螺旋槽段能够增大动压效果，从而减少泄漏量、增大柱面开启力。

附图说明

图1是本发明具有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置的外部结构图。

图1A是图1中的A-A剖面图。

图1B是本发明具有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置的仰视角度的外部结构图。

图1C是本发明具有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置的分解图。

图1D是本发明具有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置的偏心示意图。

图1E是本发明具有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置的另一种偏心示意图。

图2是本发明基座的结构图。

图2A是本发明基座的正视图。

图3是本发明端柱面浮动密封环的结构图。

图3A是本发明端柱面浮动密封环的另一视角结构图。

图3B是本发明端柱面浮动密封环的右侧视角图。

图3C是本发明端柱面浮动密封环的右侧视角的三维建模图。

图3D是本发明端柱面浮动密封环的俯视图。

图3E是本发明端柱面浮动密封环的俯视局部放大图。

图3F是本发明端柱面浮动密封环的左视图。

图3G是图3F的剖视图。

图3H是图3F的剖视的三维建模图。

图4是本发明端面弹性支承件的结构图。

图5是工作状态下本发明具有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置的压力分布图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B、图1C所示，本发明是一种带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，该密封装置包括有基座1、端柱面浮动密封环3、柱面弹性支承环4和端面弹性支承件5；端柱面浮动密封环3内安装有现有高速旋转机械中的旋转轴，即转子轴颈2；在所述转子轴颈2的外部顺次安装端柱面浮动密封环3、柱面弹性支承环4和基座1后，便形成了本发明设计的带有弹性支承及螺旋槽的气体端柱面组件式密封装置。

（一）基座1

参见图2、图2A所示，基座1为一体加工成型的具有内腔的圆环结构。基座1为金属材料，金属材料可以选取为钢。

基座1的中心是中心通孔106，该中心通孔106用于转子轴颈2的一端穿过（图1A所示）。基座1的内部设有安装腔102、下凸台103、上凸台104；安装腔102设置在底板107的内板面上，底板107的外板面上设有螺纹孔101，该安装腔102用于放置端面弹性支承件5；下凸台103和上凸台104设置在基座1的内壁上，下凸台103与上凸台104之间是内腔105，该内腔105用于放置柱面弹性支承环4。

在本发明中，上凸台104与下凸台103之间设计成内腔105结构，是为了方便所述柱面弹性支承环4的安装，所述柱面弹性支承环4与基座1的内壁和端柱面浮动密封环3的外壁共形达到气动柱面密封的效果。

基座1的轴向长记为H₁，中心通孔106的半径记为R₁，H₁＝25mm～50mm，R₁＝R₂＋（1mm～1.5mm），R₂为转子的半径。

（二）端柱面浮动密封环3

参见图3、图3A、图3F所示，端柱面浮动密封环3为一体加工成型的圆环结构。端柱面浮动密封环3加工材料为碳石墨。同时采用三维建模图与线条图对比是为清楚地表明本发明设计的端柱面浮动密封环3具有的特定构型。

参见图3、图3A、图3B、图3C、图3F所示，端柱面浮动密封环3的外环面3A为光滑圆面。

参见图3B、图3C、图3D、图3E、图3G、图3H所示，端柱面浮动密封环3的内环面3B的上端均匀分布有柱面螺旋槽3B2和柱面密封台3B3，每两个柱面螺旋槽3B2之间是柱面密封台3B3；端柱面浮动密封环3的内环面3B的下端是柱面密封坝3B1。

参见图3A所示，端柱面浮动密封环3的下端为下端面3D。

参见图3、图3B、图3D、图3F所示，端柱面浮动密封环3的上端为上端面3C，在所述上端面3C上均匀分布有端面螺旋槽3C2和端面密封台3C3，每两个端面螺旋槽3C2之间是端面密封台3C3；上端面3C与内环面3B上端的接合处为端面密封坝3C1。

参见图3B、图3F所示，内环面3B上的柱面螺旋槽3B2设置的个数记为N，内环面3B上的柱面螺旋槽3B2和柱面密封台3B3的设置个数是相同的。N可以为12、16、20或者24个数。

参见图3B、图3F所示，上端面3C上的端面螺旋槽3C2设置的个数记为M，上端面3C上的端面螺旋槽3C2和端面密封台3C3的设置个数是相同的。M可以为12、16、20或者24个数。

在本发明中，参见图3B、图3F所示，柱面螺旋槽3B2与端面螺旋槽3C2的设置个数可以相同也可以不同。

在本发明中，参见图3B、图3F所示，柱面密封台3B3与端面密封台3C3的设置个数可以相同也可以不同。

端柱面浮动密封环3的圆心记为O₃，端柱面浮动密封环3的轴向长度记为H₃，端柱面浮动密封环3的内半径记为R₃，端柱面浮动密封环3的外半径记为R_3a，端柱面浮动密封环3的端面槽根半径记为R_3b。

柱面螺旋槽3B2的长记为h₃，柱面螺旋槽3B2的宽记为D₃，柱面螺旋槽3B2的槽深记为E₃，柱面螺旋槽3B2的螺旋角记为α，柱面密封台3B3的宽记为d₃。

端面螺旋槽3C2的长为R_3a-R_3b，端面螺旋槽3C2的宽记为D_3a，端面螺旋槽3C2的槽深记为E_3a，端面螺旋槽3C2的螺旋角记为β，端面密封台3C3的宽记为d_3a。

相对尺寸关系：E₃＝0.005mm～0.0045mm，E_3a＝0.005mm～0.0045mm，β＝30度～50度，α＝30度～50度，H₃＝5～20，

$\frac{d_3}{d_3+D_3}=0.4~0.6,$ $d_3+D_3=\frac{2\mathrm{\π}{R}_3}{N},$ $\frac{R_{3a}-R_{3b}}{R_{3a}-R_{30.6}}=0.2~0.6,$

$\frac{d_{3a}}{d_{3a}+D_{3a}}=0.4~0.6,$ $d_3+D_3=\frac{2\mathrm{\π}{R}_3}{N}.$

在本发明中，端柱面浮动密封环3上设置螺旋槽（柱面螺旋槽3B2与端面螺旋槽3C2）。螺旋槽侧壁的线性为对数螺旋线或近似于对数螺旋线的圆弧线。

在本发明中，端柱面浮动密封环3的内壁设计成光滑的柱面密封坝3B1和柱面螺旋槽3B2相结合分布的形式，密封坝段能够有效阻隔泄漏，螺旋槽段能够增大动压效果，从而减少泄漏量、增大柱面开启力。

在本发明中，端柱面浮动密封环3的上端面3C上设计成光滑的端面密封坝3C1和端面螺旋槽3C2相结合分布的形式，密封坝段能够有效阻隔泄漏，螺旋槽段能够增大动压效果，从而减少泄漏量、增大端面开启力。

（三）柱面弹性支承环4

参见图1A、图1C所示，柱面弹性支承环4为圆环结构。柱面弹性支承环4上设有外环面401和内环面402。

柱面弹性支承环4的外环面401与基座1的内腔105接触，柱面弹性支承环4的内环面402与端柱面浮动密封环3的外环面3A接触。

在本发明中，柱面弹性支承环4的轴向长记为L₄，且L₄＝2D₄～3.5D₄，柱面弹性支承环4的厚度宽记为D₄，且D₄＝0.09mm～2mm。

在本发明中，柱面弹性支承环4为橡胶材料、氟橡胶、丁睛橡胶。

本发明设计的一种带有螺旋槽的气体端柱面密封装置，该装置整体的结构尺寸关系：R₂表示转子轴颈的半径（如图1E所示），且L₃表示端柱面浮动密封环3的厚度，L₁表示基座的厚度，R₃表示柱面浮动密封环3的内半径。

在本发明中，柱面弹性支承环4采用橡胶材料，在进行气动密封时，具有良好的物理机械性能、耐热性好、气密性好、耐磨性好、以及粘结力强。

（四）端面弹性支承件5

参见图1C、图4所示，端面弹性支承件5为弹簧结构。端面弹性支承件5的加工材料为镍铬铁合金。端面弹性支承件5加工成的构型为圆柱式的弹簧结构或者是圆柱式扁平（截面为矩形）的弹簧结构。

端面弹性支承件5的轴向长记为L₅，簧距记为e₅，簧内径记为d₅，簧截面直径记为d₀，相对尺寸关系：L₅＝15mm～30mm，e₅＝1.0mm～2.5mm，d₅＝3.0mm～10.0mm，d₀＝0.3mm～1.5mm。

在本发明中，端面弹性支承件5采用弹簧结构设计，具有良好的韧性、耐挤压性。端面弹性支承件5的一端的圆环端面可以焊接在基座1的安装腔102中，端面弹性支承件5另一端的圆环端面与端柱面浮动密封环3的底部接触。端面弹性支承件5的使用个数与安装腔102的设置个数相关，如果需要4个端面弹性支承件5，则在基座1的内底部上设置4个安装腔102，进而，端面弹性支承件5设置的个数可以为4～8，则在基座1的内底部上均匀设置4～8个安装腔102。

在本发明中，端柱面浮动密封环3的圆柱形密封界面和转子轴颈2的柱面之间构成动压柱状密封区域，端柱面浮动密封环3的两侧分别为高压区域（上游）和低压区域（下游）（如图5所示），转子轴颈2与端柱面浮动密封环3之间相对旋转；端柱面密封浮动环3由整周的密封台支承。以圆周布局的端柱面弹性支承件与端柱面浮动密封环的配合，实现了本发明设计的气体柱面密封装置在工作状态下的变形适应能力，进而避免或减小了接触磨损。

在图5中，为应用流体分析软件fluent对密封气膜进行稳态特性分析，从图可明显得到，上游为高压区域，下游为低压区域。

本发明设计的密封装置为一个完整的密封系统，通过系统各组成部件之间的功能协调达成适应密封位置变形、非接触、低泄漏的特性。

所述密封系统分别通过端面支承结构及柱面支承结构，适应密封位置出现的变形，端柱面浮动密封环3稳定工作时受到密封支承弹力、重力和气膜反力作用，处于动平衡状态。

参见图1D、图1E所示的端柱面浮动密封环3工作状态偏心于转子轴心，偏心率范围为0.1～0.9，偏心率

L₁表示转子轴颈的外圆面与端柱面浮动密封环3的内圆面之间的最大距离，L₂表示转子轴颈的圆心与端柱面浮动密封环3的圆心之间的距离，L₃表示转子轴颈的外圆面与端柱面浮动密封环3的内圆面之间的最小距离。

本发明设计的一种带有螺旋槽的气体端柱面密封装置的特征是：端柱面浮动密封环3的外环面3A由整周的柱面弹性支承环4支承，通过柱面弹性支承环4的变形补偿因系统工作状态变化造成密封位置出现的径向变形，端柱面浮动密封环3的下圆环板面331由整周均匀分布的端面弹性支承件5支承，通过端面弹性支承件5的变形补偿因系统工作状态变化造成密封位置出现的轴向变形，保证了端柱面浮动密封环3工作过程中保持动态平衡状态；端柱面浮动密封环3的内环面3B与上圆环板面3C上设置螺旋槽，所述螺旋槽在圆周方向均匀分布，非开槽区域形成密封坝，端柱面浮动密封环3的内环面3B与转子轴颈2表面相对运动，转子轴颈2的轴台与端柱面浮动密封环3的上圆环板面3C相对运动，从而分别在柱面与端面处产生动静压效应，进而由动静压效果产生压力气膜；所述螺旋槽长度有限，在给定旋向下端面螺旋槽组将密封气体从上游高压侧向下游低压侧泵送，螺旋槽下游有一不开槽的环状区域形成密封坝。凭借端面的动压槽、柱面的动压槽及转子与定子之间的偏心结构，形成动、静压效应，获得足够的气膜承载力，实现非接触低磨损。密封装置可以实现较大的柔性，可以承担较大的压力差，并保证密封气体的低泄露，且结构尺寸紧凑易于安装布置。

Claims (10)

1.一种带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，其特征在于：该密封装置包括有基座（1）、端柱面浮动密封环（3）、柱面弹性支承环（4）和端面弹性支承件（5）；

基座（1）的中心是中心通孔（106），该中心通孔（106）用于转子轴颈（2）的一端穿过。基座（1）的内部设有安装腔（102）、下凸台（103）、上凸台（104）；安装腔（102）设置在底板（107）的内板面上，底板（107）的外板面上设有螺纹孔（101），该安装腔（102）用于放置端面弹性支承件（5）；下凸台（103）和上凸台（104）设置在基座（1）的内壁上，下凸台（103）与上凸台（104）之间是内腔（105），该内腔（105）用于放置柱面弹性支承环（4）。

端柱面浮动密封环（3）的外环面（3A）为光滑圆面。

端柱面浮动密封环（3）的内环面（3B）的上端均匀分布有柱面螺旋槽（3B2）和柱面密封台（3B3），每两个柱面螺旋槽（3B2）之间是柱面密封台（3B3）；端柱面浮动密封环（3）的内环面（3B）的下端是柱面密封坝（3B1）。

端柱面浮动密封环（3）的下端为下端面（3D）。

端柱面浮动密封环（3）的上端为上端面（3C），在所述上端面（3C）上均匀分布有端面螺旋槽（3C2）和端面密封台（3C3），每两个端面螺旋槽（3C2）之间是端面密封台（3C3）；上端面（3C）与内环面（3B）上端的接合处为端面密封坝（3C1）。

内环面（3B）上的柱面螺旋槽（3B2）和柱面密封台（3B3）的设置个数是相同的。

上端面（3C）上的端面螺旋槽（3C2）和端面密封台（3C3）的设置个数是相同的。

柱面弹性支承环（4）上设有外环面（401）和内环面（402）。柱面弹性支承环（4）的外环面（401）与基座（1）的内腔（105）接触，柱面弹性支承环（4）的内环面（402）与端柱面浮动密封环（3）的外环面（3A）接触。

端面弹性支承件（5）为弹簧结构。端面弹性支承件（5）设置的个数与基座（1）的内底部上均匀设置的安装腔（102）的个数相同。

2.根据权利要求1所述的带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，其特征在于：内环面（3B）上的柱面螺旋槽（3B2）设置的个数可以为12、16、20或者24个数。

3.根据权利要求1所述的带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，其特征在于：上端面（3C）上的端面螺旋槽（3C2）设置的个数可以为12、16、20或者24个数。

4.根据权利要求1所述的带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，其特征在于：柱面螺旋槽（3B2）与端面螺旋槽（3C2）的设置个数是相同的。

5.根据权利要求1所述的带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，其特征在于：柱面密封台（3B3）与端面密封台（3C3）的设置个数是相同的。

6.根据权利要求1所述的带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，其特征在于：柱面螺旋槽（3B2）与端面螺旋槽（3C2）的设置个数是不同的。

7.根据权利要求1所述的带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，其特征在于：柱面密封台（3B3）与端面密封台（3C3）的设置个数是不同的。

8.根据权利要求1所述的带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，其特征在于：柱面螺旋槽（3B2）与端面螺旋槽（3C2）的设置个数与柱面密封台（3B3）与端面密封台（3C3）的设置个数是相同的，或者是不同的。

9.根据权利要求1所述的带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，其特征在于：基座（1）为金属材料一体加工成型的具有内腔的圆环结构。柱面弹性支承环（4）为橡胶材料、氟橡胶、丁睛橡胶。端柱面浮动密封环（3）为碳石墨材料一体加工成型的圆环结构。端面弹性支承件（5）的加工材料为镍铬铁合金。

10.根据权利要求1所述的带有螺旋槽的气体端柱面组合式密封装置，其特征在于：端柱面浮动密封环（3）工作状态偏心于转子轴心，偏心率范围为0.1～0.9，偏心率

L₁表示转子轴颈的外圆面与端柱面浮动密封环（3）的内圆面之间的最大距离，L₂表示转子轴颈的圆心与端柱面浮动密封环（3）的圆心之间的距离，L₃表示转子轴颈的外圆面与端柱面浮动密封环（3）的内圆面之间的最小距离。

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