CN104896099A

CN104896099A - 一种气体润滑集束螺旋槽端面机械密封结构

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Publication number: CN104896099A
Application number: CN201510268739.5A
Authority: CN
Inventors: 彭旭东; 江锦波; 白少先; 李纪云
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2015-05-25
Filing date: 2015-05-25
Publication date: 2015-09-09

Abstract

一种气体润滑集束螺旋槽端面机械密封结构，它包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环端面的另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环中至少一个密封环的端面上设有多个沿端面圆周对称分布的集束螺旋槽，所述集束螺旋槽由多个螺旋角不等的微小型螺旋槽沿端面周向组合而成，且位于同一集束螺旋槽中的各微小型螺旋槽在高压侧由不开槽的密封堰隔断，在低压侧其槽根相互叠加贯通为一体，所述集束螺旋槽的下游设有密封坝。通过仿生高速飞鸟翼翅的收敛构形及飞鸟翼翅前缘的小翼羽结构，本发明对流体介质具有强的导流效果和压缩作用，可改善密封的低速启停特性、高速运行稳定性和密封性，提高了密封的高速抗扰动能力，防止端面磨损。

Description

一种气体润滑集束螺旋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，特别涉及一种气体润滑集束螺旋槽端面机械密封结构，可用于各种离心压缩机、膨胀机、泵、反应釜等旋转机械的轴端密封。

背景技术：

干气密封以其独特的优越性在各种中高速旋转机械上得到了广泛应用，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和96216242.6，欧洲专利EP0470406A1、EP0564153A1等，特别是双螺旋角三维螺旋槽端面密封，其流体膜刚度和可靠性相较于普通的等深、等螺旋角的二维螺旋槽端面密封优势明显。但是，这些螺旋槽及其衍生型槽干气密封仍然存在着低速启停特性不佳，高速运行时气膜刚度不够大，泄漏率超标等不足，导致干气密封在高速旋转机械上使用过程中出现难以快速开启、高速运行稳定性和密封性不佳，密封端面容易产生接触磨损等问题，难以满足高速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，本发明借鉴高速飞行鸟类翼翅的收敛构形及鸟翼前缘小翼羽结构的优异特性，提供了一种在低压高速或高压高速工况下端面流体动压效应强、气膜刚度大、密封性良好且低速启停特性较好的集束螺旋槽端面机械密封结构。

本发明的技术方案是：

一种气体润滑集束螺旋槽端面机械密封结构，它包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环端面的另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环中至少一个密封环的端面上设有多个沿端面圆周对称分布的集束螺旋槽，所述集束螺旋槽由多个螺旋角不等的微小型螺旋槽沿端面周向组合而成，且位于同一集束螺旋槽中的各微小型螺旋槽在高压侧由不开槽的密封堰隔断，在低压侧其槽根相互叠加贯通为一体，所述集束螺旋槽的下游设有密封坝。

进一步，所述同一集束螺旋槽中微小型螺旋槽的个数N_w的选值范围为：2≤N_w≤20，优选值范围为3≤N_w≤8；

所述集束螺旋槽中单个微小型螺旋槽在外径r_o处的圆弧夹角θ₁与同一集束螺旋槽中高压侧相邻两个微小型螺旋槽之间的密封堰在外径r_o处的圆弧夹角θ₂之比θ₁/θ₂的选值范围为θ₁/θ₂＝0.1～1.0，优选值范围为θ₁/θ₂＝0.3～0.6；

所述同一集束螺旋槽中各微小型螺旋槽的螺旋角顺着转速方向逐渐减小，即满足β_n<β_i(1<i<N_w)<β₁，其中β₁为顺转速方向第一个微小型螺旋槽的螺旋角，β_n为顺转速方向最后一个微小型螺旋槽的螺旋角，β_i为中间任意微小型螺旋槽的螺旋角；

所述集束螺旋槽的径向开槽宽度l₁＝(r_o-r_g)与下游密封坝的径向宽度l₂＝(r_g-r_i)之比l₁/l₂的选值范围为l₁/l₂＝0.2～4，优选值范围为l₁/l₂＝0.5～1.5；

所述集束螺旋槽的槽深选值范围为0.1～30μm，优选值范围为2～10μm，且所述同一集束螺旋槽中各微小型螺旋槽在相同半径处的深度逆着转速方向逐渐变浅。本发明的工作原理是：

借鉴适合高速飞行鸟类(如雨燕、军舰鸟等)翼翅的收敛构形，模仿此类鸟的翼翅外形设计端面型槽轮廓；借鉴飞鸟翼翅前缘的小翼羽结构，模仿小翼羽结构设计型槽入口的结构。自然界中适合高速飞行鸟类的翼翅前缘都有小翼羽结构，在小翼羽与上翼面之间形成了一道或多道翼缝，其对翼翅前方来流具有较好的导流作用，能使气流顺利通过上翼面，具有顺通气流、减弱涡流的作用，有效地保证了鸟类飞行过程中的升力及高速飞行的稳定性；适合高速飞行鸟类的翼翅一般为收敛构形，这种收敛构形能减弱飞鸟在高速飞行中的翼尖涡流，保持飞行稳定。当端面型槽为集束螺旋槽干气密封运行时，类似于鸟翼前缘小翼羽结构的密封堰将型槽入口分成多个引流通道，其对流体介质具有较好的导流作用，气流能从多个引流螺旋槽均匀地进入密封端面；收敛构形的型槽对流体介质具有更强的压缩作用，各引流螺旋槽中的流体介质在槽根处汇流叠加以及逆着转速方向微小型螺旋槽族的槽深逐渐变浅，这些结构特征都进一步强化了对流体介质的压缩作用，通过优化设计可使各微小型螺旋槽族协同作用，对流体介质产生更强的压缩效应和泵汲效应，因此在相同气膜厚度下具有大的开启力和气膜刚度，在旋转机械启停时具有优良的开启特性，在旋转机械高速运转时具有较强的抵抗高速扰动的能力。

本发明的优点和有益效果：

(1)与一般等深、等螺旋角的二维螺旋槽端面密封相比，在本发明中宏观构形由两条螺旋角不等的螺旋线组成的收敛型槽具有更强的收敛特性，且各微小型螺旋槽族的槽深逆着转速方向也可以是逐渐变浅，可对密封流体介质产生更强的压缩作用，因此在相同膜厚条件下能产生更大的开启力和气膜刚度，有利于提高低速条件下密封的启停特性及高速运转时的运行稳定性。

(2)类似于鸟翼前缘小翼羽结构的密封堰将型槽入口分隔成具有多个微小型螺旋槽引流的结构，多个细长螺旋槽引流结构能使流体介质均匀进入密封端面，对流体介质具有更强的导流作用，能减弱密封环高速运转时端面型槽中涡流的产生，从而有利于增强密封高速运行的稳定性；多个引流螺旋槽中的流体介质在槽根处汇聚挤压，增强了对流体介质的压缩作用，使密封端面的承载能力和气膜刚度更大，在低速条件下端面易于开启，而在高速运行时抗扰动能力强。

(3)本发明借鉴高速飞行鸟类翼翅的收敛构形及鸟翼前缘的小翼羽结构，通过改变型槽宏观构形的收敛程度和微小型螺旋槽族之间密封堰的周向宽度等，可实现集束螺旋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是本发明实施案例二的周向阶梯变深型槽的开槽端面示意图；

图4是本发明实施案例二中沿着附图3中1-1线所取的集束螺旋槽槽底截面沿圆周方向的结构示意图；

图5是本发明实施案例三的开槽端面示意图；

图6是本发明实施案例四的开槽端面示意图；

图7是本发明实施案例五的下游带周向贯通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

参见图1、2，一种气体润滑集束螺旋槽端面密封结构，它包括机械密封的动环和静环，其特征在于：所述动环和静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环端面的另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环中至少一个密封环的端面上设有多个沿端面圆周对称分布的集束螺旋槽，所述集束螺旋槽由多个螺旋角不等的微小型螺旋槽1、2和3沿端面周向组合而成，所述各微小型螺旋槽1、2和3在高压侧由不开槽的密封堰4和5隔断，在低压侧其槽根相互叠加贯通为一体，所述集束螺旋槽的下游设有密封坝6。

所述同一集束螺旋槽中微小型螺旋槽1、2和3的个数N_w＝3，优选值范围为3≤N_w≤8。

所述集束螺旋槽中单个微小型螺旋槽1、2和3在外径r_o处的圆弧夹角θ₁与同一集束螺旋槽中高压侧相邻两个微小型螺旋槽1和2，或2和3之间的密封堰在外径r_o处的圆弧夹角θ₂之比θ₁/θ₂的选值范围为θ₁/θ₂＝0.1～1.0，优选值范围为θ₁/θ₂＝0.3～0.6。

所述同一集束螺旋槽中各微小型螺旋槽1、2和3的螺旋角顺着转速方向逐渐减小，即满足β_n<β_i(1<i<N_w)<β₁，其中β₁为微小型螺旋槽1的螺旋角，β_n为微小型螺旋槽3的螺旋角，β_i为微小型螺旋槽2的螺旋角。

所述集束螺旋槽的径向开槽宽度l₁＝(r_o-r_g)与下游密封坝6的径向宽度l₂＝(r_g-r_i)之比l₁/l₂的选值范围为l₁/l₂＝0.2～4，优选值范围为l₁/l₂＝0.5～1.5。

所述集束螺旋槽的槽深选值范围为0.1～30μm，优选值范围为2～10μm，且所述同一集束螺旋槽中各微小型螺旋槽1、2和3在相同半径处的深度相等。

实施例二

参照图3、4，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述同一集束螺旋槽中各微小型螺旋槽1、2和3在相同半径处的深度逆着转速方向逐渐变浅，即h₁<h_i<h_n，其中h_n为逆着转速方向第一个微小型螺旋槽3的槽深，h₁为逆着转速方向最后一个微小型螺旋槽1的槽深，h_i为中间微小型螺旋槽2的槽深，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，中间微小型螺旋槽2的螺旋角β_i与顺着转速方向最后一个微小型螺旋槽3的螺旋角β_n相等，或中间微小型螺旋槽2的螺旋角β_i与顺着转速方向第一个微小型螺旋槽1的螺旋角β₁相等，其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例四

参照图6，本实施例与实施例一的不同之处在于，同一集束螺旋槽中各微小型螺旋槽1、2和3在低压侧交汇于一点，其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例五

参照图7，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述集束螺旋槽的下游开设周向贯通环槽7，所述周向贯通环槽7与集束螺旋槽的槽根处贯通，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

1.一种气体润滑集束螺旋槽端面机械密封结构，它包括机械密封的动环和静环，其特征在于：所述动环和静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环和静环端面的另一侧为低压侧即下游，所述动环或静环中至少一个密封环的端面上设有多个沿端面圆周对称分布的集束螺旋槽，所述集束螺旋槽由多个螺旋角不等的微小型螺旋槽沿端面周向组合而成，且位于同一集束螺旋槽中的各微小型螺旋槽在高压侧由不开槽的密封堰隔断，在低压侧其槽根相互叠加贯通为一体，所述集束螺旋槽的下游设有密封坝。

2.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：所述同一集束螺旋槽中微小型螺旋槽的个数N_w的选值范围为：2≤N_w≤20，优选值范围为3≤N_w≤8。

3.根据权利要求2所述的密封结构，其特征在于：所述集束螺旋槽中单个微小型螺旋槽在外径r_o处的圆弧夹角θ₁与同一集束螺旋槽中高压侧相邻两个微小型螺旋槽之间的密封堰在外径r_o处的圆弧夹角θ₂之比θ₁/θ₂的选值范围为θ₁/θ₂＝0.1～1.0；所述同一集束螺旋槽中各微小型螺旋槽的螺旋角顺着转速方向逐渐减小，即满足β_n<β_i(1<i<N_w)<β₁，其中β₁为顺转速方向第一个微小型螺旋槽的螺旋角，β_n为顺转速方向最后一个微小型螺旋槽的螺旋角，β_i为中间任意微小型螺旋槽的螺旋角；所述集束螺旋槽的径向开槽宽度l₁＝(r_o-r_g)与下游密封坝的径向宽度l₂＝(r_g-r_i)之比l₁/l₂的选值范围为l₁/l₂＝0.2～4；所述集束螺旋槽的槽深选值范围为0.1～30μm，且所述同一集束螺旋槽中各微小型螺旋槽在相同半径处的深度逆着转速方向逐渐变浅。

4.根据权利要求3所述的密封结构，其特征在于：优选值范围为θ₁/θ₂＝0.3～0.6，l₁/l₂＝0.5～1.5，所述集束螺旋槽的槽深优选值范围为2～10μm。