CN106050728A - 一种内壁仿龙卷风螺旋沟槽复合结构的密封腔体 - Google Patents

Abstract

一种内壁仿龙卷风螺旋沟槽复合结构的密封腔体，由机械密封侧的锥形密封腔和靠近叶轮侧的梯形密封腔组成，机械密封主要摩擦副由动环和静环组成，锥形密封腔的内壁加工有仿龙卷风形的螺旋沟槽，螺旋沟槽的螺旋型线是阿基米德螺线，锥形密封腔的内壁直径沿轴向自机械密封至腔体喉部逐渐变大；梯形密封腔由大圆环形腔和小圆环形腔两部分组成，大圆环形腔包含梯形密封腔与锥形密封腔的交界面，交界面上开设有多个引流槽和一个环形集流槽，引流槽的一侧与锥形密封腔大直径侧的螺旋沟槽出口相连贯通，引流槽的另一侧与环形集流槽相连贯通；梯形密封腔的大圆环形腔、小圆环形腔的腔体上分布有排泄孔。

Description

一种内壁仿龙卷风螺旋沟槽复合结构的密封腔体

(一)技术领域

本发明涉及的是旋转机械轴端用机械密封的密封腔体结构，该腔体能用作恶劣环境下特别是含固含气较多的多相流介质泵的密封腔。

(二)背景技术

机械密封以其低泄漏、低功耗、低磨损和长寿命等性能优势被广泛应用于各种旋转机械或设备的轴端密封，如泵、压缩机、反应釜等。随着石油石化和航天航空产业的快速发展，要求机械密封能够适应更高参数和更恶劣的环境，密封腔体作为密封介质的直接载体，其换热能力、排渣与破泡能力的好坏直接影响密封性能的优劣。

针对机械密封的腔体结构，国内外做了大量的研究工作，上个世纪80年代，英国BHR协会对腔体结构做了一系列的研究工作，包括实验研究和数值模拟，并对多种腔体结构进行了探索，包括等直径平滑腔、不等直径光滑锥形腔或梯形腔等，研究发现锥形腔体有利于腔内流体的流动，但是有关研究并没有给出光滑锥形腔体的结构尺寸。1992年英国学者Nau教授等在第9届国际泵会议上发表了题为“Mechanical seal chamber design forimproved performance”，系统总结了英国学者关于密封腔研究工作的进展，认为许多机械密封仍然运行在无法很好发挥其功能的腔体内，无法实现密封的良好传热以及对 密封环境中气固量的良好控制，因此研究并提出了一种具有良好性能的可控涡结构锥形密封腔。1998年Merati和Parper对锥形密封腔体的流场进行了实验研究，证实锥形腔具有排气除渣效果，并提出锥形腔内泰勒漩涡对流场很重要，而漩涡强度与腔体进口的流体状态有关。加拿大EnviroSeal工程制品有限公司发明了位于密封腔喉部的SpiralTrac螺旋衬套(US5553868“Seal cavity throat bushing”)，可起到排渣强化换热的效果。在此基础上，国际上出现了多个与SpiralTrac相关的发明，如EnviroSeal公司的(EP 1409899B1“Bushingarrangement for seal cavity protection in rotating fluid equipment”)旋转流体机器密封腔衬套装置，是在US 5553868的基础上对衬套装置进行了系列设计，进一步完善了螺旋衬套装置；在此基础上，该公司又发明了外装式螺旋适配器(US 7314218“Externally mountable spiral adaptor”)，其内壁加工有螺旋槽，起到排除密封介质中污染物的作用；又如AES工程有限公司发明的密封腔保护器(WO 2009010772A1“Sealcavity protection”)及环形密封腔喉部衬套(US 20140325791A1“Annular seal cavitythroat bushing”)。在国内，2008年赵龙对锥形密封腔体和普通腔体进行了对比，得出锥形腔体有更好的效果；同年，张明明研究了腔内流场以及摩擦副温度场性能。

以上发明和理论研究表明，锥形密封腔体有其独特的性能优势，但实际应用表明上述结构绝大多数不适用于密封介质中固体磨料或污染物含量较高的场合，对强化密封环的换热效果、有效防止密封端面污染物沉积尚需实质改进。此外，国外专利对锥形密封腔喉部衬套 或外装式锥形螺旋槽结构适配器的主要进行了定性描述，少有定量描述的具体结构设计。

(三)发明内容

本发明要解决在恶劣环境下，尤其是高固含量或者气液混相的环境中固体颗粒或气泡破坏密封端面流体膜的问题，提出一种内壁开仿龙卷风形沟槽锥形密封腔体结构，可有效排出溶解在密封介质中或汇集在密封端面附近的固体颗粒或气泡。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种内壁仿龙卷风螺旋沟槽复合结构的密封腔体，所述密封腔体适用于安装卧式转子泵机械密封，由机械密封侧的锥形密封腔3和靠近叶轮侧的梯形密封腔组成，所述机械密封主要摩擦副由动环4和静环5组成，所述锥形密封腔3的内壁加工有仿龙卷风形的螺旋沟槽6，所述螺旋沟槽6的螺旋型线是阿基米德螺线，所述锥形密封腔3的内壁直径沿轴向自机械密封至腔体喉部逐渐变大；所述梯形密封腔由大圆环形腔2和小圆环形腔1两部分组成，所述大圆环形腔2包含梯形密封腔与锥形密封腔的交界面，所述交界面上开设有多个引流槽7和一个环形集流槽8，所述引流槽7的一侧与锥形密封腔大直径侧的螺旋沟槽6出口相连贯通，所述引流槽7的另一侧与环形集流槽8相连贯通；所述梯形密封腔的大圆环形腔2、小圆环形腔1的腔体上分布有排泄孔。

进一步，所述的排泄孔包括第一排泄孔9和第二排泄孔10，所述第一排泄孔9孔口朝上用于排泄密度较小的含气介质，其直径 d＝0.1～0.3mm。所述第二排泄孔10孔口朝下用于排泄密度较大的含固体磨料混合液，其直径D＝0.5～5.0mm。

进一步，所述锥形密封腔内壁的锥角arctan[(d₂-d₁)/(2L₁)]＝5.1°～8.8°。

再进一步，所述的锥形密封腔体的轴向长度与锥形密封腔的轴向长度之比L₂/L₁＝0.05～0.4。

所述螺旋沟槽6的截面形状可以为矩形、三角形或其他形状，

工作原理：龙卷风是自然界中一种较为常见的自然现象，是在极不稳定天气下由空气强烈对流运动而产生的一种伴随着高速旋转的锥形漏斗螺旋状云柱的强风涡旋，能将所经路径上的树木、房屋建筑材料等固体物迅速卷吸进入空中，并在龙卷风上端大面积云层区域盘旋。借鉴龙卷风下端具有强卷吸作用的锥形漏斗螺旋状结构，在靠近密封侧设计锥形密封腔体，并在锥形密封腔体内壁开设阿基米德螺线螺旋沟槽，起到排渣与破泡排气作用；借鉴龙卷风上端大面积柱状云层，在远离密封侧设计由大小圆柱形腔两部分组成的梯形密封腔，内径较大的圆柱形腔作为密封介质中固体颗粒和所含气泡的滞留区，进一步通过梯形截面圆环形集流槽中的不同直径孔向泵侧排泄，不同直径排泄孔的大小及分布与转子机器设备的具体型式有关。当转轴转动时，密封腔中的流体介质受粘性剪切力作用随转轴一起转动，其中密封侧流体介质中的固体颗粒和气泡在锥形螺旋沟槽结构的涡漩导流作用下，沿着螺旋沟槽沿锥形密封腔流向梯形密封腔。从螺旋沟槽中流出的含固体颗粒和气泡的流体介质沿着锥形密封腔与梯形密封腔 交界面上的引流槽进入环形集流槽中，受密度差异的影响，固体颗粒产生的离心惯性力远大于气泡。因此，当转子泵为卧式泵时，梯形密封腔大圆形腔部分的下圆弧面分布的排泄孔直径大于其上圆弧面分布的排泄孔直径，而下圆弧面上排泄孔的分布密度小于上圆弧面，以分别有利于颗粒介质和含气介质的分层顺利排泄；当转子泵为立式泵时，梯形密封腔大圆形腔中圆环内壁的下端部分布的排泄孔直径大于其上端部分布的排泄孔直径，且下端部上排泄孔的分布密度小于上端部，以分别有利于颗粒介质和含气介质的分层排泄。固体颗粒混合液排泄孔的直径D＝0.5～5.0mm，含气液体排泄孔的直径d＝0.1～0.3mm。

锥形密封腔及在其内壁开设的螺旋沟槽除了具有强化密封腔中混相流体介质的流动作用外，还具有强化密封腔体中流体介质的对流换热能力，因此对改善密封腔中机械密封或其它类似轴端密封的对流换热特性非常有利。

本发明的有益效果在于：通过仿效龙卷风对固体颗粒的卷吸作用，本发明能将位于密封侧流体介质中的固体颗粒和气泡通过锥形密封腔内壁的龙卷风螺旋沟槽吸进梯形密封腔，最终排泄出密封腔，同时可以加强密封介质对机械密封对流换热效果，因此从根本上达到改善机械密封工作环境，提高密封使用寿命的目的。

(四)附图说明

图1是本发明的含机械密封的锥形密封腔与梯形密封腔组合结构的示意图。

图2是本发明实施案例一的三维示意图。

图3是本发明实施案例一的几何结构参数统一定义示意图。

图4是本发明实施案例一的俯视图。

图5是本发明实施案例二中螺旋沟槽的螺距为变螺距结构示意图。

图6是本发明实施案例三中螺旋沟槽截面为三角形截面结构示意图。

图6a是图6的螺旋沟槽截面的局部剖视放大图。

(五)具体实施方式

实施例一

参考图1、图2、图3和图4，一种内壁仿龙卷风螺旋沟槽复合结构的密封腔体，所述密封腔体适用于安装卧式转子泵机械密封，由机械密封侧的锥形密封腔3和靠近叶轮侧的梯形密封腔组成，所述机械密封主要摩擦副由动环4和静环5组成，所述锥形密封腔3的内壁加工有仿龙卷风形的螺旋沟槽6，所述螺旋沟槽6的螺旋型线是阿基米德螺线，所述螺旋沟槽6的截面形状为矩形，所述锥形密封腔3的内壁直径沿轴向自机械密封至腔体喉部逐渐变大；所述梯形密封腔由大圆环形腔2和小圆环形腔1两部分组成，所述大圆环形腔2包含梯形密封腔与锥形密封腔的交界面，所述交界面上开设有多个引流槽7和一个环形集流槽8，所述引流槽7的一侧与锥形密封腔大直径侧的螺旋沟槽6出口相连贯通，所述引流槽7的另一侧与环形集流槽8相连贯通；所述梯形密封腔的大圆环形腔2、小圆环形腔1的腔体上分 布有第一排泄孔9和第二排泄孔10，所述第一排泄孔9孔口朝上用于排泄密度较小的含气介质，所述第二排泄孔10孔口朝下用于排泄密度较大的含固体磨料混合液。

本发明的有益效果在于：通过仿效龙卷风对固体颗粒的卷吸作用，本发明能将位于密封侧的固体颗粒和气泡通过锥形密封腔内壁的龙卷风螺旋沟槽吸进梯形密封腔，最终排泄出密封腔，从而从根本上改善机械密封工作环境，提高密封使用寿命。

进一步，所述锥形密封腔3的内壁锥角arctan[(d₂-d₁)/(2L₁)]＝5.1°～8.8°。

或进一步，根据上述权利要求所述的梯形密封腔，其特征在于：所述梯形密封腔的大小头两部分圆柱形腔体上分布的用于排泄固体颗粒混合液的第二排泄孔10为较大孔，其直径D＝0.5～5.0mm；用于排泄含气液体的第一排泄孔9为较小孔，其直径d＝0.1～0.3mm。

再进一步，所述锥形密封腔体轴向长度与锥形密封腔的轴向长度之比L₂/L₁＝0.05～0.4。

针对不同的泵输介质、泵的操作条件和密封辅助系统操作参数，通过大量试验测试分析和优化设计，为满足石油、石化、化工、电力和制药等领域不同工况条件下的实用性要求，所述锥形密封腔3的内壁上仿龙卷风形的螺旋沟槽6的螺旋头数数量取值为3～8。

实施例二

参照图5，本实施案例与实施案例一不同之处在于所述密封腔适合立式转子泵，所述仿龙卷风形的螺旋沟槽6的锥形密封腔3的螺旋 沟槽的螺距自密封侧至叶轮侧逐渐减小，所述排泄孔9位于梯形密封腔上方用于排泄密度较小的含气介质，所述排泄孔10孔位于梯形密封腔下方用于排泄密度较大的含固体磨料混合液，其余结构的实施方式与实施案例一相同。

实施例三

参见图6，本实施案列与实施案例二不同之处在于锥形密封腔3上的螺旋沟槽6的截面形状为三角形，此外，还可以依据不同要求选择螺旋沟槽6的截面形状为梯形、圆弧形、抛物形等。

其余结构和实施方式与实施案例二相同。

本说明书实施案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案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够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种内壁仿龙卷风螺旋沟槽复合结构的密封腔体，其特征在于：由机械密封侧的锥形密封腔(3)和靠近叶轮侧的梯形密封腔组成，所述机械密封主要摩擦副由动环(4)和静环(5)组成，所述锥形密封腔(3)的内壁加工有仿龙卷风形的螺旋沟槽(6)，所述螺旋沟槽(6)的螺旋型线是阿基米德螺线，所述锥形密封腔(3)的内壁直径沿轴向自机械密封至腔体喉部逐渐变大；所述梯形密封腔由大圆环形腔(2)和小圆环形腔(1)两部分组成，所述大圆环形腔(2)包含梯形密封腔与锥形密封腔的交界面，所述交界面上开设有多个引流槽(7)和一个环形集流槽(8)，所述引流槽(7)的一侧与锥形密封腔大直径侧的螺旋沟槽(6)出口相连贯通，所述引流槽(7)的另一侧与环形集流槽(8)相连贯通；所述梯形密封腔的大圆环形腔(2)、小圆环形腔(1)的腔体上分布有排泄孔。

2.如权利要求1所述的一种内壁仿龙卷风螺旋沟槽复合结构的密封腔体，其特征在于：所述的排泄孔包括第一排泄孔(9)和第二排泄孔(10)，所述第一排泄孔(9)孔口朝上用于排泄密度较小的含气介质，其直径d＝0.1～0.3mm；所述第二排泄孔(10)孔口朝下用于排泄密度较大的含固体磨料混合液，其直径D＝0.5～5.0mm。

3.如权利要求1所述的一种内壁仿龙卷风螺旋沟槽复合结构的密封腔体，其特征在于：所述锥形密封腔内壁的锥角arctan[(d₂-d₁)/(2L₁)]＝5.1°～8.8°。

4.如权利要求2或权利要求3所述的一种内壁仿龙卷风螺旋沟槽复合结构的密封腔体，其特征在于：所述的锥形密封腔体的轴向长度与锥形密封腔的轴向长度之比L₂/L₁＝0.05～0.4。