CN1069750C - 螺旋槽端面密封 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转的螺旋槽端面密封，其特征是：在旋转环或静止环的密封端面上，或者同时在这两个端面上设置两列螺旋槽，一列位于高压侧即上游，一列位于低压侧即下游，两者的螺旋角方向相反；上游螺旋槽的径向高压大于或等于下游螺旋槽的径向高度，两列螺旋槽总的效果是将密封液体从上游向下游泵送。其优点是：流体膜的承载能力和刚度大，对旋转速度的适应性强。本发明适用于各种旋转机械的密封，尤其是干式气体密封。

Description

螺旋槽端面密封

本发明属于旋转轴的端面密封，特别涉及一种螺旋槽端面密封，这种密封可以用于压缩机、膨胀机、泵、反应釜搅拌器等机械的旋转轴上。

中国专利90101737.x、美国专利5,201,531公开了一种流体动压型双列螺旋槽端面密封。其共同特征是：位于高压侧，即上游的螺旋槽的径向高度小于位于低压侧，即下游的螺旋槽的径向高度。在给定的旋向下，上游一列螺旋槽将密封流体向下游泵送，而下游一列螺旋槽将密封流体向上游泵送。下游一列螺旋槽的径向高度必须足够大，以使之所产生的泵汲压差应能平衡上游一列螺旋槽所产生的泵汲压差与密封端面内外两侧流体压差之和。也就是说，这两列螺旋槽所产生的泵汲压差必须与密封端面内外两侧流体压差相平衡，因此确保从理论上密封流体的泄漏量为零。但是，这类密封仅适用于密封端面两侧流体的压差较小，而且密封流体的粘度较高的工况下。

常见的利用流体动、静压结合型的螺旋槽端面密封，都是单列的螺旋槽端面密封。在这列螺旋槽的下游有平面环带，起节流作用，即“阻挡”作用，如美国专利4,212,475所公开的。

本发明的目的在于提出一种流体动、静压结合型的下游泵送双列螺旋槽端面密封，它在相同条件下比上述的密封具有更大的流体膜厚度，或者在相同的流体膜厚度下具有更大的流体膜刚度。

本发明是这样实现的：一种螺旋槽端面密封，包括：具有密封端面的旋转环、具有密封端面的静止环，其密封端面与所述旋转环的密封端面相贴合并可以相对滑动，密封端面为圆环形，其特征是：在所述旋转环和所述静止环的密封端面的至少一个上设置两列螺旋槽，其中，一列位于高压侧，即上游，它从上游向下游泵送密封流体；另一列位于低压侧，即下游，它从下游向上游泵送密封流体；两列螺旋槽的螺旋角的方向相反，螺旋角α的范围是0°＜|α|＜90°；位于上游的螺旋槽的有效径向高度大于位于下游的螺旋槽的径向高度，上游的螺旋槽的有效径向高度与下游的螺旋槽的径向高度之比大于1而小于或等于5；在下游一列螺旋槽的下游还有一平面环带。

在本发明中高压侧定义为“上游”，低压侧定义为“下游”。“下游泵送”是指由上游向下游泵送。“一个螺旋槽的径向高度”是指一个螺旋槽在旋转环和静止环彼此贴合的密封端面范围内的高度，即有效高度。此外，本发明的“螺旋槽”是指，槽的总体走向为大致的螺旋形，而并非数学上所指的精确的螺旋形。

与纯流体动压型双列螺旋槽端面密封相比，在本发明中位于上游的一列螺旋槽的径向高度总是大于位于下游的一列螺旋槽的径向高度。故在给定的旋向下，两列螺旋槽总的效果是将密封流体由高压侧向低压侧泵送，即实现本发明的下游泵送。这种泵送会产生轻微的泄漏，但是，以此为代价而换取了两个密封端面之间更大的流体膜厚度及流体膜刚度。因此，本发明的密封比纯流体动压型双列螺旋槽端面密封更适应低粘度密封流体，如气体；同时也适用于密封端面两侧流体的压差更高的工况。

与流体动、静压结合型的下游泵送单列螺旋槽端面密封相比，在本发明的螺旋槽端面密封中增加了一列位于下游的螺旋槽，其螺旋角的方向与位于上游的螺旋槽的螺旋角方向相反，在给定的旋向下，下游一列螺旋槽对密封流体向上游泵汲，起主动的“推挡”作用，而单列螺旋槽端面密封中的平面环带只是起被动的“阻挡”作用。故本发明的密封效果更佳。因此，在本发明的下游泵送双列螺旋槽端面密封中，密封端面之间有更大的流体膜厚度，或者在相同的流体膜厚度下具有更大的流体膜刚度。在本发明中，在下游一列螺旋槽的下游仍保留一宽度较小的平面环带，其在转动状态下也是起节流作用，在静止状态下则起停车密封作用。

附图说明：

图1是螺旋槽设置在旋转环上的下游泵送双列螺旋槽端面密封的图，其中密封端面的外侧为高压侧。

图2是螺旋槽设置在静止环上的下游泵送双列螺旋槽端面密封的图，其中密封端面的外侧为高压侧。

图3是螺旋槽同时设置在旋转环上和静止环上的下游泵送双列螺旋槽端面密封的图，其中密封端面的外侧为高压侧。

图4是螺旋槽形线的示意图。

图5是密封端面的平面图。其中密封端面的外侧为高压侧，两列螺旋槽之间和上游螺旋槽的外侧都有平面环带。

图6是密封端面的平面图。其中密封端面的外侧为高压侧，两列螺旋槽之间有平面环带，上游螺旋槽的外侧没有平面环带。

图7是密封端面的平面图。其中密封端面的外侧为高压侧，两列螺旋槽之间没有平面环带，上游螺旋槽外侧有平面环带。

图8是密封端面的平面图。其中密封端面的外侧为高压侧，两列螺旋槽之间和上游螺旋槽的外侧都没有平面环带。

图9是螺旋槽设置在旋转环上的下游泵送双列螺旋槽端面密封的图。密封端面的内侧为高压侧。

图10是螺旋槽设置在静止环上的下游泵送双列螺旋槽端封面密封的图。密封端面的内侧为高压侧。

图11是螺旋槽同时设置在旋转环上和静止环上的下游泵送双列螺旋槽端面密封的图。密封端面的内侧为高压侧。

图12是密封端面的平面图。密封端面的内侧为高压侧，两列螺旋槽之间和上游螺旋槽的内侧都有平面环带。

图13是密封端面的平面图。密封端面的内侧为高压侧，两列螺旋槽之间有平面环带，上游螺旋槽内侧没有平面环带。

图14是密封端面的图。密封端面的内侧为高压侧，两列螺旋槽之间没有平面环带，上游螺旋槽内侧有平面环带。

图15是密封端面的平面图。密封端面的内侧为高压侧，两列螺旋槽之间和上游螺旋槽的内侧都没有平面环带。

图16是图6中的一个上游螺旋槽和一个下游螺旋槽的放大图。

图17是图8中的一个上游螺旋槽和一个下游螺旋槽的放大图。

图16、图17中的双点划线表示旋转环与静止环相贴合的密封端面的内、外圆。

以上附图中，符号含义如下：

R_b-平衡半径

α-螺旋角

h-螺旋槽深度

S₁-上游螺旋槽法向宽度

S₂-上游堰的法向宽度

S₃-下游螺旋槽的法向宽度

S₄-下游堰的法向宽度

H-高压侧，即上游

L-低压侧，即下游

G-两列螺旋槽总的泵汲方向

在图1至图8中：

R₀-旋转环和静止环之间密封端面的内半径

R₁-下游螺旋槽的内半径

R₂-下游螺旋槽的外半径

R₃-上游螺旋槽的内半径

R₄-上游螺旋槽的外半径

R₅-旋转环和静止环之间密封端面的外半径

在图9至图15中：

R₁₀-旋转环和静止环之间密封端面的外半径

R₁₁-下游螺旋槽的外半径

R₁₂-下游螺旋槽的内半径

R₁₃-上游螺旋槽的外半径

R₁₄-上游螺旋槽的内半径

R₁₅-旋转环和静止环之间密封端面的内半径

现结合附图所表示的实施例进行详细的说明。

在本发明附图中，尤其是图1-3和图9-11中所示出的螺旋槽的半径R₁-R₄,R₁₁-R₁₄，它们在本发明说明书中的实质含义是指螺旋槽的最大或者最小半径。剖视图在剖切时剖切到的位置可能不是螺旋槽的最大直径处或者最小直径处。但是，这样的标注可以使读者通过这些附图，对本发明能很快理解。

此外，在本发明的附图中，一个螺旋槽看起来似乎是由三个或者四个槽壁组成，但是，实际上一个螺旋槽是由两个主槽壁和一个或两个在二主槽壁之间的过渡槽壁构成的，在本说明书中所提及的螺旋槽型线实际指的是那两个主槽壁的型线，见图16和图17中的21、22、23、24。

图1为螺旋槽设置在旋转环上的下游泵送双列螺旋槽端面密封的图。该密封装置包括旋转环1、静止环2、副密封圈3、推环4、弹簧5、防转销6、壳体7、轴套8、轴9、静密封圈10。

旋转环1的密封端面与静止环2的密封端面相互贴合并可以相对滑动，二者的贴合面即为密封端面。在该实施例中，密封端面的外侧为高压侧，即上游H。在旋转环1的密封端面上设置两列螺旋槽。在高压侧有一列螺旋槽11，在低压侧有一列螺旋槽12。位于上游的螺旋槽的径向高度(R₄-R₃)大于位于下游的螺旋槽径向高度(R₂-R₁)，参见图5所示。在给定旋向下，由于这两列螺旋槽的螺旋角方向相反，位于上游的一列螺旋槽将密封流体向下游泵送，而位于下游的一列螺旋槽将密封流体向上游泵送。由于位于上游的一列螺旋槽的有效径向高度大于位于下游的一列螺旋槽的径向高度，因而两列螺旋槽总的作用效果是将密封流体沿箭头G的方向从上游向下游泵送，从而产生一微量泄漏。在上游螺旋槽的外侧有一平面环带13，即(R₅-R₄)之间的环带。两列螺旋槽之间也有一平面环带14，即(R₃-R₂)之间的环带。此外，在下游一列螺旋槽的内侧还有一平面环带15，即(R₁-R₀)之间的环带，起节流和停车密封的作用。螺旋槽侧壁的型线可以是图4所示的除去密封端面外圆的同心圆之外的任何曲线和除去通过密封端面圆心的径向直线之外的任何直线，例如对数螺旋线、圆弧线、斜折线。螺旋角的范围是0°＜|a|＜90°，其最佳范围是5°-30°，例如20°。上、下游二列螺旋槽的深度h沿径向和周向可以是不变的，例如0.02mm。也可以是变化的，其范围是0.002～0.2mm，最佳范围是0.005～0.1mm。螺旋槽的宽度可以是变化的，也可以是不变的，例如，从内径向外径逐渐加宽，其法向宽度S₁、R₃的范围是0.2～20mm，最佳范围是0.5～10mm。两个相邻的螺旋槽之间的堰的宽度S₂、S₁可以是恒定的，也可以是变化的，它的法向宽度S₂、S₄与螺旋槽的法向宽度S₁、S₃之比，即S₂/S₁和S₄/S₃为0.2～5，最佳范围为0.3～3。

本发明的螺旋槽也可以设置在静止环的密封端面上，见图2。还可以同时设置在旋转环与静止环的密封端面上，见图3。

图4为螺旋槽型线的图。螺旋槽有二个主槽壁，其型线可以是除去与密封端面同心的同心圆(螺旋角α=0°)或除去通过密封端面圆心的径向直线(螺旋角α=90°)以外的任何曲线或直线，例如：对数螺旋线(等角螺旋线)、阿基米德螺旋线、圆弧线、斜直线、斜折线。其中螺旋角的定义如下：设任何形式的平滑曲线或直线从半径较小的内半径处的A点(或A′、A″点)开始，到半径较大处的外径处的B点(或B′B″点)为止，内、外半径之间的任意半径R处的同心圆与该曲线或直线相交于P点(或P′、P″点)，在该点曲线的切线或直线本身与同心圆的切线之角的夹角α即定义为螺旋角。曲线AB与曲线A″B″的螺旋角方向相反，若定义前者为正，则后者为负。在本发明中，螺旋角的范围是0°＜|α|＜90°，其最佳范围是5°～30°。螺旋角α可以恒定，也可以变化，即可以由除去同心圆之外的各种曲线组成，也可以由除去径向直线之外的一条直线或多条直线即折线组成。

图5至图8是密封端面上可供选择的螺旋槽的形状及位置，其中，密封端面的外侧为高压侧，即上游H，密封端面的内测为低压侧，即下游L。

图5为两侧螺旋槽之间和上游螺旋槽的外侧都有平面环带的密封端面的视图。两列螺旋槽之间有一平面环带14，即(R₃-R₂)之间的环带。两列螺旋槽不相接，呈“八”字形。

上游一列螺旋槽11的外侧有一平面环带13，即(R₅-R₄)之间的平面环带。在下游螺旋槽12的内侧还有一平面环带15，即(R₁-R₀)之间的平面环带。若螺旋槽加工在旋转环上时，该环的放置方向为C向：若螺旋槽加工在静止环上时，与其相对的旋转环的旋转方向为D向。

本图及下述图中的双点划线表示旋转环与静止环之间密封端面的内、外圆。在该图中上游螺旋槽的径向高度为(R₄-R₃)，下游螺旋槽的径向高度为(R₂-R₁)。

图6为两列螺旋槽之间有平面环带14，上游螺旋槽11的外侧没有平面环带的密封端面的图。在该图中，上游螺旋槽的径向高度为(R₅-R₃)，下游螺旋槽12的下游有平面环带15，即(R₁-R₀)之间的环带。

图7为两列螺旋槽之间没有平面环带，上游螺旋槽11的外侧有平面环带13的密封端面的图。两列螺旋槽互相衔接，R₂=R₃，呈“人”字形，下游螺旋槽12的下游有平面环带15，即(R₁-R₀)之间的环带。

图8为两列螺旋槽之间和上游螺旋槽的外侧都没有平面环带的密封端面的图。该图中，上游螺旋槽11的径向高度为(R₅-R₃)，两列螺旋槽相交，R₂=R₃，下游螺旋槽12的下游有平面环带15，即(R₁-R₀)之间的环带。

在图6以下的各图中的旋转方向，与图5的说明一致。

根据本发明，位于上游的螺旋槽的有效径向高度必须大于位于下游的螺旋槽的径向高度，在图5和图7中1((R₄-R₃)/(R₂-R₁)≤5；在图6和图8中1((R₅-R₃)/(R₂-R₁)≤5。

在以上实施例中，均假设密封端面的外侧为高压侧，即上游H，而其内侧为低压侧，即下游L。如果密封端面的内侧为高压侧，即上游H，其外侧为低压侧，即下游L，其实施例见图9-图15，在这些图中，根据本发明，上游螺旋槽的有效径向高度(R₁₃-R₁₄)(见图12、14)或者R₁₃-R₁₅)(见图13、15)必须大于下游螺旋槽的径向高度(R₁₁-R₁₂)。

图9所示的密封其密封端面的内侧为高压侧，即上游侧H，密封端面的外侧为低压侧，即下游L，仅在旋转环1的密封端面上加工出螺旋槽。

图10所示的密封其密封端面的内侧为高压侧，即上游H，密封端面的外侧为低压侧，即下游L，仅在静止环2的密封端面上加工出螺旋槽。

图11所示的密封其密封端面的内侧为高压侧，即上游H，密封端面的外侧为低压侧，即下游L，在旋转环1和静止环2的密封端面上同时加工有螺旋槽。

图12至图15表示密封端面上可供选择的螺旋槽的形状及位置。

图12为两列螺旋槽之间和上游螺旋槽11的内侧都有平面环带的密封端面视图。两列螺旋槽之间有一平面环带17，即(R₁₂-R₁₃)之间的环带。两列螺旋槽不衔接，呈“八”字形。上游一列螺旋槽11的内侧有一平面环带16，即(R₁₄-R₁₅)之间的平面环带。在下游螺旋槽12的下游还有一平面环带18，即(R₁₀-R₁₁)之间的平面环带。在该图中上游螺旋槽的有效径向高度为(R₁₃-R₁₄)。本图及下述各图中的双点划线表示旋转环与静止环之间密封端面的内、外圆。

图13为两列螺旋槽之间有平面环带17，上游螺旋槽11的内侧没有平面环带的密封端面的图。图中上游螺旋槽的径向高度为(R₁₃-R₁₅)，下游螺旋槽12的下游有平面环带18，即(R₁₀-R₁₁)之间的环带。

图14为两列螺旋槽之间没有平面环带，上游螺旋槽11的内侧有平面环带16的密封端面的图。两列螺旋槽互相连接，R₁₂=R₁₃，呈“人”字形，下游螺旋槽12的下游有平面环带18，即(R₁₀-R₁₁)之间的环带。

图15为两列螺旋槽之间和上游螺旋槽11的内侧都没有平面环带的密封端面的图。在该图中，上游螺旋槽11的径向高度为(R₁₃-R₁₅)，两列螺旋槽相交，R₁₂=R₁₃，下游螺旋槽12的下游有平面环带18，即(R₁₀-R₁₁)之间的环带。

根据本发明，位于上游的螺旋槽的有效径向高度必须大于位于下游的螺旋槽的径向高度，在图12和图14中1＜(R₁₃-R₁₄)/(R₁₁-R₁₂)≤5；在图13和图15中1＜(R₁₃-R₁₅)/(R₁₁-R₁₂)≤5。

在图9-图15中，关于螺旋槽的型线、螺旋角、深度、宽度以及堰与螺旋槽的宽度之比的说明与图1-图8中的说明相同。

在图7和图8中，两列螺旋槽互相连接R₂=R₃，在图14和图15中两列螺旋槽相互连接R₁₂=R₁₃，但是，当两列槽错开一定角度时R₂也可不等于R₃，R₁₂也可不等于R₁₃。

总之，本发明区别于文献中已有的流体动压型双列螺旋槽端面密封的基本特征是：位于高压侧，即上游一列螺旋槽的径向高度大于位于低压侧，即下游的一列螺旋槽的径向高度。因此，上游一列螺旋槽对密封流体向下游的泵送作用大于下游一列螺旋槽对密封流体向上游的泵送作用，两列螺旋槽的泵送作用迭加之后，总的效果是将密封流体自上游向下游泵送，从而以微量的泄漏为代价换取了更大的流体膜厚度和流体膜刚度。为了获得最佳的流体膜厚度和流体膜刚度特性，上游的螺旋槽的有效径向高度与下游的螺旋槽的径向高度之比大于1而小于或等于5。

实施本发明的密封总体布局可以有多种形式：单密封、面对面式的双密封、背靠背式的双密封、两极串联密封、三级串联密封、双密封与单密封组合的密封等。

本发明的密封是一种新型流体动、静压结合型端面密封，其优点是流体膜的厚度和刚度较大，即适用于高黏度的密封流体(例如：油)，也适用于低黏度的密封流体(例如水和气体)；即适用于低压工况，也适用于高压工况；即适用于高速旋转，也适用于低速旋转。本发明适用于各种形式压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜搅拌器等旋转机械的密封，尤其是干气密封。

Claims (12)

1、一种螺旋槽端面密封，包括：具有密封端面的旋转环、具有密封端面的静止环，其密封端面与所述旋转环的密封端面相贴合并可以相对滑动，密封端面为圆环形，其特征是：在所述旋转环和所述静止环的密封端面的至少一个上设置两列螺旋槽；其中，一列位于高压侧，即上游，它从上游向下游泵送密封流体；另一列位于低压侧，即下游，它从下游向上游泵送密封流体；两列螺旋槽的螺旋角的方向相反，螺旋角α的范围是0°＜|α|＜90°；位于上游的螺旋槽的有效径向高度大于位于下游的螺旋槽的径向高度，上游的螺旋槽的有效径向高度与下游的螺旋槽的径向高度之比大于1而小于或等于5；在下游一列螺旋槽的下游还有一平面环带。

2、根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封，其特征是：密封端面上螺旋槽侧壁型线的螺旋角α的范围为5°-30°。

3、根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封，其特征是：密封端面上螺旋槽侧壁的型线为对数螺旋线或者为与环形密封端面偏心的圆弧线。

4、根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封，其特征是：密封端面上螺旋槽侧壁的型线为斜直线或者折线。

5、根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封，其特征是：螺旋槽的深度是恒定的，深度范围是0.002-0.2mm。

6、根据权利要求5所述的螺旋槽端面密封，其特征是：螺旋槽的深度范围是0.005-0.1mm。

7、根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封，其特征是：螺旋槽的深度是变化的。深度范围是0.002-0.2mm。

8、根据权利要求7所述的螺旋槽端面密封，其特征是：螺旋槽的深度范围是0.005-0.1mm。

9、根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封，其特征是：螺旋槽法向宽度的范围是0.2-20mm。

10、根据权利要求9所述的螺旋槽端面密封，其特征是：螺旋槽法向宽度的范围是0.5-10mm。

11、根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封，其特征是：两个相邻的螺旋槽之间的堰的法向宽度与螺旋槽的法向宽度之比为0.2-5。

12、根据权利要求11所述的螺旋槽端面密封，其特征是：两个相邻的螺旋槽之间的堰的法向宽度与螺旋槽的法向宽度之比为0.3-3。

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