CN107228196A - 强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构 - Google Patents

Abstract

一种强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构，机械密封的动环或静环的端面上加工有依照端面中心沿圆周方向排列构成环带的三元弯扭微凸体，所述三元弯扭微凸体是横截面形状呈翼型的微柱体，三元弯扭微凸体上的相邻两横截面之间有相对扭转；所述三元弯扭微凸体的横截面的长轴沿所述端面的周向设置，所述的横截面的短轴沿所述端面的径向设置，环带上前一微凸体的背风侧端面位于后一微凸体的迎风侧端面的内侧；相邻两排的所述环带之间形成环向流道，流体经微凸体流入环向流道并在其中产生强涡旋；所述三元弯扭微凸体的相邻两排环带错位排列；密封端面上靠泄漏侧设置有环形密封坝，密封坝高度与三元弯扭微凸体的高度相等。

Description

强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构

技术领域

本发明涉及一种旋转式流体机械的机械端面密封结构，特别涉及一种三元弯扭微凸体端面机械密封结构，用于各种压缩机、泵和反应釜等旋转机械设备的轴端密封，特别适用于高速场合或要求端面传热性能高的场合，属于机械端面密封技术领域。

背景技术

机械端面密封因具有泄漏小，结构简单，可自动补偿磨损等性能优势而在石油石化、食品医药及造纸等行业用旋转机械上获得广泛应用。传统的普通机械密封在运行时，动静环密封端面会产生直接接触，两相对滑动端面的接触摩擦生热可能会导致密封端面变形或热裂失效，而软质密封环的不断磨损限制了密封使用寿命的进一步提高。机械密封适应高参数工况特别是高速工况及高固含量流体的能力较差，往往因产生上述失效问题而导致环境污染、生产装置停车，甚至危及人命。

为改善现有接触式机械密封端面摩擦生热量较大和接触磨损影响使用寿命的问题，国内外学者开展了大量研究与研制等有关工作。一方面，在密封端面开设各种不同形状、不同尺度深度的流体动压槽，发明了干式气体端面密封(简称DGS，见LubricationEngineering，1994，50(3):pp215以及US 5224714“Non-contacting face seal”)和上游泵送机械密封(简称Up-Stream MS，见Lubrication Engineering，1990，46(4):pp213以及US4290611“High pressure upstream pumping seal combination”)以及围绕这类密封研制开发的系列新型流体动压型机械密封，其简单工作原理是通过端面型槽将流体介质泵入密封端面，并在流体动静压的作用下推开端面，使其保持非接触运行，从而减小端面温升和降低磨损。但是这种端面上开设型槽的流体动压型机械密封对固体颗粒的适应能力较差，一旦固体颗粒进入密封端面，仍容易划伤端面或填充型槽，使密封过早失效。另一方面，利用LIGA技术在密封端面上加工高纵横比微结构(High aspect ratios microstructures，简写为HARMs)的微凸体密封开始得到国内外学者的关注，如Stephens等利用LIGA技术在轴承和机械密封的承磨表面上加工出均匀分布的HARMs，发现与普通接触式机械密封相比能显著降低端面摩擦热量，提高密封适应含固体颗粒环境的能力，提高密封的可靠性和使用寿命；中国专利CN1818434A(ZL 200610049841.7)提出了一种加工有柱状微凸体结构的耐磨型机械密封，其具有较好的耐磨性，摩擦热量小。虽然上述这类柱状的微凸体结构对固体颗粒具有一定的破碎能力，且端面摩擦热较低，但是其动压效应较弱，端面上流体的传热能力较弱，加上在密封启停阶段不能产生较强的动压力以保证密封端面足够的开启力，从而容易导致密封在启停过程中容易发生端面碰磨，在高参数机械密封运行过程中易使密封介质产生汽化，造成干磨。

发明内容

为了克服现有接触式机械密封工作时摩擦生热大，适应含固体颗粒环境能力不强的不足，克服现有流体动压型机械密封端面传热能力弱，适应固含量介质能力差的特点，本发明提供一种工作时摩擦热量小，传热能力强，耐磨性好，流体动压效应强，且具有优异启停特性和运行稳定性的强对流换热型三元弯扭微凸体端面高速机械密封结构。

本发明的技术方案是：

一种强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构，其特征在于：所述机械密封的动环或静环的端面上加工有依照端面中心沿圆周方向排列构成环带的三元弯扭微凸体，所述三元弯扭微凸体是横截面形状呈翼型的微柱体，三元弯扭微凸体上的相邻两横截面之间有相对扭转，所述同一条微凸体环带上的微凸体沿端面周向均匀布置；所述三元弯扭微凸体的横截面的长轴沿所述端面的周向设置，所述的横截面的短轴沿所述端面的径向设置，三元弯扭微凸体的横截面的宽度自迎风侧到背风侧逐渐增大，所述三元弯扭微凸体的周向侧壁自迎风侧到背风侧逐渐向内弯曲，其中内侧的周向侧壁的曲率大于外侧的周向侧壁的曲率，环带上前一微凸体的背风侧端面位于后一微凸体的迎风侧端面的内侧；相邻两排的所述环带之间形成环向流道，流体经微凸体流入环向流道并在其中产生强涡旋；所述三元弯扭微凸体的相邻两排环带错位排列以形成径向大流阻；端面上靠泄漏侧设置有环形密封坝，密封坝高度与三元弯扭微凸体的高度相等。

优选地，所述三元弯扭微凸体的入口安装角取值范围为：θ＝0～15°；所述三元弯扭微凸体相邻两排环带之间形成的环向流道的径向间隔为100～500μm，同一环带相邻两个微凸体之间的周向距离为10～50μm。

更优选地，所述三元弯扭微凸体的单体的各向尺寸取值范围为：周向尺寸L＝500～3000μm，最大径向尺寸ΔR＝100～1000μm，高度h＝100～1000μm，微凸体表面粗糙度取值范围为Ra0.8～3.2μm；用作密封端面的微凸体表面粗糙度取值为Ra0.05～0.20μm；所述三元弯扭微凸体的前缘和后缘都是圆柱体，其曲率半径取值范围分别为：R₁＝0～0.05rad，R₂＝0.05～1.0rad。

其中，所述三元弯扭微凸体的迎流突缘为其前缘，溢流面突缘为其后缘；所述三元弯扭微凸体的入口安装角即翼型前缘的中线切线与圆周切线方向的夹角。

本发明所述的内侧是指接近端面的中心圆心的一侧，外侧是指远离端面中心圆心的一侧。

本发明的工作原理是：

采用微纳尺度超高精度3D打印技术或超精密磨削加工技术或超精密镜面电火花技术，在机械密封的密封环端面上加工出周向侧壁面为三元弯扭面的三元弯扭微凸体结构。三元弯扭微凸体端面机械密封工作时，密封介质顺三元弯扭微凸体入口角泵汲入端面，在周向上流体可以较顺畅流动，但是在径向上由于密封坝或相邻两排三元弯扭微凸体环带很小的径向间隙或径向间距，流体在径向上流动阻力大大增加，从而限制了密封介质的泄漏。由于微凸体的弯扭特征，构成了微凸体对流体的有效泵汲作用，产生了强的流体动压效应，因此启停短暂过程中，密封具有良好开启特性，而且正常运行期间密封同时又具有很好的稳定性。

通过控制密封端面上三元弯扭微凸体的流体入射角或入口安装角，可以调节流体进入端面的冲击流动效果；同时通过调节三元弯扭微凸体周向间隔距离、径向间隔距离和微凸体弯扭程度，并通过三元弯扭微凸体相邻两排环带的错位排列，可以对进入端面的流体形成周向强传热和径向大流阻，从而强化高参数机械密封的端面传热，降低端面间密封液体介质汽化的可能(当密封介质为液体时)，极大地减少流体通过径向的泄漏；此外，三元弯扭微凸体破碎流体中固体磨料的能力相比于采用LIGA方法形成规则直棱微柱体或螺旋槽要强，而且通过改变三元弯扭微凸体相邻两排环带的错位排列，在相邻两排环带三元弯扭微凸体与微凸体之间形成较大空室，因此可以容纳更多、更大粒径的固体磨料，并且在大空室中形成的强蜗旋流作用下逐级排出密封端面。

对于拥有普通直棱柱状微凸体端面的机械密封结构，在密封环运转时进入端面的流体介质难以产生流体动压效应，因此在密封启停阶段，端面难以产生足够的开启力以推开密封端面，密封的启停特性较差。本发明拥有的这种新型三元弯扭微凸体结构的周向侧壁为三元弯扭面，其对进入密封端面的流体介质具有很好的导流作用，流体介质顺着周向侧壁流动时逐渐被压缩，动压效应显著，在密封启停阶段能产生较大的开启力以使密封端面快速打开，而在密封稳定运行阶段也有利于提高端面流体膜刚度，端面流体膜稳定性好。

针对固含量较大或黏度较高的密封介质场合，三元弯扭微凸体之间一般采用较大的周向和径向间隙，因此在端面的下游侧或两列微凸体环带之间增设了光滑的环形密封坝，密封坝具有停车密封的作用，并能防止经过微凸体粉碎的固体颗粒进入下游。

本发明的优点和有益效果是：

(1)三元弯扭微凸体的周向侧壁为三元弯扭面，这种结构对进入密封端面的流体介质具有较强的导流作用和泵汲效应，流体介质沿着三元弯扭壁面流动时能产生显著的动压效应，相较于普通直棱柱状微凸体结构，在密封启停时能产生足够的开启力以推开密封端面，提高密封的启停特性，而在密封稳定运行阶段能产生更大的流体膜刚度，提高密封的运行稳定性，避免密封端面发生碰磨。

(2)三元弯扭微凸体结构具有混合器叶片功能和强制传热功能，因此，一方面相邻两横截面之间具有相对扭转特征的三元弯扭微凸体对流体介质中所含的固体颗粒具有较强的粉碎作用，不仅微凸体的抗剪切破坏特性得到改善，而且粉碎的固体颗粒能从径向相邻两排三元弯扭微凸体之间的空室中经端面较大的周向流道及时排出，从而提高密封适应含固体颗粒介质的场合，提高端面的耐磨性；另一方面，三元弯扭微凸体环带之间的间隙有助于强化传热，当流体沿微凸体由高压侧向低压侧流动时，进入环带之间的周向流道会引起流体速度急剧下降，产生涡旋，因此可以及时将密封端面的摩擦热和粘性剪切热及时散出，从而减小密封端面温升，提高密封工作可靠性。

(3)三元弯扭微凸体的相邻两排环带错位排列，可以形成径向大流阻，不仅在环带之间的周向流道中形成高压区，易使端面之间瞬间脱开形成微米级间隙，而且可以降低泄漏率，改善机械密封的密封能力。

(4)三元弯扭微凸体结构的径向高度，可以通过超精密加工时获得控制。沿着密封流体泄漏方向逐渐增加微凸体的高度，使流体均匀进入密封端面的同时，能有效控制泄漏量和固体颗粒流量，提高密封流体膜刚度和密封性。

附图说明：

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的端面的主视图。

图3是图2的A部的局部放大图。

图4是本发明的三元弯扭微凸体单体剖视示意图及有关参数的定义；

图5是本发明可采用的其他三元弯扭微凸体单体横截面几何剖面示意图，其中图5a是对称型，图5b是双凸型，图5c是平凸型，图5d是凹凸型，图5e是特殊面型。

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

参照图1、2和3、4、5，一种强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构，所述机械密封的动环或静环的端面上加工依照端面中心沿圆周方向排列构成环带2的有三元弯扭微凸体1，所述三元弯扭微凸体1是横截面形状呈翼型的微柱体，相邻两三元弯扭微凸体1的横截面之间有相对扭转，所述同一条微凸体环带上的每个微凸体都是相对于端面圆心以相同的相对位置布置的，可以改善微凸体的抗剪切破坏特性，提高端面的耐磨性；所述三元弯扭微凸体1的横截面的长轴沿所述端面的周向设置，所述的横截面的短轴沿所述端面的径向设置，三元弯扭微凸体1的横截面的宽度自迎风侧到背风侧逐渐增大，三元弯扭微凸体的前缘和后缘都是圆柱面，所述三元弯扭微凸体1的周向侧壁自迎风侧到背风侧逐渐向内弯曲，其中内侧的周向侧壁的曲率大于外侧的周向侧壁的曲率，环带上前一微凸体的背风侧端面位于后一微凸体的迎风侧端面的内侧；相邻两排的所述环带21和22或22和23之间形成环向流道，流体经微凸体流入环向流道并在其中产生强涡旋，可以强化端面的对流换热能力，减小端面变形；所述三元弯扭微凸体的相邻两排环带21和22或22和23错位排列以形成径向大流阻，可以降低泄漏率，改善机械密封的密封能力；密封端面上靠泄漏侧设置有环形密封坝3，密封坝3高度与三元弯扭微凸体的高度相等。

所述三元弯扭微凸体的入口安装角取值范围为：θ＝0～15°；所述三元弯扭微凸体相邻两排环带之间形成的环向流道的径向间隔为100～500μm，同一环带相邻两个微凸体之间的周向距离为10～50μm。

所述三元弯扭微凸体的单体的各向尺寸取值范围为：周向尺寸L＝500～3000μm，径向尺寸ΔR＝100～1000μm，高度h＝100～1000μm，微凸体表面粗糙度取值范围为Ra0.8～3.2μm；用作密封端面的微凸体表面粗糙度取值为Ra0.05～0.20μm；微凸体的曲率半径取值范围分别为：R₁＝0～0.05rad，R₂＝0.05～1.0rad。

其中，所述三元弯扭微凸体的迎流突缘为其前缘，溢流面突缘为其后缘；所述三元弯扭微凸体的入口安装角即翼型前缘的中线切线与圆周切线方向的夹角。

密封端面上分布有两列及以上的环形密封坝，所述环形密封坝与微凸体环带在端面径向呈间隔分布。

图5显示了本发明可采用的其他三元弯扭微凸体单体横截面几何剖面示意图，其中图5a是对称型，图5b是双凸型，图5c是平凸型，图5d是凹凸型，图5e是特殊面型。

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同等技术手段。

Claims (3)

1.一种强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构，其特征在于：所述机械密封的动环或静环的端面上加工有依照端面中心沿圆周方向排列构成环带的三元弯扭微凸体，所述三元弯扭微凸体是横截面形状呈翼型的微柱体，三元弯扭微凸体上的相邻两横截面之间有相对扭转，所述同一条微凸体环带上的微凸体沿端面周向均匀布置；所述三元弯扭微凸体的横截面的长轴沿所述端面的周向设置，所述的横截面的短轴沿所述端面的径向设置，三元弯扭微凸体的横截面的宽度自迎风侧到背风侧逐渐增大，所述三元弯扭微凸体的周向侧壁自迎风侧到背风侧逐渐向内弯曲，其中内侧的周向侧壁的曲率大于外侧的周向侧壁的曲率，环带上前一微凸体的背风侧端面位于后一微凸体的迎风侧端面的内侧；相邻两排的所述环带之间形成环向流道，流体经微凸体流入环向流道并在其中产生强涡旋；所述三元弯扭微凸体的相邻两排环带错位排列以形成径向大流阻；端面上靠泄漏侧设置有环形密封坝，密封坝高度与三元弯扭微凸体的高度相等。

2.根据权利要求1所述的强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构，其特征在于：所述三元弯扭微凸体的入口安装角取值范围为：θ＝0～15°；所述三元弯扭微凸体相邻两排环带之间形成的环向流道的径向间隔为100～500μm，同一环带相邻两个微凸体之间的周向距离为10～50μm。

3.根据权利要求2所述的强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构，其特征在于：所述三元弯扭微凸体的单体的各向尺寸取值范围为：周向尺寸L＝500～3000μm，最大径向尺寸ΔR＝100～1000μm，高度h＝100～1000μm，微凸体表面粗糙度取值范围为Ra0.8～3.2μm；用作密封端面的微凸体表面粗糙度取值为Ra0.05～0.20μm；所述三元弯扭微凸体的前缘和后缘都是圆柱体，其曲率半径取值范围分别为：R₁＝0～0.05rad，R₂＝0.05～1.0rad。