CN114135673A - 一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构 - Google Patents

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赵文静
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Abstract

一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构，包括动环、静环、弹性元件、辅助密封和静环座，所述静环置于静环座内，所述静环与静环座之间设有辅助密封，所述静环与动环之间形成密封间隙，所述静环背部设有压力平衡腔，所述静环背部设有缓冲气孔，所述缓冲气孔与压力平衡腔之间设有堵头以阻断连通，所述缓冲气孔通过通气孔与静环座上的进气孔相连通，所述静环密封端面设有多个周向均布的锥形槽，所述锥形槽与缓冲气孔之间通过通孔相连通，所述锥形槽中心固定有吸盘芯，所述吸盘芯端面与动环端面的间距大于密封间隙，所述吸盘芯与锥形槽之间具有流通间隙。缓冲气孔内的高压气体通过通孔和吸盘芯背部的流通间隙喷射进入密封间隙后形成气旋产生负压，从而在静环端面形成吸力。

Description

一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构
技术领域
本发明涉及一种干气密封结构，特别涉及一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构，可用于搅拌设备和压缩机等多种旋转设备的轴端密封。
背景技术
动压型干气密封因能通过流体动压效应在密封端面之间形成一层微米级厚度的气膜，实现密封端面的非接触运行而在旋转机械轴端密封中受到广泛应用，静压型和动静压型干气密封则通过外部引入高压气体，向密封间隙充入带压气体形成静压气膜承载力而不依赖流体动压效应使得其在低速旋转设备中有广泛应用。传统的动压型和静压型干气密封都具有膜厚自调节功能，且这种功能是基于雷诺方程或N-S方程所描述的气膜压力和膜厚的关系而实现的。具体表现为：密封开启力随着密封间隙的增大而单调递减，如此当密封受到外界扰动而出现间隙减小时，气膜承载力增大，密封间隙逐渐增大；反之，当密封受到外界扰动而出现间隙增大时，气膜承载力减小，密封间隙减小并恢复至原间隙值。由于密封气膜承载力在密封间隙较大时受间隙影响很小，对间隙的变化不敏感，此时气膜刚度很小，故密封一般需要在很小的间隙下运行。很小的密封间隙虽然对于控制介质泄漏和外供气体的耗气量是有利的，但是容易引起动静环端面的碰磨而失效。
对于转轴振摆严重、工况波动剧烈和对介质洁净度要求很高的旋转设备，相较于控制密封气的耗气量，避免密封端面发生磨损更为重要。鉴于传统的动静压干气密封是基于流体动静压效应产生的气膜承载力关于气膜厚度的单调递减规律而实现密封间隙的自调节功能，其密封间隙必须保持在微米级量级。有必要提出一种能在更大间隙值条件下运行且能实现密封间隙自调节功能的干气密封新结构，以使干气密封对转轴振摆和工况波动等外界扰动的适应能力更强，且通过避免密封端面接触以保证设备内部介质的高洁净度。
发明内容
为改善现有动压和静压型干气密封只能在很小的密封间隙下运行而容易发生动静环端面碰磨的问题，本发明提供了一种结构紧凑、膜厚自调节功能强且端面不容易发生碰磨的真空吸气式干气密封结构。
本发明的技术方案是：
一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构，包括动环1、静环2、弹性元件3、辅助密封4和静环座5，所述静环2置于静环座5内，所述静环2与静环座5之间设有辅助密封4，所述静环2与动环1之间形成密封间隙11，所述静环2背部设有压力平衡腔51，所述静环2背部设有缓冲气孔21，所述缓冲气孔21与压力平衡腔51之间设有堵头22以阻断连通，所述缓冲气孔21通过通气孔23与静环座5上的进气孔52相连通，所述静环2密封端面设有多个周向均布的锥形槽24，所述锥形槽24与缓冲气孔21之间通过通孔25相连通，所述锥形槽24中心固定有吸盘芯26，所述吸盘芯端面261与动环端面12的间距大于密封间隙11，所述吸盘芯26与锥形槽24之间具有流通间隙27。缓冲气孔21内的高压气体通过通孔25和吸盘芯背部的流通间隙27喷射进入密封间隙11后形成气旋产生负压，从而在静环端面形成吸力。
进一步，所述压力平衡腔51通过通气孔53与外界环境相连通。
进一步，所述吸盘芯26与锥形槽24底面之间设有调节垫片28，所述吸盘芯26背部的流通间隙27及吸盘芯端面261与动环端面12间距可通过调节垫片28调整。
进一步，所述静环2与固定于静环座5上的螺钉54之间设有弹性元件3。
进一步，所述密封间隙11的优选值为20-200μm，所述吸盘芯端面261与动环端面12之间的间距优选值为0.1-0.5mm。
本发明的工作原理是：
伯努利吸盘的原理是通过带压气体的高速流动在吸盘底部形成真空区域而产生吸附力，进而实现对不同物件的非接触吸附抓取。本发明所述的一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构也是基于流体的高速流动在吸盘芯端面形成真空区域这一原理实现的。
本发明的密封结构核心组件为静环，静环座，动环，吸盘芯和弹性元件，吸盘芯头部一般为圆柱体，或贴着锥形槽为圆锥形结构，静环端面设有锥形槽，用于引导气体高速流动，其形状为圆锥形或为曲面，锥形槽底部设有四个通孔，通孔连通缓冲气孔，作为带压气体的流出通道。缓冲气孔另一端设有堵头，用于隔断压力平衡腔中的气体和缓冲气孔中的带压气体，静环座上设有与压力平衡腔连通的通气孔，可以直接与外界大气相通，也可连接空气压缩机或真空泵以实现对静环背部所受闭合力的调控。静环外径侧突出的端面与静环座端面之间隔有一定空隙，两者用螺钉连接，螺钉头部与静环端面之间设有弹性元件，作为开启力的一部分。
本发明的工作原理为：带压气体通过静环座上的进气孔进入缓冲气孔，再从通孔中流出，并顺着锥形槽与吸盘芯之间的流通间隙高速冲出，最终通过密封间隙向内径和外径侧流出。由于气体流速很快，根据伯努利方程所描述的动能、压能和势能守恒原理，高速气流在吸盘芯附近形成低压真空区，吸盘芯端面的气体被吸出，形成较大面积的低压真空区。对于作为补偿环的静环而言，其在包括静环背腔介质压力、密封端面介质压力和弹簧力等轴向力的共同作用下保持平衡。当干气密封受到外界扰动而产生偏摆或轴向偏移时，动环整体或一侧会靠近或远离静环。当动环靠近静环时，密封间隙减小，密封间隙流阻增大而使气流速度降低，根据能量守恒可知此时吸盘芯端面区域的介质压力增大，密封端面的真空吸附力减小，静环向远离动环的方向运动直至达到新的轴向力平衡，密封间隙恢复至原值；反之，当动静环之间的密封间隙增大时，密封间隙流阻减小而使气流速度增加，吸盘芯端面区域的介质压力减小，密封端面的真空吸附力增大，静环向靠近动环的方向运动，密封间隙减小直至恢复至原值。当动静环端面发生接触时，也即密封间隙为0，此时气流速度为0，吸盘芯端面的真空度消失，密封端面的压力较高，静环在弹簧力和端面压力的共同作用下向远离动环的位置运动。可见，本发明所述的新型干气密封结构能尽可能地避免密封端面的接触碰磨。
本发明所述的新型干气密封主要是依靠气体流经密封间隙的流速相对于密封间隙的高度敏感性而工作。一般来说，气体流量与密封间隙的三次方成正比，故密封间隙的增加或减小会显著影响气体流经密封间隙的流速，进而影响吸盘芯端面及其附近产生的真空度，故密封间隙不必在微米量级，而是可以通过调控缓冲气孔内的介质压力使其达到几十微米甚至是亚毫米量级。另一方面，当处于层流状态时，气体流速对密封端面的粗糙度不敏感，故动静密封环端面平面度和粗糙度不必达到如常规干气密封所规定苛刻要求，能有效提高干气密封的加工经济性。
本发明的优点和有益效果
(1)基于伯努利原理的真空吸气式干气密封能在几十微米甚至亚毫米量级的密封间隙条件下运行，相较于传统干气密封更大的密封间隙能尽可能地避免转轴振摆和外界工况扰动所引起的密封端面接触碰磨，适用于转轴振摆严重、工况波动剧烈和对介质洁净度要求很高的场合。
(2)真空吸气式干气密封是基于密封端面间气体流速对密封间隙的高度敏感性以及流体动能和压能守恒原理而工作的，且气体流速对密封端面粗糙度不敏感，故动静环端面的平面度和粗糙度加工要求可以降低，密封端面的加工难度和成本降低，加工经济性提高。
(3)传统干气密封在密封端面磨损后，由于原密封端面形貌或型槽结构被破坏，会因难以形成稳定的流体动静压承载膜而失效。在较大密封间隙条件下运行的真空吸气式干气密封中气体流速对密封端面形貌不敏感，故其对于密封端面磨损程度不敏感，密封的使用寿命和可靠性显著提高。
附图说明
图1是本发明实施案例一的真空吸气式干气密封整体结构剖视图；
图2是本发明实施案例一的真空吸气式干气密封组件剖视放大图；
图3是本发明实施案例一的静环受力分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施进一步详述。
参见图1、2、3，一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构，包括动环1、静环2、弹性元件3、辅助密封4和静环座5，所述静环2置于静环座5内，所述静环2与静环座5之间设有辅助密封4，所述静环2与动环1之间形成密封间隙11，所述静环2背部设有压力平衡腔51，所述静环2背部设有缓冲气孔21，所述缓冲气孔21与压力平衡腔51之间设有堵头22以阻断连通，所述缓冲气孔21通过通气孔23与静环座5上的进气孔52相连通，所述静环2密封端面设有多个周向均布的锥形槽24，所述锥形槽24与缓冲气孔21之间通过通孔25相连通，所述锥形槽24中心固定有吸盘芯26，所述吸盘芯端面261与动环端面12的间距大于密封间隙11，所述吸盘芯26与锥形槽24之间具有流通间隙27。缓冲气孔21内的高压气体通过通孔25和吸盘芯背部的流通间隙27喷射进入密封间隙11后形成气旋产生负压，从而在静环端面形成吸力。
参见图3，当所述干气密封静环2与动环1从静止状态到相对转动时，带压气体通过通孔25的流速增加，吸盘芯26端面真空区域压强降低，低于静环背部的压强pi、po和静环背腔压力p1，这部分作用力构成静环2的闭合力；在静环2外径侧突出端面上作用由弹性元件3施加的弹簧力Fsp，密封间隙内靠近内径和外径区域的气体压力和吸盘芯26端面附近的负压，这部分作用力构成静环2的开启力；静环2在微动过程中还会受到辅助密封圈4的摩擦力Ff。在上述密封开启力、闭合力和辅助密封摩擦力的共同作用下，静环2与动环1在密封间隙11条件下保持非接触运行。
所述压力平衡腔51通过通气孔53与外界环境相连通。
所述吸盘芯26与锥形槽24底面之间设有调节垫片28，所述吸盘芯26背部的流通间隙27及吸盘芯端面261与动环端面12间距可通过调节垫片28调整。
所述静环2与固定于静环座5上的螺钉54之间设有弹性元件3。
所述密封间隙11的优选值为20-200μm，所述吸盘芯端面261与动环端面12之间的间距优选值为0.1-0.5mm。
当干气密封动环1受到外界扰动而出现向静环2靠近的运动时，密封间隙11减小，密封间隙11对气体流动的流阻增大，气体流速减小，此时吸盘芯26端面区域的介质压力增大，静环2向远离动环1的方向运动直至达到新的轴向力平衡，密封间隙恢复至原值。反之，当干气密封动环1向远离静环2运动时，密封间隙11增大，密封间隙11对气体流动的流阻减小，气体流速增加，此时吸盘芯26端面区域的介质压力减小，密封端面的真空吸附力增大，静环2向靠近动环1的方向运动直至密封间隙11恢复至原值。
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 (5)

1.一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构，包括动环(1)、静环(2)、弹性元件(3)、辅助密封(4)和静环座(5)，其特征在于：所述静环(2)置于静环座(5)内，所述静环(2)与静环座(5)之间设有辅助密封(4)，所述静环(2)与动环(1)之间形成密封间隙(11)，所述静环(2)背部设有压力平衡腔(51)，所述静环(2)背部设有缓冲气孔(21)，所述缓冲气孔(21)与压力平衡腔(51)之间设有堵头(22)以阻断连通，所述缓冲气孔(21)通过通气孔(23)与静环座(5)上的进气孔(52)相连通，所述静环(2)密封端面设有多个周向均布的锥形槽(24)，所述锥形槽(24)与缓冲气孔(21)之间通过通孔(25)相连通，所述锥形槽(24)中心固定有吸盘芯(26)，所述吸盘芯端面(261)与动环端面(12)的间距大于密封间隙(11)，所述吸盘芯(26)与锥形槽(24)之间具有流通间隙(27)。
2.根据权利要求1所述的一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构，其特征在于：所述压力平衡腔(51)通过通气孔(53)与外界环境相连通。
3.根据权利要求2所述的一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构，其特征在于：所述吸盘芯(26)与锥形槽(24)底面之间设有调节垫片(28)，通过调节垫片(28)调整所述吸盘芯(26)背部的流通间隙(27)及吸盘芯端面(261)与动环端面(12)间距。
4.根据权利要求2所述的一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构，其特征在于：所述静环(2)与固定于静环座(5)上的螺钉(54)之间设有弹性元件(3)。
5.根据权利要求2所述的一种基于伯努利原理的真空吸气式干气密封结构，其特征在于：所述密封间隙(11)的优选值为20-200μm，所述吸盘芯端面(261)与动环端面(12)之间的间距优选值为0.1-0.5mm。
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