CN114922978B - 一种具有超亲气、超滑及导流特性的液膜密封环及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有超亲气、超滑及导流特性的液膜密封环及其加工方法，该密封环端面上设有流体型槽，所述流体型槽槽底面为超亲气表面，所述超亲气表面能吸附水蒸气及溶解在液膜内的气体。流体型槽槽底表面超亲气性对空化泡存在“吸力”，当密封副发生轻微振动时，超亲气表面将在一定程度上限制空泡运动，从而降低空泡破裂的可能性，减小振动和噪声；更重要的是，流体型槽槽底表面还会吸附溶解在液膜中的气体，一个个小气泡到达槽底面后发生汇聚、铺展，在槽底表面形成气层，降低固‑液界面的粘附剪切力，形成超滑界面，流场动能增加，使密封间隙内流体沿微纹理的导流效应增强，可大幅提高液膜密封综合性能。

Description

一种具有超亲气、超滑及导流特性的液膜密封环及其加工 方法

技术领域

本发明属于机械密封技术领域，具体涉及具有超亲气、超滑及导流特性的液膜密封环及其加工方法。

背景技术

高速运转的密封装备中需要用到密封副进行密封，该种密封副通常由一个具有亲水、高黏附和一个具有亲水、低黏附特性的密封环组成，前者如碳化硅陶瓷环，后者如浸渍碳石墨环，一个密封环为动环，另一个密封环为静环，动环、静环之间形成流体膜，流体型槽开设在其中一个环的端面，密封动环的旋转运动使低压侧流体泵送到流体型槽中，在流体型槽末端形成高压区，从而使得流体膜产生较强的承载能力而保持密封端面的非接触。

但是，高速运转的密封装备常会出现泄漏、振动、噪声等失效现象，严重阻碍了液膜密封向高工况、长寿命方向的进一步拓展。相关研究发现，密封微尺度间隙中的液膜在运行过程中会伴有空化气泡出现；气泡的溃灭是导致振动和噪声产生的重要原因。气泡溃灭还会使密封端面出现材料剥蚀，严重时会引发密封介质的严重泄漏。相关研究表明：在一般工况下稳定运行时，空化泡又可起提升密封承载力和降低泄漏率的效果。因此，综合考虑空化效应的害与利，寻找合理、有效的空化调控方法是液膜密封技术及其他相关领域亟需解决的前沿问题。

发明内容

本发明针对目前的不足，提出一种具有超亲气、超滑及导流特性的液膜密封环，可提升液膜密封高速运转稳定性，延长设备安全运行周期，拓展超润滑涂层运用领域，发展流体密封理论。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有超亲气、超滑及导流特性的液膜密封环，该密封环端面上设有流体型槽，其特征在于：所述流体型槽槽底面为超亲气表面，所述超亲气表面能吸附水蒸气及溶解在液膜内的气体。

进一步地，所述流体型槽槽底具有导流纹理，所述流体型槽内部的流体可以沿着所述导流纹理向槽根聚集，所述导流纹理方向与所述流体型槽槽区内流体的流动方向一致。

进一步地，所述流体型槽槽底表面镀有碳膜，形成超亲气表面。

进一步地，所述流体型槽为螺旋槽。

进一步地，所述导流纹理为若干条平行设置的凸条纹和凹条纹，所述凸条纹和凹条纹间隔设置，且所述凸、凹条纹延伸方向与所述流体型槽槽区内流体的流动方向一致。

进一步地，所述凸、凹条纹截面呈矩形、三角形、不规则四边形或曲线形中的任意一种；

或者，所述凸条纹和所述凹条纹表面粗糙度数值大小范围为0.2~0.3μm；

进一步地，该密封环为静环。

本发明还公开了一种加工上述具有超亲气、超滑及导流特性的液膜密封环的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1在槽底沿流体型槽槽区流体流动方向加工导流纹理；

S2在所述导流纹理表面镀上亲气膜层，形成超亲气表面。

进一步地，在所述步骤S1中，所述密封端面为陶瓷材料，利用激光加工技术在所述流体型槽槽底加工导流纹理。

进一步地，在所述步骤S2中，采用物理气相沉积技术进行镀膜，所述亲气膜层厚度为纳米级或者微米级。

上述技术方案可以得到以下有益效果：

（1）流体型槽槽底表面超亲气性对空化泡会存在“吸力”，当密封副发生轻微振动时，将在一定程度上限制空泡运动，从而降低空泡破裂的可能性，减小振动和噪声；流体型槽槽底表面还吸附溶解在液膜中的气体，在槽底表面形成小气泡，小气泡汇聚、铺展，在槽底表面形成气层，降低槽底面对液体的粘附性，提高流体流动速度。

（2）流体型槽槽底表面还设有导流纹理，对微间隙中流体进行疏导，在气层的“隔离”下，流体的速度提高，在导流纹理的疏导下，流体向槽根聚集，液膜承载力增大，可提升液膜刚度，有利于液膜密封高速稳定运转，延长设备安全运行周期，拓展超润滑涂层运用领域，发展流体密封理论。

附图说明

图1a为实施例1密封环端面示意图。

图1b为实施例1中液膜密封周期性液膜模型的1/N _g周期（N _g为螺旋槽数目）示意图。

图1c为实施例1中传统流体型槽中空化气泡示意图。

图1d为实施例1中传统流体型槽空化气泡的变化示意图。

图1e为实施例1中本发明流体型槽吸附气泡的变化示意图。

图2a是实施例2中传统流体型槽流体流动示意图。

图2b是实施例2中本发明流体型槽流体流动示意图。

图3a是实施例3中本发明流体型槽示意图。

图3b是实施例3中本发明流体型槽内形成小气泡时截面示意图。

图3c是实施例3中本发明流体型槽内形成大气泡时截面示意图。

图3d是实施例3中本发明流体型槽内形成大气泡时截面示意图。

图3e是实施例3中本发明流体型槽槽底表面导流纹理示意图。

图4是实施例4中本发明流体型槽槽底表面截面示意图。

图中：

1、空化气泡，2、槽区，3、液膜，4、小气泡，5、大气泡，6、气层，7、导流纹理，71、凸条纹，72、凹条纹， 8、膜层，Q ₁、Q ₂、压力集中区。

具体实施方式

为进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合实施例和附图对本发明作进一步地说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的零部件或具有相同或类似功能的零部件。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的传统技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。

实施例1：

如图1a、1b所示，本发明公开了一种具有超亲气、超滑及导流特性的液膜密封环，为密封副中动环或静环其中之一，该密封端面上设有流体型槽，流体型槽槽区2中会出现空化气泡1，密封环端面形成液膜3。流体型槽槽底面为超亲气表面，超亲气表面能吸附水蒸气及溶解在液膜内的气体。对槽底表面进行超亲气改性能将微流场内分布的空化区水蒸气以及水中溶解的气体吸附到槽底面，其中空化区域的槽底表面主要吸附水蒸气，未发生空化区域的槽底表面主要吸附溶解气体，这样一方面槽底表面有较大的吸气能力，将能够对液膜空化泡1有一定的稳固作用，另一方面，液体流场与槽区2流道表面被气层隔开，固液粘合力将会减小，流场流动阻力减小，向槽根流动会更快，同时还可以进一步降低密封端面摩擦系数，减少粘性摩擦热。

本实施例中以螺旋槽为例，在未旋转状态下时，如图1c所示，在传统槽底表面中，从流体型槽底面开始沿液膜3膜厚方向空化面积先增大后减小，在未开槽密封端面附近空化发生率非常低。而在本实施例的超亲气槽底表面中，在未旋转状态下时，气泡在流体型槽底面与超亲气表面接触时，能够快速被槽底表面吸收结合，表现出超亲气性。该气泡不但包括空化气泡1，还包括未发生空化区域的槽底表面从液膜中吸附的溶解气体形成的小气泡，吸附的溶解气泡将会汇聚、铺展在槽底表面，形成大气泡。其中，由于槽底超亲气表面对气体有吸附作用，空化气泡中不但吸收了微流场内分布的空化区水蒸气，也吸附了周围少量水中溶解的气体，较传统槽底表面产生的空化气泡体积相对增大，增大的空化气泡可起提升密封承载力及降低泄漏率的效果。

在密封环旋转状态下，对于传统槽底表面，随转速上升，如图1d所示，空化气泡1向四周扩展，逐渐覆盖未开槽端面部分区域，且有破裂溃灭的趋势，当密封发生轻微振动时，有些空化气泡1脱离槽底表面运动并出现破裂现象。如图1e所示，而在本实施例的超亲气槽底表面中，随转速上升，空化气泡1也向四周扩展，但是槽底表面有较大的吸气能力，对运转中流体型槽槽区2内部低压区的空化气泡1始终会存在“吸力”，当密封发生轻微振动时，由于槽底面对水蒸气的较强吸附力，将能够对液膜空化气泡1有一定的稳固作用，空化气泡1与槽底表面的接触面积将在一定程度上限制空泡运动，从而降低空泡破裂溃灭的可能性。

同时在本实施例的超亲气槽底表面中还能观察到，继续参考图1e所示，槽底表面吸附的空化气泡1和部分大气泡在槽底表面连通并形成气层6，液体流场与流道表面被气层隔开，槽底超亲气表面的强“吸气”能力可以将这些气体分子紧密地吸附在表面，阻隔部分液体与固体表面，将部分液-固界面转变为气-固界面，使界面粘合程度下降，减小流动的粘性剪切阻力。固液粘合力减小，流场流动阻力减小，进一步降低密封端面摩擦系数，减少粘性摩擦热，当密封环转动时，流体向槽根流动会更快，获得的液膜刚度更大，密封副的承载能力更好。

本发明将超润滑涂层运用到密封技术领域，拓展了超润滑涂层的运用领域，同时也发展了流体密封理论。

在本实施例中，流体型槽槽底表面镀有碳膜，形成超亲气表面。碳膜厚度应以完全覆盖槽底凸条纹和凹条纹表面为准，过厚可能会填满凹条纹沟槽，使槽底微米级纹理与碳膜纳米级形貌组成的微纳结构表面的亲气性减弱或导流作用丧失。由于碳膜镀在槽底，不会与另一密封端面发生碰磨，可以实现碳膜与密封环用材料基体的紧密结合，因此还具有性能稳定，寿命长的优点。

在其他实施例中，也可采用其他具有超亲气特性的膜层，也在本发明的保护范围内。

在本实施例中，该密封端面为静环端面，振动小，槽底表面对水蒸气的吸附力更强，更多的气体被吸附在槽底表面，进一步降低界面粘合程度，加快流体在槽内的流速。

实施例2

在实施例1的基础上，流体型槽槽底具有导流纹理，流体型槽内部的流体可以沿着导流纹理向槽根聚集。具有方向性的微纹理可以起到良好的导流效果，流体沿着导流纹理规划的流动路径直达槽根区域，用时短，路径最优，速度也进一步得到提高，当到达槽根区域时，流体速度骤降，产生的压力峰值增大，从而使液膜刚度大，承载能力大，密封稳定性好。

本实施例中以螺旋槽为例，在密封环旋转且转速逐渐上升状态下，受流体型槽台阶和高转速等影响，如图2a所示，在传统槽底表面中，液体在槽区2流动，产生湍流运动，流体在槽区2作不规则运动，有垂直于流体型槽延伸方向的速度分量产生，此时测得在流体型槽区2的流场速度均值为V ₁，到达槽根区域后速度骤降，形成压力集中区Q ₁，测得压力峰值为P _max1。如图2b所示，在具有超亲气槽底表面及导流纹理槽底表面中，液体在流体型槽区2内流动，由于流体与槽底表面的固液粘合力减小，流体的速度相对增大，出现的湍流运动更为剧烈，液膜湍流效应可以显著提升液膜的动力润滑效应、密封的开启力、泄漏率和刚度，但是在导流纹理的约束下，流体在槽内流动路径短，途中能量耗散小，在流体型槽内的流场速度均值达到V ₂，V ₂值高于V ₁，到达槽根区域后流体速度骤降，形成压力集中区Q ₂，测得压力峰值为P _max2，P _max2值大于P _max1，相对传统槽底表面情况能获得更大的液膜承载力及刚度。

本发明从降低槽底面对液体的粘附性和提高对液体的导流性两方面考虑，增大密封液膜刚度及承载能力。超亲气表面将气泡吸附在槽底，充当气体隔离层，液体在槽内流速增快，同时，槽底具有导流纹理，引导流体直达槽根区域，路程短，用时少，效率高。上述两个因素叠加，使液膜刚性更好，密封承载力提升，泄漏率降低，促进液膜密封向高工况、长寿命方向发展。

实施例3

如图3a所示，在实施例2的基础上，导流纹理7方向与流体型槽槽区内流体的流动方向一致，如图3b-3e所示，导流纹理为若干条平行设置的凸条纹71和凹条纹72，凸条纹71和凹条纹72间隔设置，且凸、凹条纹71、72延伸方向与流体型槽槽区2内流体的流动方向一致。

在其他实施例中，导流纹理可以为其他形状构造，也在本发明保护范围内。

凸条纹顶面和凹条纹底面粗糙度Ra约为0.2~0.3μm，超亲气涂层厚度很容易达到或超过这一高度，膜层能够充分覆盖基体纹理表面，而不会填满凹条纹沟槽，导致纹理表面的亲气性减弱及导流特性失效。

如图3b-3d所示，具有导流纹理的超亲气表面不但吸附空化气泡，而且从液膜中吸附溶解气体形成的小气泡4，小气泡4直径大于凸条纹和凹条纹的宽度，小气泡4多吸附在凸条纹71顶端面，随着吸附小气泡4的增多，相邻气泡不断合并，小气泡4汇聚成大气泡5，大气泡将数个相连的凸条纹和凹条纹覆盖起来，大气泡与凸条纹和凹条纹充分接触，增大了接触面积，增强了超亲气表面对气泡的吸附能力，而且大气泡5不断扩张又极有可能与空化气泡1连通而成一个整体，形成气层6；气层在流体和槽底表面之间充当隔离层。一部分槽底表面被气层或者大气泡覆盖，另一部分槽底表面未覆盖气层，槽底微纹理对两相流体均可起到导流作用，因此流体在槽内流速增快，又在凹条纹和凸条纹的导流下，快速直达槽根区域。

本实施例中，凸、凹条纹71、72截面呈矩形，槽底微观形貌及表面积的增大，对气泡吸附能力均有相应提高。

在其他实施例中，可以呈三角形、不规则四边形或其他曲线形，也在本发明保护范围内。

实施例4

在实施例2、3的基础上，本发明还公开了一种加工上述液膜密封端面结构的方法，如图4所示，包括如下步骤：

S1在槽底表面沿流体型槽流体流动方向加工微米级导流纹理；

S2采用物理气相沉积技术（如真空磁控溅射镀膜机）在导流纹理表面镀上亲气膜层8，形成超亲气表面，在其他实施例中，也可以采用其他镀膜技术，也在本发明的保护范围内。

在步骤S1中，密封端面为陶瓷材料，在其他实施例中，密封端面也可以为其他材料，也在本发明的保护范围内。利用激光加工技术在流体型槽槽底加工导流纹理，通过调节纳秒激光雕刻机的工艺参数，在其他实施例中，也可以采用其他加工技术，也在本发明的保护范围内。还采用水冷加工的方法，能够加工出粗糙度为0.2~0.3μm的槽底表面，可以使膜层8完全覆盖在密封环用材料基体纹理表面。

在步骤S2中，亲气膜层8为碳膜，厚度为纳米级或者微米，与槽底表面结合程度高，而且碳膜能够充分覆盖基体纹理表面，而不会填满凹条纹沟槽，导致纹理表面的亲气性减弱及导流特性失效。

所述均为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的传统技术人员，在不脱离本发明的原理前提下，对本发明的各种等价形式的修改均属于本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有超亲气、超滑及导流特性的液膜密封环，该密封环端面上设有流体型槽，其特征在于：所述流体型槽槽底面为超亲气表面，所述超亲气表面能吸附水蒸气及溶解在液膜内的气体；所述流体型槽槽底具有导流纹理，所述流体型槽内部的流体沿着所述导流纹理向槽根聚集，所述导流纹理方向与所述流体型槽槽区内流体的流动方向一致；所述流体型槽槽底表面镀有碳膜，形成超亲气表面；所述流体型槽为螺旋槽；所述导流纹理为若干条平行设置的凸条纹和凹条纹，所述凸条纹和凹条纹间隔设置，且所述凹、凸条纹延伸方向与所述流体型槽槽区内流体的流动方向一致；所述凹、凸条纹截面呈矩形、三角形、不规则四边形或曲线形中的任意一种；所述凸条纹和所述凹条纹表面粗糙度数值大小范围为0.2~0.3μm。

2.根据权利要求1所述的一种具有超亲气、超滑及导流特性的液膜密封环，其特征在于：该密封环为静环。

3.一种加工权利要求1所述的具有超亲气、超滑及导流特性的液膜密封环的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1在槽底沿流体型槽槽区流体流动方向加工导流纹理；

S2在所述导流纹理表面镀上膜层，形成超亲气表面。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，利用激光加工技术在所述流体型槽槽底加工导流纹理。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用物理气相沉积技术进行镀膜，所述膜层厚度为纳米级或者微米级。