CN1364987A - 可双向旋转的螺旋槽端面密封装置 - Google Patents

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Abstract

一种可双向旋转的螺旋槽端面密封装置,包括密封腔体、动环、静环、副密封圈、弹性组件、固定组件;其特征是:动环和静环密封端面中的至少一个上具有螺旋槽组,该螺旋槽组沿密封端面的圆周方向分布,每个螺旋槽组包括径向的供气槽以及在供气槽左、右侧分布的螺旋槽,螺旋槽在半径方向上至少有三列,每二列之间是不开槽的台。本发明适用于各种压缩机、泵、反应釜搅拌器等旋转机械的轴端密封,特别是可双向旋转的干式气体密封。

Description

可双向旋转的螺旋槽端面密封装置
本发明涉及旋转轴的密封装置，特别涉及一种可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，用于各种压缩机、膨胀机、泵、反应釜搅拌器等旋转机械的旋转轴的密封。
可双向旋转的螺旋槽端面密封已有报道，如中国专利98218316.X“可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封”、美国专利5090712等。它们都是在相互贴合的旋转环(简称动环)密封端面和静止环(简称静环)密封端面中的至少一个上具有动压槽，动压槽的几何形状是上述发明的核心技术，当旋转机械的旋转轴带动固定在其上的动环旋转时，由于动压槽的动压效应，将进入该槽的密封流体(气体或者液体)的压力升高，该压力作用在相互贴合的动、静环密封端面上，将这两个面推开，使之脱离接触，并在两个面之间形成连续、稳定的密封流体的薄膜，该薄膜具有一定的承载能力和刚度，由于密封流体的压力高于被密封流体的压力，有少量的密封流体沿此薄膜进入被密封流体内，即可以起到润滑和冷却的作用，又能防止被密封的流体的泄漏，达到密封的目的。良好的动压槽能保证密封装置在旋转轴正向旋转、逆向旋转时都能达到上述功能。
本发明的目的在于提出一种新型可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，当该装置的动环随旋转轴正向旋转或者逆向旋转时，在动、静环密封端面之间均可形成连续、稳定的密封流体薄膜，该薄膜具有更大的承载能力和刚度，有效地实现双向旋转条件下的非接触密封。
本发明的目的是这样实现的：一种可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，包括密封腔体、动环、静环、副密封圈、弹性组件、固定组件；旋转机械的机壳与旋转轴之间构成安装密封装置的空间，密封腔体置于旋转机械的机壳内，旋转轴穿过密封腔体的孔，固定元件将环形的动环固定在旋转轴上，环形的静环与动环对峙，弹性组件位于密封腔体及静环之间，使静环与动环的端面相互贴合，两个相互贴合的端面均为环形的密封端面，副密封圈安装在静环与弹性组件之间；其特征是：上述动环和静环密封端面中的至少一个上具有螺旋槽组，该螺旋槽组沿密封端面的圆周方向分布，每个螺旋槽组包括径向的供气槽以及在供气槽左、右侧分布的螺旋槽，螺旋槽在半径方向上至少有三列，每二列之间是不开槽的台。
本发明的优点是：旋转轴正向或者逆向旋转时螺旋槽组的动压效应所形成的流体薄膜的承载能力和刚度较大，特别适用于可双向旋转的干式气体密封。
附图说明：
图1是本发明的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图
图2是图1中的密封端面上螺旋槽组的示意图
图3是图1中的密封端面上另一种螺旋槽组的示意图
现结合实施例对本发明进行详细说明。
图1是本发明的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图。该密封装置包括密封腔体、动环、静环、副密封圈、弹性组件、固定组件。旋转机械的机壳1与旋转轴2之间构成安装密封的空间，桶形的密封腔体3横向置于旋转机械的机壳1内，旋转轴2穿过密封腔体3的孔；固定组件4将环形的动环5固定在旋转轴2上，环形的静环6与动环5对峙，弹性组件7位于密封腔体3及静环6之间，在弹性组件的弹力作用下使静环6与动环5相互贴合，两个相互贴合面分别为环形密封端面8、9，副密封圈10安装在静环6与弹性组件7之间，防止密封流体11在此处的泄漏；固定在密封腔体3上的销钉12用来防止静环6转动，但允许其轴向移动。本发明的特征是：上述动环5和静环6的密封端面8、9中的至少一个上具有螺旋槽组，本实施例中螺旋槽组设置在动环密封端面8上，该螺旋槽组沿密封端面的圆周方向分布(参见图2和图3)，每个螺旋槽组包括供气槽E，供气槽E的左、右两侧有螺旋槽，所谓螺旋槽就是在密封端面上加工的浅槽，该槽的外观型线是对数螺旋线，或者是阿基米德螺旋线、二次曲线、直线。螺旋槽在半径方向上至少有三列，本实施例中只有三列，其中槽g1和g1′为第一列、槽g2和g2′为第二列、槽g3和g3′为第三列。每二列之间是不开槽的台，槽g1、g2之间是左第一台r1，槽g1′、g2′之间是右第一台r1′，槽g2、g3之间是左第二台r2，槽g2′、g3′之间是右第二台r2′等等。
图2是图1中的密封端面上螺旋槽组的示意图。图中有供气槽E，其深度为3-50μm，最佳为5-15μm，其宽度为0.3-3μm，最佳为0.5-1.5mm。供气槽的两个侧壁由通过密封端面圆心的二条射线构成，二条射线不平行，两线之间的距离S1≠S2。也可以由两条平行的径向线段构成，两线之间的距离S1＝S2。
以供气槽为对称轴，在其两侧分布至少三列螺旋槽，螺旋槽的分布如上面所述，供气槽左侧的螺旋槽与右侧的螺旋槽是对称的，如g1与g1′是对称的，g2与g2′是对称的等等。左侧的螺旋槽所占圆周方向的夹角β1与右侧的螺旋槽所占圆周方向的夹角β2相等，β1＝β2。
每个螺旋槽组在圆周方向所占角度为β，β＝β1+β2，两组螺旋槽之间未开槽的平面部分在圆周方向所占角度为γ，β/γ ＝0.5-5，最佳范围1-2。
动、静环的两个密封端面相互贴合部分的外径为R2，内径为R1(参见图1)，在R2，R1之间，螺旋槽组在径向所占高度为A，未开槽的平面部分在径向所占高度为B，A/B＝0.5-5，最佳范围1-3。
左侧螺旋槽与右侧螺旋槽的螺旋角的绝对值相等，但方向相反，一侧为正角，另一侧为负角，螺旋角定义为：上述螺旋槽外观型线的曲线上，某一点的切线与过该点的密封端面的同心圆的切线之间的夹角，螺旋角的绝对值|α|＝5-30°，最佳范围为10-20°，例如15°。
每个螺旋槽的法向宽度的范围为0.5-5mm，最佳范围为1-3mm。
每个螺旋槽的法向宽度与未开槽的台的宽度之比g/r＝0.5-2，最佳范围为0.8-1.2，例如g1/g2/g3/r1/r2＝1/1/1/1/1。
每个螺旋槽的深度范围为2-20μm，最佳范围3-10μm。全部螺旋槽的深度可以相等，也可以不相等。例如，沿径向从外圆到内孔方向槽深逐渐变浅，如果三列螺旋槽的深度从外到内分别为h1、h2、h3，则h1＞h2＞h3。同时，在圆周方向上每个螺旋槽的深度也可以是变化的，例如从进气槽开始向两侧逐渐变浅。
根据密封尺寸的不同螺旋槽组(即β角所占区域)的数量也不同，尺寸越大则槽组数量越多，其数量为3-30组，最佳范围为4-20组。
上述实施例中螺旋槽组设置在动环密封端面上，若设置在静环密封端面上，或者同时设置在动环、静环密封端面上时，螺旋槽组的分布以及技术特征与上述相同。
图3给出了密封端面上螺旋槽组的另一种形式的实施例。与图2不同之处在于：1.在供气槽左、右两侧的螺旋槽是不对称的，主槽的长度大于副槽的长度，β1＞β2；2.主槽的深度大于副槽的深度；3.螺旋槽在半径方向上的列数大于三列，图中为四列。
如果螺旋槽设置在动环密封端面8上(见图1)，旋转机械的正常旋转方向为逆时针方向，则β1区域内的螺旋槽为主槽，β2区域内的螺旋槽为副槽，这时将主槽的深度按额定转速设计为最佳值，副槽设计得较浅些，而且主槽长度大于副槽，β1＞β2。这样设计的好处是：旋转机械按正常旋转方向n向工作时，主槽工作在最佳状态下，而副槽的干扰较小，在动、静环密封端面间有连续稳定的流体薄膜，同时，由于螺旋槽组中有四列螺旋槽，产生的动压效应较强，上述流体薄膜的承载能力和刚度较大；当旋转轴逆向旋转时，通常逆向转速低于正向转速，这时流体膜的厚度较小，深度较小的副槽工作在最佳状态下，仍能在动、静环密封端面间有连续稳定的流体薄膜。
综上所述，无论旋转轴正向旋转，或者逆向旋转，本发明的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置都可以在动静环密封端面之间形成连续稳定的流体薄膜，而且流体薄膜的承载能力和刚度较大，有效地实现双向旋转条件下的密封。本发明适用于各种压缩机、泵、反应釜搅拌器等旋转机械的轴端密封，特别是可双向旋转的干式气体密封。

Claims (12)

1.一种可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，包括密封腔体、动环、静环、副密封圈、弹性组件、固定组件；旋转机械的机壳与旋转轴之间构成安装密封装置的空间，密封腔体置于旋转机械的机壳内，旋转轴穿过密封腔体的孔，固定元件将环形的动环固定在旋转轴上，环形的静环与动环对峙，弹性组件位于密封腔体及静环之间，使静环与动环的端面相互贴合，两个相互贴合的端面均为环形的密封端面，副密封圈安装在静环与弹性组件之间；其特征是：上述动环和静环密封端面中的至少一个上具有螺旋槽组，该螺旋槽组沿密封端面的圆周方向分布，每个螺旋槽组包括径向的供气槽以及在供气槽左、右侧分布的螺旋槽，螺旋槽在半径方向上至少有三列，每二列之间是不开槽的台。
2.根据权利要求1所述的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，其特征是：每个螺旋槽组中的供气槽的深度为3-50μm，最佳为5-15μm，其宽度为0.3-3mm，最佳为0.5-1.5mm。供气槽的两个侧壁是由二条射线构成，二条射线不平行，彼此之间的距离为S1、S2，S1≠S2。
3.根据权利要求1所述的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，其特征是：供气槽的两个侧壁是由二条平行射线构成，二平行射线之间的距离S1＝S2。
4.根据权利要求1所述的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，其特征是：供气槽左侧的螺旋槽与右侧的螺旋槽是对称的。
5.根据权利要求1所述的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，其特征是：供气槽左侧的螺旋槽与右侧的螺旋槽是不对称的。
6.根据权利要求1所述的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，其特征是：每个螺旋槽组在圆周方向所占角度为β，两组螺旋槽之间未开槽的平面部分在圆周方向所占角度为γ，β/γ＝0.5-5，最佳范围1-2。
7.根据权利要求1所述的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，其特征是：螺旋槽组即β角所占区域的数量为3-30组，最佳范围为4-20组。
8.根据权利要求1所述的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，其特征是：螺旋槽组在径向所占高度为A，未开槽的平面部分在径向所占高度为B，A/B＝0.5-5，最佳范围1-3。
9.根据权利要求1所述的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，其特征是：左侧螺旋槽与右侧螺旋槽的螺旋角的绝对值相等，但方向相反，一侧为正角，另一侧为负角，螺旋角的绝对值|α|＝5-30°，最佳范围为10-20°，例如15°。
10.根据权利要求1所述的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，其特征是：每个螺旋槽的法向宽度与未开槽的台的宽度之比，g/r＝0.5-2，最佳范围为0.8-1.2。
11.根据权利要求1所述的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，其特征是：每个螺旋槽的深度范围为2-20μm，最佳范围3-10μm。全部螺旋槽的深度相等。
12.根据权利要求1所述的可双向旋转的螺旋槽端面密封装置，其特征是：每个螺旋槽的深度是不等深的，沿半径从外圆到内孔方向槽深逐渐变浅；在圆周方向上每个螺旋槽的深度也是变化的，从供气槽开始向两侧逐渐变浅。
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