CN1415877A - 双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置 - Google Patents

双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种螺旋槽端面密封装置，它用于流体机械旋转轴。其特征是：在旋转环、也可以是静止环的密封端面的至少一个上面设置一组双螺旋角三维螺旋槽，其中构成一个螺旋槽的左右两个侧壁的螺旋线的螺旋角不同，由它们组成的螺旋槽具有上游即高压侧更宽、下游即低压侧更窄的收敛外形；并且螺旋槽的深度可以从上游即高压侧到下游即低压侧逐渐变浅，从而形成一种三维的收敛形螺旋槽。其优点是：与普通的等深、等螺旋角的二维螺旋槽端面密封相比，在相同的条件下其流体膜的厚度或刚度更大，可靠性更高。本发明适用于各种旋转流体机械的密封装置，尤其是干式气体密封装置。

Description

双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置
技术领域
本发明属于旋转轴的端面密封装置，特别涉及一种双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，这种密封装置可以用于各种型式的压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜搅拌器等流体机械的旋转轴上。
背景技术
公知的流体动、静压结合型螺旋槽端面密封装置，还存在有不足，例如由于其结构中组成螺旋槽的螺旋线型线的螺旋角相同，螺旋槽槽深相等，所以在一定工况下，流体膜厚度不足，或者在一定流体膜厚度下流体膜的刚度不足，造成密封装置性能不稳定。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种新的双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，它在相同工况下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。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
本发明是一种双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，是由带有密封端面的旋转环和带有密封端面的静止环和其它相关零件组成，该静止环的密封端面与旋转环的密封端面相贴合，两个贴合面均为圆环形的密封端面，密封端面的一侧为高压侧即上游，密封端面的另一侧为低压侧即下游，旋转环的密封端面可以相对静止环的密封端面旋转，其特征是：所述旋转环密封端面和静止环密封端面的至少一个上设置一组双螺旋角三维螺旋槽，其中，构成一个螺旋槽的左右两个侧壁的螺旋线的螺旋角不同，由它们组成的螺旋槽具有上游即高压侧更宽、下游即低压侧更窄的收敛外形；并且每个螺旋槽的深度可以从上游到下游逐渐变浅，从而形成一种三维的收敛形螺旋槽；在给定旋向下螺旋槽组将密封流体从上游即高压侧向下游即低压侧泵送；在螺旋槽的下游还有一不开槽的平面环带即密封坝。
本发明可以采用如下技术措施来实现：
所述密封端面上螺旋槽侧壁的型线为精确的，也可以是近似的对数螺旋线即等角螺旋线，其中迎风面的侧槽壁为主槽壁，背风面的侧槽壁为副槽壁。
所述螺旋槽侧壁型线的螺旋角的范围为5°-20°。
所述螺旋槽侧壁主槽壁型线的螺旋角的范围为10°-20°，副槽壁型线的螺旋角范围为5°-15°，并且主槽壁型线的螺旋角大于副槽壁型线的螺旋角。
所述螺旋槽侧壁型线为对数螺旋线，也可以是近似于对数螺旋线的圆弧线，该圆弧线的圆心相对于环形密封端面的圆心是偏心的。
所述螺旋槽的深度是恒定的，深度范围是0.002～0.2mm。
所述螺旋槽的深度沿径向是变化的，从上游即高压侧向下游即低压侧逐渐由深变浅，其范围是0～0.2mm。
所述螺旋槽上游槽深的最佳范围是0.005～0.012mm，下游槽深的最佳范围是0～0.007mm，并且上游槽深大于下游槽深。
本发明具有的优点和积极效果是：
与等深、等螺旋角的二维螺旋槽端面密封装置相比，在本发明中由两条不同螺旋角的螺旋线组成的收敛形螺旋槽的槽深也可以是从上游到下游逐渐变浅，槽型完全是三维的，具有更强的收敛特性，可对密封流体产生更强的压缩作用，故在相同条件下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，在螺旋槽的下游有一平面环带即密封坝，它在转动状态下起节流作用，在静止状态下则起停车密封作用。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例二的结构示意图；
图3是图1中螺旋槽11的型线示意图；
图4是图1中螺旋槽11的平面示意图；
图5是图4中的螺旋槽11的放大示意图；
图6是本发明实施例三的结构示意图；
图7是本发明实施例四的结构示意图；
图8是图6中螺旋槽16的平面示意图；
图9是图8中的螺旋槽16的放大示意图。
实施例一中的图1、图3、图4、图5各标号含义如下：
R0-旋转环和静止环之间相互贴合的密封端面的内半径
R1-螺旋槽的内半径
R2-螺旋槽的外半径
R3-旋转环和静止环之间相互贴合的密封端面的外半径
Rb-平衡半径
h-螺旋槽深度
H-高压侧，即上游
L-低压侧，即下游
G-螺旋槽泵汲方向
α-螺旋角
R-半径
AB，A″B″-曲线
A′B′-直线
P，P″-曲线和圆的切点
P′-直线和圆的切点
C-当螺旋槽在旋转环端面上时，旋转环的旋向
D-当螺旋槽在静止环端面上时，旋转环的旋向
M-主槽壁型线
N-副槽壁型线
E-单螺旋角螺旋槽副槽壁型线
α1-较短的主槽壁M型线螺旋角
α2-较长的副槽壁N型线螺旋角
αe-单螺旋角螺旋槽的副槽壁E型线螺旋角
S1-螺旋槽法向宽度
S2-两个螺旋槽之间未开槽的堰的法向宽度
h1-下游槽深
h2-上游槽深
实施例三中的图6、图8、图9各标号含义如下：
R4-旋转环和静止环之间相互贴合的密封端面的外半径
R5-螺旋槽的外半径
R6-螺旋槽的内半径
R7-旋转环和静止环之间相互贴合的密封端面的内半径
Rb′-平衡半径
h′-螺旋槽深度
H′-高压侧，即上游
L′-低压侧，即下游
G′-螺旋槽泵汲方向
C′-当螺旋槽在旋转环端面上时，旋转环的旋向
M′-主槽壁型线
N′-副槽壁型线
E′-单螺旋角螺旋槽副槽壁型线
α1′-较短的主槽壁M′型线螺旋角
α2′-较长的副槽壁N′型线螺旋角
αe′-单螺旋角螺旋槽的副槽壁E′型线螺旋角
S1′-螺旋槽法向宽度
S2′-两个螺旋槽之间未开槽的堰的法向宽度
h1′-下游槽深
h2′-上游槽深
图1、图2、图6和图7中所示的螺旋槽的半径R1、R2、R5、R6，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不可能是螺旋槽的最大半径处或者最小半径处，但是，这样的示意性的标注可以使读者通过这些附图对本发明能更快理解。
此外，在本发明的附图中，一个螺旋槽由三个槽壁组成，但是，实际上一个螺旋槽是由左右两个侧槽壁和一个连接这两个侧壁的根部槽壁构成的，该根部槽壁的型线实际上是与旋转轴线同心的一段圆弧线。在本说明书中所提及的螺旋槽型线实际指的是那两个侧槽壁的型线，见图4、图5、图8和图9中的M，N，M′，N′。具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
实施例一：请参阅图1、图3、图4和图5。
图1为螺旋槽设置在旋转环上的双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置的剖视图。该密封装置包括旋转环1、静止环2、防转销3、副密封圈4、推环5、弹簧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，前者可以相对于后者转动，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，密封端面的内侧为低压侧即下游。在旋转环1的密封端面上设置螺旋槽11。在给定旋向下，螺旋槽将密封流体沿箭头G的方向从上游向下游泵送。此外，在螺旋槽的内侧还有一平面环带12，即R0与R1之间的环带，起节流和停车密封的作用，可以称之为密封坝。
图3为螺旋槽型线图。螺旋槽有二侧槽壁，其型线可以是精确的或近似的对数螺旋线即等角螺旋线。其中螺旋角的定义如下：设任何型式的平滑曲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相交于P点(或P′、P″点)，在该点曲线的切线与同心圆的切线之间的夹角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°-20°。
图4表示密封端面上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，密封端面的内侧为低压侧即下游L。在螺旋槽11的内侧还有一平面环带即密封坝12，处于R1与R0之间。若螺旋槽加工在旋转环上时，该环的旋转方向为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。
本发明中，组成螺旋槽的两个侧槽壁的型线有不同的螺旋角，较短的主槽壁M型线的螺旋角为α1，较长的副槽壁N型线的螺旋角为α2，|α1|＞|α2|；这里，主槽壁和副槽壁是这样区分的：在给定的旋向下，迎风的壁面为主槽壁，背风的壁面为副槽壁。由于一个螺旋槽的左右两个侧壁的螺旋角α1和α2不相等，因此螺旋槽的宽度特别是相邻两个螺旋槽之间的堰的宽度的变化规律与普通的单螺旋角螺旋槽α1＝α2时的变化规律是不同的，图4中用E表示这种副槽壁螺旋角αe与主槽壁螺旋角α1相等时的副槽壁型线。螺旋槽的法向宽度S1从外径向内径逐渐变窄更为剧烈，两个相邻的螺旋槽之间的堰的法向宽度S2从外径即上游向内径即下游逐渐变宽或保持不变；而当α1＝α2时，堰的法向宽度S2是从外径即上游向内径即下游逐渐变窄的。这样的由两个螺旋角不相等的槽壁型线组成的螺旋槽具有从上游到下游由宽变窄更加显著的特点，即流道的收敛性更强，更有利于气体的压缩。|α1|的最佳范围是10°-20°；|α2|的最佳范围是5°-15°。图4中的虚线E表示普通的单螺旋角螺旋槽中副槽壁的型线，其螺旋角αe与主槽壁M的螺旋角α1相等。
图5是图4中一个螺旋槽的放大图，特别示意性地表示了螺旋槽深度的变化情况。螺旋槽的深度h沿径向是可以变化的，从外径即上游向内径即下游逐渐由深变浅，其范围是0～0.2mm，上游槽深h2的最佳范围是0.005～0.012mm，下游槽深h1的最佳范围是0～0.007mm。
图4和图5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。在图4和图5中螺旋槽的有效径向高度为(R3-R1)。
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。
在此实施例中，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。
实施例二：与实施例一结构的区别只在于螺旋槽13设置在静止环14的密封端面上，请参阅图2。此外，螺旋槽也可以同时设置在旋转环和静止环的密封端面上(图示从略)。
实施例三：请参阅图6、图8和图9。
与实施例一结构的区别在于此实施例中密封端面的内侧为高压侧即上游H’，而其外侧为低压侧即下游L’。在旋转坏15的密封端面上设置螺旋槽16。在给定旋向下，螺旋槽将密封流体沿箭头G′的方向从上游向下游泵送。此外，在螺旋槽的内侧还有一平面环带17，即处于R4与R5之间的环带，起节流和停车密封的作用，可以称之为密封坝，请参阅图6。
图8表示密封端面上螺旋槽的形状及位置。在该图中螺旋槽的有效径向高度为(R5-R7)。图8和图9中的双点划线表示旋转环与静止环之间相贴合的密封端面的内、外圆。
在图8和图9中螺旋槽的型线是与在旋转环开槽相对应的，此时的旋向为C’；主槽壁为迎风壁面M′，其螺旋角α1′较大，线长较短，副槽壁为背风壁面N′，其螺旋角α2′较小，线长较长，这样，螺旋槽的宽度从内侧即上游向外侧即下游由宽逐渐变窄，槽型是收敛的；否则，如果α1′＝α2′，则槽宽从内侧即上游到外侧即下游是逐渐变宽的，亦即槽型是发散的，图8中用E′表示这种副槽壁螺旋角αe′与主槽壁螺旋角α1′相等时的副槽壁型线。|α1′|的最佳范围是10°-20°；|α2′|的最佳范围是5°-15°；并且|α1′|＞|α2′|。
图9是图8中一个螺旋槽的放大图，特别示意性地表示了螺旋槽深度的变化情况。槽的深度可以是从内侧即上游向外侧即下游由深逐渐变浅的，即h2′＞h1′，h2′的最佳范围是0.005～0.012mm，h1′的最佳范围是0～0.007mm。
实施例四：与实施例三结构的区别只在于螺旋槽18设置在静止环19的密封端面上，请参阅图7。此外，螺旋槽也可以同时设置在旋转环和静止环的密封端面上(图示从略)。
总之，本发明区别于文献中已有的等深、等螺旋角的二维螺旋槽端面密封装置的基本特征是：组成螺旋槽的两个侧槽壁的型线有不同的螺旋角，例如实施例一，较短的主槽壁型线的螺旋角为α1，较长的副槽壁型线的螺旋角为α2，|α1|＞|α2|，由这样的两个槽壁型线组成的螺旋槽的槽宽具有从上游到下游由宽变窄更加显著的特点，而且槽深可以具有由上游到下游由深逐渐变浅的特点，从而形成三维的收敛槽型，有利于气体的压缩，在相同的条件下可以得到更大的流体膜厚度或在相同的流体膜厚度下可以得到更大的流体膜刚度，密封的可靠性更高。
实施本发明的密封总体布局可以有多种型式：单密封、面对面式的双密封、背靠背式的双密封、两级串联密封、三级串联密封、双密封与单密封相组合或单密封与两级串联密封相组合的密封等。
此外，该密封装置也可用于密封粘度比气体大的液体，例如实施例一，此时螺旋角α1和α2的最佳范围与上述没有区别；但螺旋槽深h1和h2的最佳范围与上述给出的范围不同，液体的粘度越大则槽深越大，依具体情况而定。
本发明的密封装置是一种新型流体动、静压结合型端面密封装置，其优点是在相同条件下流体膜的厚度或刚度更大。本发明适用于各种型式的压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜搅拌器等旋转流体机械的密封装置，尤其是气体润滑的端面密封装置即所谓干气密封。

Claims (8)

1、一种双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，是由带有密封端面的旋转环和带有密封端面的静止环和其它相关零件组成，该静止环的密封端面与旋转环的密封端面相贴合，两个贴合面均为圆环形的密封端面，密封端面的一侧为高压侧即上游，密封端面的另一侧为低压侧即下游，旋转环的密封端面可以相对静止环的密封端面旋转，其特征是：所述旋转环密封端面和静止环密封端面的至少一个上设置一组双螺旋角三维螺旋槽，其中，构成一个螺旋槽的左右两个侧壁的螺旋线的螺旋角不同，由它们组成的螺旋槽具有上游即高压侧更宽、下游即低压侧更窄的收敛外形；并且每个螺旋槽的深度可以从上游到下游逐渐变浅，从而形成一种三维的收敛形螺旋槽；在给定旋向下螺旋槽组将密封流体从上游即高压侧向下游即低压侧泵送；在螺旋槽的下游还有一不开槽的平面环带即密封坝。
2、根据权利要求1所述的双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，其特征是：密封端面上螺旋槽侧壁的型线为精确的，也可以是近似的对数螺旋线即等角螺旋线，其中迎风面的侧槽壁为主槽壁，背风面的侧槽壁为副槽壁。
3、根据权利要求1或2所述的双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，其特征是：螺旋槽侧壁型线的螺旋角的范围为5°-20°。
4、根据权利要求1或2或3所述的双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，其特征是：螺旋槽侧壁主槽壁型线的螺旋角的范围为10°-20°，副槽壁型线的螺旋角范围为5°-15°，并且主槽壁型线的螺旋角大于副槽壁型线的螺旋角。
5、根据权利要求1-4之一所述的双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，其特征是：螺旋槽侧壁型线为对数螺旋线，也可以是近似于对数螺旋线的圆弧线，该圆弧线的圆心相对于环形密封端面的圆心是偏心的。
6、根据权利要求1-5之一所述的双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，其特征是：螺旋槽的深度是恒定的，深度范围是0.002～0.2mm。
7、根据权利要求1-6之一所述的双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，其特征是：螺旋槽的深度沿径向是变化的，从上游即高压侧向下游即低压侧逐渐由深变浅，其范围是0～0.2mm。
8、根据权利要求1-7之一所述的双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，其特征是：螺旋槽上游槽深的最佳范围是0.005～0.012mm，下游槽深的最佳范围是0～0.007mm，并且上游槽深大于下游槽深。
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