CN207333698U - 三元扭曲型槽端面机械密封结构 - Google Patents
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Abstract
一种三元扭曲型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环中至少一个密封环的密封端面上加工有沿圆周均匀分布的三元扭曲型槽(1)，所述三元扭曲型槽由两侧壁和三维扭曲变深槽底面组成，三元扭曲型槽的侧壁包括迎风侧三元扭曲壁面(11)和背风侧三元扭曲壁面(13)，三维扭曲变深槽底面(12)自密封环外周侧壁向密封环中心逐渐呈扭曲状变浅，并在密封坝(3)外侧与密封端面相交；三元扭曲型槽(1)的侧壁与密封环外周侧壁的相交线垂直于密封端面；三元扭曲型槽(1)的侧壁与密封端面的相交线分为两段，介质入口侧相交线为螺旋线，介质泄漏侧相交线为径向直线。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种旋转式流体机械的轴端用机械端面密封结构，特别涉及一种型槽壁面为三元扭曲面的三元扭曲型槽机械端面密封结构，用于各种压缩机、泵和反应釜等旋转机械的旋转轴密封。
背景技术
密封端面开设等深螺旋槽结构的气体润滑或液体润滑非接触式机械密封已在石油、石油化工和电力等行业用中高速旋转机械(如离心压缩机、高速泵等)上获得广泛的应用。在动环旋转时，利用型槽的动静压效应将流体介质泵入密封端面，进入密封端面的流体介质在型槽根部流动受阻而压力升高，产生一定的开启力并推开端面，从而使动静环之间有一层微米级的流体膜而实现非接触运行。但是现有等深螺旋槽结构的非接触式机械密封在高速旋转机械的使用过程中流体膜刚度不够大，密封泄漏较为严重，导致失效事故频发。中国专利CN1415877A、CN101644333A，美国专利US5441283等都可在一定程度上提高密封的流体膜刚度，减小密封泄漏，特别是双螺旋角三维螺旋槽端面密封结构，与普通等深、等螺旋角的二维螺旋槽端面密封相比，在相同条件下其流体膜厚度或刚度更大，可靠性更高。
以往采用激光打标、化学蚀刻、电镀等方法所加工端面型槽的型槽侧壁都与密封端面近乎垂直，难以控制型槽壁面的形状，这在一定程度上限制了端面型槽性能的提高。近年来，3D打印技术兴起，特别是微纳尺度超高精度3D打印技术的发展，目前3D打印技术已实现金属材料的线条做到120nm，甚至有部分材料可做到30～40nm，表面粗糙度可控制在4～10nm，这使得复杂流道和扭曲壁面的端面型槽加工成为可能。
发明内容
为了改善现有等深或变深典型螺旋槽机械端面密封在中高速条件下所存在的流体膜刚度不够大，密封泄漏量较大等不足，本实用新型提供一种端面动压效应好、流体膜刚度大、泄漏量小，适用于中高速运行工况的三元扭曲型槽机械端面密封结构。
本实用新型的技术方案是：
一种三元扭曲型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环中至少一个密封环的密封端面上加工有沿圆周均匀分布的三元扭曲型槽1，所述三元扭曲型槽由两侧壁和三维扭曲变深槽底面组成，三元扭曲型槽的侧壁包括迎风侧三元扭曲壁面11和背风侧三元扭曲壁面13，三维扭曲变深槽底面12自密封环外周侧壁向密封环中心逐渐呈扭曲状变浅，并在密封坝3外侧与密封端面相交；三元扭曲型槽1的侧壁与密封环外周侧壁的相交线111和131垂直于密封端面；三元扭曲型槽1的侧壁与密封端面的相交线分为两段，介质入口侧相交线113和133为螺旋线，介质泄漏侧相交线114和134为径向直线。
背风侧三元扭曲壁面13与三维扭曲变深槽底面12的相交线132在密封端面上的投影线，和迎风侧三元扭曲壁面11与三维扭曲变深槽壁面12的相交线112在密封端面上的投影线都是螺旋线；
所述相邻两个三元扭曲型槽周向间设有不开槽的密封堰，所述三元扭曲型槽的泄漏侧加工有密封坝，起到停车密封的作用。
优选地，三元扭曲型槽1的侧壁与密封端面的相交线中的介质入口侧相交线113和133、背风侧三元扭曲壁面13与三维变深槽底面12的相交线132、背风侧三元扭曲壁面13与密封端面介质入口侧的相交线133、迎风侧三元扭曲壁面11与三维变深槽壁面12的相交线112、迎风侧三元扭曲壁面11与密封端面泄漏口侧的相交线113在密封端面上的投影线都是对数螺旋线。
进一步，所述三元扭曲型槽在外径ro处的圆弧夹角θg与对应密封堰在同一半径处的圆弧夹角θl之比θg/θl的优选值范围为θg/θl＝0.5～2.0；所述三元扭曲型槽的径向开槽宽度(ro-rg)与密封端面宽度(ro-ri)之比(ro-rg)/(ro-ri)的优选值范围为0.45～0.85；所述三元扭曲壁面与密封端面位于入口侧的相交线径向宽度(ro-rh)与三元扭曲型槽径向宽度(ro-rg)之比(ro-rh)/(ro-rg)的取值范围为0.5～1.0；所述三元扭曲型槽的槽深为0～20μm，入口侧深度为5～20μm，泄漏侧槽深为0～5μm；其中，密封介质为气体时，所述三元扭曲型槽的槽深为0～12μm，入口侧深度为5～12μm，泄漏侧槽深为0～2μm；密封介质为液体时，所述三元扭曲型槽的槽深为0～20μm，入口侧深度为10～20μm，泄漏侧槽深为0～5μm。
本实用新型对流体介质具有更强的压缩作用和导流效果，泄漏率低，在高速条件下具有优异的运行稳定性和密封性，抵抗外界扰动能力强。
本实用新型的工作原理是：
采用微纳尺度超高精度3D打印技术或超精密磨削或精密电火花加工技术，在机械密封的动环或静环端面上加工出三元扭曲型槽。当机械密封运转时，密封环外侧的流体介质被泵入三元扭曲型槽内，由介质入口侧或吸入侧向泄漏侧流动，在迎风侧三元扭曲壁面和背风侧三元扭曲壁面的结构导流作用下，流体介质一部分沿周向流动，另一部分沿径向流动，并且由于槽深的变化导致流体产生沿径向方向的渐进压缩。由于受不开槽的密封坝和密封堰的节流作用以及与开槽面配合的密封环端面挤压作用，进入密封面的流体介质得到压缩，介质压力在槽根部迅速升高，在该压力作用下，动静环端面被推开而形成一层稳定的流体膜，从而实现端面非接触运行。在流体介质从上游侧向下游侧流动的过程中，由于三元扭曲型槽的开槽截面逐渐缩小，对流体介质的压缩作用增强，在高速条件下能形成更大的开启力和更稳定的流体膜。在三元扭曲型槽泄漏侧，一部分流体介质跨过三维变深槽底面与密封端面的相交线后沿径向流动，这部分流体在坝区进一步向下游侧流动，从而造成流体介质的泄漏；而由于背风侧和迎风侧三元扭曲壁面的结构导流作用，有很大一部分流体介质沿密封环端面周向流动，这部分流体既保证了密封端面有足够的润滑介质存在，也即保证了密封端面良好的润滑状态，同时也避免了流体介质向内径侧的大量泄漏，也即提高了密封性。
本实用新型的优点和有益效果是：
(1)三元扭曲型槽中槽底面为典型的三维变深收敛结构，也即从端面上游至下游侧，型槽的流道截面逐渐变窄，相较于普通等深型槽，对流体介质具有更强的泵汲与压缩作用；三元扭曲型槽的侧壁为三元扭曲结构，从端面上游至下游侧流道逐渐收窄，进一步强化了型槽对流体介质的压缩作用。型槽对流体介质产生的这种强大泵汲与压缩作用，使得其在中高速条件下具有更好的流体动压效应，在相同膜厚条件下具有更强的流体膜刚度和承载能力，从而避免高速运行时两密封端面发生碰磨，可最大程度地延长机械密封的使用寿命。
(2)三元扭曲型槽中槽壁面为典型的三元扭曲结构，在型槽介质入口侧，三元扭曲型槽与密封环侧壁的相交线垂直于端面，较大的入口截面能保证足够的流体介质被泵入密封端面，也即保证了密封端面具有足量的润滑剂；在型槽泄漏侧，扭曲形状的迎风侧和背风侧槽壁面的共同导流作用将槽内流体介质的径向流动向周向引导，也即使一大部分流体沿密封环端面周向流动，避免了流体介质向内径侧的大量泄漏，提高了密封性。
附图说明：
图1是本实用新型实施案例一的开槽端面三维结构示意图；
图2是本实用新型实施案例一的开槽端面几何结构参数统一定义示意图；
图3是本实用新型实施案例一中沿着附图2中A-A线所取的三元扭曲型槽截面结构示意图；
图4是本实用新型实施案例一中三元扭曲型槽的结构示意图；
图5是本实用新型实施案例三的开槽端面三维结构示意图；
图6是本实用新型实施案例三的开槽端面结构示意图。
具体实施方式
结合附图对本实用新型的实施进一步详述。
实施例一
参见图1、2、3和4，一种三元扭曲型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环中至少一个密封环的密封端面上加工有沿圆周均匀分布的三元扭曲型槽1，所述三元扭曲型槽1由迎风侧三元扭曲壁面11、背风侧三元扭曲壁面13和三维扭曲变深槽底面12组成；三元扭曲型槽1的侧壁包括迎风侧三元扭曲壁面11和背风侧三元扭曲壁面13，三维扭曲变深槽底面12自密封环外周侧壁向密封环中心逐渐呈扭曲状变浅，并在密封坝3外侧与密封端面相交。
迎风侧三元扭曲壁面11、与密封环外周侧壁4的相交线111和背风侧三元扭曲壁面13与密封环外周侧壁4的相交线131都垂直于密封端面。
迎风侧三元扭曲壁面11与密封端面的相交线分为两段，介质入口侧相交线113为螺旋线，介质泄漏侧相交线114为径向直线；背风侧三元扭曲壁面13与密封端面的相交线分为两段，介质入口侧相交线133为螺旋线，介质泄漏侧相交线134为径向直线。
迎风侧三元扭曲壁面11与三维扭曲变深槽壁面12的相交线112在密封端面上的投影线为螺旋线；背风侧三元扭曲壁面13与三维扭曲变深槽底面12的相交线132在密封端面上的投影线为螺旋线。
三元扭曲型槽1在外径ro处的圆弧夹角θg与对应密封堰2在同一半径处的圆弧夹角θl之比θg/θl的优选值范围为θg/θl＝0.5～2.0。三元扭曲型槽1的径向开槽宽度(ro-rg)与密封端面宽度(ro-ri)之比(ro-rg)/(ro-ri)的优选值范围为0.45～0.85；所述三元扭曲壁面11、13与密封端面介质入口侧相交线113、133的径向宽度(ro-rh)与三元扭曲型槽1径向宽度(ro-rg)之比(ro-rh)/(ro-rg)的取值范围为0.5～1.0。三元扭曲型槽的槽深为0～20μm，入口侧深度为5～20μm，泄漏侧槽深为0～5μm；其中，密封介质为气体时，所述三元扭曲型槽的槽深为0～12μm，入口侧深度为5～12μm，泄漏侧槽深为0～2μm；密封介质为液体时，所述三元扭曲型槽的槽深为0～20μm，入口侧深度为10～20μm，泄漏侧槽深为0～5μm。
相邻两个三元扭曲型槽的周向间设有不开槽的密封堰2，所述三元扭曲型槽1的泄漏侧加工有密封3坝，起到停车密封的作用。
实施例二
参见图1、2、3和4，本实施例与实施例一的区别是：三元扭曲型槽1的侧壁与密封端面的相交线中的介质入口侧相交线，即迎风侧三元扭曲壁面11与密封端面泄漏口侧的相交线113和背风侧三元扭曲壁面13与密封端面介质入口侧的相交线133，都是对数螺旋线。同时，迎风侧三元扭曲壁面11与三维扭曲变深槽底面12的相交线112在密封端面上的投影线，和背风侧三元扭曲壁面13与三维扭曲变深槽底面12的相交线132在密封端面上的投影线，都是对数螺旋线。
迎风侧三元扭曲壁面11与三维变深槽底面12的相交线112在密封端面上的投影线、迎风侧三元扭曲壁面11与密封端面泄漏口侧的相交线113、背风侧三元扭曲壁面13与三维变深槽底面12的相交线132在密封端面上的投影线、背风侧三元扭曲壁面13与密封端面介质入口侧的相交线133都是对数螺旋线。
其余与实施例一相同。
实施例三
参照图5、6，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述背风侧三元扭曲壁面11与三维扭曲变深槽底面12的相交线112在密封端面上的投影线为直线，所述迎风侧三元扭曲壁面13与三维扭曲变深槽壁面12的相交线132在密封端面上的投影线为直线；所述背风侧三元扭曲壁面11与密封端面介质入口侧的相交线113为直线，所述迎风侧三元扭曲壁面13与密封端面介质入口侧的相交线133为直线。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型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，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能想到的同等技术手段。
Claims (4)
1.一种三元扭曲型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环中至少一个密封环的密封端面上加工有沿圆周均匀分布的三元扭曲型槽(1)，所述三元扭曲型槽由两侧壁和三维扭曲变深槽底面组成，三元扭曲型槽的侧壁包括迎风侧三元扭曲壁面(11)和背风侧三元扭曲壁面(13)，三维扭曲变深槽底面(12)自密封环外周侧壁向密封环中心逐渐呈扭曲状变浅，并在密封坝(3)外侧与密封端面相交；三元扭曲型槽(1)的侧壁与密封环外周侧壁的相交线垂直于密封端面；三元扭曲型槽(1)的侧壁与密封端面的相交线分为两段，介质入口侧相交线为螺旋线，介质泄漏侧相交线为径向直线。
2.根据权利要求1所述的三元扭曲型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述背风侧三元扭曲壁面(13)与三维扭曲变深槽底面(12)的相交线(132)在密封端面上的投影线为螺旋线，所述迎风侧三元扭曲壁面(11)与三维扭曲变深槽底面(12)的相交线(112)在密封端面上的投影线为螺旋线。
3.根据权利要求2所述的三元扭曲型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述的螺旋线采用对数螺旋线。
4.根据权利要求2或3所述的三元扭曲型槽端面机械密封结构，其特征在于：所述三元扭曲型槽在外径ro处的圆弧夹角θg与对应密封堰在同一半径处的圆弧夹角θl之比θg/θl的优选值范围为θg/θl＝0.5～2.0；所述三元扭曲型槽的径向开槽宽度(ro-rg)与密封端面宽度(ro-ri)之比(ro-rg)/(ro-ri)的优选值范围为0.45～0.85；所述三元扭曲壁面与密封端面位于入口侧的相交线径向宽度(ro-rh)与三元扭曲型槽径向宽度(ro-rg)之比(ro-rh)/(ro-rg)的取值范围为0.5～1.0；所述三元扭曲型槽的槽深为0～20μm，入口侧深度为5～20μm，泄漏侧槽深为0～5μm；其中，密封介质为气体时，所述三元扭曲型槽的槽深为0～12μm，入口侧深度为5～12μm，泄漏侧槽深为0～2μm；密封介质为液体时，所述三元扭曲型槽的槽深为0～20μm，入口侧深度为10～20μm，泄漏侧槽深为0～5μm。
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