CN214063577U - 一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，包括用于干气密封的密封环，所述密封环端面的一侧为高压侧、所述密封环端面的另一侧为低压侧，在所述高压侧的密封端面上开设若干环形均布的螺旋槽，所述螺旋槽的截面呈翼型。本实用新型提供一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，以解决现有技术中干气密封运行时的声速扰动问题，实现改善密封运行时声速扰动导致的气膜失稳现象，而且取得较强的流体动压效应的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及旋转机械轴端气体介质密封领域，具体涉及一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构。
背景技术
干气密封是在气体动压轴承的基础上通过对机械密封进行根本性改进发展起来的一种新非接触式密封，实际上主要就是通过在机械密封动环上增开了动压槽以及随之相应设置了辅助系统而实现密封端面的非接触运行。现有技术中在高速、高工作压力下的等深螺旋槽干气密封，可能发生由于流体膜边界层分离而导致的声速扰动现象，声速扰动容易引起气膜失稳，轻者导致动、静环发生碰磨，严重时可直接导致密封面损伤失效。为了改善这种现象，需开发具有更优性能的密封端面型槽结构。
实用新型内容
本实用新型提供一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，以解决现有技术中干气密封运行时的声速扰动问题，实现改善密封运行时声速扰动导致的气膜失稳现象，而且取得较强的流体动压效应的目的。
本实用新型通过下述技术方案实现：
一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，包括用于干气密封的密封环，所述密封环端面的一侧为高压侧、所述密封环端面的另一侧为低压侧，在所述高压侧的密封端面上开设若干环形均布的螺旋槽，所述螺旋槽的截面呈翼型。
针对现有技术中干气密封运行时的声速扰动问题，本实用新型提出一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，对于干气密封的密封环而言，密封环端面的高压侧与低压侧为现有技术，本申请在高压侧的密封端面上开设若干环形均布的螺旋槽，与传统螺旋槽不同的是，本申请中螺旋槽的截面呈翼型，所述截面是指沿密封环周向的截面。
本申请的工作原理是：根据螺旋槽的泵吸效应，在外压作用下，密封环的旋转运动使介质气体沿着圆周方向流动，翼型截面的螺旋槽将上游侧流体不断沿槽向中心泵送，在多条沿周向分布的翼型截面的螺旋槽的槽根处形成一片高压区，从而在密封动、静环端面之间会形成一层只有几微米的气膜并保持密封端面的非接触；此外，在密封环的槽区，非等深的翼型截面的螺旋槽结构能有效改善声速扰动现象，并提高气膜稳定性，可进一步避免或减少密封环端面因碰磨或过度磨损导致的失效。
进一步的，所述密封环为动环。对于干气密封而言，密封环包括动环和静环，本申请中在动环的高压侧端面开槽以形成动压槽。
进一步的，所述螺旋槽的一端开口延伸至密封端面的外径侧或内径侧。本申请中螺旋槽自高压侧开口，虽然对于干气密封而言高压侧一般在外侧，即螺旋槽的开口端延伸至密封端面的外径侧，但并不代表本申请不适用于高压侧在内侧的工况，此时将螺旋槽的开口端延伸至密封端面的内径侧即可。
进一步的，所述密封端面沿周向均匀分布为N个周期，每个周期内对应一个螺旋槽，相邻两个螺旋槽之间为密封堰区，螺旋槽的槽根径与密封端面低压侧之间为密封坝区；其中8≤N≤24。本方案中，将翼型截面的螺旋槽之间未开槽区域定义为密封堰区，将密封端面低压侧光滑且连续的区域定义为密封坝区。本方案中螺旋槽的数量按周期在8～24个之间进行取值。
进一步的，所述螺旋槽的端面槽型为对数螺旋线，螺旋槽的螺旋角为12°～20°。所述端面是指密封端面。
进一步的，所述螺旋槽的最大槽深为5～20μm。本申请中螺旋槽截面呈翼型，因此其属于不等深槽型结构，翼型底部位置的深度即为最大槽深hg，取值在5～20μm之间。
进一步的，所述螺旋槽的翼型截面满足：γ＝a/L＝0.55～0.75；其中γ为前缘比，a为翼型的前缘距离，L为翼型的弧长。螺旋槽的翼型截面，其底部两侧分别为前端、后端，前端弧长相较后端更大；前端端部距槽底之间的水平弧长称为前缘距离，后端端部距槽底之间的水平弧长称为后缘距离。本方案对翼型截面的尺寸参数进行具体限定，以获得更优良的流体动压效应。
进一步的，所述密封端面的槽台宽比等于1。槽台宽比为本领域既有参数，是指在任意周向上，槽宽与相邻两个槽之间的台面宽度之间的比值，当然，本方案中所述宽度是指沿周向的弧形宽度。
进一步的，沿密封端面的径向方向，槽径比＝0.4～0.6。槽径比为本领域既有参数，是指螺旋槽沿径向方向的长度与密封环径向宽度的比值。
本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本实用新型一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，通过翼型截面的螺旋槽结构，在密封端面上游侧形成连续的高压区，增大气膜承载力。
2、本实用新型一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，采用非等深翼型截面的螺旋槽结构，可进一步改善在高速、高工作压力下出现的声速扰动现象，增强气膜稳定性，进一步避免或减少密封环端面因碰磨或过度磨损导致的失效，延长使用寿命。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
图1为本实用新型具体实施例的端面几何结构示意图；
图2为本实用新型具体实施例的剖视图；
图3为本实用新型具体实施例的结构示意图；
图4为本实用新型具体实施例中一个螺旋槽的局部放大图；
图5为图4中A-B截面的周向展开图；
图6为图4中A-B截面的俯视图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-密封端面，101-密封堰区，102-密封坝区，2-螺旋槽。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
实施例：
如图1至图6所示的适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，图1所示为机械密封的动环端面，动环的密封端面1外端作为高压侧即上游，密封端面内端作为低压侧即下游，密封端面低压侧设有光滑且连续的密封坝区102；密封端面高压侧设有多个周期性分布的翼型截面的螺旋槽2，螺旋槽2的一端开口延伸至密封端面的外径侧螺旋槽2的另一端位于环形坝的上游，即槽根径处；相邻两个螺旋槽之间未开槽区域称为密封堰区101。
本实施例中，翼型截面的螺旋槽沿半径方向与密封上游侧相通，且槽深度hg为5～20μm。
优选的，翼型截面的螺旋槽沿周向均匀分布，分为N个周期。
优选的，翼型截面的螺旋槽朝向气膜流动方向，以利于高压区的产生。
本实施例中翼型截面螺旋槽的端面结构参数包括：螺旋角α取值范围为12°～20°，最大槽深hg取值范围为5～20μm，槽数为N，槽台宽比为1，槽径比为0.4～0.6，翼型后端截面攻角为δ，弧长为L＝πr/N，其中r为密封端面任意一点的半径；前缘水平弧长为a，后缘水平弧长b＝L-a，前缘比γ＝a/L的取值范围为0.55～0.75。
优选的，由于本实施例中槽台宽比β为1，即槽宽与相邻两个螺旋槽之间的宽度相等，且本实施例中槽数N为12，故弧长L＝πr/N＝πr/12。槽台宽比β的详细定义见图1所示，β＝Cg/C1＝1。
优选的，本实施例中槽径比＝0.4～0.6，是指螺旋槽沿径向方向的长度与密封环径向宽度的比值。槽径比的优选为0.55。
其中，最大槽深hg如图5所示，图5为图4中A-B截面的周向展开图，其中图示方向的左侧为A向、右侧为B向；螺旋角α如图1所示，翼型后端截面的攻角δ如图5所示，弧长L、前缘水平弧长a、后缘水平弧长b如图5与图6所示。
请参考图1，本实施例在动环上游侧开有翼型截面的螺旋槽，流体由于内外径压差作用从外径侧沿着径向收敛间隙流向内侧流动，使端面打开，保证密封端面在运行初期和高转速下非接触。动环旋转方向如图1箭头所示，动环的旋转运动使流体沿着圆周方向流动，翼型截面的螺旋槽不断将高压侧流体引流入密封端面，由于受到密封堰的阻碍，在槽根部会形成一片高压区，从而进一步增大承载能力而保持密封端面的非接触。同时，非等深翼型截面螺旋槽结构，可进一步改善在高速、高工作压力下出现的声速扰动现象，增强气膜稳定性，并降低密封端面摩擦磨损，延长使用寿命，同时避免较大的槽区局部压力和温度变化，提高密封系统的稳定性、安全性、可靠性。
此外，本申请的具体实施方式中，槽数N除了取12以外，还可适应性的取槽数N为8/10/15/18/20/24等。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，包括用于干气密封的密封环，所述密封环端面的一侧为高压侧、所述密封环端面的另一侧为低压侧，其特征在于，在所述高压侧的密封端面（1）上开设若干环形均布的螺旋槽（2），所述螺旋槽（2）沿密封环周向的截面呈翼型。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，其特征在于，所述密封环为动环。
3.根据权利要求1所述的一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，其特征在于，所述螺旋槽（2）的一端开口延伸至密封端面（1）的外径侧或内径侧。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，其特征在于，所述密封端面（1）沿周向均匀分布为N个周期，每个周期内对应一个螺旋槽（2），相邻两个螺旋槽（2）之间为密封堰区（101），螺旋槽（2）的槽根径与密封端面低压侧之间为密封坝区（102）；其中8≤N≤24。
5.根据权利要求1所述的一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，其特征在于，所述螺旋槽（2）的端面槽型为对数螺旋线，螺旋槽（2）的螺旋角为12°～20°。
6.根据权利要求1所述的一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，其特征在于，所述螺旋槽（2）的最大槽深为5～20μm。
7.根据权利要求1所述的一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，其特征在于，所述螺旋槽（2）的翼型截面满足：γ=a/L=0.55～0.75；其中γ为前缘比，a为翼型的前缘距离，L为翼型的弧长。
8.根据权利要求1所述的一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，其特征在于，所述密封端面（1）的槽台宽比等于1；其中槽台宽比是指在任意周向上，槽宽与相邻两个槽之间的台面宽度之间的比值。
9.根据权利要求4所述的一种适用于高速流动的翼型截面螺旋槽密封端面结构，其特征在于，沿密封端面（1）径向方向，槽径比=0.4～0.6；其中槽径比是指螺旋槽沿径向方向的长度与密封环径向宽度的比值。
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|---|---|---|---|---|
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| CN116123211A (zh) * | 2023-02-22 | 2023-05-16 | 南京林业大学 | 一种带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承 |
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