CN220870080U - 基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，包括干气密封动环、干气密封静环，干气密封动环与干气密封静环的密封端面相对设置，沿干气密封动环圆周方向，干气密封动环端面均匀开设有若干个曲面槽，曲面槽包括槽底以及两侧壁，槽底从环体外径侧向内径侧逐渐变浅，形成曲面，该曲面是由一条冯·卡门曲线以密封环的轴线为旋转轴旋转拉伸而成的，侧壁在环体密封端面的投影为冯•卡门曲线a，两侧壁分别与槽底相交，交线为冯•卡门曲线b在侧壁上的投影。本实用新型可以有效提高密封端面的动压效应和气膜刚度，减小因动、静环直接接触而产生的摩擦损耗，使得密封环具有更长的使用寿命和更好的密封性能。

Description

基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构

技术领域

本实用新型属于旋转式流体机械密封技术领域，具体涉及一种基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构。

背景技术

非接触式机械密封装置是流体机械中最重要且被应用广泛的零部件。例如，在化学工业和石油化工行业中，加工的原料往往是流体（气体、液体或粉体），其中的绝大部分过程还需要在一定的压力、转速和温度下进行。如果生产加工过程中的机器设备不能够保证密封，导致工作介质泄漏，则往往容易引起物质流失和能量损耗，造成环境污染，甚至是危害人的生命安全。因此，在过程工业中，密封装置的密封性能是评价过程设备工作安全性的重要指标。目前，人们主要通过研究密封装置的密封机理，改进密封件的结构，以此来改善密封件的密封性能。其中，利用激光加工、化学蚀刻、电镀和3D打印等方法在密封环上加工出一定数量和形状的动压槽来改善密封面的润滑效果和密封性能是目前较为行之有效的办法

干气密封作为一种非接触式机械密封装置，其基本原理是通过在密封动环上加工出一定数量和形状的动压槽，当动环相对于静环发生旋转时，会产生流体动压效应，从而将静环推开，与动环发生非接触，这大大减小了动、静环之间的摩擦并改善了密封端面的润滑效果。因此，对于干气密封来说，所开设的流体动压槽的形状和数量与其密封性能和使用寿命密切相关。目前，已有螺旋槽、T形槽、三角形槽、锤形槽、方形槽、圆弧槽等槽形结构的干气密封被提出和使用。然而，这些槽形大多为等深槽，在高压力，高转速运行的旋转机械使用过程中所产生的动压效应相对有限，在一些工况下会存在开启力不足、稳定性差、易磨损、泄漏量大等问题。

总之，随着工业技术的发展，越来越多的设备需要在更加苛刻的工况下运行，这就对干气密封的性能提出了更高的要求。因此，在现有干气密封技术的基础上研究设计新型的密封结构也成为了密封领域的新热点。

实用新型内容

针对上述现有干气密封技术存在的开启力不足、稳定性差、易磨损、泄漏量大等技术问题，本实用新型的目的在于提供一种基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，该密封结构可以有效提高密封端面的动压效应和气膜刚度，减小因动、静环直接接触而产生的摩擦损耗，使得密封环具有更长的使用寿命和更好的密封性能。

本实用新型的目的是这样实现的，包括干气密封动环、干气密封静环，干气密封动环与干气密封静环的密封端面相对设置，沿干气密封动环圆周方向，干气密封动环端面均匀开设有若干个曲面槽，曲面槽包括槽底以及两侧壁，槽底从环体外径侧向内径侧逐渐变浅，形成曲面，该曲面是由一条冯·卡门曲线以密封环的轴线为旋转轴旋转拉伸而成的，侧壁在环体密封端面的投影为冯•卡门曲线a，两侧壁分别与槽底相交，交线为冯•卡门曲线b在侧壁上的投影。

所述冯•卡门曲线a、冯•卡门曲线b为Haack族曲线中C=0的曲线，计算公式为：

注：L-冯·卡门曲线长度；R-冯·卡门曲线半径；0≤x≤L；0≤y≤R。

冯•卡门曲线a、b的构建公式相同，区别在于其特征长度L和特征半径R不同。

优选地，所述曲面槽的数量至少为1对。

优选地，所述曲面槽入口侧槽深h _i为0.0025~0.01mm，泄漏侧槽深h _o为0~0.005mm。

优选地，所述冯•卡门曲线a的特征尺寸R _a为密封环槽根半径r _g与曲线偏转角度β正弦值的乘积，冯•卡门曲线a的特征尺寸L _a为密封环外半径r _o与槽根半径r _g和曲线偏转角度β余弦值的乘积的差值，即R _a=r _g*sinβ；L _a=r _o-r _g*cosβ。

优选地，所述冯•卡门曲线a的偏转角度β为1°~90°。

优选地，所述冯•卡门曲线b的R方向与干气密封动环的直径方向相同，L方向垂直与密封端面。

优选地，所述冯•卡门曲线b的特征尺寸R _b为曲线槽入口侧槽深h _i与泄漏侧槽深h _o的差值，特征尺寸L _b为密封环外半径r _o与槽根半径r _g的差值，即R _b=h _i-h _o；L _b=r _o-r _g；该处的r _o、r _g与冯•卡门曲线a所涉及的公式中的r _o、r _g为同一密封环上的同一尺寸。

以上R _a表示冯•卡门曲线a短轴长度，L _a表示冯•卡门曲线a长轴长度，R _b表示冯卡•门曲线b短轴长度，L _b表示冯•卡门曲线b长轴长度。

本实用新型的工作原理：

当干气密封稳定旋转时，密封环外径侧的介质气体被泵入密封环端面，由于内外侧压力差和转动的影响及密封坝、密封堰对气体的节流作用，使得从外径侧进入的介质气体压力升高。与此同时，由于作为动压槽的曲面槽的槽底为曲面，槽深由外径侧向内径侧逐渐减小，气体介质被进一步压缩，动压效应增强，从而在槽根部形成局部高压区。在压力的推动作用下，紧贴在一起的干气密封动环与干气密封静环相分离，并在动、静环的密封端面之间形成一层稳定的气膜。这层稳定气膜的存在不仅能够对介质气体起到密封作用，而且还能较好的润滑摩擦副，使干气密封在非接触的气膜润滑状态下工作，实现了密封件的无磨损运行。

本实用新型的有益效果：

本实用新型动压槽（曲面槽）的槽形线和槽底基线利用冯·卡门曲线，由于该曲面槽的槽底部是以冯卡门曲线为基线，密封环主轴为旋转轴旋转拉伸而成的曲面，且曲线尺寸参数R和L由外径侧向内径侧逐渐增大。因此，曲面槽的槽深由内而外逐渐减小，使得从密封环外侧进入的工质气体被进一步压缩，形成了更加强烈的动压效应。相比于同等体积下的等槽深平底动压槽的密封环，具有气膜刚度大和泄漏量小等显著等特点，提高了密封环运转时的稳定性。

本实用新型采用冯•卡门曲线作为动压槽的槽型线，采用冯•卡门曲面作为动压槽的槽底，具有更好的流线型，在给定槽深、密封环外径和槽根半径的前提下，引入冯•卡门曲线可以将流体阻力降到最低。与此同时，由于冯•卡门曲面呈较好的流线型，当气体在其表面流动时，能够达到气动减阻和稳定气流的作用，在一定程度上减小了干气密封启动和运行过程中的脉动压力。因此，相比于其他形状的槽底具有更好的导流作用和稳定性。

附图说明

图1为本实用新型立体结构示意图；

图2是本实用新型实施例1干气密封动环的立体结构示意图；

图3是本实用新型实施例1干气密封动环的槽型线及几何结构参数统一示意图；

图4是本实用新型实施例1干气密封动环局部放大图；

图5是本实用新型实施例1干气密封动环的沿图3中A-A线剖面图；

图6是本实用新型实施例2干气密封动环的立体结构示意图；

图7是本实用新型实施例2干气密封动环的槽型线示意图；

图8是本实用新型实施例2干气密封动环的沿图7中A-A线剖面图；

图9是本实用新型实施例3干气密封动环的立体结构示意图；

图10是本实用新型实施例3干气密封动环的沿图9中A-A线剖面图；

图中：1-干气密封静环，2-干气密封动环，3-曲面槽，4-槽底，5-侧壁。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步的说明，但不以任何方式对本实用新型加以限制，基于本实用新型教导所作的任何变换或替换，均属于本实用新型的保护范围。

实施例1

如附图1~图5所示，本实施例基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构包括干气密封动环2、干气密封静环1，干气密封动环2与干气密封静环1的密封端面相对设置，沿干气密封动环2圆周方向，干气密封动环2端面均匀开设有若干个曲面槽3，曲面槽3包括槽底4以及两侧壁5，槽底4从环体外径侧向内径侧逐渐变浅，形成曲面，该曲面是由一条冯·卡门曲线以密封环的轴线为旋转轴旋转拉伸而成的，侧壁5在环体密封端面的投影为冯•卡门曲线a，两侧壁5分别与槽底4相交，交线为冯•卡门曲线b在侧壁5上的投影。

冯•卡门曲线a、冯•卡门曲线b为Haack族曲线中C=0的曲线；

曲面槽3的数量为6对，即12个；

干气密封动环2与干气密封静环1的内半径相等，内半径r _i为58.42mm，二者外半径相等，外半径r _o为77.78mm；干气密封动环2的冯·卡门曲线槽槽根半径r _g为69.00mm。

曲面槽3入口侧槽深h _i为0.006mm，泄漏侧槽深h _o为0.001mm；

冯•卡门曲线a的特征尺寸R _a为密封环槽根半径r _g与曲线偏转角度β正弦值的乘积，冯•卡门曲线a的特征尺寸L _a为密封环外半径r _o与槽根半径r _g和曲线偏转角度β余弦值的乘积的差值，即R _a=（69*sin15°）mm；L _a= (77.78-69*cos15°)mm；

冯•卡门曲线a的偏转角度β为15°；

冯•卡门曲线b的R方向与干气密封动环2的直径方向相同，L方向垂直与密封端面；

冯•卡门曲线b的特征尺寸R _b为曲线槽入口侧槽深h _i与泄漏侧槽深h _o的差值，特征尺寸L _b为密封环外半径r _o与槽根半径r _g的差值，即R _b=h _i-h _o=0.005mm；L _b=r _o-r _g=0.00878mm；

将本实施例基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，与冯·卡门曲线平底槽及现有的螺旋槽进行干气密封仿真实验对比；设置工况参数：外压P _o=4.5852MPa，内压P _i=0.1013MPa，转速r=1087.08rad/s。在r _i、r _o、r _g、气膜厚度和槽内气膜体积相同的情况下，所得实验结果如表1所示：

表1 实验结果

从表1中可以看出，本实施例基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构的开启力、气膜刚度大于螺旋槽和冯·卡门曲线平底槽，泄漏量远低于这两种槽型；通过对比可以发现，只若引入冯·卡门曲线作为槽型线，对密封效果的提升并不明显，而同时将动压槽的底面也设置为冯·卡门曲面可以较好的提升密封效果；此外，通过实验也发现，冯·卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽在高压、高转速的工况下，密封效果的提升更为明显；也就是说，与现有技术相比，本实用新型具有更好的密封效果和稳定性，而且泄漏量更小，能满足一些特殊工况下的密封要求。

实施例2

如附图6~图8所示，本实施例基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，除入口侧槽深h _i为0.005mm，泄漏侧槽深h _o为0mm外，其余与实施例1相同；该结构的优点在于，槽区与坝区之间过渡平缓，密封端面高压区整体分布较广，对于高压、高转速的工况有较好的适应能力。

实施例3

如附图9~图10所示，本实施例基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，除曲面槽3的数量为若干对，使所有曲面槽3在环体周向上相互贯通，入口侧槽深h _i为0.005mm，泄漏露侧槽深h _o为0mm外，其余与实施例1相同；该结构的特点在于结构简单、便于加工，接触摩擦面积较窄，具有较大的抗压截面，不易产生变形；同时在气体流动方向形成宏观收敛通道，大幅增益流体静压效应，适用于双向旋转、低速重载工况。

实施例4

本实施例基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，除曲面槽3的数量为1对，曲面槽3入口侧槽深h _i为0.0025mm，泄漏侧槽深h _o为0mm，冯•卡门曲线a的偏转角度β为1°外，其余与实施例1相同。

实施例5

本实施例基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，除曲面槽3的数量为10对，曲面槽3入口侧槽深h _i为0.01mm，泄漏侧槽深h _o为0.005mm，冯•卡门曲线a的偏转角度β为90°外，其余与实施例1相同。

实施例6

本实施例基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，除曲面槽3的数量为5对，曲面槽3入口侧槽深h _i为0.00625mm，泄漏侧槽深h _o为0.0025mm，冯•卡门曲线a的偏转角度β为45.5°外，其余与实施例1相同。

Claims (8)

1.基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，包括干气密封动环（2）、干气密封静环（1），干气密封动环（2）与干气密封静环（1）的密封端面相对设置，其特征在于沿干气密封动环（2）圆周方向，干气密封动环（2）端面均匀开设有若干个曲面槽（3），曲面槽（3）包括槽底（4）以及两侧壁（5），槽底（4）从环体外径侧向内径侧逐渐变浅，形成曲面，该曲面是由一条冯·卡门曲线以密封环的轴线为旋转轴旋转拉伸而成的，侧壁（5）在环体密封端面的投影为冯•卡门曲线a，两侧壁（5）分别与槽底（4）相交，交线为冯•卡门曲线b在侧壁（5）上的投影。

2.根据权利要求1所述基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，其特征在于所述冯•卡门曲线a、冯•卡门曲线b为Haack族曲线中C=0的曲线。

3.根据权利要求1所述基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，其特征在于所述曲面槽（3）的数量至少为1对。

4.根据权利要求1或3所述基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，其特征在于所述曲面槽（3）入口侧槽深h _i为0.0025~0.01mm，泄漏侧槽深h _o为0~0.005mm。

5.根据权利要求1或2所述基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，其特征在于所述冯•卡门曲线a的特征尺寸R _a为密封环槽根半径r _g与曲线偏转角度β正弦值的乘积，冯•卡门曲线a的特征尺寸L _a为密封环外半径r _o与槽根半径r _g和曲线偏转角度β余弦值的乘积的差值，即R _a=r _g*sinβ；L _a= r _o- r _g*cosβ。

6.根据权利要求1或2所述基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，其特征在于所述冯•卡门曲线a的偏转角度β为1°~90°。

7.根据权利要求1或2所述基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，其特征在于所述冯•卡门曲线b的R方向与干气密封动环（2）的直径方向相同，L方向垂直与密封端面。

8.根据权利要求1或2所述基于冯•卡门曲线投影路径的复合曲壁动压槽干气密封结构，其特征在于所述冯•卡门曲线b的特征尺寸R _b为曲线槽入口侧槽深h _i与泄漏侧槽深h _o的差值，特征尺寸L _b为密封环外半径r _o与槽根半径r _g的差值，即R _b= h _i-h _o；L _b=r _o-r _g。