CN106763779B - 一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环 - Google Patents

一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环，密封环端面上开有多个沿端面圆周均匀分布的螺旋槽，每个螺旋槽槽根部为锯齿形。本发明增强了机械密封环端面流体的动压效应，增加了产生动压效应的范围，从而使得机械密封在运转过程中形成稳定的流体膜，端面摩擦程度减小，使用寿命得到极大延长。

Description

一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环
技术领域
本发明涉及一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环，属于机械密封技术领域，特别适用于泵、压缩机、反应釜等各种旋转机械轴端的端面密封。
背景技术
机械密封，如用于密封气体的干气密封和用于密封液体的上游泵送机械密封，以其独特的性能优势在离心压缩机、风机、反应釜等中高速旋转机械上得到广泛应用。机械密封是通过在密封端面上开设型线为螺旋线、直线或圆弧线的动压槽，各类动压槽中以螺旋槽最为典型。当动环旋转时，利用动压槽较强的动静压效应将气体介质泵入密封端面，进入密封端面的流体在槽根处受阻升压，产生一定的流体动静压力以推开端面，从而使机械密封能够维持在一层微米级气膜的条件下非接触运行，但是目前在工业中广泛使用的螺旋槽机械密封仍存在泄漏率高、流体膜的承载能力有限和流体膜刚度不够大等问题，失效事故时有发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流体动压效应强、流体膜承载能力和流体膜刚度大、泄漏率低的具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环。
本发明的技术方案是：
一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环，密封环端面的一侧为高压侧即上游，另一侧为低压侧即下游，密封环端面上开有3~20个沿端面圆周均匀分布的螺旋槽，螺旋槽开口于端面高压侧，每个螺旋槽槽根部为锯齿形，密封环端面未开槽区域形成密封坝，台槽比（未开槽区域的外圆周弧长与开槽区域的外圆周弧长之比）a 2/ a 1=0.1~5；
每个螺旋槽的轮廓线均由螺旋角相等的对数螺旋线构成，螺旋角α的范围0°＜∣α∣＜90°；
每个螺旋槽槽根部的锯齿个数为2~10个；
槽深为2~100μm。
单个多锯齿形螺旋槽的构造过程为：以对数螺旋轮廓线l 1为基准线，并以O为圆心，分别顺时针旋转φ、2×φ......(n-1)×φ角得到辅助对数螺旋线l 2、l 3......和对数螺旋轮廓线l n，其中（式中，N为密封环端面上所开螺旋槽的个数，n为螺旋槽槽根部的锯齿个数），且l 1、l 2.....l n与槽根圆圆弧l g的交点分别为O 1、O 2......O n；对数螺旋轮廓线l 1以O 1为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l 1"；对数螺旋轮廓线l n以O n为圆心逆时针旋转γ角得到辅助螺旋线l n'，其中，夹在对数螺旋轮廓线l 1和l n中间的辅助对数螺旋线l 2、l 3......l n-1分别以O 2、O 3......O n-1为圆心逆时针旋转γ角得到辅助对数螺旋线l 2'、l 3'......l n-1'，辅助对数螺旋线l 2、l 3......l n-1再以O 2、O 3......O n-1为圆心顺时针时旋转θ角得到辅助对数螺旋线l 2"、l 3"......l n-1"；辅助对数螺旋线l 1"和辅助对数螺旋线l 2'相交于点A1，辅助对数螺旋线l 2"和辅助对数螺旋线l 3'相交于点A2，以此类推，辅助对数螺旋线l n-1"和辅助对数螺旋线l n'相交于点An-1；多锯齿型螺旋槽的轮廓线由线l 1、点O 1、线l 1"、点A1、线l 2'、点O 2、线l 2"、点A2、线l 3'、点O 3、线l 3".....点An-1、线l n'、点O n、线l n所围成；
0°<∣θ∣≤90°，0°<∣γ∣<18°。
本发明所述的一种具有多锯齿形螺旋槽机械密封环，可采用电化学腐蚀、电火花、激光加工等工艺加工端面微造型，利用非接触光学轮廓仪来检测加工精度。
本发明所述具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环可作为机械密封结构中的动环或静环，或者动环和静环同时为所述的密封环均可。
本发明的有益效果是：
在机械密封的密封环表面开设多锯齿形螺旋槽，可对流体产生更强的压缩效果，从而具有更佳的流体动压效应，使得密封在高速工况下的承载能力和抗干扰能力更强，有效地改善了机械密封端面的润滑状态，降低了密封端面的摩擦磨损程度，延长了密封件的工作寿命，保证了设备的长期稳定运行，消除了设备的安全隐患。
附图说明
图1为n=3时多锯齿形螺旋槽机械密封环的示意图；
图2为n=3时多锯齿形螺旋槽机械密封环一个槽的构造过程示意图；
图3为n=3时多锯齿形螺旋槽机械密封环一个槽轮廓线示意图；
图4A和4B为n=9时多锯齿形螺旋槽机械密封环一个槽轮廓线示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环，密封环端面的一侧为高压侧即上游，另一侧为低压侧即下游，密封环端面上开有10个沿端面圆周均匀分布的螺旋槽，螺旋槽开口于端面高压侧，每个螺旋槽槽根部为锯齿形，每个螺旋槽槽根部的锯齿个数为3个；密封环端面未开槽区域形成密封坝，台槽比（未开槽区域的外圆周弧长与开槽区域的外圆周弧长之比）a 2/ a 1=1；槽深为5μm；
每个螺旋槽的轮廓线均由螺旋角相等的对数螺旋线构成，螺旋角α=15°。
单个多锯齿形螺旋槽的构造过程为：以对数螺旋轮廓线l 1为基准线，并以O为圆心，分别顺时针旋转9°、18°得到辅助对数螺旋线l 2和对数螺旋轮廓线l 3，且l 1、l 2、l 3与槽根圆圆弧l g的交点分别为O 1、O 2、O 3；对数螺旋轮廓线l 1以O 1为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l 1"；对数螺旋轮廓线l 3以O 3为圆心逆时针旋转γ角得到辅助螺旋线l 3'，辅助对数螺旋线l 2以O 2为圆心逆时针旋转γ角得到辅助对数螺旋线l 2'，辅助对数螺旋线l 2再以O 2为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l 2"；辅助对数螺旋线l 1"和辅助对数螺旋线l 2'相交于点A1，辅助对数螺旋线l 2"和辅助对数螺旋线l 3'相交于点A2；三锯齿形螺旋槽的轮廓线由线l 1、点O 1、线l 1"、点A1、线l 2'、点O 2、线l 2"、点A2、线l 3'、点O 3、线l 3所围成，如图2、3所示。其中，θ=30°，γ=18°。
与等效无锯齿螺旋槽比较：设无锯齿螺旋槽密封环和三锯齿形螺旋槽密封环的内径R i=20mm，槽根半径R g=27mm，外径R o=30mm，螺旋角α=15°，槽数为10，平衡膜厚为h b=10μm，槽深为h=5μm。且被密封介质密度ρ=1.293kg/m3，粘度μ=1.76×10-6Pa·s，密封环转速ω=1000rad/s,外径处压力p o=501325Pa，内径处压力p i=101325Pa。
无锯齿螺旋槽密封环端面开启力F o为493N，泄露率S t为4.66×10-2kg/s；三锯齿形螺旋槽密封环端面开启力F o为512N，泄露率S t为4.52×10-2kg/s；可以看出，三锯齿形螺旋槽密封环比无锯齿螺旋槽密封环具有更强的承载能力，这有效地改善了机械密封端面的润滑状态，降低了密封端面的摩擦磨损程度，延长了密封件的工作寿命。并且，三锯齿形螺旋槽密封环比无锯齿螺旋槽密封环的泄漏率小，这说明在相同工况条件下三锯齿形螺旋槽密封环更有利于介质的密封。
实施例2
一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环，密封环端面的一侧为高压侧即上游，另一侧为低压侧即下游，密封环端面上开有20个沿端面圆周均匀分布的螺旋槽，螺旋槽开口于端面高压侧，每个螺旋槽槽根部为锯齿形，每个螺旋槽槽根部的锯齿个数为9个；密封环端面未开槽区域形成密封坝，台槽比（未开槽区域的外圆周弧长与开槽区域的外圆周弧长之比）a 2/ a 1=1；槽深为30μm；
每个螺旋槽的轮廓线均由螺旋角相等的对数螺旋线构成，螺旋角α=30°。
单个多锯齿形螺旋槽的构造过程为：以对数螺旋轮廓线l 1为基准线，并以O为圆心，分别顺时针旋转1.125°、2.25°、3.375°、4.5°、5.625°、6.75°、7.875°、9°得到辅助对数螺旋线l 2、l 3、l 4、l 5、l 6、l 7、l 8和对数螺旋轮廓线l 9，且l 1、l 2、l 3、l 4、l 5、l 6、l 7、l 8、l 9与槽根圆圆弧l g的交点分别为O 1、O 2、O 3、O 4、O 5、O 6、O 7、O 8、O 9；对数螺旋轮廓线l 1以O 1为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l 1"；对数螺旋轮廓线l 9以O 9为圆心逆时针旋转γ角得到辅助螺旋线l 9'，辅助对数螺旋线l 2、l 3、l 4、l 5、l 6、l 7、l 8以O 2、O 3、O 4、O 5、O 6、O 7、O 8为圆心逆时针旋转γ角得到辅助对数螺旋线l 2'、l 3'、l 4'、l 5'、l 6'、l 7'、l 8'，辅助对数螺旋线l 2、l 3、l 4、l 5、l 6、l 7、l 8再以O 2、O 3、O 4、O 5、O 6、O 7、O 8为圆心顺时针时旋转θ角得到辅助对数螺旋线l 2"、l 3"、l 4"、l 5"、l 6"、l 7"、l 8"；辅助对数螺旋线l 1"和辅助对数螺旋线l 2'相交于点A1，辅助对数螺旋线l 2"和辅助对数螺旋线l 3'相交于点A2，辅助对数螺旋线l 3"和辅助对数螺旋线l 4'相交于点A3，辅助对数螺旋线l 4"和辅助对数螺旋线l 5'相交于点A4，辅助对数螺旋线l 5"和辅助对数螺旋线l 6'相交于点A5，辅助对数螺旋线l 6"和辅助对数螺旋线l 7'相交于点A6，辅助对数螺旋线l 7"和辅助对数螺旋线l 8'相交于点A7，辅助对数螺旋线l 8"和辅助对数螺旋线l 9'相交于点A8；九锯齿型螺旋槽的轮廓线由线l 1、点O 1、线l 1"、点A1、线l 2'、点O 2、线l 2"、点A2、线l 3'、点O 3、线l 3"、点A3、线l 4'、点O 4、线l 4"、点A4、线l 5'、点O 5、线l 5"、点A5、线l 6'、点O 6、线l 6"、点A6、线l 7'、点O 7、线l 7"、点A7、线l 8'、点O 8、线l 8"、点A8、线l 9'、点O 9、线l 9所围成。其中，θ=15°，γ=5°。如图4A和4B 所示。
与等效无锯齿螺旋槽比较：设无锯齿螺旋槽密封环和九锯齿形螺旋槽密封环的内径R i=20mm，槽根半径R g=27mm，外径R o=30mm，螺旋角α=30°，槽数为20，平衡膜厚为h b=10μm，槽深为h=30μm。且被密封介质密度ρ=1000kg/m3，粘度μ=8.01×10-4Pa·s，密封环转速ω=300rad/s,外径处压力p o=501325Pa，内径处压力p i=101325Pa。
无锯齿螺旋槽密封环端面开启力F o为290N，泄露率S t为2.323×10-3kg/s；九锯齿形螺旋槽密封环端面开启力F o为301N，泄露率S t为2.227×10-3kg/s；可以看出，九锯齿形螺旋槽密封环比无锯齿螺旋槽密封环具有更强的承载能力，这有效地改善了机械密封端面的润滑状态，降低了密封端面的摩擦磨损程度，延长了密封件的工作寿命。并且，九锯齿形螺旋槽密封环比无锯齿螺旋槽密封环的泄漏率小，这说明在相同工况条件下九锯齿形螺旋槽密封环更有利于介质的密封。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明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，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环，密封环端面的一侧为高压侧即上游，另一侧为低压侧即下游，密封环端面上开有多个沿端面圆周均匀分布的螺旋槽，螺旋槽开口于端面高压侧，每个螺旋槽槽根部为锯齿形，密封环端面未开槽区域形成密封坝；每个螺旋槽的轮廓线均由螺旋角相等的对数螺旋线构成，锯齿形槽根的顶点是构成轮廓线的对数螺旋线自然延伸相交而成；螺旋槽的槽根处于距离密封端面中心的同一径向距离的位置，沿周向分布。
2.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，密封环端面所开螺旋槽的个数为3~20个。
3.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，每个螺旋槽槽根部的锯齿个数为2~10个。
4.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，密封环端面台槽比a 2/ a 1=0.1~5。
5.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，构成螺旋槽轮廓线的对数螺旋线的螺旋角α的范围0°＜∣α∣＜90°。
6.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，螺旋槽槽深为2~100μm。
7.根据权利要求1所述的机械密封环，其特征在于，单个多锯齿形螺旋槽的构造过程为：以对数螺旋轮廓线l 1为基准线，并以O为圆心，分别顺时针旋转φ、2×φ......(n-1)×φ角得到辅助对数螺旋线l 2、l 3......和对数螺旋轮廓线l n，其中°，式中，N为密封环端面上所开螺旋槽的个数，n为螺旋槽槽根部的锯齿个数；且l 1、l 2.....l n与槽根圆圆弧l g的交点分别为O 1、O 2......O n；对数螺旋轮廓线l 1以O 1为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l 1"；对数螺旋轮廓线l n以O n为圆心逆时针旋转γ角得到辅助螺旋线l n'，其中，夹在对数螺旋轮廓线l 1和l n中间的辅助对数螺旋线l 2、l 3......l n-1分别以O 2、O 3......O n-1为圆心逆时针旋转γ角得到辅助对数螺旋线l 2'、l 3'......l n-1'，辅助对数螺旋线l 2、l 3......l n-1再以O 2、O 3......O n-1为圆心顺时针时旋转θ角得到辅助对数螺旋线l 2"、l 3"......l n-1"；辅助对数螺旋线l 1"和辅助对数螺旋线l 2'相交于点A1，辅助对数螺旋线l 2"和辅助对数螺旋线l 3'相交于点A2，以此类推，辅助对数螺旋线l n-1"和辅助对数螺旋线l n'相交于点An-1；多锯齿型螺旋槽的轮廓线由线l 1、点O 1、线l 1"、点A1、线l 2'、点O 2、线l 2"、点A2、线l 3'、点O 3、线l 3".....点An-1、线l n'、点O n、线l n所围成。
8.根据权利要求7所述的机械密封环，其特征在于，0°<∣θ∣≤90°，0°<∣γ∣<18°。
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