CN1087061C - 可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是：在旋转环的密封端面上，或者在静止环的密封端面上，或者同时在这两个密封端面上设置两列双叶螺旋槽，一列位于高压侧，即上游，另一列位于低压侧，即下游，这两列螺旋槽之间隔开一定的距离；这两列螺旋槽中的每一个双叶螺旋槽都由两个单叶螺旋槽组成，两个单叶螺旋槽的螺旋角方向相反。本发明适用于各种旋转机械的轴端密封，特别是可双向旋转的干式气体密封。

Description

可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封

技术领域  本发明涉及一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，一种流体动、静压结

  合型非接触式端面密封，用于压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜搅拌器等各种

  旋转机械的轴端密封，特别是可双向旋转的干式气体密封。

背景技术  图1(见美国专利5090712)、图2、图3给出了几种在文献中已有的可双向

   旋转的非接触式端面密封，其中图2和图3主要用于可双向旋转的干式气体密封。

发明内容  本发明的目的在于提供一种新型可双向旋转的非接触式端面密封，特别是可双

向旋转的干式气体密封。

本发明的目的是这样实现的：

一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，由旋转环、静止环等组成，这两个环的密封端面互相贴合并相对滑动，从而构成动密封面，在旋转环的密封端面上，或者在静止环的密封端面上，或者同时在这两个密封端面上，设置两列双叶螺旋槽，一列位于高压侧，即上游，另一列位于低压侧，即下游，上游一列螺旋槽和下游一列螺旋槽当中的每个螺旋槽都是双叶的，即由两个单叶螺旋槽所组成，该密封的特征是：所述两列螺旋槽相隔一定距离，彼此互不衔接，其法向距离t＝1-10mm；所述两个单叶螺旋槽的螺旋角方向是相反的，一个为正值，一个为负值，其范围为0°＜|α|＜90°，最佳范围为|α|＝5 °-35°。螺旋槽的深度S＝0.002-0.2mm。螺旋槽的侧壁型线是除去与密封端面外圆同心的同心圆和通过密封端面中心的径向线段之外的任何曲线和线段。此外，在下游一列螺旋槽的下游还有一未开槽的平面环带，作为节流坝和停车密封。

本发明的优点是：旋转机械无论正向或反向旋转，这两列螺旋槽均将密封流体(如气体)，自高压侧向低压侧泵送，在密封端面之间产生开启力形成密封流体的薄膜，从而实现可双向旋转的非接触式密封，特别是可双向旋转的干式气体密封。

附图说明：

图1，文献中已有的一种可双向旋转的非接触式端面密封。

图2，文献中已有的一种可双向旋转的非接触式端面密封，特别是可双向旋转的干式气体密封。

图3，文献中已有的一种可双向旋转的非接触式端面密封，特别是可双向旋转的干式气体密封。

图4，本发明给出的一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其螺旋槽设置在旋转环密封端面上。

图5，本发明给出的一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其螺旋槽设置在静止环密封端面上。

图6，本发明给出的一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，在旋转环和静止环的密封端面上各设置两列双叶螺旋槽。

图7，在本发明的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封中，密封端面上螺旋槽的一种典型平面形状的示意图。

图8，为图7中双列双叶螺旋槽I的放大图。

图9，为图8中的B-B剖面图。

图10，在本发明的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封中，密封端面上螺旋槽的另一种平面形状的示意图，在该图中特征尺寸D₂＝D₁。

图11，为图10中双列双叶螺旋槽I的放大图。

图12，为图11中的B-B剖面图。

图13，实施本发明的密封端面上螺旋槽平面形状的各种示例图。

图14，本发明中螺旋槽侧壁型线定义的示意图。

在上列附图中符号含义如下：

D_b—密封平衡直径

D₀—旋转环和静止环之间密封带的内直径

D₁—下游一列螺旋槽的内直径

D₂—下游一列螺旋槽内侧壁交点的直径

D₃—下游一列螺旋槽外侧壁交点的直径

D₄—上游一列螺旋槽的内直径

D₅—上游一列螺旋槽的内侧壁交点的直径

D₆—上游一列螺旋槽的外直径

P—上游一列双叶螺旋槽

Q—下游一列双叶螺旋槽

S₁—上游一列和下游一列螺旋槽以其对称轴为界，左侧螺旋槽P₁、Q₁的深度

S₂—上游一列和下游一列螺旋槽以其对称轴为界，右侧螺旋槽P₂、Q₂的深度

t—上游一列螺旋槽的内侧壁与下游一列螺旋槽的外侧壁之间的法向距离

α—螺旋角

下面结合附图所表示的实施例对本发明进行详细说明。

图4为螺旋槽设置在旋转环上的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封结构图。

该密封由旋转环1、静止环2、防转销3、弹簧4、副密封圈5、旋转轴6、轴套7、推环8、壳体9、静密封圈10等组成。旋转环1经轴套7固定在旋转轴6上，与旋转轴6一起旋转，通过弹簧4、推环8、副密封圈5将静止环2推向旋转环1，使静止环和旋转环的密封端面相贴合。由于防转销3的限制，静止环2不能旋转，只能作轴向移动，上述密封零件装在壳体9中。图中L一侧为低压侧，即下游，H为高压侧，即上游，其压力高于下游压力。本发明的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封在旋转环1的密封端面上设置两列螺旋槽P、Q，其槽深为S。无论旋转坏作顺时针旋转还是作逆时针旋转，这两列螺旋槽均将密封流体(例如气体)自高压侧向低压侧泵送，而位D₁与D₀之间的平面环带则起节流作用(参见图8)，并且在停车时起停车密封作用。由于螺旋槽的泵送作以及平面环带的节流作用，在密封端面之间产生一定的开启力，形成流体薄膜(例如气膜)，使密封成为流体动、静压结合型可双向旋转的非接触式端面密封。如果密封流体为气体，则成为可双向旋转的干式气体密封。

图5为根据本发明双列双叶螺旋槽设置在静止环密封端面上的密封结构图。

图6为根据本发明双列双叶螺旋槽同时设置在旋转环和静止环的密封端面上的密封结构图。具体实施方式 根据本发明，图7给出了密封端面上螺旋槽的一种典型平面形状。图8为图7中双列双叶螺旋槽I的放大图，给出了特征尺寸；图9为图8中的B-B剖面图，给出了螺旋槽的深度。如前所述，这些螺旋槽即可以设置在旋转环的密封端面上，也可以设置在静止环的密封端面上，在此假设螺旋槽设置在旋转环密封端面上。两列双叶螺旋槽之间不衔接，其法向距离t＝1-10mm。设该环的正常旋向U为顺时针方向，则上游一列双叶螺旋槽P和下游一列双叶螺旋槽Q中位于对称轴A-A左侧的两列单叶螺旋槽P₁、Q₁对密封流体起自上游向下游的泵送作用，是为主要螺旋槽；反之，当该环作逆时针旋转时，位于对称轴A-A右侧的两列单叶螺旋槽P₂、Q₂则对密封流体起自上游向下游的泵送作用。图中特征尺寸的关系如下：D₆＞D₅，D₂＞D₁，D₄＞D₁，如果形象地描述一下，则可以说上游和下游两列螺旋槽均为“人”字形螺旋槽。位于对称轴A-A两侧的两列单叶螺旋槽的深度S₁、S₂可以是不同的，如图中的实线所示；其深度S₁、S₂也可以是相同的，如左侧的实线和右侧的虚线所示。深度相同的螺旋槽由于是完全对称的，对旋向没有任何选择性。而左右深度不同的螺旋槽则对旋向有一定程度的选择性，如前所述，在图7中给定的旋向下，对称轴A-A左侧的两个单叶螺旋槽P₁、Q₁为主要螺旋槽，其深度S₁较大，而右侧的两个辅助单叶螺旋槽P₂、Q₂的深度S₂则较小。这是出于如下的考虑：对于透平压缩机等旋转机械而言，绝大多数情况下是单向旋转的，只是在极特殊的情况下才会发生人们并不希望的反向旋转，即使发生反向旋转，旋转的时间亦较短，转速一般也低于额定转。因此，主要螺旋槽，例如左侧的槽P₁、Q₁的深度S₁应按额定转速来选择，使其深度在正常旋向额定转速下为最佳深度，例如S₁＝0.002-0.2mm。而右侧的辅助螺旋槽P₂、Q₂则应适合较低速度的反向旋转，故其深度S₂应比S₁来得小。根据实际工况的不同S₂＝(0.2-0.8)S₁。假如该环的正常旋向为逆时针方向，则S₁＝(0.2-0.8)S₂。这样，当机器按正常旋向以额定转速旋转时，其主要螺旋槽的深度为最佳值，而辅助螺旋槽的深度偏离最佳值(小于最佳值)，辅助螺旋槽对主要螺旋槽的干扰较小。反之，当机器以较低的速度作反向旋转时，原来右侧的辅助螺旋槽P₂、Q₂起向下游泵送的主导作用，其深度S₂处于最佳值，而原来左侧的主要螺旋槽P₁、Q₁则起相反的作用，但由于其深度S₁偏离最佳值(大于最佳值)，故其干扰作用亦较小。这样，无论正向旋转或反向旋转，起向下游泵送作用的两列单叶螺旋槽均处于最佳状态，而另两列单叶螺旋槽的干扰则较小，从而使密封端面实现充分的流体膜(例如气膜)润滑，成为非接触式密封。我们可以根据机器的具体运行工况来决定选用等深的还是不等深的螺旋槽。

根据本发明，图10给出了密封端面上螺旋槽的另一种平面形状，它可以认为是图7中给出的平面形状的一种特例，即特征尺寸D₂＝D₁的情况。如果形象地描述一下，则可以说，上游一列双叶螺旋槽为“人”字形，下游一列双叶螺旋槽为“△”形，见图11。关于螺旋槽深度，见图12，该图的说明与图9的说明相似。

图13给出了可实施本发明的密封端面上螺旋槽平面形状的各种示例，现说明如下：(1)中所示螺旋槽的平面形状同图7。(2)中所示螺旋槽的平面形状的特征是：D₅＝D₆，其余同(1)。(3)中所示螺旋槽的平面形状的特征是：D₅＞D₆，形象地描述：上游一列双叶螺旋槽互不衔接，呈“八”字形，其余同(1)。(4)中所示螺旋槽的平面形状同图10，其特征是：下游一列螺旋槽呈“△”形，特征尺寸D₁＝D₂，其余同(1)。(5)中所示螺旋槽的平面形状的特征是：D₅＝D₆，D₁＝D₂，D₄＞D₁。(6)中所示螺旋槽的平面形状的特征是：D₅＞D₆，D₁＝D₂，D₄＞D₁。(7)中所示螺旋槽的平面形状的特征是：D₅＜D₆，D₁＜D₂，D₁＝D₄。(8)中所示螺旋槽的平面形状的特征是：D₅＝D₆，D₁＜D₂，D₁＝D₄。(9)中所示螺旋槽的平面形状的特征是：D₅＞D₆，D₁＜D₂，D₁＝D₄。(10)中所示螺旋槽的平面形状的特征是：D₅＜D₆，D₁＝D₂，D₁＝D₄。(11)中所示螺旋槽的平面形状的特征是：D₅＝D₆，D₁＝D₂，D₁＝D₄。(12)中所示螺旋槽的平面形状的特征是：D₅＞D₆，D₁＝D₂，D₁＝D₄。

图14为关于螺旋槽侧壁型线定义的示意图。

本发明中任一螺旋槽的任一侧壁的型线均可以是除与密封端面外圆同心的同心圆(螺旋角α＝0°)或通过密封端面中心的径向线段(螺旋角α＝90°)以外的任何曲线或线段，例如：对数螺旋线(等角螺旋线)、阿基米德螺旋线、抛物线、双曲线、圆弧线、斜直线、斜折线等等。

螺旋角α是这样定义的：设密封端面上任意一条曲线AB，AB上任意一点P₀，P₀至密封端面圆心O的距离为R，以O为圆心，R为半径作同心圆。由P₀点引该同心圆的切线和AB曲线的切线，两条切线的夹角α即为螺旋角。如果定义向左凸的曲线的螺旋角为正值，如AB曲线在P₀点的螺旋角α为正值，则向右凸的曲线的螺旋角为负值，如A＂B＂曲线在P＂点的螺旋角为负值。A′B′线段在P′点的螺旋角也为正值。在本发明中，螺旋角α的范围是0°＜|α|＜90°。螺旋角可以是恒定的，如对数螺旋线，也可以是变化的。因此，除去与密封端面外圆同心的同心圆和通过密封端面中心的径向线段之外，任何曲线或线段都可以构成螺旋槽的侧壁型线。在本发明中，优先推荐对数螺旋线，其螺旋角的推荐范围为|α|＝5°-35°。

本发明的密封是一种新型可双向旋转的流体动、静压结合型非接触式端面密封，适用于离心压缩机、轴流压缩机、螺杆压缩机、透平膨胀机、离心分离机、泵、反应釜搅拌器等旋转机械的轴端密封，特别适用于可双向旋转的干式气体密封。

Claims (10)

1.一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，由旋转环、静止环等组成；这两个环的密封端面互相贴合并相对滑动，从而构成动密封面；在旋转环密封端面或静止环密封端面中的至少一个上设置两列双叶螺旋槽，一列位于高压侧，即上游，另一列位于低压侧，即下游；上游的一列螺旋槽和下游的一列螺旋槽当中的每个螺旋槽都是双叶的，即由两个单叶螺旋槽所组成；其特征是：所述两列螺旋槽彼此不衔接，相隔一定距离，其法向距离t＝1-10mm；所述两个单叶螺旋槽的螺旋角的方向是相反的，一个为正值，一个为负值，螺旋角α的范围为0°＜|α|＜90°。

2.根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是：上游一列螺旋槽当中的每个双叶螺旋槽的左右两个单叶螺旋槽的内侧壁互相衔接，呈“人”字形，上游一列螺旋槽的外径D6大于或等于上游一列螺旋槽内侧壁交点的直径D5，即螺旋槽的特征尺寸D₆≥D₅。

3.根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是：上游一列螺旋槽当中的每个双叶螺旋槽的左右两个单叶螺旋槽不相衔接，呈“八”字形，上游一列螺旋槽内侧壁交点的直径D5大于上游一列螺旋槽的外径D6，即螺旋槽的特征尺寸D₅＞D₆。

4.据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是：下游一列螺旋槽当中的每个双叶螺旋槽的左右两个单叶螺旋槽的内侧壁互相衔接，呈“人”字形，下游一列螺旋槽内侧壁交点的直径D2大于下游一列螺旋槽的内径D1，即螺旋槽的特征尺寸D₂＞D₁。

5.根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是：下游一列螺旋槽当中的每个双叶螺旋槽的侧壁形状呈“△”，下游一列螺旋槽内侧壁交点的直径D2等于下游一列螺旋槽的内径D1，即螺旋槽的特征尺寸D₂＝D₁。

6.根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是：上游一列螺旋槽的内直径D₄大于下游一列螺旋槽的内直径D₁，即特征尺寸D₄＞D₁。

7.根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是：上游一列螺旋槽的内直径D₄与下游一列螺旋槽的内直径D₁相等，即特征尺寸D₄＝D₁。

8.根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是：所有螺旋槽深度S是相同的，其范围为S＝0.002-0.2mm。

9.根据权利要求1述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是：上游和下游两列螺旋槽当中的双叶螺旋槽以其对称轴为界，左侧单叶螺旋槽的深度S₁与右侧单叶螺旋槽的深度S₂不相等，即S₂＝(0.2-0.8)S₁，或者S₁＝(0.2-0.8)S₂。

10.根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是：任一螺旋槽的任一侧壁的型线可以是除去与密封端面外圆同心的同心圆和通过密封中心的径向线段之外的任何曲线和线段，该线螺旋角的范围是|α|＝5°-35°。

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