專利名稱：一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端面密封裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于旋轉軸密封技術領域，特別涉及一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端面密封裝置，這種密封裝置可以用于壓縮機、膨脹劑、泵、反應釜攪拌器等旋轉式機械的旋轉 軸上。
背景技術：
公知的流體動、靜壓合型螺旋槽端面密封裝置，還存在有不足。例如由于其結構中 槽區和堰區采用陡直的臺階狀結構，所以當密封流體中混雜有固體顆粒，有可能堆積在陡 直槽壁形成的臺階處。顆粒的堆積會導致端面微觀形貌、端面壓力分布等環節的改變，從而 造成密封裝置性能不穩定。在端面淺槽型非接觸式動壓機械密封產品中，目前多數采用陡直形式的槽壁設 計，這類設計具有直觀和生成動壓效應能力較強的特點，設計者的基本目的都是為了盡可 能地產生和提高密封端面間的動壓效應，對于一切可能引起動壓效應降低的行為都不可接 受。但該類產品均忽視了被密封介質中不可避免的混有固體雜質顆粒，這些雜質顆粒容易 在陡直槽壁形成的臺階處發生堆積，進而改變密封端面的微觀形貌，造成密封工作狀態偏 離正常要求，甚至釀成密封失效的惡果。
發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種帶有過渡槽壁結構的 螺旋槽端面密封裝置，該裝置能在工作介質中混有固體顆粒的工況下有效避免固體顆粒在 密封端面上堆積的現象，從而具有更加穩定的工作狀態。為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端而密封裝置，設置于旋轉機械的機殼和軸1 之間，包括桶狀的殼體2，殼體2底部開孔，旋轉機械的軸1從孔中穿出，殼體上固定連接靜 止環3，靜止環3帶有密封端面，還包括一個旋轉環4，旋轉環4連接在軸1上且可以繞軸1 轉動，旋轉環4也帶有密封端面，靜止環3的密封端面與旋轉環4的密封端面相貼合，貼合 區域中旋轉環4的密封端面和靜止環3的密封端面至少一個上設置一組帶有過渡槽壁結構 的螺旋槽5，螺旋槽5的槽底面與密封端面平行且槽底面與槽壁面平滑過渡，所述過渡槽壁 結構是指從螺旋槽5的槽底面起隨槽深高度增加螺旋槽5截面面積逐漸增大。所述的螺旋槽5是單列螺旋槽、雙列螺旋槽或者螺旋槽與其他槽型的組合槽中的 一種。所述的螺旋槽5槽底的左右槽壁型線為對數螺旋線、等速螺旋線、斜直線、折線或 偏心的圓弧線中的一種。所述的螺旋槽5的螺旋角可以是恒定的，也可以是變化的，其范圍是0°到90°。所述的螺旋槽5的槽壁面為平面或者曲面。所述的螺旋槽5周向截面上，槽壁是一條過渡曲線，該過渡曲線上任一點法線與槽底面法線的空間角小于45°。所述的螺旋槽5的深度是恒定的，也可以是變化的，深度范圍是0. 001-0. 5mm。在所述的螺旋槽5的高壓側或者低壓側還有一不開槽的平面環帶即密封壩。本發明與現有技術相比，具有以下優點可以避免由于密封端面間的徑向流動和周向流動在垂直壁面夾角處引起的低流 速死角，從而有效避免因流動死角問題引起的固體顆粒堆積現象，因此在工作介質混雜固 體顆粒的工況下，該發明具有更加穩定的性能。
圖1是本發明實施例1的結構示意圖。圖2是本發明實施例2的結構示意圖。圖3是圖1中螺旋槽5的型線示意圖。圖4是圖1中螺旋槽5的平面示意圖。圖5是圖4中的螺旋槽5的放大示意圖。圖6是本發明實施例3中螺旋槽5的平面示意圖。圖7是本發明實施例4中螺旋槽5的平面示意圖。圖8是本發明實施例5的結構示意圖。
圖9是本發明實施例6的結構示意圖。圖10是圖9中螺旋槽5的平面示意圖。圖11是圖9中螺旋槽5的放大示意圖。其中，RO——旋轉環和靜止環之間相互貼合的密封端面的內半徑；Rl——螺旋槽5的內半徑；R2——螺旋槽5的外半徑；R3——旋轉環和靜止環之間相互貼合的密封端面的外半徑；Rb——平衡半徑；h——螺旋槽5深度；H——高壓側，即上游；L——低壓側，即下游；G——螺旋槽5泵汲方向；α —螺旋角；ΑΒ、Α”Β” ——曲線；Α，B，——直線；P，P”——曲線和圓的切點；P，——直線和圓的切點；C——當螺旋槽5在旋轉環端面上時，旋轉環的旋向；D——當螺旋槽5在靜止環端面上時，旋轉環的旋向；UL——在密封端面上的槽壁型線；DL——在螺旋槽5底面上的槽壁型線；
1——軸；2——殼體；3——靜止環；4——旋轉環；5——螺旋槽；6——密封壩。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例詳細說明本發明的實施方式。實施例一如圖1、圖3、圖4和圖5所示，本發明包括桶狀的殼體2，殼體2底部開孔，旋轉機 械的軸1從孔中穿出，殼體2上固定連接靜止環3，靜止環3帶有密封端面，還包括一個旋轉 環4，旋轉環4連接在軸1上且可以繞軸1轉動，旋轉環4也帶有密封端面，靜止環3的密封 端面與旋轉環4的密封端面相貼合，貼合區域中旋轉環4的密封端面上設置一組帶有過渡 槽壁結構的螺旋槽5，螺旋槽5的槽底面與密封端面平行且槽底面與槽壁面平滑過渡，所述 過渡槽壁結構是指從螺旋槽5的槽底面起隨槽深高度增加螺旋槽5截面面積逐漸增大。本實施例中，旋轉環4的密封端面與靜止環3的密封端面相互貼合，前者可以相對 后者轉動，二者的貼合面即為密封端面，密封端面的外側為高壓側即上游H，密封端面的內 側為低壓側即下游L。在旋轉環4的密封端面上設置螺旋槽5。在給定旋向下，螺旋槽5將 密封流體沿箭頭G的方向從上游向下游泵送。此外，在螺旋槽5的內側即低壓側還有一平 面環帶即RO與Rl之間的環帶，起節流和停車密封的作用，可以稱之為密封壩6。圖3為螺旋槽型線圖。螺旋槽5有左右側槽壁，其在密封端面上的型線大致是螺 旋線的，而并非數學上所指的精確的螺旋線，可以是除同心圓與徑向直線以外的任何曲線， 螺旋角既可以是恒定的，又可以是變化的，其范圍是0°到90°。圖4表示密封端面上帶有過渡槽壁結構的螺旋槽5的形狀及位置，其中，密封端面 的外側為高壓側即上游H，密封端面的內側為低壓側即下游L，在密封端面上的槽壁型線為 UL，在槽底的槽壁型線為DL。在螺旋槽5的內側還有一平面環帶即密封壩6，處于Rl與RO 之間，本實施例中，該環的旋轉方向為C向。圖5是圖4中一個螺旋槽5的放大圖，特別示意性地表示了螺旋槽5側壁面與底 面過渡的情況。螺旋槽5側壁面可以是平面，也可以是曲面。在螺旋槽5周向截面上，槽壁 的過渡曲線可以是任意形狀的，既可以是直線也可以是光滑曲線，但要保證過渡曲線的法 線與螺旋槽5底面法線的空間角小于45°。圖4和圖5中的虛線表示旋轉環與靜止環之間密封端面的內、外圓。在圖4和圖 5中螺旋槽5的有效徑向高度是(R3-R1)。本發明中，在螺旋槽5底面上的槽壁型線與陡直形式的螺旋槽5側壁型線相同，組成螺旋槽5的三個側壁均為過渡槽壁結構形式的，即在螺旋槽5的周向截面上，槽壁是一條 過渡曲線，該過渡曲線上任一點法線與槽底面法線的空間角小于45°。從螺旋槽5底面起 隨槽深高度增加螺旋槽5在等深處的截面面積逐漸增大，具有上闊下窄的逐漸收縮的幾何 特點。當密封流體進入螺旋槽5運動時，由于各槽壁面與底面的銜接處過渡都是近似光滑的，不存在結構角度突變造成的流動死角，因而混雜在流體中的固體顆粒不易堆積在螺旋 槽5內。實施例二本實施例與實施例一的區別只在于螺旋槽5設置在靜止環的密封端面上，如圖2 所示。此處與螺旋槽5相對的旋轉環4的旋轉方向為D向，如圖4所示。實施例三本實施例與實施例一的區別只在于在靜止環3的密封端面和旋轉環4的密封端面 上都設置螺旋槽5，兩者上的螺旋槽5在貼合后呈“面對面”的狀態。實施例四
本實施例與實施例一、二、三的結構相同，區別在于密封端面上螺旋槽5的變化， 本例中螺旋槽5是帶有過渡槽壁結構的環形槽與帶有過渡槽壁結構的單列螺旋槽的組合， 如圖6所示。實施例五本實施例與實施例一、二、三的結構相同，區別在于密封端面上螺旋槽5的變化， 本例中螺旋槽5是帶有過渡槽壁結構的環形槽與帶有過渡槽壁結構的雙列螺旋槽的組合， 如圖7所示。實施例六如圖8、圖10和圖11所示，本實施例與實施例一結構的區別只在于此實施例中密 封端面的內側為高壓側即上游H’，而其外側為低壓側即下游L’。在旋轉環的密封端面上設 置螺旋槽5。在給定旋向下，螺旋槽5將密封流體沿箭頭G’的方向從上游向下游泵送。此 夕卜，在螺旋槽5的內側還有一平面環帶，即處于R4與R5之間的環帶即密封壩6，如圖8所
7J\ ο圖10表示密封端面上螺旋槽5的形狀及位置。在該圖中螺旋槽5的有效徑向高 度為(R5-R7)。圖10和圖11中虛線表示旋轉環4與靜止環3之間相貼合的密封端面的內、 外圓。在圖10和圖11中在密封端面上和在槽底的螺旋槽5型線是與旋轉環4開槽相對應 的，此時的旋向為C’ ；在槽底的槽壁型線與陡直形式的螺旋槽5槽壁型線相同，組成螺旋槽 5的三個側壁均為過渡槽壁結構形式的，即在螺旋槽5周向截面上，槽壁是一條過渡曲線， 該過渡曲線上任一點法線與槽底面法線的空間角小于45°。從螺旋槽5底面起隨槽深高度 增加螺旋槽5在等深處的截面面積逐漸增大，形成“上闊下窄”的三維逐漸收斂的螺旋槽結 構。圖11是圖10中一個螺旋槽5的放大圖，特別示意性地表示了螺旋槽5槽壁緩慢 過渡的變化情況。螺旋槽5側壁面可以是平面，也可以是曲面。在螺旋槽5周向截面上，槽 壁的過渡曲線可以是任意形狀的，既可以是直線也可以是曲線，但要保證過渡曲線的法線 與螺旋槽5底面法線的空間角小于45°。實施例七本實施例與實施例四結構的區別只在于螺旋槽5設置在靜止環3的密封端面上， 如圖9所示。本發明中，在槽底的槽壁型線與陡直形式的螺旋槽5槽壁型線相同；組成螺旋槽5 的各個側壁面可以是平面也可以是曲面；在螺旋槽5周向截面上，槽壁是一條過渡曲線，該過渡曲線上任一點法線與槽底面法線的空間角小于45° ；由這樣的槽壁組成的螺旋槽5在 槽深方向具有“上闊下窄”的特點，可以有效降低密封流體中固體顆粒雜質在壁面與底面的 夾角處發生堆積的可能性，有利于密封裝置在密封流體混有固體雜質顆粒的條件下更穩定 地工作。實施本發明的密封總體布局可以有多種形式單密封、面對面式的雙密封、背靠背 式的雙密封、兩級串聯密封、三級串聯密封、雙密封與單密封相組合或單密封與兩級串聯密 封相組合的密封等。如背景技術 中所述，長久以來，技術人員都存在著這樣的一種技術偏見，認為密封 端面間的動壓效應越大越好，任何可能導致密封端面間的動壓效應降低的結構都被視作是 不可接受的，因此絕大多數設計者都忽視了被密封介質中不可避免的含有固體雜質顆粒， 或者雖認識到存在的雜質顆粒，但是難以想到用損失少量的動壓效應來換取密封的工作穩 定性。而本發明中，雖然采用帶過渡槽壁結構的螺旋槽5會造成密封端面間的動壓效應有 較小的損失，但是可以有效降低和避免固體雜質顆粒在槽道中發生堆積的可能性，從而提 高了密封工作的穩定性，取得了意想不到的技術結果，同時也克服了長期以來存在的技術 偏見。而在實驗檢測和理論計算的結果顯示，因此造成的動壓效應損失并未對密封裝置的 整體工作造成實質的影響。
權利要求
一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端面密封裝置，設置于旋轉機械的機殼和軸(1)之間，包括桶狀的殼體(2)，殼體(2)底部開孔，旋轉機械的軸(1)從孔中穿出，殼體(2)上固定連接靜止環(3)，靜止環(3)帶有密封端面，還包括一個旋轉環(4)，旋轉環(4)連接在軸(1)上且可以繞軸(1)轉動，旋轉環(4)也帶有密封端面，靜止環(3)的密封端面與旋轉環(4)的密封端面相貼合，其特征在于貼合區域中旋轉環(4)的密封端面和靜止環(3)的密封端面至少一個上設置一組帶有過渡槽壁結構的螺旋槽(5)，螺旋槽(5)的槽底面與密封端面平行且槽底面與槽壁面平滑過渡，所述過渡槽壁結構是指從螺旋槽(5)的槽底面起隨槽深高度增加螺旋槽(5)截面面積逐漸增大。
2.根據權利要求1所述的一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端面密封裝置，其特征在 于，所述的螺旋槽(5)是單列螺旋槽、雙列螺旋槽或者螺旋槽與其他槽型的組合槽中的一 種。
3.根據權利要求1所述的一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端面密封裝置，其特征在 于，所述的螺旋槽(5)槽底的左右槽壁型線為對數螺旋線、等速螺旋線、斜直線、折線或偏 心的圓弧線中的一種。
4.根據權利要求1所述的一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端面密封裝置，其特征在 于，所述的螺旋槽(5)的螺旋角可以是恒定的，也可以是變化的，其范圍是0°到90°。
5.根據權利要求1所述的一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端面密封裝置，其特征在 于，所述的螺旋槽(5)的槽壁面為平面或者曲面。
6.根據權利要求1所述的一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端面密封裝置，其特征在 于，所述的螺旋槽(5)周向截面上，槽壁是一條過渡曲線，該過渡曲線上任一點法線與槽底 面法線的空間角小于45°。
7.根據權利要求1所述的一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端面密封裝置，其特征在 于，所述的螺旋槽(5)的深度是恒定的，也可以是變化的，深度范圍是0.001-0. 5mm。
8.根據權利要求1所述的一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端面密封裝置，其特征在 于，在所述的螺旋槽(5)的高壓側或者低壓側還有一不開槽的平面環帶即密封壩(6)。
全文摘要
本發明為一種帶有過渡槽壁結構的螺旋槽端面密封裝置，設置于旋轉機械的機殼和軸之間，包括桶狀的殼體，殼體底部開孔，旋轉機械的軸從孔中穿出，殼體上固定連接靜止環，靜止環帶有密封端面，還包括一個旋轉環，旋轉環連接在軸上且可以繞軸轉動，旋轉環也帶有密封端面，靜止環的密封端面與旋轉環的密封端面相貼合，貼合區域中旋轉環的密封端面和靜止環的密封端面至少一個上設置一組帶有過渡槽壁結構的螺旋槽，螺旋槽的槽底面與密封端面平行且槽底面與槽壁面平滑過渡，所述過渡槽壁結構是指從螺旋槽的槽底面起隨槽深高度增加螺旋槽截面面積逐漸增大；該裝置能在工作介質中混有固體顆粒的工況下有效避免固體顆粒在密封端面上堆積的現象，從而具有更加穩定的工作狀態。
文檔編號F16J15/16GK101968117SQ20101028028
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月13日 優先權日2010年9月13日
發明者劉向鋒, 劉瑩, 吳辰紳, 李永健, 王濤, 王玉明, 索雙富, 高志, 黃偉峰 申請人:清華大學