強化傳熱型三元彎扭微凸體端面機械密封結構的制作方法

本發明涉及一種旋轉式流體機械的機械端面密封結構，特別涉及一種三元彎扭微凸體端面機械密封結構，用于各種壓縮機、泵和反應釜等旋轉機械設備的軸端密封，特別適用于高速場合或要求端面傳熱性能高的場合，屬于機械端面密封技術領域。

背景技術：

機械端面密封因具有泄漏小，結構簡單，可自動補償磨損等性能優勢而在石油石化、食品醫藥及造紙等行業用旋轉機械上獲得廣泛應用。傳統的普通機械密封在運行時，動靜環密封端面會產生直接接觸，兩相對滑動端面的接觸摩擦生熱可能會導致密封端面變形或熱裂失效，而軟質密封環的不斷磨損限制了密封使用壽命的進一步提高。機械密封適應高參數工況特別是高速工況及高固含量流體的能力較差，往往因產生上述失效問題而導致環境污染、生產裝置停車，甚至危及人命。

為改善現有接觸式機械密封端面摩擦生熱量較大和接觸磨損影響使用壽命的問題，國內外學者開展了大量研究與研制等有關工作。一方面，在密封端面開設各種不同形狀、不同尺度深度的流體動壓槽，發明了干式氣體端面密封(簡稱dgs，見lubricationengineering，1994，50(3):pp215以及us5224714“non-contactingfaceseal”)和上游泵送機械密封(簡稱up-streamms，見lubricationengineering，1990，46(4):pp213以及us4290611“highpressureupstreampumpingsealcombination”)以及圍繞這類密封研制開發的系列新型流體動壓型機械密封，其簡單工作原理是通過端面型槽將流體介質泵入密封端面，并在流體動靜壓的作用下推開端面，使其保持非接觸運行，從而減小端面溫升和降低磨損。但是這種端面上開設型槽的流體動壓型機械密封對固體顆粒的適應能力較差，一旦固體顆粒進入密封端面，仍容易劃傷端面或填充型槽，使密封過早失效。另一方面，利用liga技術在密封端面上加工高縱橫比微結構(highaspectratiosmicrostructures，簡寫為harms)的微凸體密封開始得到國內外學者的關注，如stephens等利用liga技術在軸承和機械密封的承磨表面上加工出均勻分布的harms，發現與普通接觸式機械密封相比能顯著降低端面摩擦熱量，提高密封適應含固體顆粒環境的能力，提高密封的可靠性和使用壽命；中國專利cn1818434a(zl200610049841.7)提出了一種加工有柱狀微凸體結構的耐磨型機械密封，其具有較好的耐磨性，摩擦熱量小。雖然上述這類柱狀的微凸體結構對固體顆粒具有一定的破碎能力，且端面摩擦熱較低，但是其動壓效應較弱，端面上流體的傳熱能力較弱，加上在密封啟停階段不能產生較強的動壓力以保證密封端面足夠的開啟力，從而容易導致密封在啟停過程中容易發生端面碰磨，在高參數機械密封運行過程中易使密封介質產生汽化，造成干磨。

技術實現要素：

為了克服現有接觸式機械密封工作時摩擦生熱大，適應含固體顆粒環境能力不強的不足，克服現有流體動壓型機械密封端面傳熱能力弱，適應固含量介質能力差的特點，本發明提供一種工作時摩擦熱量小，傳熱能力強，耐磨性好，流體動壓效應強，且具有優異啟停特性和運行穩定性的強對流換熱型三元彎扭微凸體端面高速機械密封結構。

本發明的技術方案是：

一種強化傳熱型三元彎扭微凸體端面機械密封結構，其特征在于：所述機械密封的動環或靜環的端面上加工有依照端面中心沿圓周方向排列構成環帶的三元彎扭微凸體，所述三元彎扭微凸體是橫截面形狀呈翼型的微柱體，三元彎扭微凸體上的相鄰兩橫截面之間有相對扭轉，所述同一條微凸體環帶上的微凸體沿端面周向均勻布置；所述三元彎扭微凸體的橫截面的長軸沿所述端面的周向設置，所述的橫截面的短軸沿所述端面的徑向設置，三元彎扭微凸體的橫截面的寬度自迎風側到背風側逐漸增大，所述三元彎扭微凸體的周向側壁自迎風側到背風側逐漸向內彎曲，其中內側的周向側壁的曲率大于外側的周向側壁的曲率，環帶上前一微凸體的背風側端面位于后一微凸體的迎風側端面的內側；相鄰兩排的所述環帶之間形成環向流道，流體經微凸體流入環向流道并在其中產生強渦旋；所述三元彎扭微凸體的相鄰兩排環帶錯位排列以形成徑向大流阻；端面上靠泄漏側設置有環形密封壩，密封壩高度與三元彎扭微凸體的高度相等。

優選地，所述三元彎扭微凸體的入口安裝角取值范圍為：θ＝0～15°；所述三元彎扭微凸體相鄰兩排環帶之間形成的環向流道的徑向間隔為100～500μm，同一環帶相鄰兩個微凸體之間的周向距離為10～50μm。

更優選地，所述三元彎扭微凸體的單體的各向尺寸取值范圍為：周向尺寸l＝500～3000μm，最大徑向尺寸δr＝100～1000μm，高度h＝100～1000μm，微凸體表面粗糙度取值范圍為ra0.8～3.2μm；用作密封端面的微凸體表面粗糙度取值為ra0.05～0.20μm；所述三元彎扭微凸體的前緣和后緣都是圓柱體，其曲率半徑取值范圍分別為：r1＝0～0.05rad，r2＝0.05～1.0rad。

其中，所述三元彎扭微凸體的迎流突緣為其前緣，溢流面突緣為其后緣；所述三元彎扭微凸體的入口安裝角即翼型前緣的中線切線與圓周切線方向的夾角。

本發明所述的內側是指接近端面的中心圓心的一側，外側是指遠離端面中心圓心的一側。

本發明的工作原理是：

采用微納尺度超高精度3d打印技術或超精密磨削加工技術或超精密鏡面電火花技術，在機械密封的密封環端面上加工出周向側壁面為三元彎扭面的三元彎扭微凸體結構。三元彎扭微凸體端面機械密封工作時，密封介質順三元彎扭微凸體入口角泵汲入端面，在周向上流體可以較順暢流動，但是在徑向上由于密封壩或相鄰兩排三元彎扭微凸體環帶很小的徑向間隙或徑向間距，流體在徑向上流動阻力大大增加，從而限制了密封介質的泄漏。由于微凸體的彎扭特征，構成了微凸體對流體的有效泵汲作用，產生了強的流體動壓效應，因此啟停短暫過程中，密封具有良好開啟特性，而且正常運行期間密封同時又具有很好的穩定性。

通過控制密封端面上三元彎扭微凸體的流體入射角或入口安裝角，可以調節流體進入端面的沖擊流動效果；同時通過調節三元彎扭微凸體周向間隔距離、徑向間隔距離和微凸體彎扭程度，并通過三元彎扭微凸體相鄰兩排環帶的錯位排列，可以對進入端面的流體形成周向強傳熱和徑向大流阻，從而強化高參數機械密封的端面傳熱，降低端面間密封液體介質汽化的可能(當密封介質為液體時)，極大地減少流體通過徑向的泄漏；此外，三元彎扭微凸體破碎流體中固體磨料的能力相比于采用liga方法形成規則直棱微柱體或螺旋槽要強，而且通過改變三元彎扭微凸體相鄰兩排環帶的錯位排列，在相鄰兩排環帶三元彎扭微凸體與微凸體之間形成較大空室，因此可以容納更多、更大粒徑的固體磨料，并且在大空室中形成的強蝸旋流作用下逐級排出密封端面。

對于擁有普通直棱柱狀微凸體端面的機械密封結構，在密封環運轉時進入端面的流體介質難以產生流體動壓效應，因此在密封啟停階段，端面難以產生足夠的開啟力以推開密封端面，密封的啟停特性較差。本發明擁有的這種新型三元彎扭微凸體結構的周向側壁為三元彎扭面，其對進入密封端面的流體介質具有很好的導流作用，流體介質順著周向側壁流動時逐漸被壓縮，動壓效應顯著，在密封啟停階段能產生較大的開啟力以使密封端面快速打開，而在密封穩定運行階段也有利于提高端面流體膜剛度，端面流體膜穩定性好。

針對固含量較大或黏度較高的密封介質場合，三元彎扭微凸體之間一般采用較大的周向和徑向間隙，因此在端面的下游側或兩列微凸體環帶之間增設了光滑的環形密封壩，密封壩具有停車密封的作用，并能防止經過微凸體粉碎的固體顆粒進入下游。

本發明的優點和有益效果是：

(1)三元彎扭微凸體的周向側壁為三元彎扭面，這種結構對進入密封端面的流體介質具有較強的導流作用和泵汲效應，流體介質沿著三元彎扭壁面流動時能產生顯著的動壓效應，相較于普通直棱柱狀微凸體結構，在密封啟停時能產生足夠的開啟力以推開密封端面，提高密封的啟停特性，而在密封穩定運行階段能產生更大的流體膜剛度，提高密封的運行穩定性，避免密封端面發生碰磨。

(2)三元彎扭微凸體結構具有混合器葉片功能和強制傳熱功能，因此，一方面相鄰兩橫截面之間具有相對扭轉特征的三元彎扭微凸體對流體介質中所含的固體顆粒具有較強的粉碎作用，不僅微凸體的抗剪切破壞特性得到改善，而且粉碎的固體顆粒能從徑向相鄰兩排三元彎扭微凸體之間的空室中經端面較大的周向流道及時排出，從而提高密封適應含固體顆粒介質的場合，提高端面的耐磨性；另一方面，三元彎扭微凸體環帶之間的間隙有助于強化傳熱，當流體沿微凸體由高壓側向低壓側流動時，進入環帶之間的周向流道會引起流體速度急劇下降，產生渦旋，因此可以及時將密封端面的摩擦熱和粘性剪切熱及時散出，從而減小密封端面溫升，提高密封工作可靠性。

(3)三元彎扭微凸體的相鄰兩排環帶錯位排列，可以形成徑向大流阻，不僅在環帶之間的周向流道中形成高壓區，易使端面之間瞬間脫開形成微米級間隙，而且可以降低泄漏率，改善機械密封的密封能力。

(4)三元彎扭微凸體結構的徑向高度，可以通過超精密加工時獲得控制。沿著密封流體泄漏方向逐漸增加微凸體的高度，使流體均勻進入密封端面的同時，能有效控制泄漏量和固體顆粒流量，提高密封流體膜剛度和密封性。

附圖說明：

圖1是本發明的三維結構示意圖；

圖2是本發明的端面的主視圖。

圖3是圖2的a部的局部放大圖。

圖4是本發明的三元彎扭微凸體單體剖視示意圖及有關參數的定義；

圖5是本發明可采用的其他三元彎扭微凸體單體橫截面幾何剖面示意圖，其中圖5a是對稱型，圖5b是雙凸型，圖5c是平凸型，圖5d是凹凸型，圖5e是特殊面型。

具體實施方式

結合附圖對本發明的實施進一步詳述。

實施例一

參照圖1、2和3、4、5，一種強化傳熱型三元彎扭微凸體端面機械密封結構，所述機械密封的動環或靜環的端面上加工依照端面中心沿圓周方向排列構成環帶2的有三元彎扭微凸體1，所述三元彎扭微凸體1是橫截面形狀呈翼型的微柱體，相鄰兩三元彎扭微凸體1的橫截面之間有相對扭轉，所述同一條微凸體環帶上的每個微凸體都是相對于端面圓心以相同的相對位置布置的，可以改善微凸體的抗剪切破壞特性，提高端面的耐磨性；所述三元彎扭微凸體1的橫截面的長軸沿所述端面的周向設置，所述的橫截面的短軸沿所述端面的徑向設置，三元彎扭微凸體1的橫截面的寬度自迎風側到背風側逐漸增大，三元彎扭微凸體的前緣和后緣都是圓柱面，所述三元彎扭微凸體1的周向側壁自迎風側到背風側逐漸向內彎曲，其中內側的周向側壁的曲率大于外側的周向側壁的曲率，環帶上前一微凸體的背風側端面位于后一微凸體的迎風側端面的內側；相鄰兩排的所述環帶21和22或22和23之間形成環向流道，流體經微凸體流入環向流道并在其中產生強渦旋，可以強化端面的對流換熱能力，減小端面變形；所述三元彎扭微凸體的相鄰兩排環帶21和22或22和23錯位排列以形成徑向大流阻，可以降低泄漏率，改善機械密封的密封能力；密封端面上靠泄漏側設置有環形密封壩3，密封壩3高度與三元彎扭微凸體的高度相等。

所述三元彎扭微凸體的入口安裝角取值范圍為：θ＝0～15°；所述三元彎扭微凸體相鄰兩排環帶之間形成的環向流道的徑向間隔為100～500μm，同一環帶相鄰兩個微凸體之間的周向距離為10～50μm。

所述三元彎扭微凸體的單體的各向尺寸取值范圍為：周向尺寸l＝500～3000μm，徑向尺寸δr＝100～1000μm，高度h＝100～1000μm，微凸體表面粗糙度取值范圍為ra0.8～3.2μm；用作密封端面的微凸體表面粗糙度取值為ra0.05～0.20μm；微凸體的曲率半徑取值范圍分別為：r1＝0～0.05rad，r2＝0.05～1.0rad。

其中，所述三元彎扭微凸體的迎流突緣為其前緣，溢流面突緣為其后緣；所述三元彎扭微凸體的入口安裝角即翼型前緣的中線切線與圓周切線方向的夾角。

密封端面上分布有兩列及以上的環形密封壩，所述環形密封壩與微凸體環帶在端面徑向呈間隔分布。

圖5顯示了本發明可采用的其他三元彎扭微凸體單體橫截面幾何剖面示意圖，其中圖5a是對稱型，圖5b是雙凸型，圖5c是平凸型，圖5d是凹凸型，圖5e是特殊面型。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發明的保護范圍也及于本領域技術人員根據本發明構思所能想到的同等技術手段。