一种带有过渡槽壁结构的螺旋槽端面密封装置

摘要

本发明为一种带有过渡槽壁结构的螺旋槽端面密封装置，设置于旋转机械的机壳和轴之间，包括桶状的壳体，壳体底部开孔，旋转机械的轴从孔中穿出，壳体上固定连接静止环，静止环带有密封端面，还包括一个旋转环，旋转环连接在轴上且可以绕轴转动，旋转环也带有密封端面，静止环的密封端面与旋转环的密封端面相贴合，贴合区域中旋转环的密封端面和静止环的密封端面至少一个上设置一组带有过渡槽壁结构的螺旋槽，螺旋槽的槽底面与密封端面平行且槽底面与槽壁面平滑过渡，所述过渡槽壁结构是指从螺旋槽的槽底面起随槽深高度增加螺旋槽截面面积逐渐增大；该装置能在工作介质中混有固体颗粒的工况下有效避免固体颗粒在密封端面上堆积的现象，从而具有更加稳定的工作状态。

说明书

技术领域

本发明属于旋转轴密封技术领域，特别涉及一种带有过渡槽壁结构的螺旋槽端面密封装置，这种密封装置可以用于压缩机、膨胀剂、泵、反应釜搅拌器等旋转式机械的旋转轴上。 

背景技术

公知的流体动、静压合型螺旋槽端面密封装置，还存在有不足。例如由于其结构中槽区和堰区采用陡直的台阶状结构，所以当密封流体中混杂有固体颗粒，有可能堆积在陡直槽壁形成的台阶处。颗粒的堆积会导致端面微观形貌、端面压力分布等环节的改变，从而造成密封装置性能不稳定。 

在端面浅槽型非接触式动压机械密封产品中，目前多数采用陡直形式的槽壁设计，这类设计具有直观和生成动压效应能力较强的特点，设计者的基本目的都是为了尽可能地产生和提高密封端面间的动压效应，对于一切可能引起动压效应降低的行为都不可接受。但该类产品均忽视了被密封介质中不可避免的混有固体杂质颗粒，这些杂质颗粒容易在陡直槽壁形成的台阶处发生堆积，进而改变密封端面的微观形貌，造成密封工作状态偏离正常要求，甚至酿成密封失效的恶果。 

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种带有过渡槽壁结构的螺旋槽端面密封装置，该装置能在工作介质中混有固体颗粒的工况下有效避免固体颗粒在密封端面上堆积的现象，从而具有更加稳定的工作状态。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 

一种带有过渡槽壁结构的螺旋槽端而密封装置，设置于旋转机械的机壳和 轴1之间，包括桶状的壳体2，壳体2底部开孔，旋转机械的轴1从孔中穿出，壳体上固定连接静止环3，静止环3带有密封端面，还包括一个旋转环4，旋转环4连接在轴1上且可以绕轴1转动，旋转环4也带有密封端面，静止环3的密封端面与旋转环4的密封端面相贴合，贴合区域中旋转环4的密封端面和静止环3的密封端面至少一个上设置一组带有过渡槽壁结构的螺旋槽5，螺旋槽5的槽底面与密封端面平行且槽底面与槽壁面平滑过渡，所述过渡槽壁结构是指从螺旋槽5的槽底面起随槽深高度增加螺旋槽5截面面积逐渐增大。 

所述的螺旋槽5是单列螺旋槽、双列螺旋槽或者螺旋槽与其他槽型的组合槽中的一种。 

所述的螺旋槽5槽底的左右槽壁型线为对数螺旋线、等速螺旋线、斜直线、折线或偏心的圆弧线中的一种。 

所述的螺旋槽5的螺旋角可以是恒定的，也可以是变化的，其范围是0°到90°。 

所述的螺旋槽5的槽壁面为平面或者曲面。 

所述的螺旋槽5周向截面上，槽壁是一条过渡曲线，该过渡曲线上任一点法线与槽底面法线的空间角小于45°。 

所述的螺旋槽5的深度是恒定的，也可以是变化的，深度范围是0.001--0.5mm。 

在所述的螺旋槽5的高压侧或者低压侧还有一不开槽的平面环带即密封坝。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点： 

可以避免由于密封端面间的径向流动和周向流动在垂直壁面夹角处引起的低流速死角，从而有效避免因流动死角问题引起的固体颗粒堆积现象，因此在工作介质混杂固体颗粒的工况下，该发明具有更加稳定的性能。 

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。 

图2是本发明实施例2的结构示意图。 

图3是图1中螺旋槽5的型线示意图。 

图4是图1中螺旋槽5的平面示意图。 

图5是图4中的螺旋槽5的放大示意图。 

图6是本发明实施例3中螺旋槽5的平面示意图。 

图7是本发明实施例4中螺旋槽5的平面示意图。 

图8是本发明实施例5的结构示意图。 

图9是本发明实施例6的结构示意图。 

图10是图9中螺旋槽5的平面示意图。 

图11是图9中螺旋槽5的放大示意图。 

其中， 

R0——旋转环和静止环之间相互贴合的密封端面的内半径； 

R1——螺旋槽5的内半径； 

R2——螺旋槽5的外半径； 

R3——旋转环和静止环之间相互贴合的密封端面的外半径； 

Rb——平衡半径； 

h——螺旋槽5深度； 

H——高压侧，即上游； 

L——低压侧，即下游； 

G——螺旋槽5泵汲方向； 

α——螺旋角； 

AB、A”B”——曲线； 

A’B’——直线； 

P，P”——曲线和圆的切点； 

P’——直线和圆的切点； 

C——当螺旋槽5在旋转环端面上时，旋转环的旋向； 

D——当螺旋槽5在静止环端面上时，旋转环的旋向； 

UL——在密封端面上的槽壁型线； 

DL——在螺旋槽5底面上的槽壁型线； 

1——轴； 

2——壳体； 

3——静止环； 

4——旋转环； 

5——螺旋槽； 

6——密封坝。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。 

实施例一 

如图1、图3、图4和图5所示，本发明包括桶状的壳体2，壳体2底部开孔，旋转机械的轴1从孔中穿出，壳体2上固定连接静止环3，静止环3带有密封端面，还包括一个旋转环4，旋转环4连接在轴1上且可以绕轴1转动，旋转环4也带有密封端面，静止环3的密封端面与旋转环4的密封端面相贴合，贴合区域中旋转环4的密封端面上设置一组带有过渡槽壁结构的螺旋槽5，螺旋槽5的槽底面与密封端面平行且槽底面与槽壁面平滑过渡，所述过渡槽壁结构是指从螺旋槽5的槽底面起随槽深高度增加螺旋槽5截面面积逐渐增大。 

本实施例中，旋转环4的密封端面与静止环3的密封端面相互贴合，前者可以相对后者转动，二者的贴合面即为密封端面，密封端面的外侧为高压侧即上游H，密封端面的内侧为低压侧即下游L。在旋转环4的密封端面上设置螺旋槽5。在给定旋向下，螺旋槽5将密封流体沿箭头G的方向从上游向下游泵送。此外，在螺旋槽5的内侧即低压侧还有一平面环带即R0与R1之间的环带，起节流和停车密封的作用，可以称之为密封坝6。 

图3为螺旋槽型线图。螺旋槽5有左右侧槽壁，其在密封端面上的型线大 致是螺旋线的，而并非数学上所指的精确的螺旋线，可以是除同心圆与径向直线以外的任何曲线，螺旋角既可以是恒定的，又可以是变化的，其范围是0°到90°。 

图4表示密封端面上带有过渡槽壁结构的螺旋槽5的形状及位置，其中，密封端面的外侧为高压侧即上游H，密封端面的内侧为低压侧即下游L，在密封端面上的槽壁型线为UL，在槽底的槽壁型线为DL。在螺旋槽5的内侧还有一平面环带即密封坝6，处于R1与R0之间，本实施例中，该环的旋转方向为C向。 

图5是图4中一个螺旋槽5的放大图，特别示意性地表示了螺旋槽5侧壁面与底面过渡的情况。螺旋槽5侧壁面可以是平面，也可以是曲面。在螺旋槽5周向截面上，槽壁的过渡曲线可以是任意形状的，既可以是直线也可以是光滑曲线，但要保证过渡曲线的法线与螺旋槽5底面法线的空间角小于45°。 

图4和图5中的虚线表示旋转环与静止环之间密封端面的内、外圆。在图4和图5中螺旋槽5的有效径向高度是(R3-R1)。 

本发明中，在螺旋槽5底面上的槽壁型线与陡直形式的螺旋槽5侧壁型线相同，组成螺旋槽5的三个侧壁均为过渡槽壁结构形式的，即在螺旋槽5的周向截面上，槽壁是一条过渡曲线，该过渡曲线上任一点法线与槽底面法线的空间角小于45°。从螺旋槽5底面起随槽深高度增加螺旋槽5在等深处的截面面积逐渐增大，具有上阔下窄的逐渐收缩的几何特点。当密封流体进入螺旋槽5运动时，由于各槽壁面与底面的衔接处过渡都是近似光滑的，不存在结构角度突变造成的流动死角，因而混杂在流体中的固体颗粒不易堆积在螺旋槽5内。 

实施例二 

本实施例与实施例一的区别只在于螺旋槽5设置在静止环的密封端面上，如图2所示。此处与螺旋槽5相对的旋转环4的旋转方向为D向，如图4所示。 

实施例三 

本实施例与实施例一的区别只在于在静止环3的密封端面和旋转环4的密封端面上都设置螺旋槽5，两者上的螺旋槽5在贴合后呈“面对面”的状态。 

实施例四 

本实施例与实施例一、二、三的结构相同，区别在于密封端面上螺旋槽5的变化，本例中螺旋槽5是带有过渡槽壁结构的环形槽与带有过渡槽壁结构的单列螺旋槽的组合，如图6所示。 

实施例五 

本实施例与实施例一、二、三的结构相同，区别在于密封端面上螺旋槽5的变化，本例中螺旋槽5是带有过渡槽壁结构的环形槽与带有过渡槽壁结构的双列螺旋槽的组合，如图7所示。 

实施例六 

如图8、图10和图11所示，本实施例与实施例一结构的区别只在于此实施例中密封端面的内侧为高压侧即上游H’，而其外侧为低压侧即下游L’。在旋转环的密封端面上设置螺旋槽5。在给定旋向下，螺旋槽5将密封流体沿箭头G’的方向从上游向下游泵送。此外，在螺旋槽5的内侧还有一平面环带，即处于R4与R5之间的环带即密封坝6，如图8所示。 

图10表示密封端面上螺旋槽5的形状及位置。在该图中螺旋槽5的有效径向高度为(R5-R7)。图10和图11中虚线表示旋转环4与静止环3之间相贴合的密封端面的内、外圆。在图10和图11中在密封端面上和在槽底的螺旋槽5型线是与旋转环4开槽相对应的，此时的旋向为C’；在槽底的槽壁型线与陡直形式的螺旋槽5槽壁型线相同，组成螺旋槽5的三个侧壁均为过渡槽壁结构形式的，即在螺旋槽5周向截面上，槽壁是一条过渡曲线，该过渡曲线上任一点法线与槽底面法线的空间角小于45°。从螺旋槽5底面起随槽深高度增加螺旋槽5在等深处的截面面积逐渐增大，形成“上阔下窄”的三维逐渐收敛的螺旋槽结构。 

图11是图10中一个螺旋槽5的放大图，特别示意性地表示了螺旋槽5 槽壁缓慢过渡的变化情况。螺旋槽5侧壁面可以是平面，也可以是曲面。在螺旋槽5周向截面上，槽壁的过渡曲线可以是任意形状的，既可以是直线也可以是曲线，但要保证过渡曲线的法线与螺旋槽5底面法线的空间角小于45°。 

实施例七 

本实施例与实施例四结构的区别只在于螺旋槽5设置在静止环3的密封端面上，如图9所示。 

本发明中，在槽底的槽壁型线与陡直形式的螺旋槽5槽壁型线相同；组成螺旋槽5的各个侧壁面可以是平面也可以是曲面；在螺旋槽5周向截面上，槽壁是一条过渡曲线，该过渡曲线上任一点法线与槽底面法线的空间角小于45°；由这样的槽壁组成的螺旋槽5在槽深方向具有“上阔下窄”的特点，可以有效降低密封流体中固体颗粒杂质在壁面与底面的夹角处发生堆积的可能性，有利于密封装置在密封流体混有固体杂质颗粒的条件下更稳定地工作。 

实施本发明的密封总体布局可以有多种形式：单密封、面对面式的双密封、背靠背式的双密封、两级串联密封、三级串联密封、双密封与单密封相组合或单密封与两级串联密封相组合的密封等。 

如背景技术中所述，长久以来，技术人员都存在着这样的一种技术偏见，认为密封端面间的动压效应越大越好，任何可能导致密封端面间的动压效应降低的结构都被视作是不可接受的，因此绝大多数设计者都忽视了被密封介质中不可避免的含有固体杂质颗粒，或者虽认识到存在的杂质颗粒，但是难以想到用损失少量的动压效应来换取密封的工作稳定性。而本发明中，虽然采用带过渡槽壁结构的螺旋槽5会造成密封端面间的动压效应有较小的损失，但是可以有效降低和避免固体杂质颗粒在槽道中发生堆积的可能性，从而提高了密封工作的稳定性，取得了意想不到的技术结果，同时也克服了长期以来存在的技术偏见。而在实验检测和理论计算的结果显示，因此造成的动压效应损失并未对密封装置的整体工作造成实质的影响。