一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环的制作方法

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。

技术实现要素：

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）a₂/ a₁=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l₁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l₂、l₃......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l₁、l₂.....l_n与槽根圆圆弧l_g的交点分别为O₁、O₂......O_n；对数螺旋轮廓线l₁以O₁为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l₁"；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l₁和l_n中间的辅助对数螺旋线l₂、l₃......l_n-1分别以O₂、O₃......O_n-1为圆心逆时针旋转γ角得到辅助对数螺旋线l₂'、l₃'......l_n-1'，辅助对数螺旋线l₂、l₃......l_n-1再以O₂、O₃......O_n-1为圆心顺时针时旋转θ角得到辅助对数螺旋线l₂"、l₃"......l_n-1"；辅助对数螺旋线l₁"和辅助对数螺旋线l₂'相交于点A₁，辅助对数螺旋线l₂"和辅助对数螺旋线l₃'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A_n-1；多锯齿型螺旋槽的轮廓线由线l₁、点O₁、线l₁"、点A₁、线l₂'、点O₂、线l₂"、点A₂、线l₃'、点O₃、线l₃".....点A_n-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）a₂/ a₁=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l₁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l₂和对数螺旋轮廓线l₃，且l₁、l₂、l₃与槽根圆圆弧l_g的交点分别为O₁、O₂、O₃；对数螺旋轮廓线l₁以O₁为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l₁"；对数螺旋轮廓线l₃以O₃为圆心逆时针旋转γ角得到辅助螺旋线l₃'，辅助对数螺旋线l₂以O₂为圆心逆时针旋转γ角得到辅助对数螺旋线l₂'，辅助对数螺旋线l₂再以O₂为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l₂"；辅助对数螺旋线l₁"和辅助对数螺旋线l₂'相交于点A₁，辅助对数螺旋线l₂"和辅助对数螺旋线l₃'相交于点A₂；三锯齿形螺旋槽的轮廓线由线l₁、点O₁、线l₁"、点A₁、线l₂'、点O₂、线l₂"、点A₂、线l₃'、点O₃、线l₃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）a₂/ a₁=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l₁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l₂、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇、l₈和对数螺旋轮廓线l₉，且l₁、l₂、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇、l₈、l₉与槽根圆圆弧l_g的交点分别为O₁、O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇、O₈、O₉；对数螺旋轮廓线l₁以O₁为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l₁"；对数螺旋轮廓线l₉以O₉为圆心逆时针旋转γ角得到辅助螺旋线l₉'，辅助对数螺旋线l₂、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇、l₈以O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇、O₈为圆心逆时针旋转γ角得到辅助对数螺旋线l₂'、l₃'、l₄'、l₅'、l₆'、l₇'、l₈'，辅助对数螺旋线l₂、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇、l₈再以O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇、O₈为圆心顺时针时旋转θ角得到辅助对数螺旋线l₂"、l₃"、l₄"、l₅"、l₆"、l₇"、l₈"；辅助对数螺旋线l₁"和辅助对数螺旋线l₂'相交于点A₁，辅助对数螺旋线l₂"和辅助对数螺旋线l₃'相交于点A₂，辅助对数螺旋线l₃"和辅助对数螺旋线l₄'相交于点A₃，辅助对数螺旋线l₄"和辅助对数螺旋线l₅'相交于点A₄，辅助对数螺旋线l₅"和辅助对数螺旋线l₆'相交于点A₅，辅助对数螺旋线l₆"和辅助对数螺旋线l₇'相交于点A₆，辅助对数螺旋线l₇"和辅助对数螺旋线l₈'相交于点A₇，辅助对数螺旋线l₈"和辅助对数螺旋线l₉'相交于点A₈；九锯齿型螺旋槽的轮廓线由线l₁、点O₁、线l₁"、点A₁、线l₂'、点O₂、线l₂"、点A₂、线l₃'、点O₃、线l₃"、点A₃、线l₄'、点O₄、线l₄"、点A₄、线l₅'、点O₅、线l₅"、点A₅、线l₆'、点O₆、线l₆"、点A₆、线l₇'、点O₇、线l₇"、点A₇、线l₈'、点O₈、线l₈"、点A₈、线l₉'、点O₉、线l₉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。