一种低泄漏螺旋槽液膜机械密封端面结构的制作方法

本发明涉及一种低泄漏螺旋槽液膜机械密封端面结构，适应于低压工况下的轴端密封，如汽车发动机冷却水泵用水封，风电及潮汐发电机组齿轮增速箱中的轴端密封，也可应用于低压工况下离心泵等其它设备的轴端密封。

背景技术：

在生产实际中存在大量运行于低压工况下的机械密封，如汽车发动机冷却水泵用水封等。此类密封往往存在以下问题：机械密封端面往往难以实现非接触而造成密封端面摩擦磨损严重从而易失效，若实现端面非接触则因密封间隙的存在会产生较大的泄漏。为此在工程或研究中往往采用表面织构技术，通过合理的设计提高机械密封的承载能力来实现端面的非接触从而延长使用寿命，提高泵送回流能力来改善密封性能。

美国专利(us4290611)公开了上游泵送机械密封，提出了上游泵送概念，随后上游泵送技术在机械密封领域得到广泛的应用。美国专利(us5529317和us7194803)公开了具有泵送回流功能的激光脸端面密封，国内专利zl200920043048.5公开了一种具有类似功能的机械密封，结合了上游泵送技术和导流回流技术。虽然上述国内外机械密封专利技术提高了机械密封的密封性能，但仍存在以下问题：虽然采用了上游泵送技术或同时采用了导流回流技术来改善密封性能，但使用条件比较苛刻，承载性能和密封性能协同作用不强。

在液膜润滑机械密封中普遍存在空化现象，而空化现象产生的气泡能减小端面摩擦，实现空化减阻，且空化区由于其较低的液膜压力可导致压差流，将下游侧流体抽吸到密封端面从而改善密封性能(雷列台阶-环槽端面密封机理与性能研究[j].摩擦学学报,2016,36(5):585-591)，故可通过合理的织构设计，应用密封端面的液膜空化进一步改善密封性能。

技术实现要素：

为了克服现有机械密封技术的密封性能不良、液膜承载性能差、在低压工况下实现非接触稳定运行难、启停性能不佳的不足，本发明提供一种在各种复杂工况下易实现低泄漏、摩擦学性能优良、承载性能和稳定性良好、使用寿命长的低泄漏螺旋槽液膜机械密封端面结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种低泄漏螺旋槽液膜机械密封端面结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环或静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环或静环端面的另一侧为低压侧即下游，动环或静环其中之一的端面上设有系列流槽，下游侧设有周向均匀排布的系列反向螺旋槽，中部设有与所述反向螺旋槽贯通的环槽，上游侧设有与所述环槽和介质侧连通的出口，相邻两个所述的出口之间设有系列正向螺旋槽，所述反向螺旋槽与下游侧之间设密封坝，所述环槽与所述正向螺旋槽之间设密封堰。

进一步，所述反向螺旋槽在密封运行时槽根处的液膜具有发散的趋势，反向螺旋槽个数为2～10；反向螺旋槽壁线螺旋角为2°～15°；周向槽台宽比为0.5～10；径向槽坝比为0.25～10，反向螺旋槽与密封坝径向宽度为密封面宽度的1/4～2/3，反向螺旋槽深度为1～50μm。

再进一步，所述环槽径向宽度为0.5～3mm；环槽深度为所述反向螺旋槽深度的1～5倍。

更进一步，所述出口在上游侧呈周期分布，周期数为4、6或8，出口壁线为螺旋线或直线，螺旋角或倾角为30°～45°，周向槽宽为1°～10°，出口深度与所述环槽等深。

优选的，所述正向螺旋槽在密封运行时槽根处的液膜具有收敛的趋势，正向螺旋槽在相邻两出口之间的个数为2～5；正向螺旋槽壁线螺旋角为10°～45°；周向槽台宽比为0.5～3；径向槽坝比为0.25～10，正向螺旋槽与密封堰径向整体宽度为密封面宽度的1/3～2/3，正向螺旋槽深度为1～20μm。

本发明的技术构思为：密封端面液膜的流动是压差流和剪切流的相互平衡。高压介质侧流体由于压差流进入密封端面间隙，由于密封动环的旋转运动产生的剪切流，流体进入上游侧正向螺旋槽，在上游侧正向螺旋槽槽根处由于液膜间隙的收敛性，挤压效应增大，故在上游侧正向螺旋槽出口区域产生高压区。由于下游侧螺旋槽为反向间隙，膜厚的增大导致该区域发生空化，由于空化区的低液膜压力造成的压差流，坝区和堰区的部分流体被抽吸到反向螺旋槽区域，最后通过环槽和出口的导流回流作用将下游侧流体输运到上游侧，在几种型槽的协同作用下形成回流泵送功能。由于较强的泵送回流能力，固体颗粒等可被及时带出密封端面，同时空化区域的摩擦力较低，从而可使得摩擦磨损降低。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)密封环端面下游侧的反向螺旋槽由于其发散性会使润滑液膜产生空化，系列空化区环绕整个密封端面，从而可控制密封端面液膜流动，将下游侧流体抽吸到密封端面反向螺旋槽区域。

(2)空化区的抽吸效应、环槽和出口的导流回流效应的协同作用下形成良好的泵送回流能力，在低压条件下的各种工况下极易实现低泄漏甚至上游泵送。

(3)上游侧正向螺旋槽可产生良好的流体动压效应，提供良好的液膜承载能力，故该密封同时具有优异的密封性能和良好的承载性能。

(4)由于较强的泵送回流能力，固体颗粒等可被及时带出密封端面，同时空化区域的摩擦力较低，从而可使得摩擦磨损降低，进一步延长密封使用寿命。

附图说明

图1是本发明的机械密封端面结构排布示意图，图中标示：1为反向螺旋槽；2为环槽；3为出口；4为正向螺旋槽；51、52、53为密封堰；6为密封坝。

图2是本发明的机械密封开槽端面几何参数示意图。

图3是本发明的机械密封开槽端面深度示意图，图中标示：h1为反向螺旋槽深度，h2为正向螺旋槽深度，ha为环槽和出口深度，h0为密封间隙。

图4是本发明的机械密封开槽端面另一实施案例，出口数为6，出口壁线为直线，直线倾角为3＝30°～45°，反向螺旋槽数为8，相邻出口之间正向螺旋槽数为2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种低泄漏螺旋槽液膜机械密封端面结构，包括机械密封的动环、静环，所述动环或静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环或静环端面的另一侧为低压侧即下游，动环或静环其中之一的端面上设有系列流槽，下游侧设有周向均匀排布的系列反向螺旋槽1，中部设有与所述反向螺旋槽1贯通的环槽2，上游侧设有与所述环槽2和介质侧连通的出口3，所述的相邻两出口3之间设有系列正向螺旋槽4，所述反向螺旋槽1与下游侧之间设密封坝6，所述环槽2与所述正向螺旋槽4之间设密封堰51、52。

所述反向螺旋槽1在密封运行时槽根处的液膜具有发散的趋势，反向螺旋槽1个数为2～10；反向螺旋槽1壁线螺旋角为α1＝2°～15°；周向槽台宽比为γg1/γw1＝0.5～10；径向槽坝比为(rg2-rg1)/(rg1-ri)＝0.25～10，反向螺旋槽1与密封坝6径向宽度为密封面宽度的1/4～2/3，反向螺旋槽1深度为h1＝1～50μm。

所述环槽2径向宽度为0.5～3mm；环槽2深度ha为所述反向螺旋槽1深度h1的1～5倍。

所述出口3在上游侧呈周期分布，周期数为4、6或为8，出口壁线为螺旋线，螺旋角为α3＝30°～45°，周向槽宽为γg3＝1°～10°，出口3深度与所述环槽2等深。

所述正向螺旋槽4在密封运行时槽根处的液膜具有收敛的趋势，正向螺旋槽4在相邻两出口3之间的个数为2～5；正向螺旋槽4壁线螺旋角为α2＝10°～45°；周向槽台宽比为γg2/γw2＝0.5～3；径向槽坝比为(ro-rg3)/(rg3-ra)＝0.25～10，正向螺旋槽4与密封堰51径向整体宽度为密封面宽度的1/3～2/3，正向螺旋槽4深度为h2＝1～20μm。

参照图1，密封端面液膜的流动是压差流和剪切流的相互平衡。高压介质侧流体由于压差流进入密封端面间隙，由于密封动环的旋转运动产生的剪切流，流体进入上游侧正向螺旋槽4，在上游侧正向螺旋槽4槽根处由于间隙的收敛性，挤压效应增大，故在上游侧正向螺旋槽4出口区域产生高压区。由于下游侧螺旋槽1为反向间隙，膜厚的增大导致该区域发生空化，由于空化区的低液膜压力造成的压差流，坝区6和堰区53的部分流体被抽吸到反向螺旋槽1区域，最后通过环槽2和出口3的导流回流作用将下游侧流体输运到上游侧，在几种型槽的协同作用下形成回流泵送功能。由于较强的泵送回流能力，固体颗粒等可被及时带出密封端面，同时空化区域的摩擦力较低，从而可使得摩擦磨损降低。

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够想到的等同技术手段。