专利名称：可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，一种流体动、静压结合型的非接触式端面密封，用于压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜搅拌器等旋转机械的轴端密封，特别是可双向旋转的干式气体密封。
图1(见美国专利5090712)、图2、图3给出了几种在文献中已有的可双向旋转的非接触式端面密封的密封端面的视图，其中图2和图3主要用于可双向旋转的干式气体密封。
本发明的目的在于提供一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，主要用于可双向旋转的干式气体密封。
本发明的目的是这样实现的一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，位于旋转机械的机壳与旋转轴之间，该密封由壳体、轴套、旋转环、静止环、推环、副密封圈、弹簧、防转销组成，桶状的底部有孔的密封壳体横置于旋转机械的机壳内，密封壳体孔内设有带台阶的旋转轴，壳体与旋转轴之间有-空间，该空间内，旋转轴上固定有轴套，轴套的一个端面与旋转轴台阶之间固定有环形的旋转环，旋转环的一个端面与环形的静止环的一个端面同心地相互贴合，两个相互贴合的端面均为圆环形平面，该圆环形平面构成密封端面，静止环的另一个端面与环形的推环的一个端面同心地相对，两者之间的内孔部位有环形的副密封圈，推环的另一个端面上的弹簧孔和壳体底部内侧的弹簧孔之间有弹簧，壳体底部内侧固定有防转销，防转销的外露部分位于静止环另一端面的销钉孔内，其特征是上述旋转环密封端面和静止环密封端面的至少一个上设置两列双叶螺旋槽，一列位于密封端面的外圆侧，另一列位于密封端面的内孔侧，这两列螺旋槽彼此不衔接，相隔一定距离，其法向距离t=1-10mm；两列螺旋槽当中的每个螺旋槽都是双叶的，即由两个单叶螺旋槽所组成，这两个单叶螺旋槽的螺旋角方向是相反的，一个为正值，一个为负值，螺旋角α的范围为0°＜︱α︳＜90°，位于内孔侧的一列螺旋槽与内孔边缘之间还有一不开槽的平面环带。
本发明的优点是无论旋转机械正向旋转或反向旋转，这两列双叶螺旋槽均将密封流体(如气体)，沿密封端面自高压侧向低压侧泵送，在两个相互贴合的密封端面之间产生开启力，形成密封流体的薄膜，从而实现可双向旋转的非接触式密封，特别是可双向旋转的干式气体密封。
图1，文献中已有的一种可双向旋转的非接触式端面密封的密封端面视图。图2，文献中已有的一种可双向旋转的非接触式端面密封的密封端面视图。图3，文献中已有的一种可双向旋转的非接触式端面密封的密封端面视图。图4，本发明给出的一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封的纵向剖视图。图5，本发明给出的另一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封的纵向剖视图。图6，本发明给出的又一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封的纵向剖视图。图7，密封端面上螺旋槽的一种平面形状的示意图。图8，为图7中双列双叶螺旋槽Ⅰ的放大图。图9，为图8中的B-B剖面图。图10，密封端面上螺旋槽的另一种平面形状的示意图。图11，为图10中双列双叶螺旋槽Ⅰ的放大图。图12，为图11中的B-B剖面图。图13，实施本发明的密封端面上螺旋槽的各种示例图。图14，本发明中螺旋槽侧壁型线定义的示意图。
在上列附图中符号含义如下Db-密封平衡直径D0-旋转环和静止环之间密封带的内直径D1-下游一列螺旋槽的内直径(内孔侧流体压力低，定义为下游)D2-下游一列螺旋槽内侧壁交点的直径D3-下游一列螺旋槽外侧壁交点的直径D4-上游一列螺旋槽的内直径(外圆侧流体压力高，定义为上游)D5-上游一列螺旋槽的内侧壁交点的直径D6-上游-列螺旋槽的外直径P-上游一列双叶螺旋槽P1-上游左侧单叶螺旋槽P2-上游右侧单叶螺旋槽Q-下游一列双叶螺旋槽Q1-下游左侧单叶螺旋槽Q2-下游右侧单叶螺旋槽S1-上游一列和下游一列螺旋槽以其对称轴为界，左侧单叶螺旋槽P1、Q1的深度S2-上游一列和下游一列螺旋槽以其对称轴为界，右侧单叶螺旋槽P2、Q2的深度t-上游一列螺旋槽的内侧壁与下游一列螺旋槽的外侧壁之间的法向距离α-螺旋角
以下结合附图所表示的实施例对本发明进行详细说明。
图4为一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封的纵向剖视图，螺旋槽设置在旋转环密封端面上。该密封位于旋转机械的机壳与旋转轴之间，由旋转环1、静止环2、防转销3、弹簧4、副密封圈5、旋转轴6、轴套7、推环8、壳体9、静密封圈10组成。桶状的底部有孔的密封壳体9横置于旋转机械的机壳(未画出)内，密封壳体的孔22内设有带台阶的旋转轴6，壳体9与旋转轴6之间有一空间，该空间内，旋转轴6上固定有轴套7，轴套7的一个端面11与旋转轴台阶12之间固定有环形的旋转环1，使得旋转环1与旋转轴6一起旋转，旋转环1的一个端面13与环形的静止环2的一个端面14同心地相互贴合，两个相互贴合的端面13、14均为圆环形平面，该圆环形平面构成密封端面，静止环2的另一个端面15与环形的推环8的一个端面16同心地相对，两者之间的内孔部位有环形的副密封圈5，推环8的另一个端面17上的弹簧孔18和壳体9底部的弹簧孔19之间有弹簧4，沿圆周方向有多个弹簧4压住推环8，进而压住静止环2，使得静止环的密封端面14与旋转环的密封端面13保持贴合，壳体9内侧底部20上固定有防转销3，防转销3的外露部分位于静止环2的另一端面15的销钉孔21内，使得静止环2不能旋转，只能作轴向移动，其特征是上述旋转环密封端面13和静止环密封端面14的至少一个上设置两列双叶螺旋槽，一列P位于密封端面的外圆侧，另一列Q位于密封端面的内孔侧，这两列螺旋槽彼此不衔接，相隔一定距离，其法向距离t=1-10mm；两列螺旋槽当中的每个螺旋槽都是双叶的，即由两个单叶螺旋槽所组成，如P1、P2(参见图7)，这两个单叶螺旋槽P1、P2的侧壁型线的螺旋角方向是相反的，一个为正值，一个为负值，螺旋槽侧壁型线可以是现有的曲线和线段，例如对数螺旋线(等角螺旋线)、阿基米德螺旋线、抛物线、双曲线、圆弧线、斜直线、斜折线。在本发明中，螺旋角α的范围是0°＜︱α︳＜90°。螺旋角可以是恒定的，如对数螺旋线，也可以是变化的，如抛物线，在本发明中，优先推荐对数螺旋线，其螺旋角的推荐范围为︱α︳=5°-35°。但是，与密封端面外圆同心的同心圆(螺旋角α=0°)或通过密封端面中心的径向线段(螺旋角α=90°)不能作为侧壁型线。图中L一侧为低压流体侧，即下游；H为高压流体侧，即上游，其压力高于下游压力。本发明的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封在旋转环1的密封端面上设置两列螺旋槽P、Q，其槽深为S，每个双叶螺旋槽以其对称轴为界，左侧单叶螺旋槽深度S1与右侧单叶螺旋槽深度S2相等，槽深范围是0．002-0．2mm；也可以不相等，即S2=(0．2-0．8)S1。无论旋转环1作顺时针还是作逆时针旋转，这两列螺旋槽均将密封流体(例如气体)沿密封端面自高压侧H向低压侧L泵送，而位于D1与D0之间的平面环带则起节流作用(参见图8)，并且在停车时起停车密封作用。由手螺旋槽的泵送作以及平面环带的节流作用，在密封端面之间产生一定的开启力，形成流体薄膜(例如气膜)，使密封成为流体动、静压结合型可双向旋转的非接触式端面密封。如果密封流体为气体，则成为可双向旋转的干式气体密封。
图5为本发明给出的另一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封的纵向剖视图，双列双叶螺旋槽设置在静止环密封端面上。其余说明部分同图4的说明。
图6为本发明给出的又一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封的纵向剖视图，双列双叶螺旋槽同时设置在旋转环和静止环的密封端面上。其余说明部分同图4的说明。
图7给出了密封端面上螺旋槽的一种典型平面形状。图8为图7中双列双叶螺旋槽Ⅰ的放大图，给出了特征尺寸D0-密封端面的内直径、D1-下游螺旋槽的内直径、D2-下游螺旋槽内侧壁交点直径、D3-下游螺旋槽外侧壁交点直径、D4-上游螺旋槽内直径、D5-上游螺旋槽内侧壁交点直径、D6-上游螺旋槽外直径。图9为图8中的B-B剖面图，给出了螺旋槽的深度S1、S2。如前所述，这些螺旋槽即可以设置在旋转环的密封端面上，也可以设置在静止环的密封端面上，在此假设螺旋槽设置在旋转环密封端面上。两列双叶螺旋槽之间不衔接，其法向距离t=1-10mm。设该环的正常旋向U为顺时针方向，则上游一列双叶螺旋槽P和下游一列双叶螺旋槽Q中位于对称轴A-A左侧的两列单叶螺旋槽P1、Q1对密封流体起自上游向下游的泵送作用，是为主要螺旋槽；反之，当该环作逆时针旋转时，位于对称轴A-A右侧的两列单叶螺旋槽P2、Q2则对密封流体起自上游向下游的泵送作用。图中特征尺寸的关系如下D6＞D5，D2＞D1，D4＞D1，如果形象地描述一下，则可以说上游和下游两列螺旋槽均为“人”字形螺旋槽。位于对称轴A-A两侧的两列单叶螺旋槽的深度S1(即a与b、d与c之间的深度)S2(即e与f、h与g之间的深度)可以是不同的，如图中的实线所示；其深度S1、S2也可以是相同的，如左侧的实线和右侧的虚线所示。深度相同的螺旋槽由于是完全对称的，对旋向没有任何选择性。而左右深度不同的螺旋槽则对旋向有一定程度的选择性如前所述，在图7中给定的旋向下，对称轴A-A左侧的两个单叶螺旋槽P1、Q1为主要螺旋槽，其深度S1较大，而右侧的两个辅助单叶螺旋槽P2、Q2的深度S2则较小。这是出于如下的考虑对于透平压缩机等旋转机械而言，绝大多数情况下是单向旋转的，只是在极特殊的情况下才会发生人们并不希望的反向旋转，即使发生反向旋转，旋转的时间亦较短，转速一般也低于额定转速，因此，主要螺旋槽，例如左侧的槽P1、Q1的深度S1应按额定转速来选择，使其深度在正常旋向额定转速下为最佳深度，例如S1=0．002-0．2mm。而右侧的辅助螺旋槽P2O2则应适合较低速度的反向旋转，故其深度S2应比S1来得小。根据实际工况的不同S2=(0．2-0．8)S1。假如该环的正常旋向为逆时针方向，则S1=(0．2-0．8)S2。这样，当机器按正常旋向以额定转速旋转时，其主要螺旋槽的深度为最佳值，而辅助螺旋槽的深度偏离最佳值(小于最佳值)，辅助螺旋槽对主要螺旋槽的干扰较小。反之，当机器以较低的速度作反向旋转时，原来右侧的辅助螺旋槽P2、Q2起向下游泵送的主导作用，其深度S2处于最佳值，而原来左侧的主要螺旋槽P1、Q1则起相反的作用，但由于其深度S1偏离最佳值(大于最佳值)，故其干扰作用亦较小。这样，无论正向旋转或反向旋转，起向下游泵送作用的两列单叶螺旋槽均处于最佳状态，而另两列单叶螺旋槽的干扰则较小，从而使密封端面实现充分的流体膜(例如气膜)润滑，成为非接触式密封。我们可以根据机器的具体运行工况来决定选用等深的，还是不等深的螺旋槽。
根据本发明，图10给出了密封端面上螺旋槽的另一种平面形状，它可以认为是图7中给出的平面形状的一种特例，即特征尺寸D2=D1的情况。如果形象地描述一下，则可以说，上游一列双叶螺旋槽为“人”字形，下游一列双叶螺旋槽为“△”形，见图11。关于螺旋槽深度，见图12，该图的说明与图9的说明相似。
图13给出了可实施本发明的密封端面上螺旋槽平面形状的各种示例，现说明如下(1)中所示螺旋槽的平面形状同图7。(2)中所示螺旋槽的平面形状的特征是D5=D6，其余同(1)。(3)中所示螺旋槽的平面形状的特征是D5＞D6，形象地描述上游一列双叶螺旋槽互不衔接，呈“八”字形，其余同(1)。(4)中所示螺旋槽的平面形状同图10，其特征是下游一列螺旋槽呈“△”形，特征尺寸D1=D2，其余同(1)。(5)中所示螺旋槽的平面形状的特征是D5=D6，D1=D2，D4＞D1。(6)中所示螺旋槽的平面形状的特征是D5＞D6，D1=D2，D4＞D1。(7)中所示螺旋槽的平面形状的特征是D5＜D6，D1＜D2，D1=D4。(8)中所示螺旋槽的平面形状的特征是D5=D6，D1＜D2，D1=D4。(9)中所示螺旋槽的平面形状的特征是D5＞D6，D1＜D2，D1=D4。(10)中所示螺旋槽的平面形状的特征是D5＜D6，D1=D2，D1=D4。(11)中所示螺旋槽的平面形状的特征是D5=D6，D1=D2，D1=D4。(12)中所示螺旋槽的平面形状的特征是D5＞D6，D1=D2，D1=D4。
图14为关于螺旋槽侧壁型线定义的示意图。
螺旋角α是这样定义的设密封端面上任意一条曲线AB，AB上任意一点P1．P1至密封端面圆心O的距离为R，以O为圆心，R为半径作同心圆。由P0点引该同心圆的切线和AB曲线的切线，两条切线的夹角α即为螺旋角。如果定义向左凸的曲线的螺旋角为正值，如AB曲线在P0点的螺旋角α为正值，则向右凸的由线的螺旋角为负值，如A“B”曲线在P＂点的螺旋角为负值。A′B′线段在P′点的螺旋角也为正值。
本发明的密封是一种新型可双向旋转的流体动、静压结合型非接触式端面密封，适用于离心压缩机、轴流压缩机、螺杆压缩机、透平膨胀机、离心分离机、泵、反应釜搅拌器等旋转机械的轴端密封，特别适用于可双向旋转的干式气体密封。
权利要求1．一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，位于旋转机械的机壳与旋转轴之间，该密封由壳体、轴套、旋转环、静止环、推环、副密封圈、弹簧、防转销组成，桶状的底部有孔的密封壳体横置于旋转机械的机壳内，密封壳体孔内设有带台阶的旋转轴，壳体与旋转轴之间有一空间，该空间内，旋转轴上固定有轴套，轴套的一个端面与旋转轴台阶之间固定有环形的旋转环，旋转环的一个端面与环形的静止环的一个端面同心地相互贴合，两个相互贴合的端面均为圆环形平面，该圆环形平面构成密封端面，静止环的另一个端面与环形的推环的一个端面同心地相对，两者之间的内孔部位有环形的副密封圈，推环的另一个端面上的弹簧孔和壳体内侧底部的弹簧孔之间有弹簧，壳体内侧底部固定有防转销，防转销的外露部分位于静止环另一端面的销钉孔内，其特征是上述旋转环密封端面和静止环密封端面的至少一个上设置两列双叶螺旋槽，一列位于密封端面的外圆侧，另一列位于密封端面的内孔侧，这两列螺旋槽彼此不衔接，相隔一定距离，其法向距离t=1-10mm；两列螺旋槽当中的每个螺旋槽都是双叶的，即由两个单叶螺旋槽组成，这两个单叶螺旋槽侧壁型线的螺旋角方向相反，一个为正值，一个为负值，螺旋角α的范围为0°＜︱α︳＜90°，位于内孔侧的一列螺旋槽与内孔边缘之间还有一不开槽的平面环带。
2．根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是密封端面外圆侧的一列螺旋槽当中，每个双叶螺旋槽的左右两个单叶螺旋槽的内侧壁互相衔接，呈“人”字形，即螺旋槽的特征尺、寸d6≥d5。
3．根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是密封端面外圆侧的一列螺旋槽当中，每个双叶螺旋槽的左右两个单叶螺旋槽不相衔接，呈“八”字形，即螺旋槽的特征尺、d5＞d6。
4．根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是密封端面内孔侧的一列螺旋槽当中，每个双叶螺旋槽的左右两个单叶螺旋槽的内侧壁互相衔接，呈“人”字形，即螺旋槽的特征尺寸d2＞d1。
5．根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是密封端面内孔侧的一列螺旋槽当中，每个双叶螺旋槽的侧壁形状呈“△”，即螺旋槽的特征尺寸d2=d1。
6．根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是密封端面外圆侧一列螺旋槽的内直径大于内孔侧一列螺旋槽的内直径，即特征尺寸d4＞d1。
7．根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是密封端面外圆侧一列螺旋槽的内直径与内孔侧一列螺旋槽的内直径相等，即特征尺寸d4=d1。
8．根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是所有螺旋槽深度S是相同的，其范围为S=0．002-0．2mm。
9．根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是密封端面外圆侧和内孔侧的双叶螺旋槽以其对称轴为界，对称轴一侧的单叶螺旋槽的深度S1与另一侧的单叶螺旋槽的深度S2不相等，即S2=(0．2-0．8)S1。
10．根据权利要求1所述的可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封，其特征是任一螺旋槽的任一侧壁的型线可以是现有的曲线和线段，这些线的螺旋角范围是0°＜︱α︳＜90°，其推荐范围是︱α︳=5 °-35 °。
专利摘要一种可双向旋转的双列双叶螺旋槽端面密封,在旋转环密封端面和静止环密封端面的至少一个上设置两列双叶螺旋槽,一列位于密封端面的外圆侧,另一列位于密封端面的内孔侧,两列螺旋槽彼此不衔接,每个螺旋槽都是双叶的,即由两个单叶螺旋槽组成,两个单叶螺旋槽侧壁型线的螺旋角方向相反,一个为正值,一个为负值,螺旋角α的范围为0°<|α|<90°,位于内孔侧的一列螺旋槽与内孔边缘之间还有一不开槽的平面环带。
文档编号F16J15/46GK2413095SQ9821831
公开日2001年1月3日 申请日期1998年8月13日 优先权日1998年8月13日
发明者王玉明 申请人:王玉明