专利名称：螺旋槽端面密封装置的制作方法
技术领域：
本发明属于旋转轴的端面密封装置，特别涉及一种螺旋槽端面密封装置，这种密封装置可以用于压缩机、膨胀机、泵、反应釜搅拌器等旋转式机械的旋转轴上。
中国专利90101737．x、美国专利5，201，531公开了一种流体动压型双列螺旋槽端面密封装置。其共同特征是位于高压流体侧，即上游的螺旋槽的径向高度小于位于低压流体侧，即下游的螺旋槽的径向高度。在给定的旋向下，上游一列螺旋槽将密封流体向下游泵送，而下游一列螺旋槽则将密封流体向上游泵送。下游一列螺旋槽的径向高度必须足够大，以使所产生的泵汲压差能平衡上游一列螺旋槽所产生的泵汲压差与密封端面内外两侧流体压差之和。也就是说，这两列螺旋槽所产生的泵汲压差必须与密封端面内外两侧流体压差相平衡，因此，确保理论上密封流体的泄漏量为零。但是，这类密封装置仅适用于密封端面两侧流体的压差较小，而且密封流体的粘度较高的工况下。
常见的利用流体动、静压结合型的螺旋槽端面密封装置，都是单列的螺旋槽端面密封装置。在这列螺旋槽的下游有平面环带，起节流作用，即“阻挡”作用，如美国专利4，212，475所公开的。
本发明的目的在于提供一种螺旋槽端面密封装置。它是一种流体动、静压结合型的下游泵送双列螺旋槽端面密封装置，它在相同的条件下比上述的密封装置具有更大的流体膜厚度，或者在相同的流体膜厚度下具有更大的流体膜刚度。
本发明的目的是这样实现的一种螺旋槽端面密封装置位于旋转机械的机壳和轴之间，该装置由壳体、轴套、旋转环、静止环组成，桶状的底部有孔的壳体置于旋转机械的机壳内，壳体孔内设有旋转机械的具有台阶的轴，壳体与轴之间形成一空间，该空间内的轴上固定有轴套，轴套的一个端面与轴上的台阶之间固定有圆环状的旋转环，该环的一个端面与圆环状的静止环的一个端面相对，并相互贴合，该二个贴合面均为圆环形的密封端面，其特征是在所述旋转环和所述静止环的密封端面的至少一个上设置两列螺旋槽，其中，一列位于高压流体侧，另一列位于低压流体侧，两列螺旋槽的螺旋角的方向相反，位于高压流体侧的螺旋槽的有效径向高度大于位于低压流体侧的螺旋槽的径向高度，低压流体侧螺旋槽与密封端面的低压侧边缘之间还有一平面环带。
在本发明中沿密封端面压力高的流体一侧即高压侧，定义为“上游”，压力低的流体一侧即低压侧，定义为“下游”。“下游泵送”是指由上游向下游泵送密封流体。“一个螺旋槽的径向高度”是指一个螺旋槽在旋转环和静止环彼此贴合的密封端面范围内的高度，即有效高度。此外，本发明的“螺旋槽”是指，槽的总体走向为大致的螺旋形，而并非数学上所指的精确的螺旋形。
与纯流体动压型双列螺旋槽端面密封装置相比，在本发明中位于上游的一列螺旋槽的径向高度总是大于位于下游的一列螺旋槽的径向高度。故在给定的旋向下，两列螺旋槽总的效果是将密封流体由高压侧向低压侧泵送，即实现本发明的下游泵送。这种泵送会产生密封流体轻微的泄漏，但是，以此为代价而换取了两个密封端面之间更大的流体膜厚度及流体膜刚度。因此，本发明的密封装置比纯流体动压型双列螺旋槽端面密封装置更适应低粘度密封流体，如气体；同时也适用于密封端面两侧流体的压差更高的工况。
与流体动、静压结合型的下游泵送单列螺旋槽端面密封装置相比，在本发明的螺旋槽端面密封装置中增加了一列位于下游的螺旋槽，其螺旋角的方向与位于上游的螺旋槽的螺旋角方向相反，在给定的旋向下，下游一列螺旋槽对密封流体向上游泵汲，起主动的“推挡”作用，而单列螺旋槽端面密封装置中的平面环带只是起被动的“阻挡”作用。故本发明的密封效果更佳。因此，在本发明的螺旋槽端面密封装置中，密封端面之间有更大的流体膜厚度，或者在相同的流体膜厚度下具有更大的流体膜刚度。在本发明中，在下游一列螺旋槽的下游仍保留一宽度较小的平面环带，其在转动状态下也是起节流作用，在静止状态下则起停车密封作用。
图1是一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图。
图2是另一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图。
图3是又一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图。
图4是螺旋槽型线的示意图。
图5是一种密封端面的主视图。
图6是另一种密封端面的主视图。
图7是又一种密封端面的主视图。
图8是再一种密封端面的主视图。
图9是一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图。
图10是另一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图。
图11是又一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图。
图12是一种密封端面的主视图。
图13是另一种密封端面的主视图。
图14是又一种密封端面的主视图。
图15是再一种密封端面的主视图。
图16是图6中的一个上游螺旋槽和一个下游螺旋槽的放大图。
图17是图8中的一个上游螺旋槽和一个下游螺旋槽的放大图。
图16、图17中的双点划线表示旋转环与静止环相贴合的密封端面的内、外圆。
以上附图中，符号含义如下Rb-平衡半径α-螺旋角h-螺旋槽深度
S1-上游螺旋槽法向宽度S2-上游堰的法向宽度S3-下游螺旋槽的法向宽度S4-下游堰的法向宽度H-高压侧，即上游L-低压侧，即下游G-两列螺旋槽总的泵汲方向在图1至图8中R0-旋转环和静止环之间密封端面的内半径R1-下游螺旋槽的内半径R2-下游螺旋槽的外半径R3-上游螺旋槽的内半径R4-上游螺旋槽的外半径R5-旋转环和静止环之间密封端面的外半径在图9至图15中R10-旋转环和静止环之间密封端面的外半径R11-下游螺旋槽的外半径R12-下游螺旋槽的内半径R13-上游螺旋槽的外半径R14-上游螺旋槽的内半径R15-旋转环和静止环之间密封端面的内半径在本发明的附图中，尤其是图1-3和图9-11中所示出的螺旋槽的半径R1-R4，R11-R14，它们在本发明说明书中的实质含义是指螺旋槽的最大或者最小半径。剖视图在剖切时剖切到的位置可能不是螺旋槽的最大直径处或者最小直径处。但是，这样的标注可以使读者通过这些附图，对本发明能很快理解。
此外，在本发明的附图中，一个螺旋槽看起来似乎是由三个或者四个槽壁组成的，但是，实际上一个螺旋槽是由两个主槽壁和一个或两个在二主槽壁之间的过渡槽壁构成的，在本说明书中所提及的螺旋槽型线实际指的是那两个主槽壁的型线，见图16和图17中的21、22、23、24。
现结合附图所表示的实施例进行详细说明。
一种螺旋槽端面密封装置位于旋转机械的机壳和轴之间，该装置由壳体、轴套、旋转环、静止环组成，桶状的底部有孔的壳体置于旋转机械的机壳内，壳体孔内设有旋转机械的具有台阶的轴，壳体与轴之间形成一空间，该空间内的轴上固定有轴套，轴套的一个端面与轴上的台阶之间固定有圆环状的旋转环，该环的一个端面与圆环状的静止环的一个端面相对，并相互贴合，该二个贴合面均为圆环形的密封端面，其特征是在所述旋转环和所述静止环的密封端面的至少一个上设置两列螺旋槽，其中，一列位于高压流体侧，另一列位于低压流体侧，两列螺旋槽的螺旋角的方向相反，位于高压流体侧的螺旋槽的有效径向高度大于位于低压流体侧的螺旋槽的径向高度，低压流体侧螺旋槽与密封端面的低压侧边缘之间还有一平面环带。
图1是一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图，螺旋槽设置在旋转环密封端面上。该密封装置包括旋转环1、静止环2、副密封圈3、推环4、弹簧5、防转销6、壳体7、轴套8、轴9、静密封圈10。底部有孔的桶状壳体7位于旋转式机械的机壳(未画)内，孔内穿过具有台阶的轴9，壳体与轴之间形成一空间，该空间内的轴9上固定有轴套8，轴套8的一个端面31与轴9上的台阶32之间固定有圆环状的旋转环1，该环的一个端面33与圆环状的静止环2的一个端面34相对，二个相对的端面33、34之间相互贴合，并可以相对滑动，该二个贴合面均为圆环形的密封端面，静止环2的另一个端面35与环形的推环4的一个端面36相贴合，二个贴合面之间有环形的副密封圈3，推环4的另一个端面37上的弹簧孔和壳体7底部内侧38的弹簧孔之间有弹簧5，固定在壳体7底部内侧的防转销6插入静止环2的另一个端面35的销钉孔内，旋转环1的内孔39与轴9上的O形圈槽40内装有环形的静密封圈10。在该实施例中，密封端面的外圆侧为压力高的流体，该侧为高压侧，即上游H，密封端面的内孔侧为压力低的流体，该侧为低压侧，即下游L。在旋转环1的密封端面上设置两列螺旋槽，在高压侧有一列螺旋槽11，在低压侧有一列螺旋槽12。位于上游的螺旋槽11的径向高度(R4-R3)大于位于下游的螺旋槽12径向高度(R2-R1)，参见图5所示。在给定旋向下，由于这两列螺旋槽的螺旋角方向相反，位于上游的一列螺旋槽11将密封流体向下游泵送，而位于下游的一列螺旋槽12将密封流体向上游泵送。由于位于上游的一列螺旋槽11的有效径向高度大于位于下游的一列螺旋槽12的径向高度，因而两列螺旋槽总的作用效果是将密封流体沿箭头G的方向从上游向下游泵送，从而产生密封流体的微量泄漏。在上游螺旋槽11的外侧有一平面环带13，即(R5-R4)之间的环带。两列螺旋槽之间也有一平面环带14，即(R3-R2)之间的环带。此外，在下游一列螺旋槽12的内侧还有一平面环带15，即(R1-R0)之间的环带，起节流和停车密封的作用。
螺旋槽侧壁的型线可以是图4所示的曲线或直线，例如对数螺旋线、圆弧线、斜折线，但与密封端面外圆同心的同心圆和通过密封端面圆心的径向线除外。螺旋角的范围是0°＜︱α︳＜90°，其最佳范围是5°-30°，例如20°。上、下游二列螺旋槽的深度h沿径向和周向可以是不变的，例如0．02mm，也可以是变化的，其范围是0．002-0．2mm，最佳范围是0．005-0．1mm。螺旋槽的宽度可以是变化的，也可以是不变的，例如，从内径向外径逐渐加宽，其法向宽度S1、S3的范围是0．2-20mm，最佳范围是0．5-10mm。两个相邻的螺旋槽之间的堰的宽度S2、S4可以是恒定的，也可以是变化的，它的法向宽度S2、S4与螺旋槽的法向宽度S1、S3之比，即S2／S1和S4／S3为0．2-5，最佳范围为0．3-3。参见图5。
本发明中的螺旋槽也可以设置在静止环的密封端面上，见图2，该图是另一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图，螺旋槽设置在静止环2的密封端面上，密封端面的外圆侧为高压侧，即上游H，内孔侧为低压侧，即下游L。其余说明同图1。
此外，螺旋槽还可以同时设置在旋转环与静止环的密封端面上，见图3。该图是又一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图，在旋转环1与静止环2的密封端面上均有螺旋槽，密封端面的外圆侧为高压侧，即上游H，内孔侧为低压侧，即下游L。其余说明同图1。
图4为螺旋槽型线的图。螺旋槽有二个主槽壁，其型线可以是的曲线或直线，例如对数螺旋线(等角螺旋线)、阿基米德螺旋线、圆弧线、斜直线、斜折线。这些线的螺旋角范围为0°＜︱α︳＜90°，其中螺旋角的定义如下设平滑曲线或直线从半径较小的内半径处的A点(或A′．A″点)开始，到半径较大处的外半径处的B点(或B′．B″点)为止，内、外半径之间的任意半径R处的同心圆与该曲线或直线相交于P点(或P′．P″点)，在该点曲线的切线或直线本身与同心圆的切线之间夹角α即定义为螺旋角。曲线AB与曲线A″B″的螺旋角方向相反，若定义前者为正，则后者为负。在本发明中，螺旋角的范围是0°＜︱α︳＜90°，其最佳范围是5°-30°。螺旋角α可以恒定，也可以变化，即可以由现有曲线组成，也可以由一条直线或多条直线即折线组成，这些线的螺旋角必须满足0°＜︱α︳＜90°的条件，但与密封端面外圆同心的同心圆(该圆的螺旋角α=0°)或通过密封端面圆心的径向直线(该线的螺旋角α=90°)除外。
图5至图8是图1、2、3所示的密封装置中密封端面上可供选择的螺旋槽的形状及位置，其中，密封端面的外圆侧为高压侧，即上游H，密封端面的内孔侧为低压侧，即下游L。
图5为两列螺旋槽之间和上游螺旋槽的外侧都有平面环带的密封端面的主视图。两列螺旋槽之间有一平面环带14，即(R3-R2)之间的环带。两列螺旋槽不相接，呈“八”字形。上游一列螺旋槽11的外侧有一平面环带13，即(R5-R4)之间的平面环带。在下游螺旋槽12的内侧还有一平面环带15，即(R1-R0)之间的平面环带。
若螺旋槽加工在旋转环上时，该环的旋转方向为C向；若螺旋槽加工在静止环上时，与其相对的旋转环的旋转方向为D向。
本图及下述图中的双点划线表示旋转环与静止环之间密封端面的内、外圆。在该图中上游螺旋槽的径向高度为(R4-R3)，下游螺旋槽的径向高度为(R2-R1)。
图6为两列螺旋槽之间有平面环带14，上游螺旋槽11的外侧没有平面环带的密封端面的主视图。在该图中，上游螺旋槽的径向高度为(R5-R3)，下游螺旋槽12的下游有平面环带15，即(R1-R0)之间的环带，参见图16。
图7为两列螺旋槽之间没有平面环带，上游螺旋槽11的外侧有平面环带13的密封端面的主视图。两列螺旋槽互相衔接，R2=R3，呈“人”字形，下游螺旋槽12的下游有平面环带15，即(R1-R0)之间的环带。
图8为两列螺旋槽之间和上游螺旋槽的外侧都没有平面环带的密封端面的主视图。该图中，上游螺旋槽11的径向高度为(R5-R3)，两列螺旋槽相交，R2=R3，下游螺旋槽12的下游有平面环带15，即(R1-R0)之间的环带，参见图17。
在图6以下的各图中的旋转方向，与图5的说明一致。
根据本发明，位于上游的螺旋槽的有效径向高度必须大于位于下游的螺旋槽的径向高度，在图5和图7中1＜(R4-R3)／(R2-R1)≤5；在图6和图8中1＜(R5-R3)／(R2-R1)≤5。
在以上实施例中，均假设密封端面的外圆侧为高压侧，即上游H，而其内孔侧为低压侧，即下游L。如果密封端面的内孔侧为高压侧，即上游H，其外圆侧为低压侧，即下游L，其实施例见图9-图15，在这些图中，根据本发明，上游螺旋槽的有效径向高度(R13-R14)(见图12、14)或者(R13-R15)(见图13、15)必须大于下游螺旋槽的径向高度(R11-R12)。
图9是一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图。所示的密封装置其密封端面的内孔侧为高压侧，即上游H，密封端面的外圆侧为低压侧，即下游L，仅在旋转环1的密封端面上加工出螺旋槽。
图10是另一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图。所示的密封装置其密封端面的内孔侧为高压侧，即上游H，密封端面的外圆侧为低压侧，即下游L，仅在静止环2的密封端面上加工出螺旋槽。
图11是又一种螺旋槽端面密封装置的纵向剖视图。所示的密封装置其密封端面的内孔侧为高压侧，即上游H，密封端面的外圆侧为低压侧，即下游L，在旋转环1和静止环2的密封端面上同时加工有螺旋槽。
图12至图15是图9、10、11所示的密封装置中密封端面上可供选择的螺旋槽的形状及位置。
图12为两列螺旋槽之间和上游螺旋槽11的内侧都有平面环带的密封端面主视图。两列螺旋槽之间有一平面环带17，即(R12-R13)之间的环带。两列螺旋槽不衔接，呈“八”字形。上游一列螺旋槽11的内侧有一平面环带16，即(R14-R15)之间的平面环带。在下游螺旋槽12的下游还有一平面环带18，即(R10-R11)之间的平面环带。在该图中上游螺旋槽的有效径向高度为(R13-R14)。
本图及下述各图中的双点划线表示旋转环与静止环之间密封端面的内、外圆。
图13为两列螺旋槽之间有平面环带17，上游螺旋槽11的内侧没有平面环带的密封端面的主视图。图中上游螺旋槽的径向高度为(R13-R15)，下游螺旋槽12的下游有平面环带18，即(R10-R11)之间的环带。
图14为两列螺旋槽之间没有平面环带，上游螺旋槽11的内侧有平面环带16的密封端面的主视图。两列螺旋槽互相连接，R12=R13呈“人”字形，下游螺旋槽12的下游有平面环带18，即(R10-R11)之间的环带。
图15为两列螺旋槽之间和上游螺旋槽11的内侧都没有平面环带的密封端面的主视图。在该图中，上游螺旋槽11的径向高度为(R13-R15)，两列螺旋槽相交，R12=R13，下游螺旋槽12的下游有平面环带18，即(R10-R11)之间的环带。
根据本发明，位于上游的螺旋槽的有效径向高度必须大于位于下游的螺旋槽的径向高度，在图12和图14中1＜(R13-R14)／(R11-R12)≤5；在图13和图15中1＜(R13-R15)／(R11-R12)≤5。
在图9-图15中，关于螺旋槽的型线、螺旋角、深度、宽度以及堰与螺旋槽的宽度之比的说明与图1-图8中的说明相同在图7和图8中两列螺旋槽互相连接R2=R3，在图14和图15中两列螺旋槽相互连接R12=R13，但是，当两列槽错开一定角度时R2也可以不等于R3，R12也可以不等于R13。
总之，本发明区别于文献中已有的流体动压型双列螺旋槽端面密封装置的基本特征是位于高压侧即上游的一列螺旋槽的径向高度大于位于低压侧即下游的一列螺旋槽的径向高度，因此，两列螺旋槽总的效果是将密封流体自上游向下游泵送，从而以密封流体的微量泄漏为代价换取了更大的流体膜厚度和流体膜刚度。
实施本发明的密封装置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、双密封与单密封组合的密封装置等。
本发明的密封装置是一种新型流体动、静压结合型端面密封装置，其优点是流体膜的厚度和刚度较大，既适用于高粘度的密封流体(例如油)，也适用于低粘度的密封流体(例如水或气体)；既适用于低压工况，也适用于高压工况；既适用于高速旋转，也适用于低速旋转。本发明可用于各种型式压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜搅拌器等旋转机械的密封装置，尤其是干式气体密封装置。
权利要求1.一种螺旋槽端面密封装置位于旋转机械的机壳和轴之间，该装置由壳体、轴套、旋转环、静止环组成，桶状的底部有孔的壳体置于旋转机械的机壳内，壳体孔内设有旋转机械的具有台阶的轴，壳体与轴之间形成一空间，该空间内的轴上固定有轴套，轴套的一个端面与轴上的台阶之间固定有圆环状的旋转环，该环的一个端面与圆环状的静止环的一个端面相对，并相互贴合，该二个贴合面均为圆环形的密封端面，其特征是在所述旋转环和所述静止环的密封端面的至少一个上设置两列螺旋槽，其中，一列位于高压流体侧，另一列位于低压流体侧，两列螺旋槽的螺旋角的方向相反，位于高压流体侧的螺旋槽的有效径向高度大于位于低压流体侧的螺旋槽的径向高度，低压流体侧螺旋槽与密封端面的低压侧边缘之间还有一平面环带。
2.根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是高压流体侧的螺旋槽的有效径向高度与低压流体侧螺旋槽的径向高度之比大于1而小于或等于5。
3.根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是密封端面上螺旋槽侧壁型线的螺旋角α的范围是0°＜｜α｜＜90°。
4.根据权利要求3所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是密封端面上螺旋槽侧壁型线的螺旋角α的范围为5°-30°。
5.根据权利要求3所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是密封端面上螺旋槽侧壁的型线为对数螺旋线或者为与环形密封端面偏心的圆弧线。
6.根据权利要求3所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是密封端面上螺旋槽侧壁的型线为斜直线或者折线。
7.根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是螺旋槽的深度是恒定的，深度范围是0．002-0．2mm。
8.根据权利要求7所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是螺旋槽的深度范围是0．005-0．1mm。
9.根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是螺旋槽的深度是变化的。深度范围是0．002-0．2mm。
10.根据权利要求9所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是螺旋槽的深度范围是0．005-0．1mm。
11.根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是螺旋槽法向宽度的范围是0．2-20mm。
12.根据权利要求11所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是螺旋槽法向宽度的范围是0．5-10mm。
13.根据权利要求1所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是两个相邻的螺旋槽之间的堰的法向宽度与螺旋槽的法向宽度之比为0．2-5。
14.根据权利要求13所述的螺旋槽端面密封装置，其特征是两个相邻的螺旋槽之间的堰的法向宽度与螺旋槽的法向宽度之比为0．3-3。
专利摘要一种螺旋槽端面密封装置由壳体、轴套、旋转环、静止环组成,其特征是:在旋转环和静止环的密封端面的至少一个上设置两列螺旋槽,一列位于高压流体侧,另一列位于低压流体侧,两列螺旋槽的螺旋角的方向相反,位于高压流体侧螺旋槽的有效径向高度大于位于低压流体侧螺旋槽的径向高度,低压流体侧螺旋槽与密封端面低压侧边缘之间还有一平面环带。本装置可用于压缩机、透平、泵、反应釜等旋转机械的密封装置,尤其是干式气体密封装置。
文档编号F16J15/16GK2413094SQ98219179
公开日2001年1月3日 申请日期1998年10月9日 优先权日1998年10月9日
发明者王玉明 申请人:王玉明