专利名称：三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转式流体机械的气体端面机械密封结构，特别 涉及一种由具有似羽毛织构底面特征的泵汲槽和螺旋槽组成的三维 型槽气体端面密封结构，适用于包括各种类型压縮.机、反应釜、泵等 旋转式流体机械的旋转轴。
背景技术：
公知的流体动压或静压或动静压结合型机械端面密封，还存在一 些不足之处，例如螺旋槽流体动压型端面密封(见美国科技杂志
Lubrication Engineering, 1990, 46(9): pp607;美国专利USA Patent 5702110、 7144016和20020093141，世界专利WO9506212以及中国 专利90101737.X、 96108614.9、 98219179、 01102213.2、 02132978.8 和02146449.9)，其端面结构主要由两部分组成，即沿周向均匀分布 的数个螺旋槽和与槽根部紧密连接的密封坝，同时端面上设有双环 带、八字槽、人字槽、枞树槽、或双螺旋角三维螺旋槽，尽管这些螺 旋槽干式气体端面密封具有较低的摩擦功耗，端面升举能力也较强， 特别是双螺旋角螺旋槽气体端面密封，其气膜刚度和可靠性相比于等 深、等螺旋角的螺旋槽密封优势更明显。但是，总的来说，干式气体 端面密封技术目前仍然存在气膜刚度不够大，端面开启特性优势不明 显，泄漏量不可控，低速运行性能较差，难以适应操作条件急剧变化 或高操作参数的情况，因此存在抗干扰能力不强、易发生干磨以及在 高参数条件下耐压能力不强、泄漏量较大且难以控制等不足，从而导致在一定的操作条件下，端面间气体膜厚不足，或气膜刚度不足以抵 抗外界干扰，导致密封装置运行不稳定，泄漏量超标或不达要求。
发明内容
为了克服干式气体端面密封已有技术中端面气膜开启能力不能 适应更宽的操作条件范围、易发生干磨、动压效果不够强以及高参数 条件下泄漏量较大、耐压能力不强、稳定性较差的不足，本发明提供 一种端面流体动压效果好、启动和停车性能好、抗咬合能力强、泄漏 量小、耐压性能优异、适用于高参数操作条件的三维似羽毛织构底面 型槽气体端面密封结构。
本发明的技术方案是 . 一种三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构，包括机械端面 密封的动环、静环和其它相关零件组成，所述动环的密封端面和静环 的密封端面相互贴合构成圆环形密封端面，所述圆环形密封端面的一 侧为高压侧即上游，所述圆环形密封端面的另一侧为低压侧即下游， 动环的密封端面相对静环的密封端面产生旋转，所述动环和静环的密 封端面的至少一个上设有多个用于气体端面密封的三维型槽，所述的 三维型槽在密封端面上呈周期性排布，沿环面中心对称分布，所述三 维型槽之间的非开槽区域构成密封堰，其特征在于所述三维型槽由 具有似羽毛织构特征底面的泵汲槽和螺旋槽组成，所述的泵汲槽是沿 径向分布，所述泵汲槽位于密封端面的上游，所述泵汲槽的深度从上 游至下游逐渐变浅；所述泵汲槽与螺旋槽相连接，所述螺旋槽的迎风 侧壁的螺旋线的螺旋角大于背风侧壁的螺旋线的螺旋角，所述螺旋槽 的深度从上游至下游逐渐变浅；在所述螺旋槽的下游还设有一连续的平面环带密封坝。
进一步，所述三维型槽的基础底面的最小深度/z。 0^z^5)am; 所述似羽毛织构的数量M: 0^<oo，所述似羽毛织构的深度/21:
1.5|iim^2S30|im;所述似羽毛织构的长轴和短轴的长度比y: 1.(^任18，
所述长轴与来流方向平行，所述短轴与来流方向垂直，且靠近来流方
向的织构rf直较小，1.0，S2.0，远离来流方向的织构y值较大，2.0<任18; 所述泵汲槽的深度/22=0 150^im;所述螺旋槽与端面上游即高压侧的 最小径向距离/2: /2=0.05『，所述螺旋槽与下游即低压侧的最大径向 距离/3: /3=7附9，『为密封端面宽度，所述螺旋槽的深度/z3=0 150,。
进一步，所述泵汲槽两侧的径向长度有差异，长侧壁长度是短侧 壁长度的1 4倍。
进一步，所述螺旋槽在相同半径处的深度沿型槽开槽面的旋转方 向逐渐变深。
进一歩，所述螺旋槽是沿其与所述泵汲槽连接处对称分布的双向槽。
或者，所述螺旋槽是沿其与所述泵汲槽连接处单向分布的单向槽。
迸一步，所述螺旋槽的结构尺寸是相同的，开槽平面环带的径向 宽度/4与密封坝的径向宽度/5之比即槽长坝长比/4〃5: /4〃5=0.8 4.5。
或者，所述螺旋槽的结构尺寸是有差异的，所述长螺旋槽三维型 槽与短螺旋槽三维型槽沿端面圆周方向呈周期性间隔分布，所述短螺 旋槽三维型槽的槽长坝长比/4//5的取值范围为/4//5=0.8 1.5，槽形较短、较宽，槽尾似羽毛织构错开排列；所述长螺旋槽三维型槽的槽
长坝长比/4//5的取值范围为/4//5=1.5 4.5，槽形较窄长而扁平，槽
尾似羽毛织构部分重叠排布。
本发明的特点是借鉴经过上亿年进化且具有优异气体动力学性 能的飞行鸟类翅膀的羽毛特征，采用似羽毛织构作为表面织构来制作 三维型槽气体端面密封的槽底面。似羽毛织构可以在端面上直接加工 形成三维型槽，也可以先在动环和静环的至少一个环端面上加工出具 有一定深度的平底面或梯田式基础底面，而后再在此基础底面上加工 制作。所述泵汲槽底面和螺旋槽底面的似羽毛织构的形状是圆形、椭
圆形、梯形、矩形、正方形、月牙形、纺锤形、或菱形；所述泵汲槽 形状是纺锤形、橄榄球形、梯形、矩形、半圆形、椭圆形、或菱形； 所述螺旋槽的形状可以是似鸟类翅膀形、月牙形、人字形、或铁锚形， 以适应干式气体端面密封的双向旋转要求；也可以是鹰嘴形、恐龙形、 雁型、或镰刀形，以适应干式气体端面密封的单向旋转要求。
所述三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构中的部分三微 型槽的几何结构参数的优选值为所述泵汲槽上游即高压侧的槽深优 选为/zf7.5 100(im，所述泵汲槽下游即低压侧的槽深优选为/22 =0 2(Him;所述泵汲槽的径向长度与密封端面宽度之比V『值的优选范 围为A/ffM).05 0.25;所述蟪旋槽上游即高压侧的槽深优选为 /73=2.5 80|im，所述螺旋槽下游即低压侧的槽深优选为/z3=0 10pm; 并且泵汲槽和螺旋槽的上游槽深大于下游槽深。所述螺旋槽的迎风侧 壁的螺旋线的螺旋角A大于背风侧壁的螺旋线的螺旋角"2且各自保 持恒定值时有"产8 22°， "2=6 18°。本发明的工作原理是(1)沿径向流动截面积逐渐减小，且流道 呈三维收敛斜面的泵汲槽起到对流体的导流作用，槽底面上似羽毛织 构与三维流道协同作用，最大程度地提高了端面气膜的静压效果，增 强了泵汲效应和端面润滑效果，增大了开启力，提高了流体膜刚度， 因此获得的密封的抗干扰能力或稳定性优于已有的一般流体静压型 和动压型机械密封，并且在低速运行、启动或停车、或工况剧烈波动 期间可以保持一定厚度的气膜，避免摩擦副之间产生干磨。(2)螺旋 槽与泵汲槽相连接，其槽深沿径向从上游即高压侧到下游即低压侧逐 渐变浅，同时采用沿径向或/和周向深度逐渐变浅的似羽毛织构的底 面，螺旋槽的两个侧壁的螺旋线的螺旋角等值且保持不变或不等值且 各自保持不变，因此构成了一种新型三维型槽。沿径向逐渐变浅的槽 深不仅进一步提高了对密封流体的泵汲效应，大大利于流体进入端 面，而且仿羽毛状织构底面结构的三维型槽与原来普通螺旋槽或一般 三维螺旋槽相比，对流体会产生更强的引流作用、更大的开启力。因 此，这种三维型槽结构密封装置很好地结合了流体动压密封和流体静 压密封技术的重要优点，不仅在低压、低速条件下具有更强的瞬态开 启特性，而且可实现一般螺旋槽流体动压型密封和传统流体静压型密 封所不具有的强收敛特性和强自平衡调节能力，从而具有更大的气膜 刚度和更高的可靠性，避免了密封在启动、停车和工况瞬'态剧烈波动 下可能产生的摩擦、磨损和高功耗。通过优化设计、合理布置、合理 采用形貌和深度层次不同的似羽毛织构和三维型槽的其它几何结构， 可以使密封能适应于更高参数的操作工况。(3)端面上采用不同槽长 坝长比/4//5的三维型槽间隔周期性分布，短螺旋槽三维型槽(/4〃5=0.8 1.5)短而宽以适合端面迅速打开，长螺旋槽三维型槽
(/4〃5=1.5 4.5)窄长而扁平且顶端尖以适合高速旋转需要，因此这 种仿不同飞行要求鸟类翅膀的组合结构不仅可以满足密封在低压、低 速条件下端面的迅速开启要求，而且可以满足密封的高参数操作要求 和强抗干扰能力要求，因此克服了目前已有螺旋槽气体端面密封功能 单一、适合操作参数范围较窄的不足。(4)似羽毛织构的长、短轴的 长度之比设为Y: Y》1，且来流方向与织构的长轴平行，若改变织构 长轴与来流的夹角，则可以实现槽内气体的部分回流或部分上游泵 送，因此与已有的螺旋槽气体端面密封相比其泄漏量可以实现控制； 此外，这种仿生结构可以使新型气体密封获得尽可能大的泵汲效应和 流体动压效应，提高了密封的开启特性和液膜刚度。(5)三维型槽可 以设计加工成单向旋转形式，此时的三维型槽形状^t选鹰嘴形、恐龙 头形、雁形、或镰刀形；也可以成双向旋转形式，此时的三维型槽形
状优选似鸟类翅膀形、月牙形、人字形、恐龙头型、或铁锚形。 本发明端面结构可以应用于至少一个密封端面，也可以同时应用
于动环和静环两个密封端面；采用本发明的机械密封总体布局可以是 单端面机械密封、双端面机械密封或两级、三级及多级串联机械密封， 且当采用两套或两套以上本发明密封时，每套密封的结构设计参数可 以相同，也可以不同；采用本发明的机械密封装置可以是散装式机械 密封，也可以是集装式机械密封。本发明可以采用金属材料、陶瓷材 料和其他非金属材料来加工制作动静环。本发明可以应用于平衡型机 械密封，也可以应用于非平衡型机械密封。当一些设备是轴静止而腔 室旋转时，本发明同样可以适用。本发明所述的三维型槽气体端面密封装置的突出优点和有益效 果主要表现在(1)沿径向方向分布不同密度和不同深度层次似羽毛 织构的三维织构底面，这种型式螺旋槽不仅具有产生强流体动压效应 的能力，同时还具有部分回流或上游泵送能力，同时由于螺旋槽设置 在端面中间，远离介质侧且有三维泵汲槽对磨料的破碎作用，因此在 相同条件下与一般型式螺旋槽、圆弧槽、直线槽、或T型槽气体端面 密封等流体动压型密封相比，流体膜的承压能力更强，流体膜刚度更 大，同时可实现理论上的零磨损率和零泄漏量。(2)同样设置了分布 不同密度和不同深度层次的三维似羽毛织构底面的泵汲槽，与一般径 向槽相比不仅具有更强的下游泵汲能力，而且三维似羽毛织构对微细 颗粒具有破碎作用，同时泵汲槽的设置还减小了端面启动时的直接接 触面积，因此本发明密封在相同条件下具有更大静压效果、更优端面 开启特性和更强耐磨损能力，从而使密封具有优异的低压低速运行性 能、启停性能和耐磨损性能，可实现密封的快速开启、停车和对变工
况的自适应能力；(3)与一般型式的螺旋槽、圆弧槽、直线槽、或T
型槽等单一槽长坝长比的流体动压型气体端面密封相比，通过仿形高
速翅、宽阔翅、椭圆翅和细长翅等不同翅形鸟类翅膀的几何结构，本 发明中设计的不同槽长坝长比的三维型槽，可实现气体端面密封在不 同操作条件下的稳定运行，使本发明气体端面密封可以适应更宽的操 作参数范围，并且具有更强的升举能力、更高的耐压能力和更可靠的
工作性能。(4)在端面下游即低压侧设有一连续的平面环带即密封坝， 它可起到停车密封和进一步阻滞流体泄漏的作用。
图1是本发明的一种实施案例的开槽端面平面示意图； 图2是图1中三维型槽的平面示意图3是沿着附图2中1-1线所取泵汲槽似羽毛底截面三维织构示 意图。
图4是沿着附图2中2-2线所取螺旋槽似羽毛底截面平面织构示 意图。
图5是本发明的常见单向旋转三维型槽端面平面示意图； 图6是本发明的单向旋转的长、短螺旋槽组合型三维型槽端面平 面示意图7是本发明的双向旋转三维型槽的开槽端面平面示意图； 图8是本发明的恐龙头型几何结构参数的描述示意图。
具体实施例方式
实施例一
参照图1-4， 一种三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构， 包括机械端面密封的动环、静环和其它相关零件组成，所述动环的密 封端面和静环的密封端面相互贴合构成圆环形密封端面，所述圆环形 密封端面的一侧为高压侧即上游，所述圆环形密封端面的另一侧为低 压侧即下游，动环的密封端面相对静环的密封端面产生旋转，所述动 环和静环的密封端面的至少一个上设有多个用于气体端面密封的三 维型槽3，所述的三维型槽在密封端面上呈周期性排布，沿环面中心 对称分布，所述三维型槽之间的非开槽区域构成密封堰l，所述三维 型槽由具有似羽毛织构特征底面的泵汲槽32和螺旋槽31组成，所述 的泵汲槽32是沿径向分布，所述泵汲槽32位于密封端面的上游，所述泵汲槽32的两侧壁的径向长度相等，所述泵汲槽32的深度从上游 至下游逐渐变浅；所述泵汲槽32与螺旋槽31相连接，所述螺旋槽 31的迎风侧壁的螺旋线的螺旋角大于背风侧壁的螺旋线的螺旋角， 所述螺旋槽31的深度从上游至下游逐渐变浅；在所述螺旋槽31的下 游还设有一连续的平面环带密封坝4。
所述三维型槽3的基础底面的最小深度/zQ: 0a^5pm;所述似
羽毛织构的数量"0^7<oo，所述似羽毛织构的深度
1.5fmi^《30|im;所述似羽毛织构的长轴和短轴的长度比Y: 1.0^^18， 所述长轴与来流方向平行，所述短轴与来流方向垂直，且靠近来流方 向的织构rf直较小，1.0^^2.0，远离来流方向的织构Y值较大，2.0，S18; 所述泵汲槽32的深度/22=0 150|im;所述螺旋槽31与端面上游即高 压侧的最小径向距离/2: /2=0.05『，所述螺旋槽31与下游即低压侧的 最大径向距离/3: /3=7附9，所述螺旋槽31的深度/^0 150nm。
所述螺旋槽31在相同半径处的深度沿型槽开槽面的旋转方向逐 渐变深。
所述螺旋槽31是沿其与所述泵汲槽32连接处单向分布的单向槽。
所述螺旋槽31的结构尺寸是相同的，开槽平面环带的径向宽度 /4与密封坝4的径向宽度/5之比即槽长坝长比/4//5: /4//5=0.8 4.5。所 述开槽平面环带的径向宽度/4: /4=&-^，密封坝的径向宽度/5: /5=^-凡，其中i 。为密封端面外半径，A为密封端面内半径，A为径 向最长型槽的槽底半径，则当给定/4//5值时，便可确定A大小，见图 6。本实施例中的三维型槽3是雁形三维型槽，所述螺旋槽31的尾
槽2形状是雁形结构，适用于单向旋转型机械密封装置。其中所述泵 汲槽32底面和螺旋槽31底面的似羽毛织构的形状可以是圆形、椭圆 形、梯形、矩形、正方形、月牙形、纺锤形、或菱形；所述泵汲槽 32形状可以是纺锤形、橄榄球形、梯形、矩形、半圆形、椭圆形、 或菱形；所述螺旋槽31的形状还可以是鹰嘴形、恐龙形、或镰刀形， 见图5。
针对不同的旋转流体机械输送介质、流体机械的操作条件和密封 辅助系统操作参数，通过优化设计三维型槽的槽数、织构的数量"、 织构的深度为^、织构的长宽比为Y，泵汲槽和螺旋槽的基础底面深 度/2。，泵汲槽的径向长度与密封端面宽度之比为泵汲槽的最小 深度&，螺旋槽的螺旋角、螺旋槽的最小深度/^等参数，可以满足 不同场合下对密封性能的使用要求。
所述三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构中的部分三微 型槽的几何结构参数的优选值为所述泵汲槽上游即高压侧的槽深优 选为/z2=7.5 100|Lim，所述泵汲槽下游即低压侧的槽深优选为& =0 20pm;所述泵汲槽的径向长度与密封端面宽度之比A/『值的优选范 围为A/『二0.05 0.25;所述螺旋槽上游即高压侧的槽深优选为 /z产2.5 80!im，所述螺旋槽下游即低压侧的槽深优选为/23=0 10jim; 并且泵汲槽和螺旋槽的上游槽深大于下游槽深。
实施例二
参照图6，本实施例与实施例一的不同之处在于所述螺旋槽31
13和所述泵汲槽32的结构尺寸是有差异的，所述长螺旋槽三维型槽与 短螺旋槽三维型槽沿端面圆周方向呈周期性间隔分布，所述短螺旋槽 三维型槽的槽长坝长比/4〃5的取值范围为/4//5=0.8 1.5，槽形较短、
较宽，槽尾似羽毛织构错开排列；所述长螺旋槽三维型槽的槽长坝长 比/4//5的取值范围为/4//5=1.5 4.5，槽形较窄长而扁平，槽尾似羽 毛.织构部分重叠排布；所述泵汲槽两侧的径向长度有差异，长侧壁的 长度是短侧壁长度的1 4倍。其余结构和实施方式与实施例一相同。
实施例三
参照图7、图8，本实施例与实施例一的不同之处是所述螺旋槽 31是沿其与所述泵汲槽32连接处对称分布的双向槽。所述螺旋槽31 形状可以是似鸟类翅膀形、月牙形、人字形、或铁锚形，以满足双向 旋转要求。其余结构和实施方式与实施例一相同。
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，本发明的保护范围的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及于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。
权利要求
1.一种三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构，包括机械端面密封的动环、静环和其它相关零件组成，所述动环的密封端面和静环的密封端面相互贴合构成圆环形密封端面，所述圆环形密封端面的一侧为高压侧即上游，所述圆环形密封端面的另一侧为低压侧即下游，动环的密封端面相对静环的密封端面产生旋转，所述动环和静环的密封端面的至少一个上设有多个用于气体端面密封的三维型槽，所述的三维型槽在密封端面上呈周期性排布，沿环面中心对称分布，所述三维型槽之间的非开槽区域构成密封堰，其特征在于所述三维型槽由具有似羽毛织构特征底面的泵汲槽和螺旋槽组成，所述的泵汲槽是沿径向分布，所述泵汲槽位于密封端面的上游，所述泵汲槽的深度从上游至下游逐渐变浅；所述泵汲槽与螺旋槽相连接，所述螺旋槽的迎风侧壁的螺旋线的螺旋角大于背风侧壁的螺旋线的螺旋角，所述螺旋槽的深度从上游至下游逐渐变浅；在所述螺旋槽的下游还设有一连续的平面环带密封坝。
2. 如权利要求1所述的三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构，其特征在于所述三维型槽的基础底面的最小深度/2o: 0^7(^5^m;所述似羽毛织构的数量& 0^<oo，所述似羽毛织构的深度A1:1.5|im^^30^im;所述似羽毛织构的长轴和短轴的长度比Y: 1.0^^18，所述长轴与来流方向平行，所述短轴与来流方向垂直，且靠近来流方向的织构Y值较小，1.0，S2.0，远离来流方向的织构rf直较大，2.0<ySl8;所述泵汲槽的深度A2=0 150^im;所述螺旋槽与端面上游即高压侧的最小径向距离/2: /2=0.05『，所述螺旋槽与下游即低压侧的最大径向距离/3: /3=7『/9，『为密封端面宽度，所述螺旋槽的深度/73=0 150|im。
3. 如权利要求2所述的三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构，其特征在于所述泵汲槽两侧的径向长度有差异，长侧壁长度是短侧壁长度的1 4倍。
4. 如权利要求2所述的三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构，其特征在于所述螺旋槽在相同半径处的深度沿型槽开槽面的旋转方向逐渐变深。
5. 如权利要求4所述的三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构，其特征在于所述螺旋槽是沿其与所述泵汲槽连接处对称分布的双向槽。
6. 如权利要求4所述的三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构，其特征在于所述螺旋槽是沿其与所述泵汲槽连接处单向分布的单向槽。
7. 如权利要求5或6所述的三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构，其特征在于所述螺旋槽的结构尺寸是相同的，开槽平面环带的径向宽度/4与密封坝的径向宽度/5之比即槽长坝长比/4//5:/4〃5=0.8 4.5。
8. 如权利要求5或6所述的三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构，其特征在于所述螺旋槽的结构尺寸是有差异的，所述长螺旋槽三维型槽与短螺旋槽三维型槽沿端面圆周方向呈周期性间隔分布，所述短螺旋槽三维型槽的槽长坝长比/4//5的取值范围为/4//5=0.8 1.5，槽形较短、较宽，槽尾似羽毛织构错开排列；所述长螺旋槽三维型槽的槽长坝长比/4//5的取值范围为/4//5=1.5 4.5，槽形较窄长而扁平，槽尾似羽毛织构部分重叠排布。
全文摘要
一种三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构，包括机械端面密封的动环、静环，所述动环和静环中至少有一个密封端面上设有多个三维型槽，所述三维型槽之间的非开槽区域是密封堰，所述三维型槽由具有似羽毛织构特征底面的泵汲槽和螺旋槽组成，所述泵汲槽是沿径向分布，所述泵汲槽位于密封端面的上游，所述泵汲槽的深度从上游至下游逐渐变浅；所述泵汲槽与螺旋槽相连接，所述螺旋槽迎风侧壁螺旋线的螺旋角大于背风侧壁螺旋线的螺旋角，所述螺旋槽的深度从上游至下游逐渐变浅；在所述螺旋槽的下游还设有一连续的平面环带密封坝。本发明的有益效果端面流体静压和动压效应强、低速启动性能好、耐压性能优异、抗咬合能力强、泄漏量小、耐磨损。
文档编号F16J15/34GK101644333SQ20091010218
公开日2010年2月10日 申请日期2009年8月20日 优先权日2009年8月20日
发明者彭旭东, 李纪云, 白少先, 盛颂恩 申请人:浙江工业大学