一种具有多级螺旋槽的上游泵送机械密封环的制作方法

本发明涉及一种具有多级螺旋槽的上游泵送机械密封环，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的轴封。

背景技术：

近年来，为了改善机械密封中密封端面的润滑状态和使用寿命，出现了各种利用流体动静压效应的特殊机械密封结构，其中包括上游泵送机械密封。所谓“上游泵送”就是通过密封端面上开设的一定形状的泵送槽，将密封低压侧缓冲液体或少量的泄漏液体泵送向高压侧，各类泵送槽中以螺旋槽最为典型，且以单级螺旋槽居多。但是流体通过单级螺旋槽所产生的动压效应有限，使机械密封流体膜的承载能力或保持非接触的能力有限，容易发生端面的接触磨损，很大程度上抵消了所开泵送槽的减磨优势，造成启动停车效果差、端面磨损和使用寿命短。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有多级螺旋槽的上游泵送机械密封环，该密封环可有效提高机械密封的流体动压效应，降低机械密封端面直接接触引起的摩擦和磨损程度，从而使得机械密封的寿命得到极大延长。

本发明的技术方案是：

一种具有多级螺旋槽的上游泵送机械密封环，密封环端面的一侧为高压侧，另一侧为低压侧，密封环端面上开有3~25个沿端面圆周均匀分布的多级螺旋槽，多级螺旋槽开口于端面低压侧，密封环端面上未开槽区域形成密封坝；优选地，密封环端面上开有5~18个沿端面圆周均匀分布的多级螺旋槽；

每一个多级螺旋槽的级数为2~10级；

每一级螺旋槽都是由螺旋角相等的对数螺旋线构成，螺旋角α的范围0°＜∣α∣＜90°；优选地，10°≤∣α∣≤30°；

每级螺旋槽的周向宽度从低压侧到高压侧逐级递减，形成收敛间隙，相邻两级交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成角θ，0°＜θ＜90°；优选地，70°＜θ＜85°；

每级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为β，10°＜β＜45°，β的角度从低压侧到高压侧逐级减小；

多级螺旋槽的深度h为1~100μm，从低压侧到高压侧逐级递减，即h_n＜h_n-1，同一级槽的槽深不变化。

本发明所述具有多级螺旋槽的上游泵送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。

本发明所述具有多级螺旋槽的上游泵送机械密封环端面，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。

本发明工作原理：密封环在运行时，被密封的流体进入槽内，由于密封环上未开槽部分构成的密封坝的节流作用，导致进入槽内的流体压力升高，在此压力的推动下，动环与静环相分离，形成一层很薄的流体膜，从而使密封端面间形成非接触式密封。

本发明的有益效果是：

1、各级螺旋槽的周向宽度从低压侧至高压侧逐渐变窄的收敛结构有助于流体介质的整体压缩增压；各级螺旋槽的深度从低压侧至高压侧逐渐减小，使得各级交界处出现阶梯形状，有助于流体介质的局部增压；各级螺旋槽连接处形成的θ角为典型的三维收敛间隙，进一步提高对流体介质的压缩作用；从而使密封端面能够沿径向形成多个高压区，增强流体膜的动压效应，增大密封的开启性能，保证了密封运行的稳定性；

2、多级螺旋槽可对流体介质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为实施例1中所述具有三级螺旋槽的上游泵送机械密封环的示意图；

图2为实施例1中所述具有三级螺旋槽的上游泵送机械密封环的局部放大示意图；

图3为实施例1中所述具有三级螺旋槽的上游泵送机械密封环沿图2中A-A线的剖面图；

图中：1-第一级螺旋槽，2-第二级螺旋槽，3-第三级螺旋槽，α-构成螺旋槽的对数螺旋线的螺旋角，β₁-第一级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角，β₂-第二级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角，β₃-第三级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角，θ₁-第一级螺旋槽与第二级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧槽壁向槽内凹进形成的角，θ₂-第二级螺旋槽与第三级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧槽壁向槽内凹进形成的角。

具体实施方式

实施例1

如图1-3所示，一种具有三级螺旋槽的上游泵送机械密封环，密封环端面的外径侧为高压侧，内径侧为低压侧，密封环端面上开有6个沿端面圆周均匀分布的三级螺旋槽，三级螺旋槽开口于端面低压侧，密封环端面上未开槽区域形成密封坝；

三级螺旋槽中的每一级螺旋槽都是由螺旋角相等的对数螺旋线构成，螺旋角α为15°；

三级螺旋槽的周向宽度从低压侧到高压侧逐级递减，形成收敛间隙；第一级螺旋槽1与第二级螺旋槽2交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成角θ₁，θ₁为83°，第二级螺旋槽2与第三级螺旋槽3交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成角θ₂，θ₂为80°；

第一级螺旋槽1靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为β₁，β₁为30°，第二级螺旋槽2靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为β₂，β₂为22°，第三级螺旋槽3靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为β₃，β₃为15°；

第一级螺旋槽1的深度h₁为80μm，第二级螺旋槽2的深度h₂为60μm，第三级螺旋槽3的深度h₃为40μm，同一级槽的槽深不变化。

与等效单级螺旋槽比较：设单级螺旋槽密封环和三级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6，平衡膜厚为h_b=10μm。所不同的是，三级螺旋槽每级槽深分别为h₁=80μm，h₂=60μm，h₃=40μm，等效于单级螺旋槽槽深取三级槽深的平均值，即为60μm。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。

单级螺旋槽密封环端面开启力F_o为412N，泄露率S_t为1.37×10^-3kg/s；三级螺旋槽密封环端面开启力F_o为442N，泄露率S_t为1.32×10^-3kg/s；可以看出，三级螺旋槽密封环比单级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，三级螺旋槽密封环比单级螺旋槽密封环的泄漏率小，这说明在相同工况条件下三级螺旋密封环更有利于介质的密封。

实施例2

一种具有多级螺旋槽的上游泵送机械密封环，密封环端面的外径侧为高压侧，内径侧为低压侧，密封环端面上开有10个沿端面圆周均匀分布的四级螺旋槽，四级螺旋槽开口于端面低压侧，密封环端面上未开槽区域形成密封坝；

四级螺旋槽中的每一级螺旋槽都是由螺旋角相等的对数螺旋线构成，螺旋角为-15°，即对数螺旋线的螺旋方向与实施例1相反；

四级螺旋槽的周向宽度从低压侧到高压侧逐级递减，形成收敛间隙；第一级螺旋槽与第二级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成的角为83°，第二级螺旋槽与第三级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成的角为80°；第三级螺旋槽与第四级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成的角为77°；

第一级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为28°，第二级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为23°，第三级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为19°；第四级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为14°；

第一级螺旋槽的深度为90μm，第二级螺旋槽的深度为70μm，第三级螺旋槽的深度为50μm，第四级螺旋槽的深度为30μm，同一级槽的槽深不变化。

与等效单级螺旋槽比较：设单级螺旋槽密封环和四级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。所不同的是，四级螺旋槽每级槽深分别为h₁=90μm，h₂=70μm，h₃=50μm，h₄=30μm，等效于单级螺旋槽槽深取四级槽深的平均值，即为60μm。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。

单级螺旋槽密封环端面开启力F_o为415N，泄露率S_t为1.34×10^-3kg/s；四级螺旋槽密封环端面开启力F_o为455N，泄露率S_t为1.33×10^-3kg/s；可以看出，四级螺旋槽密封环比单级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，四级螺旋槽密封环比单级螺旋槽密封环的泄漏率小，这说明在相同工况条件下四级螺旋密封环更有利于介质的密封。

实施例3

一种具有多级螺旋槽的上游泵送机械密封环，密封环端面的外径侧为高压侧，内径侧为低压侧，密封环端面上开有15个沿端面圆周均匀分布的八级螺旋槽，八级螺旋槽开口于端面低压侧，密封环端面上未开槽区域形成密封坝；

八级螺旋槽中的每一级螺旋槽都是由螺旋角相等的对数螺旋线构成，螺旋角为-15°，即对数螺旋线的螺旋方向与实施例1相反；

八级螺旋槽的周向宽度从低压侧到高压侧逐级递减，形成收敛间隙；第一级螺旋槽与第二级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成的角为83°，第二级螺旋槽与第三级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成的角为83°；第三级螺旋槽与第四级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成的角为80°；第四级螺旋槽与第五级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成的角为80°，第五级螺旋槽与第六级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成的角为77°；第六级螺旋槽与第七级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成的角为77°；第七级螺旋槽与第八级螺旋槽交界处对向高压侧的一侧，槽壁向槽内凹进形成的角为74°；

第一级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为25°，第二级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为23°，第三级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为21°；第四级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为19°；第五级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为17°，第六级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为15°，第七级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为13°；第八级螺旋槽靠近低压侧的周向长度对应的圆心角为11°；

第一级螺旋槽的深度为90μm，第二级螺旋槽的深度为80μm，第三级螺旋槽的深度为70μm，第四级螺旋槽的深度为60μm，第五级螺旋槽的深度为50μm，第六级螺旋槽的深度为40μm，第七级螺旋槽的深度为30μm，第八级螺旋槽的深度为10μm，同一级槽的槽深不变化。

与等效单级螺旋槽比较：设单级螺旋槽密封环和八级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。所不同的是，八级螺旋槽每级槽深分别为h₁=90μm，h₂=80μm，h₃=70μm，h₄=60μm，h₅=50μm，h₆=40μm，h₇=30μm，h₈=10μm，等效于单级螺旋槽槽深取八级槽深的平均值，即为53.75μm。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。

单级螺旋槽密封环端面开启力F_o为430N，泄露率S_t为1.22×10^-3kg/s；八级螺旋槽密封环端面开启力F_o为452N，泄露率S_t为1.19×10^-3kg/s；可以看出，八级螺旋槽密封环比单级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，八级螺旋槽密封环比单级螺旋槽密封环的泄漏率小，这说明在相同工况条件下八级螺旋密封环更有利于介质的密封。

以上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。