一种仿沙漠甲虫背壳表面织构的碳环密封结构的制作方法

本发明属于非接触式密封领域，涉及一种利用仿沙漠甲虫背部表面织构与表面材料的亲水或疏水特性的碳环密封结构，来达到将含湿气体或雾化密封介质中液体成分收集，并通过方向性织构将收集液体泵送回密封介质侧的目的，碳环密封因其结构简单、维修方便，不需要复杂的润滑冷却系统，主要应用于石油化工、冶金等旋转透平设备的轴端密封与轴承密封。

背景技术：

目前工艺无油螺杆压缩机中常用的主密封中有三种形式，其中碳环密封依靠小间隙节流降压实现密封功能，因其结构简单、便于安装维护、经济性好而在工艺螺杆压缩机广泛使用；此外，碳环密封还在气体压缩机轴端密封及其轴承密封中得到广泛应用。但是碳环密封存在着自身缺陷，在实际的现场运行使用中，也存在一些亟待解决的问题。目前的碳环结构可以为整体式，也可以为分瓣式。中国专利cn2011201380中所设计的多瓣式碳环结构，由被切割成多段的密封圈合围成一个圆环，被切割的每段密封环的切口为斜切口，且每段切口是沿着同一个方向进行平均切割，斜切口的切线为密封环内圆周的圆周切线，保证密封环在磨损之后碳环沿着斜切口向内滑移贴近轴套，使密封间隙保持不变。但是碳环密封存在间隙较大，在高转速下泄漏量较大，同时间隙过大会使流动动压力小，导致自找中心的能力差。当碳环密封应用于轴承密封时，因对轴承润滑油的密封能力较差，往往导致润滑油窜入压缩机内造成气体带有，直接危害机组的运行安全性和稳定性。

技术实现要素：

本发明要克服现有技术的碳环密封中存在间隙较大导致的泄漏量大和动压效果差等不足，基于仿生沙漠甲虫背部表面织构的作用原理，提供一种环面密封效果更佳，动压效果更好的具有亲水与疏水导流上游泵送碳环结构。

本发明的技术方案是：

一种仿沙漠甲虫背壳表面织构的碳环密封结构，所述碳环密封的轴向一侧为密封液体侧，另一侧为隔离气体侧，所述隔离气体的压力低于密封液体0.05～0.15mpa；所述碳环密封的内径侧表面与被密封机器的转轴表面构成一对密封副，所述内径侧表面由周向均布的光滑亲水表面1、仿鱼鳍导流凸起2和上游泵送疏水表面螺旋槽3组成，数块仿鱼鳍导流凸起2排列于光滑亲水表面1与上游泵送疏水表面螺旋槽3之间，，仿鱼鳍导流凸起2的基面与所述光滑亲水表面1处于同一表面，所述仿鱼鳍导流凸起2的迎气体侧的曲面具有亲水特性，仿鱼鳍导流凸起2的表面形成导流槽；所述上游泵送疏水表面螺旋槽3的底面涂覆有疏水性涂料且加工有球缺形亲水性微凸体；所述的导流槽和上游泵送疏水表面螺旋槽从密封液体侧至隔离气体侧贯通。

进一步，所述仿鱼鳍导流凸起2的切线与所述光滑亲水表面1之间的夹角α＝35°～55°；所述仿鱼鳍导流凸起2的迎气体侧的曲面微微向螺旋槽倾斜，倾斜角为1°～5°。

进一步，所述上游泵送疏水表面螺旋槽的槽深为5～20μm，槽底加工的球缺形亲水性微凸体的直径为5～20μm，所述球缺形亲水性微凸体的凸起高度为1～10μm，所述球缺形亲水性微凸体的中心线与槽底面之间的夹角β＝1°～10°。

再进一步，所述光滑亲水表面1、仿鱼鳍导流凸起2和上游泵送疏水表面螺旋槽3沿周向分布的长度比为1.5:3.5:5.0。

本发明的工作原理是：

基于仿沙漠甲虫背部光滑表面或表面织构的亲水与疏水特性，提出一种由亲水光滑表面、仿鱼鳍导流凸起和含疏水微凸体槽底面螺旋槽三者组成的仿生碳环密封表面单元，这种单元沿碳环密封内侧表面周期分布构成了新型仿生碳环密封结构。其中，碳环内径侧环面光滑亲水表面铺设的具有亲水属性的涂层，其工作原理就是仿沙漠甲虫背部外壳亲水性光滑表面收集水滴的原理，在最大程度上使气液混相介质(含湿气体或雾化密封介质)中的液体部分凝结在光滑亲水表面，减少液体介质向压缩机气体侧或隔离气体侧的泄漏量。此外，仿鱼鳍导流凸起和螺旋槽底面的球缺形微凸体的工作原理也是基于仿沙漠甲虫背部外壳亲水性光滑表面收集水滴的机理，目的是使得在光滑亲水表面以及仿鱼鳍导流凸起上积聚的液体借助旋转惯性力进入到螺旋槽内，在螺旋槽的泵送作用下将凝析液体泵回至被密封液体介质侧；仿鱼鳍导流凸起2的迎气面微微向螺旋槽倾斜，倾斜角为1°～5°，以很好地起到将凝析液导入螺旋槽的作用。与此同时，螺旋槽底面的亲水性球缺形微凸体还起到辅助凝析雾气的作用，进一步强化气体脱液的作用，确保隔离气体含湿度最低。螺旋槽底面涂敷成疏水性表面，防止凝析液在槽底面的停留，最大可能缩短凝析液在槽内的停留时间。

本发明的优点和有益效果主要表现在：(1)碳环内径侧环面采用的光滑亲水性涂层表面，可使得气液混相介质产生凝析，凝析液积聚在光滑面上，防止液体向气体的泄漏；(2)开设的仿鱼鳍导流凸起，相比未开设导流凸起的普通碳环，一方面可以有效地使含湿气体产生凝析，另一方面微微侧倾的导流凝析面可以更及时有效地将积聚的液体导向螺旋槽区内，防止整个密封区域流体膜厚内含液量过大产生过高摩擦扭矩和摩擦热，防止流体膜的刚度的降低或不足。(3)开设的上游泵送槽底面的疏水特性起到及时排液作用，而槽底面亲水性球缺形微凸体进一步对含湿气体产生凝析作用，增大了泵送回液体侧的流通量，降低了液体泄漏量，减少液体在槽区内的滞留，最重要的是可有效避免压缩机内气体带液和轴承润滑油窜入机组内，提高了整个机组的运行安全性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的一种实施案例的仿沙漠甲虫上游泵送疏水排液碳环的三维示意图；

图2是图1中仿鱼鳍导流凸起的三维示意图；

图3a是图1中上游泵送疏水槽槽底织构的排布示意图，图3b是图3a的球缺形亲水性微凸体的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述

参见图1至图3：一种仿沙漠甲虫背壳表面织构的碳环密封结构，所述碳环密封的轴向一侧为密封液体侧，另一侧为隔离气体侧，所述隔离气体的压力低于密封液体0.05～0.15mpa；所述碳环密封的内径侧表面与被密封机器的转轴表面构成一对密封副，所述内径侧表面由周向均布的光滑亲水表面1、仿鱼鳍导流凸起2和上游泵送疏水表面螺旋槽3组成，数块仿鱼鳍导流凸起2并列于光滑亲水表面1与上游泵送疏水表面螺旋槽3之间，仿鱼鳍导流凸起2的基面与所述光滑亲水表面1处于同一表面，所述仿鱼鳍导流凸起2的迎气体侧的曲面具有亲水特性，仿鱼鳍导流凸起2的表面形成导流槽；所述上游泵送疏水表面螺旋槽3的底面涂覆有疏水性涂料且加工有球缺形亲水性微凸体；所述的导流槽和上游泵送疏水表面螺旋槽从密封液体侧至隔离气体侧贯通。

仿鱼鳍导流凸起2的迎气体侧的曲面的切线与所述光滑亲水表面1之间的夹角α＝35°～55°；所述仿鱼鳍导流凸起2的迎气体侧的曲面微微向螺旋槽倾斜，倾斜角为1°～5°。

进一步，所述上游泵送疏水表面螺旋槽的槽深为5～20μm，槽底加工的球缺形亲水性微凸体的直径为5～20μm，所述球缺形亲水性微凸体的凸起高度为1～10μm，所述球缺形亲水性微凸体的中心线与槽底面之间的夹角β＝1°～10°。

所述光滑亲水表面1、仿鱼鳍导流凸起2和上游泵送疏水表面螺旋槽3沿周向分布的长度比为1.5:3.5:5.0。

本说明书实施例所述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。