本发明涉及一种螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环，属于旋转式流体机械密封技术领域。
背景技术：
机械密封是流体机械最常用的旋转轴密封，为适应高参数密封的要求以及更大的延长普通机械的机械密封寿命，人们希望通过研究密封机理，改进密封结构，研制密封材料，配置密封系统来达到目的。其中，通过密封端面上开槽来改善端面的润滑状况，实现机械密封的长寿命运行，是行之有效的办法。端面开槽机械密封是在普通机械密封端面上开深度达到微米量级的各种形式槽而形成的，利用流体静压效应和流体动压效应，来改善密封面的润滑情况。
非接触机械密封分为单向旋转式和双向旋转式，目前单向旋转式非接触密封主要有：螺旋槽机械密封，人字槽机械密封，此类密封均为径向非对称的槽型结构，具有稳定性好、泄漏率低等优点，但严禁密封过程出现反向旋转，出现反向旋转将损坏此类密封环；双向旋转式非接触密封主要有：t型槽机械密封、圆弧槽机械密封、面包槽机械密封、多孔端面机械密封等径向对称的槽型结构，此类槽型可满足双向旋转但流体膜刚度要弱于单向旋转的槽型结构，也就是说径向对称的槽型结构其气膜稳定性相对较弱。
总的来说，干气密封技术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，低转速运行性能难以适应操作条件急剧变化或高操作参数的情况。如何去解决这些问题成为当今研究新槽型的热点。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环。本发明螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环，基于流体动压润滑理论，具有气膜刚度大、泄漏率、可反向旋转的优点。本发明通过以下技术方案实现。
一种螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环，包括干气密封动环和干气密封静环，其中至少一个环密封端面上设有均匀分布螺旋槽1和雷利台阶槽的组合型槽，至少一个环密封端面上以外径边缘为起点延内径方向均匀设有若干螺旋槽1，若干螺旋槽1延内径方向均匀设有若干雷利台阶槽，若干螺旋槽1中相邻的螺旋槽1间设有螺旋槽中间坝区3，若干雷利台阶槽中相邻的雷利台阶槽间设有雷利台阶槽中间坝区，每一对前后的雷利台阶槽、螺旋槽1间设有螺旋槽与雷利台阶槽中间坝区2，每个雷利台阶槽与干气密封环密封端面的内径处设有密封端面坝区7。
所述若干螺旋槽1为2~40个，若干雷利台阶槽为1~40个。
每个螺旋槽1槽深为1~30μm，每个螺旋槽1槽区宽度d4为1~50mm，螺旋槽1螺旋角α为1°~90°。
每个螺旋槽1所对圆心角α5为1º~180º。
每个雷利台阶槽包括雷利台阶槽深槽区4、雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6，雷利台阶槽深槽区4槽深为1~30μm，雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6深均为1~30μm；每个雷利台阶槽宽度d5为1~50mm，每个雷利台阶槽深槽区4宽度d6为0.8~48mm。
每个雷利台阶槽所对圆心角α1为1º~360º，雷利台阶槽深槽区4深槽区所对圆心角α2为0.8º~300º，每个雷利台阶槽中间坝区所对圆心角α4为0.8º~60º。
所述螺旋槽1和雷利台阶槽槽底形状为矩形槽底、圆弧形槽底、w形槽底、v字形槽底、台阶形槽底或梯形槽底。
本发明的工作原理是：当干气密封在稳定运行时，密封介质气体进入端面，由于压力差和转速的作用，在密封环上未开槽部分构成的密封坝、密封堰的节流效应，导致进入螺旋槽和雷利台阶槽槽的气体压力升高。与此同时，螺旋槽和雷利台阶槽产生耦合作用，在周围产生强烈的流体动压效应，在压力的推动下，动环与静环相分离，密封端面形成一层很薄的气膜，在机械设备发生故障引起短时间反向旋转时，干气密封的动环也随之发生反向旋转，这时单一的螺旋槽动压效应减弱甚至失效，但此时雷利台阶槽不会失效，雷利台阶槽的台阶部分仍然可以产生较强的动压效应使密封端面间形成稳定的气膜，从而保证干气密封的有效运行。
本发明的有益效果是：
1、本发明螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环，该组合型槽结构并非单纯将螺旋槽和雷利台阶槽的几何结构进行叠加，而是形成了强烈的流体动压效应。相比现有的仅含螺旋槽或者仅含雷利台阶槽的干气密封环，具有的导流效果好，气膜刚度大和泄漏量小等显著特点，使密封运转有更高的稳定性。
2、由于螺旋槽和雷利台阶槽的组合型槽具有较大的气膜刚度，在反向旋转的时候气膜在强烈的流体动压效应作用下，其刚度不会迅速下降至零以下，从而导致在反向旋转的转速不超过一定范围内均可能正常运转，克服了现有技术中径向非对称的槽型结构不能出现反向旋转的技术问题。
3、本发明是在经典螺旋槽和雷利台阶槽基础上形成的，具有加工工艺简单，加工技术成熟，相关几何参数优化完备、加工成本低、密封摩擦功耗低、密封装置寿命长、密封环变形小等特点，特别适用于泵和压缩机等设备中非接触机械密封。
4、本发明螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环具有多种槽底结构，针对不同的密封设备及操作工况可选择不同槽底结构，使得一种螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环更贴合实际应用。
附图说明
图1是本发明螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环结构示意图；
图2是本发明螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环局部放大图；
图3是本发明实施例1螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环三维结构示意图；
图4是本发明实施例2螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环结构示意图；
图5是本发明实施例3螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环结构示意图；
图6是本发明实施例1螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环结构槽底结构为矩形结构示意图；
图7是本发明螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环结构槽底结构为圆弧形结构示意图；
图8是本发明螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环结构槽底结构为w形结构示意图；
图9是本发明螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环结构槽底结构为v形结构示意图；
图10是本发明螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环结构槽底结构为台阶形结构示意图；
图11是本发明螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环结构槽底结构为梯形结构示意图。
图中：1-螺旋槽，2-螺旋槽与雷利台阶槽中间坝区，3-螺旋槽中间台区，4-雷利台阶槽深槽区，5-雷利台阶槽浅槽区a，6-雷利台阶槽浅槽区b，7-密封端面坝区，ri-密封环内径，rg2-雷利台阶槽槽底半径，rq2-雷利台阶槽深槽槽底半径，ro2-雷利台阶槽槽顶半径，rq1-雷利台阶槽深槽槽顶半径，rg1-螺旋槽槽底半径，ro1-密封环外径，α-螺旋角，α1-雷利台阶槽所对圆心角，α2-雷利台阶槽深槽区所对圆心角，α3-雷利台阶槽浅槽区a所对圆心角，α4-雷利台阶槽中间坝区所对圆心角，α5-螺旋槽所对圆心角，d2-密封环半径，d3-螺旋槽槽坝区总宽度，d4-螺旋槽槽区宽度，d5-雷利台阶槽宽度，d6-雷利台阶槽深槽宽度，d7-密封端面坝区宽度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1至3和6所示，该螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环，包括干气密封动环和干气密封静环，其中干气密封动环和干气密封静环密封端面上均设有均匀分布螺旋槽1和雷利台阶槽的组合型槽，每个环密封端面上以外径边缘为起点延内径方向均匀设有12个螺旋槽1，若干螺旋槽1延内径方向均匀设有12个雷利台阶槽，12个螺旋槽1中相邻的螺旋槽1间设有螺旋槽中间坝区3，12个雷利台阶槽中相邻的雷利台阶槽间设有雷利台阶槽中间坝区，每一对前后的雷利台阶槽、螺旋槽1间设有螺旋槽与雷利台阶槽中间坝区2，每个雷利台阶槽与干气密封环密封端面的内径处设有密封端面坝区7。
其中每个螺旋槽1槽深为5μm，每个螺旋槽1槽区宽度d4为8.78mm，螺旋槽槽坝区总宽度d3为9.78mm，螺旋槽1螺旋角α为15°；螺旋槽1所对圆心角α5为40º；
每个雷利台阶槽包括雷利台阶槽深槽区4、雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6，雷利台阶槽深槽区4槽深为5μm，雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6深均为1μm；每个雷利台阶槽宽度d5为7mm，每个雷利台阶槽深槽区4宽度d6为5.2mm；
每个雷利台阶槽所对圆心角α1为25º，雷利台阶槽深槽区4深槽区所对圆心角α2为20º，每个雷利台阶槽中间台区所对圆心角α4为10º；螺旋槽1和雷利台阶槽槽底形状为矩形槽底。
将本实施例螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环与现有技术的t形槽、雷利台阶槽和螺旋槽密封环进行干气密封实验对比。工况参数：外压po=4.5852mpa，内压pi=0.1013mpa，转速r=1087.08rad/s，工作温度t=30℃。实验结果如表1所示：
表1
从表1中可以看出，本实施例螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环开启力大于t形槽和雷利台阶槽，略低于螺旋槽；而泄漏量远远低于三种槽型，并且气膜刚度远大于其他三种槽型，也就是说与现有技术相比，本发明具有更好的密封稳定性而且泄漏率小于现有技术，开启力处于较高状态；由于本发明密封运转时气膜刚度较大，在反向旋转时气膜刚度不会立刻变为零以下，所以在反向转速一定范围内机械密封可以正常运转，通过实验得到反向转速最大值为2355r/min。综上所述本发明所述一种螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环具有更好的密封性能。
实施例2
如图2、4和7所示，该螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环，包括干气密封动环和干气密封静环，其中干气密封动环密封端面上均设有均匀分布螺旋槽1和雷利台阶槽的组合型槽，每个环密封端面上以外径边缘为起点延内径方向均匀设有12个螺旋槽1，若干螺旋槽1延内径方向均匀设有4个雷利台阶槽，12个螺旋槽1中相邻的螺旋槽1间设有螺旋槽中间坝区3，4个雷利台阶槽中相邻的雷利台阶槽间设有雷利台阶槽中间坝区，每一对前后的雷利台阶槽、螺旋槽1间设有螺旋槽与雷利台阶槽中间坝区2，每个雷利台阶槽与干气密封环密封端面的内径处设有密封端面坝区7。
其中每个螺旋槽1槽深为1μm，每个螺旋槽1槽区宽度d4为10mm，螺旋槽槽坝区总宽度d3为12mm，螺旋槽1螺旋角α为1°；螺旋槽1所对圆心角α5为20º；
每个雷利台阶槽包括雷利台阶槽深槽区4、雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6，雷利台阶槽深槽区4槽深为1μm，雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6深均为1μm；每个雷利台阶槽宽度d5为10mm，每个雷利台阶槽深槽区4宽度d6为8.8mm；
每个雷利台阶槽所对圆心角α1为80º，雷利台阶槽深槽区4深槽区所对圆心角α2为70º，每个雷利台阶槽中间台区所对圆心角α4为10º；螺旋槽1和雷利台阶槽槽底形状为圆弧形槽底。
实施例3
如图2、5和8所示，该螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环，包括干气密封动环和干气密封静环，其中干气密封动环密封端面上均设有均匀分布螺旋槽1和雷利台阶槽的组合型槽，每个环密封端面上以外径边缘为起点延内径方向均匀设有12个螺旋槽1，若干螺旋槽1延内径方向均匀设有8个雷利台阶槽，12个螺旋槽1中相邻的螺旋槽1间设有螺旋槽中间坝区3，8个雷利台阶槽中相邻的雷利台阶槽间设有雷利台阶槽中间坝区，每一对前后的雷利台阶槽、螺旋槽1间设有螺旋槽与雷利台阶槽中间坝区2，每个雷利台阶槽与干气密封环密封端面的内径处设有密封端面坝区7。
其中每个螺旋槽1槽深为30μm，每个螺旋槽1槽区宽度d4为50mm，螺旋槽槽坝区总宽度d3为52mm，螺旋槽1螺旋角α为30°；螺旋槽1所对圆心角α5为25º；
每个雷利台阶槽包括雷利台阶槽深槽区4、雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6，雷利台阶槽深槽区4槽深为30μm，雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6深均为30μm；每个雷利台阶槽宽度d5为50mm，每个雷利台阶槽深槽区4宽度d6为48mm；
每个雷利台阶槽所对圆心角α1为40º，雷利台阶槽深槽区4深槽区所对圆心角α2为35º，每个雷利台阶槽中间台区所对圆心角α4为5º；螺旋槽1和雷利台阶槽槽底形状为w形槽底。
实施例4
如图2和9所示，该螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环，包括干气密封动环和干气密封静环，其中干气密封动环密封端面上均设有均匀分布螺旋槽1和雷利台阶槽的组合型槽，每个环密封端面上以外径边缘为起点延内径方向均匀设有2个螺旋槽1，若干螺旋槽1延内径方向均匀设有1个雷利台阶槽，2个螺旋槽1中相邻的螺旋槽1间设有螺旋槽中间台区3，每一对前后的雷利台阶槽、螺旋槽1间设有螺旋槽与雷利台阶槽中间坝区2，每个雷利台阶槽与干气密封环密封端面的内径处设有密封端面坝区7。
其中每个螺旋槽1槽深为20μm，每个螺旋槽1槽区宽度d4为1mm，螺旋槽槽坝区总宽度d3为2mm，螺旋槽1螺旋角α为40°；螺旋槽1所对圆心角α5为160º；
每个雷利台阶槽包括雷利台阶槽深槽区4、雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6，雷利台阶槽深槽区4槽深为20μm，雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6深均为15μm；每个雷利台阶槽宽度d5为1mm，每个雷利台阶槽深槽区4宽度d6为0.8mm；
每个雷利台阶槽所对圆心角α1为360º，雷利台阶槽深槽区4深槽区所对圆心角α2为300º，每个雷利台阶槽中间台区所对圆心角α4为60º；螺旋槽1和雷利台阶槽槽底形状为v形槽底。
实施例5
如图2和10所示，该螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环，包括干气密封动环和干气密封静环，其中干气密封动环密封端面上均设有均匀分布螺旋槽1和雷利台阶槽的组合型槽，每个环密封端面上以外径边缘为起点延内径方向均匀设有40个螺旋槽1，40个螺旋槽1延内径方向均匀设有40个雷利台阶槽，40个螺旋槽1中相邻的螺旋槽1间设有螺旋槽中间坝区3，每一对前后的雷利台阶槽、螺旋槽1间设有螺旋槽与雷利台阶槽中间坝区2，每个雷利台阶槽与干气密封环密封端面的内径处设有密封端面坝区7。
其中每个螺旋槽1槽深为20μm，每个螺旋槽1槽区宽度d4为1mm，螺旋槽槽坝区总宽度d3为2mm，螺旋槽1螺旋角α为40°；螺旋槽1所对圆心角α5为1º；
每个雷利台阶槽包括雷利台阶槽深槽区4、雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6，雷利台阶槽深槽区4槽深为1μm，雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6深均为15μm；每个雷利台阶槽宽度d5为1mm，每个雷利台阶槽深槽区4宽度d6为0.8mm；
每个雷利台阶槽所对圆心角α1为1º，雷利台阶槽深槽区4深槽区所对圆心角α2为0.8º，每个雷利台阶槽中间台区所对圆心角α4为8º；螺旋槽1和雷利台阶槽槽底形状为台阶形槽底。
实施例6
如图2和11所示，该螺旋槽和雷利台阶槽组合的干气密封环，包括干气密封动环和干气密封静环，其中干气密封动环密封端面上均设有均匀分布螺旋槽1和雷利台阶槽的组合型槽，每个环密封端面上以外径边缘为起点延内径方向均匀设有40个螺旋槽1，40个螺旋槽1延内径方向均匀设有40个雷利台阶槽，40个螺旋槽1中相邻的螺旋槽1间设有螺旋槽中间台区3，每一对前后的雷利台阶槽、螺旋槽1间设有螺旋槽与雷利台阶槽中间坝区2，每个雷利台阶槽与干气密封环密封端面的内径处设有密封端面坝区7。
其中每个螺旋槽1槽深为20μm，每个螺旋槽1槽区宽度d4为1mm，螺旋槽槽坝区总宽度d3为2mm，螺旋槽1螺旋角α为40°；螺旋槽1所对圆心角α5为1º；
每个雷利台阶槽包括雷利台阶槽深槽区4、雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6，雷利台阶槽深槽区4槽深为1μm，雷利台阶槽浅槽区a5和雷利台阶槽浅槽区b6深均为15μm；每个雷利台阶槽宽度d5为1mm，每个雷利台阶槽深槽区4宽度d6为0.8mm；
每个雷利台阶槽所对圆心角α1为1º，雷利台阶槽深槽区4深槽区所对圆心角α2为0.8º，每个雷利台阶槽中间台区所对圆心角α4为8º；螺旋槽1和雷利台阶槽槽底形状为梯形槽底。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。