似叠罗汉复合槽深型槽气体润滑端面机械密封结构的制作方法

本发明涉及一种旋转式流体机械的流体动压型气体润滑端面机械密封结构，特别涉及一种含有基础动压槽和似叠罗汉型槽的复合槽深端面密封结构，适用于各种压缩机、风机、泵和反应釜等旋转机械轴端的气膜端面密封。

背景技术：

干气密封自上世纪60年代开发以来，以其独特的性能优势在离心压缩机、风机等中高速旋转机械上得到广泛应用。干气密封是通过在密封端面上开设型线为螺旋线、直线或圆弧线的动压槽，当动环旋转时，利用动压槽较强的动静压效应将气体介质泵入密封端面，进入密封端面的气体在槽根处受阻升压，产生一定的流体动静压力以推开端面，从而使干气密封能维持在一层微米级气膜的条件下非接触运行，但是现有干气密封在中高速旋转机械的使用过程中仍存在着泄漏率高、气膜刚度不够大、抗高速扰动能力差等问题，失效事故时有发生。

为减小干气密封在高速条件下的泄漏率，提高密封性，美国专利一种螺旋槽端面密封(us6152452)提出一种似八字形的螺旋槽结构，其在密封端面上游侧设有将气体介质泵入密封端面的顺流泵送槽，而在端面下游侧设有将泄漏气体反泵回上游侧的逆流泵送槽，在同一组顺流泵送槽和逆流泵送槽径向间设有不开槽的周向密封坝。这种结构虽然能有效地降低密封介质向内径侧的泄漏，但是其气膜刚度会有一定程度的下降，不利于高速条件下气膜的稳定。

为提高高速条件下螺旋槽干气密封的气膜刚度，改善运行稳定性，中国专利双螺旋槽三维螺旋槽端面密封装置(cn2594554y)，三维似羽毛织构底面型槽气体端面密封结构(cn101644333a)及美国专利非接触式机械端面密封(us5441283a)等，公开文献如仿生多叶翼型槽干式气体端面密封的性能研究(见《摩擦学学报》，2013年第33卷第4期：pp372-381)，上述端面密封在型槽设计上相较于普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下具有一定的性能优势，但是仍存在高速运行时泄漏率较高，综合密封性能不佳等不足。

技术实现要素：

本发明要克服干气密封在高速高压条件运行时所存在的泄漏率高、气膜刚度不够大的问题，提供一种在高速高压条件下端面流体动压强，气膜刚度大，泄漏率低的似叠罗汉复合槽深气体端面机械密封结构。

本发明的技术方案是：

似叠罗汉复合槽深型槽气体润滑端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环或静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环或静环端面的另一侧为低压侧即下游，其特征为：所述动环和静环中至少一个密封环的端面上开设有多个沿圆周方向呈螺旋状均匀分布的似叠罗汉复合槽深型槽，所述的似叠罗汉复合槽深型槽从上游到下游逐渐变窄；所述似叠罗汉复合槽深型槽由基础动压型槽和似叠罗汉型槽组成，所述基础动压槽开设在端面上游，所述基础动压槽的槽底面上设有似叠罗汉型槽，似叠罗汉型槽的深度从上游至下游逐渐变浅；所述似叠罗汉型槽由多排子槽拼接而成，同一排的相邻子槽之间由深度与基础动压型槽深度相等的密封堰隔断；下游一侧的子槽跨骑在上游一侧的相邻排的两个子槽间的密封堰上；

所述似叠罗汉复合槽深型槽的端面下游设有密封坝。

进一步，下游一侧的子槽与所跨骑的上游一侧的密封堰的两侧的子槽贯通。

或者，下游一侧的子槽与所跨骑的上游一侧的密封堰的两侧的子槽之间被与基础动压槽深度相等的扇形密封堰隔开。

更进一步，下游一侧的子槽的宽度小于上游一侧的相邻排的子槽。

优选地，所述似叠罗汉型槽由3排子槽拼接而成，其中位于上游一排的子槽有3个，下游一排的子槽有1个，中间排的子槽有2个。

进一步，所述基础动压槽在槽根半径rg处的圆弧夹角θgi与在外径ro处的圆弧夹角θgo之比θgi/θgo＝0～1；所述基础动压槽在外径ro处的圆弧夹角θg与对应密封堰在同一半径处的圆弧夹角θl之比θg/θl的选值范围为θg/θl＝0.5～8；所述基础动压槽的深度h0选值范围为0～10μm，所述似叠罗汉型槽的深度hi选值范围为1～30μm。

优选地，θgi/θgo＝0.3～0.6，θg/θl＝1.5～4；所述基础动压槽的深度h0优选值范围为0.5～5μm，所述似叠罗汉型槽的深度hi选优值范围为2～18μm。

发明的工作原理是：当似叠罗汉复合槽深型槽干气密封运行时，加工在密封端面上游侧深度较浅的基础动压槽能将流体介质由外径侧向内径侧泵送，气体在基础动压槽槽根附近形成高压区，且基础动压槽由上游至下游流道逐渐变窄的收敛结构有助于流体介质在上游型槽中的的压缩增压。基础动压槽下层加工有从上游至下游深度逐渐变浅的似叠罗汉型槽，且各子槽的槽宽也从上游至下游逐渐变窄，如此形成典型的三维收敛槽型，进一步提高对流体介质的压缩作用。位于同排的各子槽间由深度与基础动压槽深度相等的密封堰隔开，流体可从多个周向分离的子槽中由外径向中心泵入，这种多槽引流结构对流体具有更强的导流作用；所述似叠罗汉型槽的上游子槽与邻近下游子槽一一对应相连贯通，同一基础动压槽中下游同排子槽数目较邻近上游同排子槽少，兼之下游同排子槽的深度小于邻近上游同排子槽，由此导致从上游被泵入的流体介质在下游各排似叠罗汉型槽中不断汇聚挤压，形成更强的动压效应。在各排子槽和基础动压槽的迎风侧槽根处，流体流动受阻，介质压力升高，从而形成明显的呈径向分布的压力峰值，从端面上游至下游侧，各压力峰值逐级升高，且各压力峰值相互干涉叠加而形成更大面积的高压区。

本发明的优点和有益效果：

(1)该结构由基础动压槽和似叠罗汉型槽组成，基础动压槽的槽宽从上游至下游逐渐变窄，而加工在基础动压槽底面上的似叠罗汉槽其槽深从上游至下游逐渐变浅，各排似叠罗汉型槽的槽宽也由上游至下游逐渐变窄，所形成的典型三维收敛型槽对流体介质具有更强的压缩作用和泵汲作用，在相同的流体膜厚度条件下可获得更大的端面承载力和流体膜刚度，提高密封高速运行稳定性。

(2)位于似叠罗汉型槽同排的各子槽之间由深度与基础动压槽深度相等的密封堰隔开，所形成的多槽引流结构对流体介质具有更强的导流作用，能使流体介质更均匀地进入密封端面，减弱密封环在高速高压操作条件下端面型槽中涡流效应，从而提高密封的运行稳定性。

(3)流体介质在似叠罗汉型槽的同排各子槽和基础动压槽的迎风侧槽根处所形成的多个呈径向和周向分布的压力峰值相互叠加，与普通螺旋槽、u型槽、v型槽、圆弧槽或直线槽等流体动压型槽在靠近端面内径侧的槽根处所形成的单个高压区相比，从而形成更大面积的高压区，有利于提高密封的承载力和气膜刚度，改善密封的启停特性和高速运行稳定性；此外，似叠罗汉型槽中位于端面上游侧的多个高压区与内径侧的距离较大，阻流作用增强，可显著减小流体介质向内径侧的泄漏，从而更大程度地提高了该类气膜密封的密封性。

(4)通过合理设计基础动压槽和似叠罗汉型槽的几何尺寸，可实现基础动压槽中流体高压区与似叠罗汉型槽中流体高压区的干涉叠加，使密封端面的压力分布更为均匀，且平均压力峰值更高，产生更大的承载力和气膜刚度。

附图说明：

图1是本发明实施案例一的开槽端面示意图；

图2是本发明实施案例一的开槽端面几何结构参数统一定义示意图；

图3是本发明实施案例一的三维结构图；

图4是本发明实施案例一的工作原理示意图；

图5是本发明实施案例二的开槽端面示意图；

图6是本发明实施案例二的三维结构图；

图7是本发明实施案例三的开槽端面示意图；

图8是本发明实施案例三的三维结构图；

图9是本发明实施案例四的开槽端面示意图；

图10是本发明实施案例四的三维结构图。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施进一步详述。

实施例一

参见图1、图2和图3，一种似叠罗汉复合槽深型槽气体润滑端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环或静环端面的一侧为高压侧即上游，所述动环或静环端面的另一侧为低压侧即下游，其特征为：所述动环和静环中至少一个密封环的端面上开设有多个沿圆周方向均匀分布的似叠罗汉复合槽深型槽，所述似叠罗汉复合槽深型槽由基础动压型槽4和似叠罗汉型槽1组成，所述基础动压槽4开设在端面上游，所述基础动压槽4的槽底面上加工有似叠罗汉型槽1，所述似叠罗汉型槽1中相邻两排型槽的上游子槽11、13和15相比邻近下游子槽的宽度较大，同排子槽11和13、13和15以及21和23之间分别由深度与基础动压型槽4深度相等的密封堰12、14和22隔断，所述似叠罗汉复合槽深型槽的端面下游设有不开槽的圆环光滑面即密封坝6。

所述似叠罗汉型槽中，下游一侧的子槽与所跨骑的上游一侧的密封堰的两侧的子槽贯通。相邻两排子槽11、13和21，13、15和23，21、23和3之间对应贯通。

所述基础动压槽4在槽根半径rg处的圆弧夹角θgi与在外径ro处的圆弧夹角θgo之比θgi/θgo的选值范围为θgi/θgo＝0～1，优选值范围为θgi/θgo＝0.3～0.6。

所述基础动压槽4在外径ro处的圆弧夹角θg与对应密封堰5在同一半径处的圆弧夹角θg之比θg/θl的选值范围为θg/θl＝0.5～8，优选值范围为θg/θl＝1.5～4。

所述基础动压槽4的深度h0选值范围为0～20μm，优选值范围为0.5～5μm，所述似叠罗汉型槽1的深度hi选值范围为1～100μm，选优值范围为2～20μm。所述各排子槽深度从端面上游至下游逐渐变浅，也即上游排子槽11、13、15的槽深h3，中间排子槽21和23的槽深h2，下游排子槽3的槽深h1满足：h1＜h2＜h3。

参照图1和图4，流体介质从外径侧向内径侧流动的过程中，在上游排子槽11、13和15的迎风侧槽根110、130和150处，中间排子槽21和23的迎风侧槽根210和230处，下游排子槽3的迎风侧槽根30以及基础动压槽4的迎风侧槽根40处形成多个沿径向和周向分布的压力峰值，密封端面的压力分为更为均匀，且各压力峰值相互干涉叠加而形成更大面积的高压区，有助于提高气膜承载力和气膜刚度。

实施例二

参照图5和图6，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述似叠罗汉型槽中，下游一侧的子槽与所跨骑的上游一侧的密封堰的两侧的子槽之间被与基础动压槽深度相等的扇形密封堰隔开。

上游排各子槽11、13、15与邻近下游排各子槽21、23之间被与基础动压槽4深度相等的密封坝42隔开，所述中间排各子槽21、23与邻近下游排子槽3之间被与基础动压槽4深度相等的密封坝41隔开，其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例三

参照图7和图8，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述中间排各子槽21和23分别镶嵌于邻近上游排子槽11和13以及13和15之间，而所述下游排子槽3镶嵌于中间排子槽21和23之间，其余结构和实施方式与实施例一相同。

实施例四

参照图9和图10，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述基础动压槽4的侧壁型线为径向直线，所述似叠罗汉型槽1中各罗汉槽的侧壁型线为直线，所述基础动压槽4和似叠罗汉型槽1是关于半径线对称的双向槽，该种似叠罗汉复合槽深型槽气体润滑端面机械密封可适用于双向旋转流体机械场合，其余结构和实施方式与实施例三相同。

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想到的等同技术手段。