一種內(nèi)壁仿龍卷風(fēng)螺旋溝槽復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封腔體的制作方法【專利摘要】一種內(nèi)壁仿龍卷風(fēng)螺旋溝槽復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封腔體，由機(jī)械密封側(cè)的錐形密封腔和靠近葉輪側(cè)的梯形密封腔組成，機(jī)械密封主要摩擦副由動環(huán)和靜環(huán)組成，錐形密封腔的內(nèi)壁加工有仿龍卷風(fēng)形的螺旋溝槽，螺旋溝槽的螺旋型線是阿基米德螺線，錐形密封腔的內(nèi)壁直徑沿軸向自機(jī)械密封至腔體喉部逐漸變大；梯形密封腔由大圓環(huán)形腔和小圓環(huán)形腔兩部分組成，大圓環(huán)形腔包含梯形密封腔與錐形密封腔的交界面，交界面上開設(shè)有多個(gè)引流槽和一個(gè)環(huán)形集流槽，引流槽的一側(cè)與錐形密封腔大直徑側(cè)的螺旋溝槽出口相連貫通，引流槽的另一側(cè)與環(huán)形集流槽相連貫通；梯形密封腔的大圓環(huán)形腔、小圓環(huán)形腔的腔體上分布有排泄孔?！緦＠f明】一種內(nèi)壁仿龍卷風(fēng)螺旋溝槽復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封腔體(一)
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本發(fā)明涉及的是旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸端用機(jī)械密封的密封腔體結(jié)構(gòu)，該腔體能用作惡劣環(huán)境下特別是含固含氣較多的多相流介質(zhì)栗的密封腔。(二)【
背景技術(shù)：
】[0002]機(jī)械密封以其低泄漏、低功耗、低磨損和長壽命等性能優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械或設(shè)備的軸端密封，如栗、壓縮機(jī)、反應(yīng)釜等。隨著石油石化和航天航空產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，要求機(jī)械密封能夠適應(yīng)更高參數(shù)和更惡劣的環(huán)境，密封腔體作為密封介質(zhì)的直接載體，其換熱能力、排渣與破泡能力的好壞直接影響密封性能的優(yōu)劣。[0003]針對機(jī)械密封的腔體結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外做了大量的研究工作，上個(gè)世紀(jì)80年代，英國BHR協(xié)會對腔體結(jié)構(gòu)做了一系列的研究工作，包括實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，并對多種腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索，包括等直徑平滑腔、不等直徑光滑錐形腔或梯形腔等，研究發(fā)現(xiàn)錐形腔體有利于腔內(nèi)流體的流動，但是有關(guān)研究并沒有給出光滑錐形腔體的結(jié)構(gòu)尺寸。1992年英國學(xué)者Nau教授等在第9屆國際栗會議上發(fā)表了題為“Mechanicalsealchamberdesignforimprovedperformance”，系統(tǒng)總結(jié)了英國學(xué)者關(guān)于密封腔研究工作的進(jìn)展，認(rèn)為許多機(jī)械密封仍然運(yùn)行在無法很好發(fā)揮其功能的腔體內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)密封的良好傳熱以及對密封環(huán)境中氣固量的良好控制，因此研究并提出了一種具有良好性能的可控渦結(jié)構(gòu)錐形密封腔。1998年Merati和Parper對錐形密封腔體的流場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)錐形腔具有排氣除渣效果，并提出錐形腔內(nèi)泰勒漩渦對流場很重要，而漩渦強(qiáng)度與腔體進(jìn)口的流體狀態(tài)有關(guān)。加拿大EnviroSeal工程制品有限公司發(fā)明了位于密封腔喉部的SpiralTrac螺旋襯套(US5553868“Sealcavitythroatbushing”)，可起到排渣強(qiáng)化換熱的效果。在此基礎(chǔ)上，國際上出現(xiàn)了多個(gè)與SpiraITrac相關(guān)的發(fā)明，如EnviroSeal公司的(EP1409899B1“Bushingarrangementforsealcavityprotect1ninrotatingfluidequipment，，)方定車專流體機(jī)器密封腔襯套裝置，是在US5553868的基礎(chǔ)上對襯套裝置進(jìn)行了系列設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善了螺旋襯套裝置；在此基礎(chǔ)上，該公司又發(fā)明了外裝式螺旋適配器(US7314218“Externallymountablespiraladaptor”)，其內(nèi)壁加工有螺旋槽，起到排除密封介質(zhì)中污染物的作用；又如AES工程有限公司發(fā)明的密封腔保護(hù)器(W02009010772A1uSealcavityprotect1n”)及環(huán)形密封腔喉部襯套(US20140325791A1“Annularsealcavitythroatbushing”)。在國內(nèi)，2008年趙龍對錐形密封腔體和普通腔體進(jìn)行了對比，得出錐形腔體有更好的效果;同年，張明明研究了腔內(nèi)流場以及摩擦副溫度場性能。[0004]以上發(fā)明和理論研究表明，錐形密封腔體有其獨(dú)特的性能優(yōu)勢，但實(shí)際應(yīng)用表明上述結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)不適用于密封介質(zhì)中固體磨料或污染物含量較高的場合，對強(qiáng)化密封環(huán)的換熱效果、有效防止密封端面污染物沉積尚需實(shí)質(zhì)改進(jìn)。此外，國外專利對錐形密封腔喉部襯套或外裝式錐形螺旋槽結(jié)構(gòu)適配器的主要進(jìn)行了定性描述，少有定量描述的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(三)【
發(fā)明內(nèi)容】[0005]本發(fā)明要解決在惡劣環(huán)境下，尤其是高固含量或者氣液混相的環(huán)境中固體顆粒或氣泡破壞密封端面流體膜的問題，提出一種內(nèi)壁開仿龍卷風(fēng)形溝槽錐形密封腔體結(jié)構(gòu)，可有效排出溶解在密封介質(zhì)中或匯集在密封端面附近的固體顆?；驓馀荨0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):[0007]—種內(nèi)壁仿龍卷風(fēng)螺旋溝槽復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封腔體，所述密封腔體適用于安裝臥式轉(zhuǎn)子栗機(jī)械密封，由機(jī)械密封側(cè)的錐形密封腔3和靠近葉輪側(cè)的梯形密封腔組成，所述機(jī)械密封主要摩擦副由動環(huán)4和靜環(huán)5組成，所述錐形密封腔3的內(nèi)壁加工有仿龍卷風(fēng)形的螺旋溝槽6，所述螺旋溝槽6的螺旋型線是阿基米德螺線，所述錐形密封腔3的內(nèi)壁直徑沿軸向自機(jī)械密封至腔體喉部逐漸變大;所述梯形密封腔由大圓環(huán)形腔2和小圓環(huán)形腔I兩部分組成，所述大圓環(huán)形腔2包含梯形密封腔與錐形密封腔的交界面，所述交界面上開設(shè)有多個(gè)引流槽7和一個(gè)環(huán)形集流槽8，所述引流槽7的一側(cè)與錐形密封腔大直徑側(cè)的螺旋溝槽6出口相連貫通，所述引流槽7的另一側(cè)與環(huán)形集流槽8相連貫通;所述梯形密封腔的大圓環(huán)形腔2、小圓環(huán)形腔I的腔體上分布有排泄孔。[0008]進(jìn)一步，所述的排泄孔包括第一排泄孔9和第二排泄孔10，所述第一排泄孔9孔口朝上用于排泄密度較小的含氣介質(zhì)，其直徑d=0.1?0.3mm。所述第二排泄孔10孔口朝下用于排泄密度較大的含固體磨料混合液，其直徑D=0.5?5.0mm。[0009]進(jìn)一步，所述錐形密封腔內(nèi)壁的錐角arctan[(d2_di)/(2Li)]=5.1°?8.8°。[0010]再進(jìn)一步，所述的錐形密封腔體的軸向長度與錐形密封腔的軸向長度之比L2/L1=0.05?OAc[0011]所述螺旋溝槽6的截面形狀可以為矩形、三角形或其他形狀，[0012]工作原理:龍卷風(fēng)是自然界中一種較為常見的自然現(xiàn)象，是在極不穩(wěn)定天氣下由空氣強(qiáng)烈對流運(yùn)動而產(chǎn)生的一種伴隨著高速旋轉(zhuǎn)的錐形漏斗螺旋狀云柱的強(qiáng)風(fēng)渦旋，能將所經(jīng)路徑上的樹木、房屋建筑材料等固體物迅速卷吸進(jìn)入空中，并在龍卷風(fēng)上端大面積云層區(qū)域盤旋。借鑒龍卷風(fēng)下端具有強(qiáng)卷吸作用的錐形漏斗螺旋狀結(jié)構(gòu)，在靠近密封側(cè)設(shè)計(jì)錐形密封腔體，并在錐形密封腔體內(nèi)壁開設(shè)阿基米德螺線螺旋溝槽，起到排渣與破泡排氣作用;借鑒龍卷風(fēng)上端大面積柱狀云層，在遠(yuǎn)離密封側(cè)設(shè)計(jì)由大小圓柱形腔兩部分組成的梯形密封腔，內(nèi)徑較大的圓柱形腔作為密封介質(zhì)中固體顆粒和所含氣泡的滯留區(qū)，進(jìn)一步通過梯形截面圓環(huán)形集流槽中的不同直徑孔向栗側(cè)排泄，不同直徑排泄孔的大小及分布與轉(zhuǎn)子機(jī)器設(shè)備的具體型式有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，密封腔中的流體介質(zhì)受粘性剪切力作用隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，其中密封側(cè)流體介質(zhì)中的固體顆粒和氣泡在錐形螺旋溝槽結(jié)構(gòu)的渦漩導(dǎo)流作用下，沿著螺旋溝槽沿錐形密封腔流向梯形密封腔。從螺旋溝槽中流出的含固體顆粒和氣泡的流體介質(zhì)沿著錐形密封腔與梯形密封腔交界面上的引流槽進(jìn)入環(huán)形集流槽中，受密度差異的影響，固體顆粒產(chǎn)生的離心慣性力遠(yuǎn)大于氣泡。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子栗為臥式栗時(shí)，梯形密封腔大圓形腔部分的下圓弧面分布的排泄孔直徑大于其上圓弧面分布的排泄孔直徑，而下圓弧面上排泄孔的分布密度小于上圓弧面，以分別有利于顆粒介質(zhì)和含氣介質(zhì)的分層順利排泄；當(dāng)轉(zhuǎn)子栗為立式栗時(shí)，梯形密封腔大圓形腔中圓環(huán)內(nèi)壁的下端部分布的排泄孔直徑大于其上端部分布的排泄孔直徑，且下端部上排泄孔的分布密度小于上端部，以分別有利于顆粒介質(zhì)和含氣介質(zhì)的分層排泄。固體顆?；旌弦号判箍椎闹睆紻=0.5?5.0mm，含氣液體排泄孔的直徑d=0.1?0.3mm。[0013]錐形密封腔及在其內(nèi)壁開設(shè)的螺旋溝槽除了具有強(qiáng)化密封腔中混相流體介質(zhì)的流動作用外，還具有強(qiáng)化密封腔體中流體介質(zhì)的對流換熱能力，因此對改善密封腔中機(jī)械密封或其它類似軸端密封的對流換熱特性非常有利。[0014]本發(fā)明的有益效果在于:通過仿效龍卷風(fēng)對固體顆粒的卷吸作用，本發(fā)明能將位于密封側(cè)流體介質(zhì)中的固體顆粒和氣泡通過錐形密封腔內(nèi)壁的龍卷風(fēng)螺旋溝槽吸進(jìn)梯形密封腔，最終排泄出密封腔，同時(shí)可以加強(qiáng)密封介質(zhì)對機(jī)械密封對流換熱效果，因此從根本上達(dá)到改善機(jī)械密封工作環(huán)境，提高密封使用壽命的目的。(四)【附圖說明】[0015]圖1是本發(fā)明的含機(jī)械密封的錐形密封腔與梯形密封腔組合結(jié)構(gòu)的示意圖。[0016]圖2是本發(fā)明實(shí)施案例一的三維示意圖。[0017]圖3是本發(fā)明實(shí)施案例一的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)一定義示意圖。[0018]圖4是本發(fā)明實(shí)施案例一的俯視圖。[0019]圖5是本發(fā)明實(shí)施案例二中螺旋溝槽的螺距為變螺距結(jié)構(gòu)示意圖。[0020]圖6是本發(fā)明實(shí)施案例三中螺旋溝槽截面為三角形截面結(jié)構(gòu)示意圖。[0021]圖6a是圖6的螺旋溝槽截面的局部剖視放大圖。(五)【具體實(shí)施方式】[0022]實(shí)施例一[0023]參考圖1、圖2、圖3和圖4，一種內(nèi)壁仿龍卷風(fēng)螺旋溝槽復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封腔體，所述密封腔體適用于安裝臥式轉(zhuǎn)子栗機(jī)械密封，由機(jī)械密封側(cè)的錐形密封腔3和靠近葉輪側(cè)的梯形密封腔組成，所述機(jī)械密封主要摩擦副由動環(huán)4和靜環(huán)5組成，所述錐形密封腔3的內(nèi)壁加工有仿龍卷風(fēng)形的螺旋溝槽6，所述螺旋溝槽6的螺旋型線是阿基米德螺線，所述螺旋溝槽6的截面形狀為矩形，所述錐形密封腔3的內(nèi)壁直徑沿軸向自機(jī)械密封至腔體喉部逐漸變大;所述梯形密封腔由大圓環(huán)形腔2和小圓環(huán)形腔I兩部分組成，所述大圓環(huán)形腔2包含梯形密封腔與錐形密封腔的交界面，所述交界面上開設(shè)有多個(gè)引流槽7和一個(gè)環(huán)形集流槽8，所述引流槽7的一側(cè)與錐形密封腔大直徑側(cè)的螺旋溝槽6出口相連貫通，所述引流槽7的另一側(cè)與環(huán)形集流槽8相連貫通;所述梯形密封腔的大圓環(huán)形腔2、小圓環(huán)形腔I的腔體上分布有第一排泄孔9和第二排泄孔10，所述第一排泄孔9孔口朝上用于排泄密度較小的含氣介質(zhì)，所述第二排泄孔10孔口朝下用于排泄密度較大的含固體磨料混合液。[0024]本發(fā)明的有益效果在于:通過仿效龍卷風(fēng)對固體顆粒的卷吸作用，本發(fā)明能將位于密封側(cè)的固體顆粒和氣泡通過錐形密封腔內(nèi)壁的龍卷風(fēng)螺旋溝槽吸進(jìn)梯形密封腔，最終排泄出密封腔，從而從根本上改善機(jī)械密封工作環(huán)境，提高密封使用壽命。[0025]進(jìn)一步，所述錐形密封腔3的內(nèi)壁錐角arctan[(d2_di)/(2Li)]=5.1°?8.8°。[0026]或進(jìn)一步，根據(jù)上述權(quán)利要求所述的梯形密封腔，其特征在于:所述梯形密封腔的大小頭兩部分圓柱形腔體上分布的用于排泄固體顆粒混合液的第二排泄孔10為較大孔，其直徑D=0.5?5.0mm;用于排泄含氣液體的第一排泄孔9為較小孔，其直徑d=0.1?0.3mm。[0027]再進(jìn)一步，所述錐形密封腔體軸向長度與錐形密封腔的軸向長度之比LVL1=0.05?OAc[0028]針對不同的栗輸介質(zhì)、栗的操作條件和密封輔助系統(tǒng)操作參數(shù)，通過大量試驗(yàn)測試分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為滿足石油、石化、化工、電力和制藥等領(lǐng)域不同工況條件下的實(shí)用性要求，所述錐形密封腔3的內(nèi)壁上仿龍卷風(fēng)形的螺旋溝槽6的螺旋頭數(shù)數(shù)量取值為3?8。[0029]實(shí)施例二[0030]參照圖5，本實(shí)施案例與實(shí)施案例一不同之處在于所述密封腔適合立式轉(zhuǎn)子栗，所述仿龍卷風(fēng)形的螺旋溝槽6的錐形密封腔3的螺旋溝槽的螺距自密封側(cè)至葉輪側(cè)逐漸減小，所述排泄孔9位于梯形密封腔上方用于排泄密度較小的含氣介質(zhì)，所述排泄孔10孔位于梯形密封腔下方用于排泄密度較大的含固體磨料混合液，其余結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式與實(shí)施案例一相同。[0031]實(shí)施例三[0032]參見圖6，本實(shí)施案列與實(shí)施案例二不同之處在于錐形密封腔3上的螺旋溝槽6的截面形狀為三角形，此外，還可以依據(jù)不同要求選擇螺旋溝槽6的截面形狀為梯形、圓弧形、拋物形等。[0033]其余結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式與實(shí)施案例二相同。[0034]本說明書實(shí)施案例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施案例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段?！局鳈?quán)項(xiàng)】1.一種內(nèi)壁仿龍卷風(fēng)螺旋溝槽復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封腔體，其特征在于:由機(jī)械密封側(cè)的錐形密封腔(3)和靠近葉輪側(cè)的梯形密封腔組成，所述機(jī)械密封主要摩擦副由動環(huán)(4)和靜環(huán)(5)組成，所述錐形密封腔(3)的內(nèi)壁加工有仿龍卷風(fēng)形的螺旋溝槽(6)，所述螺旋溝槽(6)的螺旋型線是阿基米德螺線，所述錐形密封腔(3)的內(nèi)壁直徑沿軸向自機(jī)械密封至腔體喉部逐漸變大;所述梯形密封腔由大圓環(huán)形腔(2)和小圓環(huán)形腔(I)兩部分組成，所述大圓環(huán)形腔(2)包含梯形密封腔與錐形密封腔的交界面，所述交界面上開設(shè)有多個(gè)引流槽(7)和一個(gè)環(huán)形集流槽(8)，所述引流槽(7)的一側(cè)與錐形密封腔大直徑側(cè)的螺旋溝槽(6)出口相連貫通，所述引流槽(7)的另一側(cè)與環(huán)形集流槽(8)相連貫通;所述梯形密封腔的大圓環(huán)形腔(2)、小圓環(huán)形腔(I)的腔體上分布有排泄孔。2.如權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)壁仿龍卷風(fēng)螺旋溝槽復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封腔體，其特征在于:所述的排泄孔包括第一排泄孔(9)和第二排泄孔(10)，所述第一排泄孔(9)孔口朝上用于排泄密度較小的含氣介質(zhì)，其直徑d=0.1?0.3mm;所述第二排泄孔(10)孔口朝下用于排泄密度較大的含固體磨料混合液，其直徑D=0.5?5.0mm。3.如權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)壁仿龍卷風(fēng)螺旋溝槽復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封腔體，其特征在于:所述錐形密封腔內(nèi)壁的錐角arctan[(d2_di)/(2Li)]=5.1°?8.8°。4.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的一種內(nèi)壁仿龍卷風(fēng)螺旋溝槽復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封腔體，其特征在于:所述的錐形密封腔體的軸向長度與錐形密封腔的軸向長度之比1^/1^=0.05?.0.4?！疚臋n編號】F04D29/10GK106050728SQ201610553000【公開日】2016年10月26日【申請日】2016年7月12日【發(fā)明人】彭旭東,李定,孟祥鎧,李紀(jì)云【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)