本發(fā)明涉及一種具有多鋸齒形螺旋槽的機(jī)械密封環(huán)，屬于機(jī)械密封技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于泵、壓縮機(jī)、反應(yīng)釜等各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸端的端面密封。

背景技術(shù)：

機(jī)械密封，如用于密封氣體的干氣密封和用于密封液體的上游泵送機(jī)械密封，以其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)在離心壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、反應(yīng)釜等中高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械上得到廣泛應(yīng)用。機(jī)械密封是通過(guò)在密封端面上開設(shè)型線為螺旋線、直線或圓弧線的動(dòng)壓槽，各類動(dòng)壓槽中以螺旋槽最為典型。當(dāng)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用動(dòng)壓槽較強(qiáng)的動(dòng)靜壓效應(yīng)將氣體介質(zhì)泵入密封端面，進(jìn)入密封端面的流體在槽根處受阻升壓，產(chǎn)生一定的流體動(dòng)靜壓力以推開端面，從而使機(jī)械密封能夠維持在一層微米級(jí)氣膜的條件下非接觸運(yùn)行，但是目前在工業(yè)中廣泛使用的螺旋槽機(jī)械密封仍存在泄漏率高、流體膜的承載能力有限和流體膜剛度不夠大等問(wèn)題，失效事故時(shí)有發(fā)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種流體動(dòng)壓效應(yīng)強(qiáng)、流體膜承載能力和流體膜剛度大、泄漏率低的具有多鋸齒形螺旋槽的機(jī)械密封環(huán)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種具有多鋸齒形螺旋槽的機(jī)械密封環(huán)，密封環(huán)端面的一側(cè)為高壓側(cè)即上游，另一側(cè)為低壓側(cè)即下游，密封環(huán)端面上開有3~20個(gè)沿端面圓周均勻分布的螺旋槽，螺旋槽開口于端面高壓側(cè)，每個(gè)螺旋槽槽根部為鋸齒形，密封環(huán)端面未開槽區(qū)域形成密封壩，臺(tái)槽比（未開槽區(qū)域的外圓周弧長(zhǎng)與開槽區(qū)域的外圓周弧長(zhǎng)之比）a₂/ a₁=0.1~5；

每個(gè)螺旋槽的輪廓線均由螺旋角相等的對(duì)數(shù)螺旋線構(gòu)成，螺旋角α的范圍0°＜∣α∣＜90°；

每個(gè)螺旋槽槽根部的鋸齒個(gè)數(shù)為2~10個(gè)；

槽深為2~100μm。

單個(gè)多鋸齒形螺旋槽的構(gòu)造過(guò)程為：以對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l₁為基準(zhǔn)線，并以O為圓心，分別順時(shí)針旋轉(zhuǎn)φ、2×φ......(n-1)×φ角得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂、l₃......和對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l_n，其中（式中，N為密封環(huán)端面上所開螺旋槽的個(gè)數(shù)，n為螺旋槽槽根部的鋸齒個(gè)數(shù)），且l₁、l₂.....l_n與槽根圓圓弧l_g的交點(diǎn)分別為O₁、O₂......O_n；對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l₁以O₁為圓心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₁"；對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l_n以O_n為圓心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ角得到輔助螺旋線l_n'，其中，夾在對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l₁和l_n中間的輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂、l₃......l_n-1分別以O₂、O₃......O_n-1為圓心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ角得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂'、l₃'......l_n-1'，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂、l₃......l_n-1再以O₂、O₃......O_n-1為圓心順時(shí)針時(shí)旋轉(zhuǎn)θ角得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂"、l₃"......l_n-1"；輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₁"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂'相交于點(diǎn)A₁，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₃'相交于點(diǎn)A₂，以此類推，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l_n-1"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l_n'相交于點(diǎn)A_n-1；多鋸齒型螺旋槽的輪廓線由線l₁、點(diǎn)O₁、線l₁"、點(diǎn)A₁、線l₂'、點(diǎn)O₂、線l₂"、點(diǎn)A₂、線l₃'、點(diǎn)O₃、線l₃".....點(diǎn)A_n-1、線l_n'、點(diǎn)O_n、線l_n所圍成；

0°<∣θ∣≤90°，0°<∣γ∣<18°。

本發(fā)明所述的一種具有多鋸齒形螺旋槽機(jī)械密封環(huán)，可采用電化學(xué)腐蝕、電火花、激光加工等工藝加工端面微造型，利用非接觸光學(xué)輪廓儀來(lái)檢測(cè)加工精度。

本發(fā)明所述具有多鋸齒形螺旋槽的機(jī)械密封環(huán)可作為機(jī)械密封結(jié)構(gòu)中的動(dòng)環(huán)或靜環(huán)，或者動(dòng)環(huán)和靜環(huán)同時(shí)為所述的密封環(huán)均可。

本發(fā)明的有益效果是：

在機(jī)械密封的密封環(huán)表面開設(shè)多鋸齒形螺旋槽，可對(duì)流體產(chǎn)生更強(qiáng)的壓縮效果，從而具有更佳的流體動(dòng)壓效應(yīng)，使得密封在高速工況下的承載能力和抗干擾能力更強(qiáng)，有效地改善了機(jī)械密封端面的潤(rùn)滑狀態(tài)，降低了密封端面的摩擦磨損程度，延長(zhǎng)了密封件的工作壽命，保證了設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，消除了設(shè)備的安全隱患。

附圖說(shuō)明

圖1為n=3時(shí)多鋸齒形螺旋槽機(jī)械密封環(huán)的示意圖；

圖2為n=3時(shí)多鋸齒形螺旋槽機(jī)械密封環(huán)一個(gè)槽的構(gòu)造過(guò)程示意圖；

圖3為n=3時(shí)多鋸齒形螺旋槽機(jī)械密封環(huán)一個(gè)槽輪廓線示意圖；

圖4A和4B為n=9時(shí)多鋸齒形螺旋槽機(jī)械密封環(huán)一個(gè)槽輪廓線示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1所示，一種具有多鋸齒形螺旋槽的機(jī)械密封環(huán)，密封環(huán)端面的一側(cè)為高壓側(cè)即上游，另一側(cè)為低壓側(cè)即下游，密封環(huán)端面上開有10個(gè)沿端面圓周均勻分布的螺旋槽，螺旋槽開口于端面高壓側(cè)，每個(gè)螺旋槽槽根部為鋸齒形，每個(gè)螺旋槽槽根部的鋸齒個(gè)數(shù)為3個(gè)；密封環(huán)端面未開槽區(qū)域形成密封壩，臺(tái)槽比（未開槽區(qū)域的外圓周弧長(zhǎng)與開槽區(qū)域的外圓周弧長(zhǎng)之比）a₂/ a₁=1；槽深為5μm；

每個(gè)螺旋槽的輪廓線均由螺旋角相等的對(duì)數(shù)螺旋線構(gòu)成，螺旋角α=15°。

單個(gè)多鋸齒形螺旋槽的構(gòu)造過(guò)程為：以對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l₁為基準(zhǔn)線，并以O為圓心，分別順時(shí)針旋轉(zhuǎn)9°、18°得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂和對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l₃，且l₁、l₂、l₃與槽根圓圓弧l_g的交點(diǎn)分別為O₁、O₂、O₃；對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l₁以O₁為圓心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₁"；對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l₃以O₃為圓心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ角得到輔助螺旋線l₃'，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂以O₂為圓心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ角得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂'，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂再以O₂為圓心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂"；輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₁"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂'相交于點(diǎn)A₁，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₃'相交于點(diǎn)A₂；三鋸齒形螺旋槽的輪廓線由線l₁、點(diǎn)O₁、線l₁"、點(diǎn)A₁、線l₂'、點(diǎn)O₂、線l₂"、點(diǎn)A₂、線l₃'、點(diǎn)O₃、線l₃所圍成，如圖2、3所示。其中，θ=30°，γ=18°。

與等效無(wú)鋸齒螺旋槽比較：設(shè)無(wú)鋸齒螺旋槽密封環(huán)和三鋸齒形螺旋槽密封環(huán)的內(nèi)徑R_i=20mm，槽根半徑R_g=27mm，外徑R_o=30mm，螺旋角α=15°，槽數(shù)為10，平衡膜厚為h_b=10μm，槽深為h=5μm。且被密封介質(zhì)密度ρ=1.293kg/m³，粘度μ=1.76×10^-6Pa·s，密封環(huán)轉(zhuǎn)速ω=1000rad/s,外徑處壓力p_o=501325Pa，內(nèi)徑處壓力p_i=101325Pa。

無(wú)鋸齒螺旋槽密封環(huán)端面開啟力F_o為493N，泄露率S_t為4.66×10^-2kg/s；三鋸齒形螺旋槽密封環(huán)端面開啟力F_o為512N，泄露率S_t為4.52×10^-2kg/s；可以看出，三鋸齒形螺旋槽密封環(huán)比無(wú)鋸齒螺旋槽密封環(huán)具有更強(qiáng)的承載能力，這有效地改善了機(jī)械密封端面的潤(rùn)滑狀態(tài)，降低了密封端面的摩擦磨損程度，延長(zhǎng)了密封件的工作壽命。并且，三鋸齒形螺旋槽密封環(huán)比無(wú)鋸齒螺旋槽密封環(huán)的泄漏率小，這說(shuō)明在相同工況條件下三鋸齒形螺旋槽密封環(huán)更有利于介質(zhì)的密封。

實(shí)施例2

一種具有多鋸齒形螺旋槽的機(jī)械密封環(huán)，密封環(huán)端面的一側(cè)為高壓側(cè)即上游，另一側(cè)為低壓側(cè)即下游，密封環(huán)端面上開有20個(gè)沿端面圓周均勻分布的螺旋槽，螺旋槽開口于端面高壓側(cè)，每個(gè)螺旋槽槽根部為鋸齒形，每個(gè)螺旋槽槽根部的鋸齒個(gè)數(shù)為9個(gè)；密封環(huán)端面未開槽區(qū)域形成密封壩，臺(tái)槽比（未開槽區(qū)域的外圓周弧長(zhǎng)與開槽區(qū)域的外圓周弧長(zhǎng)之比）a₂/ a₁=1；槽深為30μm；

每個(gè)螺旋槽的輪廓線均由螺旋角相等的對(duì)數(shù)螺旋線構(gòu)成，螺旋角α=30°。

單個(gè)多鋸齒形螺旋槽的構(gòu)造過(guò)程為：以對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l₁為基準(zhǔn)線，并以O為圓心，分別順時(shí)針旋轉(zhuǎn)1.125°、2.25°、3.375°、4.5°、5.625°、6.75°、7.875°、9°得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇、l₈和對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l₉，且l₁、l₂、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇、l₈、l₉與槽根圓圓弧l_g的交點(diǎn)分別為O₁、O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇、O₈、O₉；對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l₁以O₁為圓心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₁"；對(duì)數(shù)螺旋輪廓線l₉以O₉為圓心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ角得到輔助螺旋線l₉'，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇、l₈以O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇、O₈為圓心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ角得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂'、l₃'、l₄'、l₅'、l₆'、l₇'、l₈'，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇、l₈再以O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇、O₈為圓心順時(shí)針時(shí)旋轉(zhuǎn)θ角得到輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂"、l₃"、l₄"、l₅"、l₆"、l₇"、l₈"；輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₁"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂'相交于點(diǎn)A₁，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₂"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₃'相交于點(diǎn)A₂，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₃"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₄'相交于點(diǎn)A₃，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₄"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₅'相交于點(diǎn)A₄，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₅"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₆'相交于點(diǎn)A₅，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₆"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₇'相交于點(diǎn)A₆，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₇"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₈'相交于點(diǎn)A₇，輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₈"和輔助對(duì)數(shù)螺旋線l₉'相交于點(diǎn)A₈；九鋸齒型螺旋槽的輪廓線由線l₁、點(diǎn)O₁、線l₁"、點(diǎn)A₁、線l₂'、點(diǎn)O₂、線l₂"、點(diǎn)A₂、線l₃'、點(diǎn)O₃、線l₃"、點(diǎn)A₃、線l₄'、點(diǎn)O₄、線l₄"、點(diǎn)A₄、線l₅'、點(diǎn)O₅、線l₅"、點(diǎn)A₅、線l₆'、點(diǎn)O₆、線l₆"、點(diǎn)A₆、線l₇'、點(diǎn)O₇、線l₇"、點(diǎn)A₇、線l₈'、點(diǎn)O₈、線l₈"、點(diǎn)A₈、線l₉'、點(diǎn)O₉、線l₉所圍成。其中，θ=15°，γ=5°。如圖4A和4B 所示。

與等效無(wú)鋸齒螺旋槽比較：設(shè)無(wú)鋸齒螺旋槽密封環(huán)和九鋸齒形螺旋槽密封環(huán)的內(nèi)徑R_i=20mm，槽根半徑R_g=27mm，外徑R_o=30mm，螺旋角α=30°，槽數(shù)為20，平衡膜厚為h_b=10μm，槽深為h=30μm。且被密封介質(zhì)密度ρ=1000kg/m³，粘度μ=8.01×10^-4Pa·s，密封環(huán)轉(zhuǎn)速ω=300rad/s,外徑處壓力p_o=501325Pa，內(nèi)徑處壓力p_i=101325Pa。

無(wú)鋸齒螺旋槽密封環(huán)端面開啟力F_o為290N，泄露率S_t為2.323×10^-3kg/s；九鋸齒形螺旋槽密封環(huán)端面開啟力F_o為301N，泄露率S_t為2.227×10^-3kg/s；可以看出，九鋸齒形螺旋槽密封環(huán)比無(wú)鋸齒螺旋槽密封環(huán)具有更強(qiáng)的承載能力，這有效地改善了機(jī)械密封端面的潤(rùn)滑狀態(tài)，降低了密封端面的摩擦磨損程度，延長(zhǎng)了密封件的工作壽命。并且，九鋸齒形螺旋槽密封環(huán)比無(wú)鋸齒螺旋槽密封環(huán)的泄漏率小，這說(shuō)明在相同工況條件下九鋸齒形螺旋槽密封環(huán)更有利于介質(zhì)的密封。

本說(shuō)明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)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)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能想到的等同技術(shù)手段。