本實(shí)用新型涉及一種具有多級(jí)螺旋槽的上游泵送機(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)械的軸封。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，為了改善機(jī)械密封中密封端面的潤(rùn)滑狀態(tài)和使用壽命，出現(xiàn)了各種利用流體動(dòng)靜壓效應(yīng)的特殊機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，其中包括上游泵送機(jī)械密封。所謂“上游泵送”就是通過(guò)密封端面上開(kāi)設(shè)的一定形狀的泵送槽，將密封低壓側(cè)緩沖液體或少量的泄漏液體泵送向高壓側(cè)，各類(lèi)泵送槽中以螺旋槽最為典型，且以單級(jí)螺旋槽居多。但是流體通過(guò)單級(jí)螺旋槽所產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)有限，使機(jī)械密封流體膜的承載能力或保持非接觸的能力有限，容易發(fā)生端面的接觸磨損，很大程度上抵消了所開(kāi)泵送槽的減磨優(yōu)勢(shì)，造成啟動(dòng)停車(chē)效果差、端面磨損和使用壽命短。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種具有多級(jí)螺旋槽的上游泵送機(jī)械密封環(huán)，該密封環(huán)可有效提高機(jī)械密封的流體動(dòng)壓效應(yīng)，降低機(jī)械密封端面直接接觸引起的摩擦和磨損程度，從而使得機(jī)械密封的壽命得到極大延長(zhǎng)。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：

一種具有多級(jí)螺旋槽的上游泵送機(jī)械密封環(huán)，密封環(huán)端面的一側(cè)為高壓側(cè)，另一側(cè)為低壓側(cè)，密封環(huán)端面上開(kāi)有3~25個(gè)沿端面圓周均勻分布的多級(jí)螺旋槽，多級(jí)螺旋槽開(kāi)口于端面低壓側(cè)，密封環(huán)端面上未開(kāi)槽區(qū)域形成密封壩；優(yōu)選地，密封環(huán)端面上開(kāi)有5~18個(gè)沿端面圓周均勻分布的多級(jí)螺旋槽；

每一個(gè)多級(jí)螺旋槽的級(jí)數(shù)為2~10級(jí)；

每一級(jí)螺旋槽都是由螺旋角相等的對(duì)數(shù)螺旋線構(gòu)成，螺旋角α的范圍0°＜∣α∣＜90°；優(yōu)選地，10°≤∣α∣≤30°；

每級(jí)螺旋槽的周向?qū)挾葟牡蛪簜?cè)到高壓側(cè)逐級(jí)遞減，形成收斂間隙，相鄰兩級(jí)交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成角θ，0°＜θ＜90°；優(yōu)選地，70°＜θ＜85°；

每級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為β，10°＜β＜45°，β的角度從低壓側(cè)到高壓側(cè)逐級(jí)減??；

多級(jí)螺旋槽的深度h為1~100μm，從低壓側(cè)到高壓側(cè)逐級(jí)遞減，即h_n＜h_n-1，同一級(jí)槽的槽深不變化。

本實(shí)用新型所述具有多級(jí)螺旋槽的上游泵送機(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。

本實(shí)用新型所述具有多級(jí)螺旋槽的上游泵送機(jī)械密封環(huán)端面，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。

本實(shí)用新型工作原理：密封環(huán)在運(yùn)行時(shí)，被密封的流體進(jìn)入槽內(nèi)，由于密封環(huán)上未開(kāi)槽部分構(gòu)成的密封壩的節(jié)流作用，導(dǎo)致進(jìn)入槽內(nèi)的流體壓力升高，在此壓力的推動(dòng)下，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)相分離，形成一層很薄的流體膜，從而使密封端面間形成非接觸式密封。

本實(shí)用新型的有益效果是：

1、各級(jí)螺旋槽的周向?qū)挾葟牡蛪簜?cè)至高壓側(cè)逐漸變窄的收斂結(jié)構(gòu)有助于流體介質(zhì)的整體壓縮增壓；各級(jí)螺旋槽的深度從低壓側(cè)至高壓側(cè)逐漸減小，使得各級(jí)交界處出現(xiàn)階梯形狀，有助于流體介質(zhì)的局部增壓；各級(jí)螺旋槽連接處形成的θ角為典型的三維收斂間隙，進(jìn)一步提高對(duì)流體介質(zhì)的壓縮作用；從而使密封端面能夠沿徑向形成多個(gè)高壓區(qū)，增強(qiáng)流體膜的動(dòng)壓效應(yīng)，增大密封的開(kāi)啟性能，保證了密封運(yùn)行的穩(wěn)定性；

2、多級(jí)螺旋槽可對(duì)流體介質(zhì)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為實(shí)施例1中所述具有三級(jí)螺旋槽的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的示意圖；

圖2為實(shí)施例1中所述具有三級(jí)螺旋槽的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的局部放大示意圖；

圖3為實(shí)施例1中所述具有三級(jí)螺旋槽的上游泵送機(jī)械密封環(huán)沿圖2中A-A線的剖面圖；

圖中：1-第一級(jí)螺旋槽，2-第二級(jí)螺旋槽，3-第三級(jí)螺旋槽，α-構(gòu)成螺旋槽的對(duì)數(shù)螺旋線的螺旋角，β₁-第一級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角，β₂-第二級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角，β₃-第三級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角，θ₁-第一級(jí)螺旋槽與第二級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角，θ₂-第二級(jí)螺旋槽與第三級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1-3所示，一種具有三級(jí)螺旋槽的上游泵送機(jī)械密封環(huán)，密封環(huán)端面的外徑側(cè)為高壓側(cè)，內(nèi)徑側(cè)為低壓側(cè)，密封環(huán)端面上開(kāi)有6個(gè)沿端面圓周均勻分布的三級(jí)螺旋槽，三級(jí)螺旋槽開(kāi)口于端面低壓側(cè)，密封環(huán)端面上未開(kāi)槽區(qū)域形成密封壩；

三級(jí)螺旋槽中的每一級(jí)螺旋槽都是由螺旋角相等的對(duì)數(shù)螺旋線構(gòu)成，螺旋角α為15°；

三級(jí)螺旋槽的周向?qū)挾葟牡蛪簜?cè)到高壓側(cè)逐級(jí)遞減，形成收斂間隙；第一級(jí)螺旋槽1與第二級(jí)螺旋槽2交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成角θ₁，θ₁為83°，第二級(jí)螺旋槽2與第三級(jí)螺旋槽3交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成角θ₂，θ₂為80°；

第一級(jí)螺旋槽1靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為β₁，β₁為30°，第二級(jí)螺旋槽2靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為β₂，β₂為22°，第三級(jí)螺旋槽3靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為β₃，β₃為15°；

第一級(jí)螺旋槽1的深度h₁為80μm，第二級(jí)螺旋槽2的深度h₂為60μm，第三級(jí)螺旋槽3的深度h₃為40μm，同一級(jí)槽的槽深不變化。

與等效單級(jí)螺旋槽比較：設(shè)單級(jí)螺旋槽密封環(huán)和三級(jí)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6，平衡膜厚為h_b=10μm。所不同的是，三級(jí)螺旋槽每級(jí)槽深分別為h₁=80μm，h₂=60μm，h₃=40μm，等效于單級(jí)螺旋槽槽深取三級(jí)槽深的平均值，即為60μm。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。

單級(jí)螺旋槽密封環(huán)端面開(kāi)啟力F_o為412N，泄露率S_t為1.37×10^-3kg/s；三級(jí)螺旋槽密封環(huán)端面開(kāi)啟力F_o為442N，泄露率S_t為1.32×10^-3kg/s；可以看出，三級(jí)螺旋槽密封環(huán)比單級(jí)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，三級(jí)螺旋槽密封環(huán)比單級(jí)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級(jí)螺旋密封環(huán)更有利于介質(zhì)的密封。

實(shí)施例2

一種具有多級(jí)螺旋槽的上游泵送機(jī)械密封環(huán)，密封環(huán)端面的外徑側(cè)為高壓側(cè)，內(nèi)徑側(cè)為低壓側(cè)，密封環(huán)端面上開(kāi)有10個(gè)沿端面圓周均勻分布的四級(jí)螺旋槽，四級(jí)螺旋槽開(kāi)口于端面低壓側(cè)，密封環(huán)端面上未開(kāi)槽區(qū)域形成密封壩；

四級(jí)螺旋槽中的每一級(jí)螺旋槽都是由螺旋角相等的對(duì)數(shù)螺旋線構(gòu)成，螺旋角為-15°，即對(duì)數(shù)螺旋線的螺旋方向與實(shí)施例1相反；

四級(jí)螺旋槽的周向?qū)挾葟牡蛪簜?cè)到高壓側(cè)逐級(jí)遞減，形成收斂間隙；第一級(jí)螺旋槽與第二級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角為83°，第二級(jí)螺旋槽與第三級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角為80°；第三級(jí)螺旋槽與第四級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角為77°；

第一級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為28°，第二級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為23°，第三級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為19°；第四級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為14°；

第一級(jí)螺旋槽的深度為90μm，第二級(jí)螺旋槽的深度為70μm，第三級(jí)螺旋槽的深度為50μm，第四級(jí)螺旋槽的深度為30μm，同一級(jí)槽的槽深不變化。

與等效單級(jí)螺旋槽比較：設(shè)單級(jí)螺旋槽密封環(huán)和四級(jí)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。所不同的是，四級(jí)螺旋槽每級(jí)槽深分別為h₁=90μm，h₂=70μm，h₃=50μm，h₄=30μm，等效于單級(jí)螺旋槽槽深取四級(jí)槽深的平均值，即為60μm。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。

單級(jí)螺旋槽密封環(huán)端面開(kāi)啟力F_o為415N，泄露率S_t為1.34×10^-3kg/s；四級(jí)螺旋槽密封環(huán)端面開(kāi)啟力F_o為455N，泄露率S_t為1.33×10^-3kg/s；可以看出，四級(jí)螺旋槽密封環(huán)比單級(jí)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，四級(jí)螺旋槽密封環(huán)比單級(jí)螺旋槽密封環(huán)的泄漏率小，這說(shuō)明在相同工況條件下四級(jí)螺旋密封環(huán)更有利于介質(zhì)的密封。

實(shí)施例3

一種具有多級(jí)螺旋槽的上游泵送機(jī)械密封環(huán)，密封環(huán)端面的外徑側(cè)為高壓側(cè)，內(nèi)徑側(cè)為低壓側(cè)，密封環(huán)端面上開(kāi)有15個(gè)沿端面圓周均勻分布的八級(jí)螺旋槽，八級(jí)螺旋槽開(kāi)口于端面低壓側(cè)，密封環(huán)端面上未開(kāi)槽區(qū)域形成密封壩；

八級(jí)螺旋槽中的每一級(jí)螺旋槽都是由螺旋角相等的對(duì)數(shù)螺旋線構(gòu)成，螺旋角為-15°，即對(duì)數(shù)螺旋線的螺旋方向與實(shí)施例1相反；

八級(jí)螺旋槽的周向?qū)挾葟牡蛪簜?cè)到高壓側(cè)逐級(jí)遞減，形成收斂間隙；第一級(jí)螺旋槽與第二級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角為83°，第二級(jí)螺旋槽與第三級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角為83°；第三級(jí)螺旋槽與第四級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角為80°；第四級(jí)螺旋槽與第五級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角為80°，第五級(jí)螺旋槽與第六級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角為77°；第六級(jí)螺旋槽與第七級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角為77°；第七級(jí)螺旋槽與第八級(jí)螺旋槽交界處對(duì)向高壓側(cè)的一側(cè)，槽壁向槽內(nèi)凹進(jìn)形成的角為74°；

第一級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為25°，第二級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為23°，第三級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為21°；第四級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為19°；第五級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為17°，第六級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為15°，第七級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為13°；第八級(jí)螺旋槽靠近低壓側(cè)的周向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的圓心角為11°；

第一級(jí)螺旋槽的深度為90μm，第二級(jí)螺旋槽的深度為80μm，第三級(jí)螺旋槽的深度為70μm，第四級(jí)螺旋槽的深度為60μm，第五級(jí)螺旋槽的深度為50μm，第六級(jí)螺旋槽的深度為40μm，第七級(jí)螺旋槽的深度為30μm，第八級(jí)螺旋槽的深度為10μm，同一級(jí)槽的槽深不變化。

與等效單級(jí)螺旋槽比較：設(shè)單級(jí)螺旋槽密封環(huán)和八級(jí)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。所不同的是，八級(jí)螺旋槽每級(jí)槽深分別為h₁=90μm，h₂=80μm，h₃=70μm，h₄=60μm，h₅=50μm，h₆=40μm，h₇=30μm，h₈=10μm，等效于單級(jí)螺旋槽槽深取八級(jí)槽深的平均值，即為53.75μm。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。

單級(jí)螺旋槽密封環(huán)端面開(kāi)啟力F_o為430N，泄露率S_t為1.22×10^-3kg/s；八級(jí)螺旋槽密封環(huán)端面開(kāi)啟力F_o為452N，泄露率S_t為1.19×10^-3kg/s；可以看出，八級(jí)螺旋槽密封環(huán)比單級(jí)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，八級(jí)螺旋槽密封環(huán)比單級(jí)螺旋槽密封環(huán)的泄漏率小，這說(shuō)明在相同工況條件下八級(jí)螺旋密封環(huán)更有利于介質(zhì)的密封。

以上實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)實(shí)用新型構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本實(shí)用新型的保護(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，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思所能想到的等同技術(shù)手段。