本發(fā)明涉及一種低泄漏螺旋槽液膜機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)，適應(yīng)于低壓工況下的軸端密封，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵用水封，風(fēng)電及潮汐發(fā)電機(jī)組齒輪增速箱中的軸端密封，也可應(yīng)用于低壓工況下離心泵等其它設(shè)備的軸端密封。

背景技術(shù)：

在生產(chǎn)實(shí)際中存在大量運(yùn)行于低壓工況下的機(jī)械密封，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵用水封等。此類密封往往存在以下問(wèn)題：機(jī)械密封端面往往難以實(shí)現(xiàn)非接觸而造成密封端面摩擦磨損嚴(yán)重從而易失效，若實(shí)現(xiàn)端面非接觸則因密封間隙的存在會(huì)產(chǎn)生較大的泄漏。為此在工程或研究中往往采用表面織構(gòu)技術(shù)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)提高機(jī)械密封的承載能力來(lái)實(shí)現(xiàn)端面的非接觸從而延長(zhǎng)使用壽命，提高泵送回流能力來(lái)改善密封性能。

美國(guó)專利(us4290611)公開(kāi)了上游泵送機(jī)械密封，提出了上游泵送概念，隨后上游泵送技術(shù)在機(jī)械密封領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。美國(guó)專利(us5529317和us7194803)公開(kāi)了具有泵送回流功能的激光臉端面密封，國(guó)內(nèi)專利zl200920043048.5公開(kāi)了一種具有類似功能的機(jī)械密封，結(jié)合了上游泵送技術(shù)和導(dǎo)流回流技術(shù)。雖然上述國(guó)內(nèi)外機(jī)械密封專利技術(shù)提高了機(jī)械密封的密封性能，但仍存在以下問(wèn)題：雖然采用了上游泵送技術(shù)或同時(shí)采用了導(dǎo)流回流技術(shù)來(lái)改善密封性能，但使用條件比較苛刻，承載性能和密封性能協(xié)同作用不強(qiáng)。

在液膜潤(rùn)滑機(jī)械密封中普遍存在空化現(xiàn)象，而空化現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡能減小端面摩擦，實(shí)現(xiàn)空化減阻，且空化區(qū)由于其較低的液膜壓力可導(dǎo)致壓差流，將下游側(cè)流體抽吸到密封端面從而改善密封性能(雷列臺(tái)階-環(huán)槽端面密封機(jī)理與性能研究[j].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(5):585-591)，故可通過(guò)合理的織構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用密封端面的液膜空化進(jìn)一步改善密封性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有機(jī)械密封技術(shù)的密封性能不良、液膜承載性能差、在低壓工況下實(shí)現(xiàn)非接觸穩(wěn)定運(yùn)行難、啟停性能不佳的不足，本發(fā)明提供一種在各種復(fù)雜工況下易實(shí)現(xiàn)低泄漏、摩擦學(xué)性能優(yōu)良、承載性能和穩(wěn)定性良好、使用壽命長(zhǎng)的低泄漏螺旋槽液膜機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種低泄漏螺旋槽液膜機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)，包括機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)、靜環(huán)，所述動(dòng)環(huán)或靜環(huán)端面的一側(cè)為高壓側(cè)即上游，所述動(dòng)環(huán)或靜環(huán)端面的另一側(cè)為低壓側(cè)即下游，動(dòng)環(huán)或靜環(huán)其中之一的端面上設(shè)有系列流槽，下游側(cè)設(shè)有周向均勻排布的系列反向螺旋槽，中部設(shè)有與所述反向螺旋槽貫通的環(huán)槽，上游側(cè)設(shè)有與所述環(huán)槽和介質(zhì)側(cè)連通的出口，相鄰兩個(gè)所述的出口之間設(shè)有系列正向螺旋槽，所述反向螺旋槽與下游側(cè)之間設(shè)密封壩，所述環(huán)槽與所述正向螺旋槽之間設(shè)密封堰。

進(jìn)一步，所述反向螺旋槽在密封運(yùn)行時(shí)槽根處的液膜具有發(fā)散的趨勢(shì)，反向螺旋槽個(gè)數(shù)為2～10；反向螺旋槽壁線螺旋角為2°～15°；周向槽臺(tái)寬比為0.5～10；徑向槽壩比為0.25～10，反向螺旋槽與密封壩徑向?qū)挾葹槊芊饷鎸挾鹊?/4～2/3，反向螺旋槽深度為1～50μm。

再進(jìn)一步，所述環(huán)槽徑向?qū)挾葹?.5～3mm；環(huán)槽深度為所述反向螺旋槽深度的1～5倍。

更進(jìn)一步，所述出口在上游側(cè)呈周期分布，周期數(shù)為4、6或8，出口壁線為螺旋線或直線，螺旋角或傾角為30°～45°，周向槽寬為1°～10°，出口深度與所述環(huán)槽等深。

優(yōu)選的，所述正向螺旋槽在密封運(yùn)行時(shí)槽根處的液膜具有收斂的趨勢(shì)，正向螺旋槽在相鄰兩出口之間的個(gè)數(shù)為2～5；正向螺旋槽壁線螺旋角為10°～45°；周向槽臺(tái)寬比為0.5～3；徑向槽壩比為0.25～10，正向螺旋槽與密封堰徑向整體寬度為密封面寬度的1/3～2/3，正向螺旋槽深度為1～20μm。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：密封端面液膜的流動(dòng)是壓差流和剪切流的相互平衡。高壓介質(zhì)側(cè)流體由于壓差流進(jìn)入密封端面間隙，由于密封動(dòng)環(huán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切流，流體進(jìn)入上游側(cè)正向螺旋槽，在上游側(cè)正向螺旋槽槽根處由于液膜間隙的收斂性，擠壓效應(yīng)增大，故在上游側(cè)正向螺旋槽出口區(qū)域產(chǎn)生高壓區(qū)。由于下游側(cè)螺旋槽為反向間隙，膜厚的增大導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生空化，由于空化區(qū)的低液膜壓力造成的壓差流，壩區(qū)和堰區(qū)的部分流體被抽吸到反向螺旋槽區(qū)域，最后通過(guò)環(huán)槽和出口的導(dǎo)流回流作用將下游側(cè)流體輸運(yùn)到上游側(cè)，在幾種型槽的協(xié)同作用下形成回流泵送功能。由于較強(qiáng)的泵送回流能力，固體顆粒等可被及時(shí)帶出密封端面，同時(shí)空化區(qū)域的摩擦力較低，從而可使得摩擦磨損降低。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

(1)密封環(huán)端面下游側(cè)的反向螺旋槽由于其發(fā)散性會(huì)使?jié)櫥耗ぎa(chǎn)生空化，系列空化區(qū)環(huán)繞整個(gè)密封端面，從而可控制密封端面液膜流動(dòng)，將下游側(cè)流體抽吸到密封端面反向螺旋槽區(qū)域。

(2)空化區(qū)的抽吸效應(yīng)、環(huán)槽和出口的導(dǎo)流回流效應(yīng)的協(xié)同作用下形成良好的泵送回流能力，在低壓條件下的各種工況下極易實(shí)現(xiàn)低泄漏甚至上游泵送。

(3)上游側(cè)正向螺旋槽可產(chǎn)生良好的流體動(dòng)壓效應(yīng)，提供良好的液膜承載能力，故該密封同時(shí)具有優(yōu)異的密封性能和良好的承載性能。

(4)由于較強(qiáng)的泵送回流能力，固體顆粒等可被及時(shí)帶出密封端面，同時(shí)空化區(qū)域的摩擦力較低，從而可使得摩擦磨損降低，進(jìn)一步延長(zhǎng)密封使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)排布示意圖，圖中標(biāo)示：1為反向螺旋槽；2為環(huán)槽；3為出口；4為正向螺旋槽；51、52、53為密封堰；6為密封壩。

圖2是本發(fā)明的機(jī)械密封開(kāi)槽端面幾何參數(shù)示意圖。

圖3是本發(fā)明的機(jī)械密封開(kāi)槽端面深度示意圖，圖中標(biāo)示：h1為反向螺旋槽深度，h2為正向螺旋槽深度，ha為環(huán)槽和出口深度，h0為密封間隙。

圖4是本發(fā)明的機(jī)械密封開(kāi)槽端面另一實(shí)施案例，出口數(shù)為6，出口壁線為直線，直線傾角為3＝30°～45°，反向螺旋槽數(shù)為8，相鄰出口之間正向螺旋槽數(shù)為2。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖4，一種低泄漏螺旋槽液膜機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)，包括機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)、靜環(huán)，所述動(dòng)環(huán)或靜環(huán)端面的一側(cè)為高壓側(cè)即上游，所述動(dòng)環(huán)或靜環(huán)端面的另一側(cè)為低壓側(cè)即下游，動(dòng)環(huán)或靜環(huán)其中之一的端面上設(shè)有系列流槽，下游側(cè)設(shè)有周向均勻排布的系列反向螺旋槽1，中部設(shè)有與所述反向螺旋槽1貫通的環(huán)槽2，上游側(cè)設(shè)有與所述環(huán)槽2和介質(zhì)側(cè)連通的出口3，所述的相鄰兩出口3之間設(shè)有系列正向螺旋槽4，所述反向螺旋槽1與下游側(cè)之間設(shè)密封壩6，所述環(huán)槽2與所述正向螺旋槽4之間設(shè)密封堰51、52。

所述反向螺旋槽1在密封運(yùn)行時(shí)槽根處的液膜具有發(fā)散的趨勢(shì)，反向螺旋槽1個(gè)數(shù)為2～10；反向螺旋槽1壁線螺旋角為α1＝2°～15°；周向槽臺(tái)寬比為γg1/γw1＝0.5～10；徑向槽壩比為(rg2-rg1)/(rg1-ri)＝0.25～10，反向螺旋槽1與密封壩6徑向?qū)挾葹槊芊饷鎸挾鹊?/4～2/3，反向螺旋槽1深度為h1＝1～50μm。

所述環(huán)槽2徑向?qū)挾葹?.5～3mm；環(huán)槽2深度ha為所述反向螺旋槽1深度h1的1～5倍。

所述出口3在上游側(cè)呈周期分布，周期數(shù)為4、6或?yàn)?，出口壁線為螺旋線，螺旋角為α3＝30°～45°，周向槽寬為γg3＝1°～10°，出口3深度與所述環(huán)槽2等深。

所述正向螺旋槽4在密封運(yùn)行時(shí)槽根處的液膜具有收斂的趨勢(shì)，正向螺旋槽4在相鄰兩出口3之間的個(gè)數(shù)為2～5；正向螺旋槽4壁線螺旋角為α2＝10°～45°；周向槽臺(tái)寬比為γg2/γw2＝0.5～3；徑向槽壩比為(ro-rg3)/(rg3-ra)＝0.25～10，正向螺旋槽4與密封堰51徑向整體寬度為密封面寬度的1/3～2/3，正向螺旋槽4深度為h2＝1～20μm。

參照?qǐng)D1，密封端面液膜的流動(dòng)是壓差流和剪切流的相互平衡。高壓介質(zhì)側(cè)流體由于壓差流進(jìn)入密封端面間隙，由于密封動(dòng)環(huán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切流，流體進(jìn)入上游側(cè)正向螺旋槽4，在上游側(cè)正向螺旋槽4槽根處由于間隙的收斂性，擠壓效應(yīng)增大，故在上游側(cè)正向螺旋槽4出口區(qū)域產(chǎn)生高壓區(qū)。由于下游側(cè)螺旋槽1為反向間隙，膜厚的增大導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生空化，由于空化區(qū)的低液膜壓力造成的壓差流，壩區(qū)6和堰區(qū)53的部分流體被抽吸到反向螺旋槽1區(qū)域，最后通過(guò)環(huán)槽2和出口3的導(dǎo)流回流作用將下游側(cè)流體輸運(yùn)到上游側(cè)，在幾種型槽的協(xié)同作用下形成回流泵送功能。由于較強(qiáng)的泵送回流能力，固體顆粒等可被及時(shí)帶出密封端面，同時(shí)空化區(qū)域的摩擦力較低，從而可使得摩擦磨損降低。

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)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。