[发明专利]三元扭曲型槽端面机械密封结构

说明书

一种三元扭曲型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环中至少一个密封环的密封端面上加工有沿圆周均匀分布的三元扭曲型槽1，所述三元扭曲型槽由两侧壁和三维扭曲变深槽底面组成，三元扭曲型槽的侧壁包括迎风侧三元扭曲壁面11和背风侧三元扭曲壁面13，三维扭曲变深槽底面12自密封环外周侧壁向密封环中心逐渐呈扭曲状变浅，并在密封坝3外侧与密封端面相交；三元扭曲型槽1的侧壁与密封环外周侧壁的相交线垂直于密封端面；三元扭曲型槽1的侧壁与密封端面的相交线分为两段，介质入口侧相交线为螺旋线，介质泄漏侧相交线为径向直线。

技术领域

本发明涉及一种旋转式流体机械的轴端用机械端面密封结构，特别涉及一种型槽壁面为三元扭曲面的三元扭曲型槽机械端面密封结构，用于各种压缩机、泵和反应釜等旋转机械的旋转轴密封。

背景技术

密封端面开设等深螺旋槽结构的气体润滑或液体润滑非接触式机械密封已在石油、石油化工和电力等行业用中高速旋转机械(如离心压缩机、高速泵等)上获得广泛的应用。在动环旋转时，利用型槽的动静压效应将流体介质泵入密封端面，进入密封端面的流体介质在型槽根部流动受阻而压力升高，产生一定的开启力并推开端面，从而使动静环之间有一层微米级的流体膜而实现非接触运行。但是现有等深螺旋槽结构的非接触式机械密封在高速旋转机械的使用过程中流体膜刚度不够大，密封泄漏较为严重，导致失效事故频发。中国专利CN1415877A、CN101644333A，美国专利US5441283等都可在一定程度上提高密封的流体膜刚度，减小密封泄漏，特别是双螺旋角三维螺旋槽端面密封结构，与普通等深、等螺旋角的二维螺旋槽端面密封相比，在相同条件下其流体膜厚度或刚度更大，可靠性更高。

以往采用激光打标、化学蚀刻、电镀等方法所加工端面型槽的型槽侧壁都与密封端面近乎垂直，难以控制型槽壁面的形状，这在一定程度上限制了端面型槽性能的提高。近年来，3D打印技术兴起，特别是微纳尺度超高精度3D打印技术的发展，目前3D打印技术已实现金属材料的线条做到120nm，甚至有部分材料可做到30～40nm，表面粗糙度可控制在4～10nm，这使得复杂流道和扭曲壁面的端面型槽加工成为可能。

发明内容

为了改善现有等深或变深典型螺旋槽机械端面密封在中高速条件下所存在的流体膜刚度不够大，密封泄漏量较大等不足，本发明提供一种端面动压效应好、流体膜刚度大、泄漏量小，适用于中高速运行工况的三元扭曲型槽机械端面密封结构。

本发明的技术方案是：

一种三元扭曲型槽端面机械密封结构，包括机械密封的动环和静环，所述动环和静环中至少一个密封环的密封端面上加工有沿圆周均匀分布的三元扭曲型槽1，所述三元扭曲型槽由两侧壁和三维扭曲变深槽底面组成，三元扭曲型槽的侧壁包括迎风侧三元扭曲壁面11和背风侧三元扭曲壁面13，三维扭曲变深槽底面12自密封环外周侧壁向密封环中心逐渐呈扭曲状变浅，并在密封坝3外侧与密封端面相交；三元扭曲型槽1的侧壁与密封环外周侧壁的相交线111和131垂直于密封端面；三元扭曲型槽1的侧壁与密封端面的相交线分为两段，介质入口侧相交线113和133为螺旋线，介质泄漏侧相交线114和134为径向直线。

背风侧三元扭曲壁面13与三维扭曲变深槽底面12的相交线132在密封端面上的投影线，和迎风侧三元扭曲壁面11与三维扭曲变深槽壁面12的相交线112在密封端面上的投影线都是螺旋线；

所述相邻两个三元扭曲型槽周向间设有不开槽的密封堰，所述三元扭曲型槽的泄漏侧加工有密封坝，起到停车密封的作用。

优选地，三元扭曲型槽1的侧壁与密封端面的相交线中的介质入口侧相交线113和133、背风侧三元扭曲壁面13与三维变深槽底面12的相交线132、背风侧三元扭曲壁面13与密封端面介质入口侧的相交线133、迎风侧三元扭曲壁面11与三维变深槽壁面12的相交线112、迎风侧三元扭曲壁面11与密封端面泄漏口侧的相交线113在密封端面上的投影线都是对数螺旋线。