一種具有多鋸齒形螺旋槽的機械密封環的製作方法
2023-05-18 22:10:06
本發明涉及一種具有多鋸齒形螺旋槽的機械密封環，屬於機械密封技術領域，特別適用於泵、壓縮機、反應釜等各種旋轉機械軸端的端面密封。
背景技術：
機械密封，如用於密封氣體的幹氣密封和用於密封液體的上遊泵送機械密封，以其獨特的性能優勢在離心壓縮機、風機、反應釜等中高速旋轉機械上得到廣泛應用。機械密封是通過在密封端面上開設型線為螺旋線、直線或圓弧線的動壓槽，各類動壓槽中以螺旋槽最為典型。當動環旋轉時，利用動壓槽較強的動靜壓效應將氣體介質泵入密封端面，進入密封端面的流體在槽根處受阻升壓，產生一定的流體動靜壓力以推開端面，從而使機械密封能夠維持在一層微米級氣膜的條件下非接觸運行，但是目前在工業中廣泛使用的螺旋槽機械密封仍存在洩漏率高、流體膜的承載能力有限和流體膜剛度不夠大等問題，失效事故時有發生。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種流體動壓效應強、流體膜承載能力和流體膜剛度大、洩漏率低的具有多鋸齒形螺旋槽的機械密封環。
本發明的技術方案是：
一種具有多鋸齒形螺旋槽的機械密封環，密封環端面的一側為高壓側即上遊，另一側為低壓側即下遊，密封環端面上開有3~20個沿端面圓周均勻分布的螺旋槽，螺旋槽開口於端面高壓側，每個螺旋槽槽根部為鋸齒形，密封環端面未開槽區域形成密封壩，臺槽比（未開槽區域的外圓周弧長與開槽區域的外圓周弧長之比）a2/ a1=0.1~5；
每個螺旋槽的輪廓線均由螺旋角相等的對數螺旋線構成，螺旋角α的範圍0°＜∣α∣＜90°；
每個螺旋槽槽根部的鋸齒個數為2~10個；
槽深為2~100μm。
單個多鋸齒形螺旋槽的構造過程為：以對數螺旋輪廓線l1為基準線，並以O為圓心，分別順時針旋轉φ、2×φ......(n-1)×φ角得到輔助對數螺旋線l2、l3......和對數螺旋輪廓線ln，其中（式中，N為密封環端面上所開螺旋槽的個數，n為螺旋槽槽根部的鋸齒個數），且l1、l2.....ln與槽根圓圓弧lg的交點分別為O1、O2......On；對數螺旋輪廓線l1以O1為圓心順時針旋轉θ角得到輔助對數螺旋線l1"；對數螺旋輪廓線ln以On為圓心逆時針旋轉γ角得到輔助螺旋線ln'，其中，夾在對數螺旋輪廓線l1和ln中間的輔助對數螺旋線l2、l3......ln-1分別以O2、O3......On-1為圓心逆時針旋轉γ角得到輔助對數螺旋線l2'、l3'......ln-1'，輔助對數螺旋線l2、l3......ln-1再以O2、O3......On-1為圓心順時針時旋轉θ角得到輔助對數螺旋線l2"、l3"......ln-1"；輔助對數螺旋線l1"和輔助對數螺旋線l2'相交於點A1，輔助對數螺旋線l2"和輔助對數螺旋線l3'相交於點A2，以此類推，輔助對數螺旋線ln-1"和輔助對數螺旋線ln'相交於點An-1；多鋸齒型螺旋槽的輪廓線由線l1、點O1、線l1"、點A1、線l2'、點O2、線l2"、點A2、線l3'、點O3、線l3".....點An-1、線ln'、點On、線ln所圍成；
0°<∣θ∣≤90°，0°<∣γ∣<18°。
本發明所述的一種具有多鋸齒形螺旋槽機械密封環，可採用電化學腐蝕、電火花、雷射加工等工藝加工端面微造型，利用非接觸光學輪廓儀來檢測加工精度。
本發明所述具有多鋸齒形螺旋槽的機械密封環可作為機械密封結構中的動環或靜環，或者動環和靜環同時為所述的密封環均可。
本發明的有益效果是：
在機械密封的密封環表面開設多鋸齒形螺旋槽，可對流體產生更強的壓縮效果，從而具有更佳的流體動壓效應，使得密封在高速工況下的承載能力和抗幹擾能力更強，有效地改善了機械密封端面的潤滑狀態，降低了密封端面的摩擦磨損程度，延長了密封件的工作壽命，保證了設備的長期穩定運行，消除了設備的安全隱患。
附圖說明
圖1為n=3時多鋸齒形螺旋槽機械密封環的示意圖；
圖2為n=3時多鋸齒形螺旋槽機械密封環一個槽的構造過程示意圖；
圖3為n=3時多鋸齒形螺旋槽機械密封環一個槽輪廓線示意圖；
圖4A和4B為n=9時多鋸齒形螺旋槽機械密封環一個槽輪廓線示意圖。
具體實施方式
實施例1
如圖1所示，一種具有多鋸齒形螺旋槽的機械密封環，密封環端面的一側為高壓側即上遊，另一側為低壓側即下遊，密封環端面上開有10個沿端面圓周均勻分布的螺旋槽，螺旋槽開口於端面高壓側，每個螺旋槽槽根部為鋸齒形，每個螺旋槽槽根部的鋸齒個數為3個；密封環端面未開槽區域形成密封壩，臺槽比（未開槽區域的外圓周弧長與開槽區域的外圓周弧長之比）a2/ a1=1；槽深為5μm；
每個螺旋槽的輪廓線均由螺旋角相等的對數螺旋線構成，螺旋角α=15°。
單個多鋸齒形螺旋槽的構造過程為：以對數螺旋輪廓線l1為基準線，並以O為圓心，分別順時針旋轉9°、18°得到輔助對數螺旋線l2和對數螺旋輪廓線l3，且l1、l2、l3與槽根圓圓弧lg的交點分別為O1、O2、O3；對數螺旋輪廓線l1以O1為圓心順時針旋轉θ角得到輔助對數螺旋線l1"；對數螺旋輪廓線l3以O3為圓心逆時針旋轉γ角得到輔助螺旋線l3'，輔助對數螺旋線l2以O2為圓心逆時針旋轉γ角得到輔助對數螺旋線l2'，輔助對數螺旋線l2再以O2為圓心順時針旋轉θ角得到輔助對數螺旋線l2"；輔助對數螺旋線l1"和輔助對數螺旋線l2'相交於點A1，輔助對數螺旋線l2"和輔助對數螺旋線l3'相交於點A2；三鋸齒形螺旋槽的輪廓線由線l1、點O1、線l1"、點A1、線l2'、點O2、線l2"、點A2、線l3'、點O3、線l3所圍成，如圖2、3所示。其中，θ=30°，γ=18°。
與等效無鋸齒螺旋槽比較：設無鋸齒螺旋槽密封環和三鋸齒形螺旋槽密封環的內徑Ri=20mm，槽根半徑Rg=27mm，外徑Ro=30mm，螺旋角α=15°，槽數為10，平衡膜厚為hb=10μm，槽深為h=5μm。且被密封介質密度ρ=1.293kg/m3，粘度μ=1.76×10-6Pa·s，密封環轉速ω=1000rad/s,外徑處壓力po=501325Pa，內徑處壓力pi=101325Pa。
無鋸齒螺旋槽密封環端面開啟力Fo為493N，洩露率St為4.66×10-2kg/s；三鋸齒形螺旋槽密封環端面開啟力Fo為512N，洩露率St為4.52×10-2kg/s；可以看出，三鋸齒形螺旋槽密封環比無鋸齒螺旋槽密封環具有更強的承載能力，這有效地改善了機械密封端面的潤滑狀態，降低了密封端面的摩擦磨損程度，延長了密封件的工作壽命。並且，三鋸齒形螺旋槽密封環比無鋸齒螺旋槽密封環的洩漏率小，這說明在相同工況條件下三鋸齒形螺旋槽密封環更有利於介質的密封。
實施例2
一種具有多鋸齒形螺旋槽的機械密封環，密封環端面的一側為高壓側即上遊，另一側為低壓側即下遊，密封環端面上開有20個沿端面圓周均勻分布的螺旋槽，螺旋槽開口於端面高壓側，每個螺旋槽槽根部為鋸齒形，每個螺旋槽槽根部的鋸齒個數為9個；密封環端面未開槽區域形成密封壩，臺槽比（未開槽區域的外圓周弧長與開槽區域的外圓周弧長之比）a2/ a1=1；槽深為30μm；
每個螺旋槽的輪廓線均由螺旋角相等的對數螺旋線構成，螺旋角α=30°。
單個多鋸齒形螺旋槽的構造過程為：以對數螺旋輪廓線l1為基準線，並以O為圓心，分別順時針旋轉1.125°、2.25°、3.375°、4.5°、5.625°、6.75°、7.875°、9°得到輔助對數螺旋線l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8和對數螺旋輪廓線l9，且l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8、l9與槽根圓圓弧lg的交點分別為O1、O2、O3、O4、O5、O6、O7、O8、O9；對數螺旋輪廓線l1以O1為圓心順時針旋轉θ角得到輔助對數螺旋線l1"；對數螺旋輪廓線l9以O9為圓心逆時針旋轉γ角得到輔助螺旋線l9'，輔助對數螺旋線l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8以O2、O3、O4、O5、O6、O7、O8為圓心逆時針旋轉γ角得到輔助對數螺旋線l2'、l3'、l4'、l5'、l6'、l7'、l8'，輔助對數螺旋線l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8再以O2、O3、O4、O5、O6、O7、O8為圓心順時針時旋轉θ角得到輔助對數螺旋線l2"、l3"、l4"、l5"、l6"、l7"、l8"；輔助對數螺旋線l1"和輔助對數螺旋線l2'相交於點A1，輔助對數螺旋線l2"和輔助對數螺旋線l3'相交於點A2，輔助對數螺旋線l3"和輔助對數螺旋線l4'相交於點A3，輔助對數螺旋線l4"和輔助對數螺旋線l5'相交於點A4，輔助對數螺旋線l5"和輔助對數螺旋線l6'相交於點A5，輔助對數螺旋線l6"和輔助對數螺旋線l7'相交於點A6，輔助對數螺旋線l7"和輔助對數螺旋線l8'相交於點A7，輔助對數螺旋線l8"和輔助對數螺旋線l9'相交於點A8；九鋸齒型螺旋槽的輪廓線由線l1、點O1、線l1"、點A1、線l2'、點O2、線l2"、點A2、線l3'、點O3、線l3"、點A3、線l4'、點O4、線l4"、點A4、線l5'、點O5、線l5"、點A5、線l6'、點O6、線l6"、點A6、線l7'、點O7、線l7"、點A7、線l8'、點O8、線l8"、點A8、線l9'、點O9、線l9所圍成。其中，θ=15°，γ=5°。如圖4A和4B 所示。
與等效無鋸齒螺旋槽比較：設無鋸齒螺旋槽密封環和九鋸齒形螺旋槽密封環的內徑Ri=20mm，槽根半徑Rg=27mm，外徑Ro=30mm，螺旋角α=30°，槽數為20，平衡膜厚為hb=10μm，槽深為h=30μm。且被密封介質密度ρ=1000kg/m3，粘度μ=8.01×10-4Pa·s，密封環轉速ω=300rad/s,外徑處壓力po=501325Pa，內徑處壓力pi=101325Pa。
無鋸齒螺旋槽密封環端面開啟力Fo為290N，洩露率St為2.323×10-3kg/s；九鋸齒形螺旋槽密封環端面開啟力Fo為301N，洩露率St為2.227×10-3kg/s；可以看出，九鋸齒形螺旋槽密封環比無鋸齒螺旋槽密封環具有更強的承載能力，這有效地改善了機械密封端面的潤滑狀態，降低了密封端面的摩擦磨損程度，延長了密封件的工作壽命。並且，九鋸齒形螺旋槽密封環比無鋸齒螺旋槽密封環的洩漏率小，這說明在相同工況條件下九鋸齒形螺旋槽密封環更有利於介質的密封。
本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也包括本領域技術人員根據本發明構思所能想到的等同技術手段。