本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)式流體機械的軸端用機械端面密封結(jié)構，特別涉及一種型槽壁面為三元扭曲面的三元扭曲型槽機械端面密封結(jié)構，用于各種壓縮機、泵和反應釜等旋轉(zhuǎn)機械的旋轉(zhuǎn)軸密封。

背景技術：

密封端面開設等深螺旋槽結(jié)構的氣體潤滑或液體潤滑非接觸式機械密封已在石油、石油化工和電力等行業(yè)用中高速旋轉(zhuǎn)機械(如離心壓縮機、高速泵等)上獲得廣泛的應用。在動環(huán)旋轉(zhuǎn)時，利用型槽的動靜壓效應將流體介質(zhì)泵入密封端面，進入密封端面的流體介質(zhì)在型槽根部流動受阻而壓力升高，產(chǎn)生一定的開啟力并推開端面，從而使動靜環(huán)之間有一層微米級的流體膜而實現(xiàn)非接觸運行。但是現(xiàn)有等深螺旋槽結(jié)構的非接觸式機械密封在高速旋轉(zhuǎn)機械的使用過程中流體膜剛度不夠大，密封泄漏較為嚴重，導致失效事故頻發(fā)。中國專利cn1415877a、cn101644333a，美國專利us5441283等都可在一定程度上提高密封的流體膜剛度，減小密封泄漏，特別是雙螺旋角三維螺旋槽端面密封結(jié)構，與普通等深、等螺旋角的二維螺旋槽端面密封相比，在相同條件下其流體膜厚度或剛度更大，可靠性更高。

以往采用激光打標、化學蝕刻、電鍍等方法所加工端面型槽的型槽側(cè)壁都與密封端面近乎垂直，難以控制型槽壁面的形狀，這在一定程度上限制了端面型槽性能的提高。近年來，3d打印技術興起，特別是微納尺度超高精度3d打印技術的發(fā)展，目前3d打印技術已實現(xiàn)金屬材料的線條做到120nm，甚至有部分材料可做到30～40nm，表面粗糙度可控制在4～10nm，這使得復雜流道和扭曲壁面的端面型槽加工成為可能。

技術實現(xiàn)要素：

為了改善現(xiàn)有等深或變深典型螺旋槽機械端面密封在中高速條件下所存在的流體膜剛度不夠大，密封泄漏量較大等不足，本發(fā)明提供一種端面動壓效應好、流體膜剛度大、泄漏量小，適用于中高速運行工況的三元扭曲型槽機械端面密封結(jié)構。

本發(fā)明的技術方案是：

一種三元扭曲型槽端面機械密封結(jié)構，包括機械密封的動環(huán)和靜環(huán)，所述動環(huán)和靜環(huán)中至少一個密封環(huán)的密封端面上加工有沿圓周均勻分布的三元扭曲型槽1，所述三元扭曲型槽由兩側(cè)壁和三維扭曲變深槽底面組成，三元扭曲型槽的側(cè)壁包括迎風側(cè)三元扭曲壁面11和背風側(cè)三元扭曲壁面13，三維扭曲變深槽底面12自密封環(huán)外周側(cè)壁向密封環(huán)中心逐漸呈扭曲狀變淺，并在密封壩3外側(cè)與密封端面相交；三元扭曲型槽1的側(cè)壁與密封環(huán)外周側(cè)壁的相交線111和131垂直于密封端面；三元扭曲型槽1的側(cè)壁與密封端面的相交線分為兩段，介質(zhì)入口側(cè)相交線113和133為螺旋線，介質(zhì)泄漏側(cè)相交線114和134為徑向直線。

背風側(cè)三元扭曲壁面13與三維扭曲變深槽底面12的相交線132在密封端面上的投影線，和迎風側(cè)三元扭曲壁面11與三維扭曲變深槽壁面12的相交線112在密封端面上的投影線都是螺旋線；

所述相鄰兩個三元扭曲型槽周向間設有不開槽的密封堰，所述三元扭曲型槽的泄漏側(cè)加工有密封壩，起到停車密封的作用。

優(yōu)選地，三元扭曲型槽1的側(cè)壁與密封端面的相交線中的介質(zhì)入口側(cè)相交線113和133、背風側(cè)三元扭曲壁面13與三維變深槽底面12的相交線132、背風側(cè)三元扭曲壁面13與密封端面介質(zhì)入口側(cè)的相交線133、迎風側(cè)三元扭曲壁面11與三維變深槽壁面12的相交線112、迎風側(cè)三元扭曲壁面11與密封端面泄漏口側(cè)的相交線113在密封端面上的投影線都是對數(shù)螺旋線。

進一步，所述三元扭曲型槽在外徑ro處的圓弧夾角θg與對應密封堰在同一半徑處的圓弧夾角θl之比θg/θl的優(yōu)選值范圍為θg/θl＝0.5～2.0；所述三元扭曲型槽的徑向開槽寬度(ro-rg)與密封端面寬度(ro-ri)之比(ro-rg)/(ro-ri)的優(yōu)選值范圍為0.45～0.85；所述三元扭曲壁面與密封端面位于入口側(cè)的相交線徑向?qū)挾?ro-rh)與三元扭曲型槽徑向?qū)挾?ro-rg)之比(ro-rh)/(ro-rg)的取值范圍為0.5～1.0；所述三元扭曲型槽的槽深為0～20μm，入口側(cè)深度為5～20μm，泄漏側(cè)槽深為0～5μm；其中，密封介質(zhì)為氣體時，所述三元扭曲型槽的槽深為0～12μm，入口側(cè)深度為5～12μm，泄漏側(cè)槽深為0～2μm；密封介質(zhì)為液體時，所述三元扭曲型槽的槽深為0～20μm，入口側(cè)深度為10～20μm，泄漏側(cè)槽深為0～5μm。

本發(fā)明對流體介質(zhì)具有更強的壓縮作用和導流效果，泄漏率低，在高速條件下具有優(yōu)異的運行穩(wěn)定性和密封性，抵抗外界擾動能力強。

本發(fā)明的工作原理是：

采用微納尺度超高精度3d打印技術或超精密磨削或精密電火花加工技術，在機械密封的動環(huán)或靜環(huán)端面上加工出三元扭曲型槽。當機械密封運轉(zhuǎn)時，密封環(huán)外側(cè)的流體介質(zhì)被泵入三元扭曲型槽內(nèi)，由介質(zhì)入口側(cè)或吸入側(cè)向泄漏側(cè)流動，在迎風側(cè)三元扭曲壁面和背風側(cè)三元扭曲壁面的結(jié)構導流作用下，流體介質(zhì)一部分沿周向流動，另一部分沿徑向流動，并且由于槽深的變化導致流體產(chǎn)生沿徑向方向的漸進壓縮。由于受不開槽的密封壩和密封堰的節(jié)流作用以及與開槽面配合的密封環(huán)端面擠壓作用，進入密封面的流體介質(zhì)得到壓縮，介質(zhì)壓力在槽根部迅速升高，在該壓力作用下，動靜環(huán)端面被推開而形成一層穩(wěn)定的流體膜，從而實現(xiàn)端面非接觸運行。在流體介質(zhì)從上游側(cè)向下游側(cè)流動的過程中，由于三元扭曲型槽的開槽截面逐漸縮小，對流體介質(zhì)的壓縮作用增強，在高速條件下能形成更大的開啟力和更穩(wěn)定的流體膜。在三元扭曲型槽泄漏側(cè)，一部分流體介質(zhì)跨過三維變深槽底面與密封端面的相交線后沿徑向流動，這部分流體在壩區(qū)進一步向下游側(cè)流動，從而造成流體介質(zhì)的泄漏；而由于背風側(cè)和迎風側(cè)三元扭曲壁面的結(jié)構導流作用，有很大一部分流體介質(zhì)沿密封環(huán)端面周向流動，這部分流體既保證了密封端面有足夠的潤滑介質(zhì)存在，也即保證了密封端面良好的潤滑狀態(tài)，同時也避免了流體介質(zhì)向內(nèi)徑側(cè)的大量泄漏，也即提高了密封性。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是：

(1)三元扭曲型槽中槽底面為典型的三維變深收斂結(jié)構，也即從端面上游至下游側(cè)，型槽的流道截面逐漸變窄，相較于普通等深型槽，對流體介質(zhì)具有更強的泵汲與壓縮作用；三元扭曲型槽的側(cè)壁為三元扭曲結(jié)構，從端面上游至下游側(cè)流道逐漸收窄，進一步強化了型槽對流體介質(zhì)的壓縮作用。型槽對流體介質(zhì)產(chǎn)生的這種強大泵汲與壓縮作用，使得其在中高速條件下具有更好的流體動壓效應，在相同膜厚條件下具有更強的流體膜剛度和承載能力，從而避免高速運行時兩密封端面發(fā)生碰磨，可最大程度地延長機械密封的使用壽命。

(2)三元扭曲型槽中槽壁面為典型的三元扭曲結(jié)構，在型槽介質(zhì)入口側(cè)，三元扭曲型槽與密封環(huán)側(cè)壁的相交線垂直于端面，較大的入口截面能保證足夠的流體介質(zhì)被泵入密封端面，也即保證了密封端面具有足量的潤滑劑；在型槽泄漏側(cè)，扭曲形狀的迎風側(cè)和背風側(cè)槽壁面的共同導流作用將槽內(nèi)流體介質(zhì)的徑向流動向周向引導，也即使一大部分流體沿密封環(huán)端面周向流動，避免了流體介質(zhì)向內(nèi)徑側(cè)的大量泄漏，提高了密封性。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明實施案例一的開槽端面三維結(jié)構示意圖；

圖2是本發(fā)明實施案例一的開槽端面幾何結(jié)構參數(shù)統(tǒng)一定義示意圖；

圖3是本發(fā)明實施案例一中沿著附圖2中a-a線所取的三元扭曲型槽截面結(jié)構示意圖；

圖4是本發(fā)明實施案例一中三元扭曲型槽的結(jié)構示意圖；

圖5是本發(fā)明實施案例三的開槽端面三維結(jié)構示意圖；

圖6是本發(fā)明實施案例三的開槽端面結(jié)構示意圖。

具體實施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施進一步詳述。

實施例一

參見圖1、2、3和4，一種三元扭曲型槽端面機械密封結(jié)構，包括機械密封的動環(huán)和靜環(huán)，所述動環(huán)和靜環(huán)中至少一個密封環(huán)的密封端面上加工有沿圓周均勻分布的三元扭曲型槽1，所述三元扭曲型槽1由迎風側(cè)三元扭曲壁面11、背風側(cè)三元扭曲壁面13和三維扭曲變深槽底面12組成；三元扭曲型槽1的側(cè)壁包括迎風側(cè)三元扭曲壁面11和背風側(cè)三元扭曲壁面13，三維扭曲變深槽底面12自密封環(huán)外周側(cè)壁向密封環(huán)中心逐漸呈扭曲狀變淺，并在密封壩3外側(cè)與密封端面相交。

迎風側(cè)三元扭曲壁面11、與密封環(huán)外周側(cè)壁4的相交線111和背風側(cè)三元扭曲壁面13與密封環(huán)外周側(cè)壁4的相交線131都垂直于密封端面。

迎風側(cè)三元扭曲壁面11與密封端面的相交線分為兩段，介質(zhì)入口側(cè)相交線113為螺旋線，介質(zhì)泄漏側(cè)相交線114為徑向直線；背風側(cè)三元扭曲壁面13與密封端面的相交線分為兩段，介質(zhì)入口側(cè)相交線133為螺旋線，介質(zhì)泄漏側(cè)相交線134為徑向直線。

迎風側(cè)三元扭曲壁面11與三維扭曲變深槽壁面12的相交線112在密封端面上的投影線為螺旋線；背風側(cè)三元扭曲壁面13與三維扭曲變深槽底面12的相交線132在密封端面上的投影線為螺旋線。

三元扭曲型槽1在外徑ro處的圓弧夾角θg與對應密封堰2在同一半徑處的圓弧夾角θl之比θg/θl的優(yōu)選值范圍為θg/θl＝0.5～2.0。三元扭曲型槽1的徑向開槽寬度(ro-rg)與密封端面寬度(ro-ri)之比(ro-rg)/(ro-ri)的優(yōu)選值范圍為0.45～0.85；所述三元扭曲壁面11、13與密封端面介質(zhì)入口側(cè)相交線113、133的徑向?qū)挾?ro-rh)與三元扭曲型槽1徑向?qū)挾?ro-rg)之比(ro-rh)/(ro-rg)的取值范圍為0.5～1.0。三元扭曲型槽的槽深為0～20μm，入口側(cè)深度為5～20μm，泄漏側(cè)槽深為0～5μm；其中，密封介質(zhì)為氣體時，所述三元扭曲型槽的槽深為0～12μm，入口側(cè)深度為5～12μm，泄漏側(cè)槽深為0～2μm；密封介質(zhì)為液體時，所述三元扭曲型槽的槽深為0～20μm，入口側(cè)深度為10～20μm，泄漏側(cè)槽深為0～5μm。

相鄰兩個三元扭曲型槽的周向間設有不開槽的密封堰2，所述三元扭曲型槽1的泄漏側(cè)加工有密封3壩，起到停車密封的作用。

實施例二

參見圖1、2、3和4，本實施例與實施例一的區(qū)別是：三元扭曲型槽1的側(cè)壁與密封端面的相交線中的介質(zhì)入口側(cè)相交線，即迎風側(cè)三元扭曲壁面11與密封端面泄漏口側(cè)的相交線113和背風側(cè)三元扭曲壁面13與密封端面介質(zhì)入口側(cè)的相交線133，都是對數(shù)螺旋線。同時，迎風側(cè)三元扭曲壁面11與三維扭曲變深槽底面12的相交線112在密封端面上的投影線，和背風側(cè)三元扭曲壁面13與三維扭曲變深槽底面12的相交線132在密封端面上的投影線，都是對數(shù)螺旋線。

迎風側(cè)三元扭曲壁面11與三維變深槽底面12的相交線112在密封端面上的投影線、迎風側(cè)三元扭曲壁面11與密封端面泄漏口側(cè)的相交線113、背風側(cè)三元扭曲壁面13與三維變深槽底面12的相交線132在密封端面上的投影線、背風側(cè)三元扭曲壁面13與密封端面介質(zhì)入口側(cè)的相交線133都是對數(shù)螺旋線。

其余與實施例一相同。

實施例三

參照圖5、6，本實施例與實施例一的不同之處在于，所述背風側(cè)三元扭曲壁面11與三維扭曲變深槽底面12的相交線112在密封端面上的投影線為直線，所述迎風側(cè)三元扭曲壁面13與三維扭曲變深槽壁面12的相交線132在密封端面上的投影線為直線；所述背風側(cè)三元扭曲壁面11與密封端面介質(zhì)入口側(cè)的相交線113為直線，所述迎風側(cè)三元扭曲壁面13與密封端面介質(zhì)入口側(cè)的相交線133為直線。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明構思所能想到的同等技術手段。