一种发散型密封间隙的泵入式干气密封结构的制作方法

本发明涉及一种发散型密封间隙的泵入式干气密封结构，属于机械密封技术领域。

背景技术：

干气密封采用气体润滑技术，在密封环端面上开有流体动压槽，当润滑气体从密封环端面外侧流入动压槽时，两相对旋转的密封环之间会形成一层极薄的气膜，其厚度为微米级，端面间隙内能产生动压效应，可以实现被密封介质的零泄漏，同时可以极大改善机械密封环间的润滑状况。

应用于泵、压缩机等领域的传统干气密封结构形式大多为一对相对旋转的平行密封端面，由于干气密封工作时端面气膜厚度仅为1-10微米，在干气密封的运转过程中，气膜的黏性剪切现象会比较显著，而且遍布密封间隙内的整个流场，由此会产生较大的热量。虽然泵入式干气密封的密封气体在密封坝区的流动是一个降压膨胀、吸收热量的过程，但是总体而言黏性剪切效应产生的热量大于降压膨胀吸收的热量。从温度的角度而言，密封气体从密封环外径流向内径时，其温度会升高，可能会引起密封环的热变形，影响密封的稳定性。因此如何有效降低干气密封流场的温度是干气密封应用的一个关键问题。关于干气密封的现有技术大多集中于改变端面型槽类型和其分布方式（如CN 201320086592.4和CN 201010583081.4等），改变端面坝区结构的技术还很少，虽然有学者提出在密封环端面上周期性的加工三维非对称波度形貌（CN 201120364176.7）来提高干气密封的抗压能力，但该波度形貌位于密封环外侧，坝区平滑无槽，沿径向形成收敛间隙，根据热力过程方程，在干气密封的运转过程中可能存在气膜流场温升过高的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种发散型密封间隙的泵入式干气密封结构。根据气体动力学理论和热力过程方程，将干气密封的密封间隙设计成渐扩式出口，使密封气体在从密封环外径流向内径的降压膨胀过程更为显著，即在一定程度上牺牲开启力和泄漏量，减小干气密封的热量平衡气膜厚度，达到减小干气密封运转时气膜因黏性剪切产生的热量，增大气体因膨胀而吸收的热量等目的，最终实现降低干气密封运转时端面的气膜温度、减小密封环的热变形、提高干气密封运转时的稳定性。

本发明的技术方案是：

一种发散型密封间隙的泵入式干气密封结构，包括两个密封环，即静环1和动环3，在动环3或静环1的端面外径侧等间距开有型槽，气体沿径向从外径侧向内径侧流动；型槽类型包含目前应用于干气机械密封环上的所有槽型，其中以螺旋槽、T型槽和直线槽为主要代表（同一密封结构的密封环端面上的型槽类型一致）；

优选地，在动环3或静环1的端面外径侧等间距开有螺旋槽，螺旋槽的螺旋角为10°-20°，槽深为5-10μm，螺旋槽区与相邻台区（未开槽区域）的外圆周长度比为1-1.2，槽数为10-20个；

密封环端面未开槽区域为坝区5，在坝区5靠内径处设置为斜面4，斜面4起始处至密封环端面圆心的距离=（1.09~1.15）×密封环内径，使两个密封环之间沿气体径向流动方向形成渐扩式腔体2，渐扩式腔体2开口于密封环内径；斜面4表面为非平面形式，可以是锥面，或轴面投影为圆弧、椭圆线或其它任意曲线的曲面，斜面4在轴面投影上与内径边缘的交点处的切线与轴线形成夹角θ，θ为89°-89.999°；

斜面4可仅设置在动环3和静环1其中任意一个的端面，也可将动环3和静环1的端面同时都设有斜面4；当动环3和静环1的端面同时都设有斜面4时，斜面4在动、静环端面上的起始位置需相对应，形成的夹角θ也相同。

本发明的有益效果是：

本发明在密封环端面靠内径处加工有渐扩式腔体结构，使干气密封间隙在润滑气体的流动方向上呈发散型，以牺牲开启力为代价，降低干气密封运转时气膜的温度。以外径为77.78mm，内径为58.42mm，槽根半径为69mm，转速为1087.08rad/s，进口压力为4.5852MPa，出口压力为0.1013MPa，槽深为5μm的平行间隙泵入式螺旋槽干气密封结构，与相同参数下具有渐扩式腔体结构（斜面起始处至密封环端面圆心的距离r₁=1.09×密封环内径r_i，斜面在轴面投影上与内径边缘的交点处的切线与轴线形成夹角θ为89.97°）的本发明所述的泵入式干气密封结构作比较，结果为，本发明所述的泵入式干气密封结构热量平衡膜厚减小了9.1%；再以平衡膜厚=3.5μm为例，由气膜黏性剪切产生的热量减小了6.4%，气膜因降压膨胀吸收的热量增大了28.8%。

附图说明

图1为实施例1所述泵入式干气密封结构示意图；

图2为图1A-A剖面图；

图3为实施例2所述泵入式干气密封结构示意图；

图4为图3A-A剖面图；

图5为实施例3所述泵入式干气密封结构示意图；

图6为图5A-A剖面图；

图7为实施例4所述泵入式干气密封结构示意图；

图8为图7A-A剖面图；

图9为实施例5所述泵入式干气密封结构示意图；

图10为图9A-A剖面图；

图11为实施例6所述泵入式干气密封结构示意图；

图12为图11A-A剖面图

图中：1-静环，2-渐扩式腔体，3-动环，4-斜面，5-坝区，r₁-斜面4起始处至密封环端面圆心的距离，r_i-密封环内径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1

如图1和图2所示，一种发散型密封间隙的泵入式干气密封结构，包括两个密封环，即静环1和动环3，在动环3的端面外径侧等间距开有12个螺旋槽，螺旋槽的螺旋角为15°，槽深为5μm，螺旋槽区与相邻台区（未开槽区域）的外圆周长度比为1；气体沿径向从外径侧向内径侧流动；

密封环端面未开槽区域为坝区5，在动环3的坝区5靠内径处设置为斜面4，斜面4起始处至密封环端面圆心的距离r₁=1.09×密封环内径r_i，使两个密封环之间沿气体径向流动方向形成渐扩式腔体2，渐扩式腔体2开口于密封环内径；斜面4为锥面，其在轴面投影上与内径边缘的交点处的切线与轴线形成的夹角θ为89.997°。

实施例2

如图3和图4所示，一种发散型密封间隙的泵入式干气密封结构，包括静环1和动环3，在静环1的端面外径侧等间距开有16个螺旋槽，螺旋槽的螺旋角为20°，槽深为10μm，螺旋槽区与相邻台区的外圆周长度比为1.2；气体沿径向从外径侧向内径侧流动；

密封环端面未开槽区域为坝区5，在动环3的坝区5靠内径处设置为斜面4，斜面4起始处至密封环端面圆心的距离r₁=1.1×密封环内径r_i，使两个密封环之间沿气体径向流动方向形成渐扩式腔体2，渐扩式腔体2开口于密封环内径；斜面4为轴面投影为圆弧的曲面，其在轴面投影上与内径边缘的交点处的切线与轴线形成的夹角θ为89.8°。

实施例3

如图5和图6所示，一种发散型密封间隙的泵入式干气密封结构，包括静环1和动环3，在动环3的端面外径侧等间距开有T型槽，气体沿径向从外径侧向内径侧流动；

密封环端面未开槽区域为坝区5，在静环1的坝区5靠内径处设置为斜面4，斜面4起始处至密封环端面圆心的距离r₁=1.12×密封环内径r_i，使两个密封环之间沿气体径向流动方向形成渐扩式腔体2，渐扩式腔体2开口于密封环内径；斜面4为轴面投影为椭圆线的曲面，其在轴面投影上与内径边缘的交点处的切线与轴线形成的夹角θ为89.7°。

实施例4

如图7和图8所示，一种发散型密封间隙的泵入式干气密封结构，包括静环1和动环3，在静环1的端面外径侧等间距开有T型槽，气体沿径向从外径侧向内径侧流动；

密封环端面未开槽区域为坝区5，在静环1的坝区5靠内径处设置为斜面4，斜面4起始处至密封环端面圆心的距离r₁=1.13×密封环内径r_i，使两个密封环之间沿气体径向流动方向形成渐扩式腔体2，渐扩式腔体2开口于密封环内径；斜面4为轴面投影为不规则曲线的曲面，其在轴面投影上与内径边缘的交点处的切线与轴线形成的夹角θ为89.5°。

实施例5

如图9和图10所示，一种发散型密封间隙的泵入式干气密封结构，包括静环1和动环3，在静环1的端面外径侧等间距开有直线槽，气体沿径向从外径侧向内径侧流动；

密封环端面未开槽区域为坝区5，在静环1和动环3的坝区5靠内径处相对应的位置均设置为斜面4，斜面4起始处至密封环端面圆心的距离r₁=1.14×密封环内径r_i，使两个密封环之间沿气体径向流动方向形成渐扩式腔体2，渐扩式腔体2开口于密封环内径；两个斜面4均为锥面，其在轴面投影上与内径边缘的交点处的切线与轴线形成的夹角θ均为89.3°。

实施例6

如图11和图12所示，一种发散型密封间隙的泵入式干气密封结构，包括静环1和动环3，在动环3的端面外径侧等间距开有直线槽，气体沿径向从外径侧向内径侧流动；

密封环端面未开槽区域为坝区5，在静环1和动环3的坝区5靠内径处相对应的位置均设置为斜面4，斜面4起始处至密封环端面圆心的距离r₁=1.15×密封环内径r_i，使两个密封环之间沿气体径向流动方向形成渐扩式腔体2，渐扩式腔体2开口于密封环内径；静环1上的斜面为轴面投影为圆弧的曲面，动环3上的斜面为轴面投影为椭圆线的曲面，两个斜面在轴面投影上与内径边缘的交点处的切线与轴线形成的夹角θ均为89.01°。