一种端面干气密封结构
阅读说明：本技术 一种端面干气密封结构 (End face dry gas sealing structure ) 是由 童慧 童英琦 赵佳佳 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种端面干气密封结构,包括动环和静环,在动环与静环之间的两个密封端面中至少一个密封端面为设有多个仿蜻蜓翼翅型槽的开槽密封端面,开槽密封端面的外径侧中相邻仿蜻蜓翼翅型槽之间未开槽区域形成密封堰,开槽密封端面内径侧的未开槽环形区域形成密封坝；仿蜻蜓翼翅型槽包括：主脉沟槽及若干条支脉沟槽,主脉沟槽位于仿蜻蜓翼翅型槽的迎风侧且由外径侧向内径侧延伸,支脉沟槽与主脉沟槽成角度相连通且沿径向顺序间隔排列,主脉沟槽及支脉沟槽的根部均交汇于同一条型线沟槽,在主脉沟槽、支脉沟槽、型线沟槽、开槽密封端面外径端构成的区域内设有网格沟槽。本发明具有端面开启力大、抗振及抗磨损的优点。(The invention discloses an end face dry gas sealing structure which comprises a movable ring and a stationary ring, wherein at least one sealing end face of two sealing end faces between the movable ring and the stationary ring is a slotted sealing end face provided with a plurality of dragonfly-imitated wing-shaped grooves, an ungrooved area between adjacent dragonfly-imitated wing-shaped grooves in the outer diameter side of the slotted sealing end face forms a sealing weir, and an ungrooved annular area on the inner diameter side of the slotted sealing end face forms a sealing dam; a dragonfly wing-shaped groove comprises: the artificial dragonfly wing-shaped groove comprises a main vein groove and a plurality of branch vein grooves, wherein the main vein groove is positioned on the windward side of the artificial dragonfly wing-shaped groove and extends from the outer diameter side to the inner diameter side, the branch vein grooves are communicated with the main vein groove at an angle and are sequentially arranged at intervals along the radial direction, the roots of the main vein groove and the branch vein grooves are all intersected in the same molded line groove, and a grid groove is arranged in an area formed by the main vein groove, the branch vein groove, the molded line groove and the outer diameter end of the grooved sealing end surface. The invention has the advantages of large end face opening force, vibration resistance and abrasion resistance.)
技术领域
本发明涉及旋转型非接触式干气密封设备技术领域，具体涉及一种适用于各种压缩机、泵和釜用搅拌器等旋转机械转轴轴端密封的仿蜻蜓翼翅的型槽端面干气密封结构。
背景技术
目前非接触式干气密封以其低磨损、高可靠等优点在石油、石化、化工、冶金等领域应用的越来越广，非接触式干气密封与接触式机械密封在结构上并无太大区别，也有动环、静环、弹簧等组成；不同之处在于其动环端面开有气体动压槽，动环的开槽密封端面分为两个功能区，即外区和内区，外区域由动压槽和密封堰组成，内区域又称为密封坝，是指动环的平面部分。在运转时，动环随转子一起转动，气体被引入动压槽，引入沟槽内的气体在被压缩的同时遇到密封堰的阻拦，压力进一步升高，这一压力克服静环后面的弹簧弹力和作用在静环上的流体压力，把静环推开，使动静环之间的接触面分开而形成一层稳定的动压气膜，此气膜对动静环的端面提供充分的润滑和冷却，这个气膜使密封端面间保持一定的密封间隙，气体介质通过密封间隙时靠节流和阻塞的作用而被减压，从而实现对气体介质的密封。
密封生产企业的典型代表是John Crane、Flowserve和Burgmann等国际三大公司以及中密控股、成都一通等国内干气密封骨干企业，其产品最大区别在于端面型槽。长期以来，国内外大量科研人员对非接触式干气密封端面的各类型槽开展系列研究，并发明了各种型槽（如美国专利：US9239061、US8061984、US7144016、US9080612B2和US 9151390B2等，以及中国专利：CN201320637751.5、CN201210076971.5、CN201210057985.2、CN201420010332.3、CN201510580854.6等），浙江工业大学彭旭东等人基于仿生工程学发明了多件仿生型槽干气密封（CN201811286179.6、CN201710760403.X、CN201710748374.5、CN201710559577.X等）。但是，随着流程工业用透平机械向高参数工况的发展，除泄漏率的要求外，特别要求干气密封的抗干扰特性和抗振动特性强，而上述国内专利公开的不同型槽端面非接触式干气密封的抗干扰性能和承载能力不强，抗振动性能较弱，气膜承载能力不强或端面开启力不够理想，易造成端面气膜破裂、端面产生磨损较大等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能提供大的端面开启力、具有强的抗振动能力和高稳定性、并且散热能力强和抗磨损的端面干气密封结构。
为实现上述目有，本发明采用了如下技术方案：一种端面干气密封结构，包括干气密封用的动环和静环，其特征在于：在动环与静环之间相对的两个密封端面中的至少一个密封端面为开槽密封端面，在开槽密封端面的外径侧沿周向设置有多个仿蜻蜓翼翅型槽，所述开槽密封端面的外径侧中相邻仿蜻蜓翼翅型槽之间未开槽区域形成密封堰，所述开槽密封端面内径侧的未开槽环形区域形成密封坝；所述仿蜻蜓翼翅型槽包括：主脉沟槽、以及若干条支脉沟槽，所述主脉沟槽位于仿蜻蜓翼翅型槽的迎风侧、并且由开槽密封端面的外径侧向内径侧延伸，所述支脉沟槽与主脉沟槽成角度相连通，各条支脉沟槽沿径向顺序间隔排列，所述主脉沟槽的根部以及所有支脉沟槽的根部均交汇于同一条型线沟槽，在主脉沟槽、支脉沟槽、型线沟槽、开槽密封端面的外径端共同构成的区域内设置有网格沟槽，网格沟槽同时连通主脉沟槽及支脉沟槽。
进一步地，前述的一种端面干气密封结构，其中：仿蜻蜓翼翅型槽的型线沟槽形状为对数螺旋线或阿基米德螺旋线或圆弧线或抛物线或直线。
进一步地，前述的一种端面干气密封结构，其中：仿蜻蜓翼翅型槽的型线沟槽形状为直线，并且直线形的型线沟槽与主脉沟槽、以及开槽密封端面的外径端形成的三角形为等腰三角形或直角三角形。
进一步地，前述的一种端面干气密封结构，其中：网格沟槽的格子外形为多边形。
进一步地，前述的一种端面干气密封结构，其中：仿蜻蜓翼翅型槽中网格沟槽的格子外形从迎风侧到背风侧依次为规则密排四边形、六边形和无规则疏排四边形。
进一步地，前述的一种端面干气密封结构，其中：仿蜻蜓翼翅型槽中网格沟槽的格子外形从外径侧到内径侧依次为规则密排四边形、六边形和无规则疏排四边形。
进一步地，前述的一种端面干气密封结构，其中：网格沟槽的格子外形为三角形或四边形或六边形。
进一步地，前述的一种端面干气密封结构，其中：仿蜻蜓翼翅型槽的型槽深度从迎风侧到背风侧沿周向逐渐变浅、并且从外径侧到内径侧逐渐变浅。
进一步地，前述的一种端面干气密封结构，其中：仿蜻蜓翼翅型槽的深度范围为1～30µm，其中，所述主脉沟槽的深度范围为5～30µm，支脉沟槽的深度范围为5～30µm，型线沟槽的深度范围为1～5µm。
通过上述技术方案的实施，本发明的有益效果是：（1）基于蜻蜓翼翅特殊的网格“翼眼”构造，提供一种端面干气密封结构，其独特的仿生结构能提供大的端面开启力，有助于消除或缓和气膜破裂与强烈振动，从而具有强的抗振动能力和高稳定性，同时依靠支脉沟槽的合理布置，可使得端面的散热能力得到改善，消除或减缓气体凝析产生的影响；本发明适用于不同转速的透平机械轴端干气密封，特别适用于高速场合，具有抗振动、低泄漏、强对流换热和气膜刚度大的特点；
（2）仿蜻蜓翼翅型槽的主脉沟槽位于仿蜻蜓翼翅型槽的迎风侧或称为“前缘”，在端面上起到引流作用，将外径侧的密封气体介质引入端面，并随着气流向内径侧泵送，产生较大的气体压力升幅，在近密封坝处达到最大值，由此产生部分端面开启力；与此同时，支脉沟槽将主脉沟槽引入的气流快速导入到每个仿蜻蜓翼翅型槽的不同径向位置，进一步加大端面开启力；
（3）仿蜻蜓翼翅型槽的主脉沟槽和支脉沟槽之间分布有大小不一、深浅不一的网格沟槽，其作用主要包括：使支脉沟槽流动的气流更加快速遍布端面，并可使干气密封受到外界扰动产生振动时，通过改变气流在仿蜻蜓翼翅型槽的分布及其压力值和速度值起到吸振的作用，特别是消除在高速下干气密封的振动，具有强的抗振动能力；与此同时，支脉沟槽的走向决定了干气密封设计要求的不同，如从迎风侧到背风侧向外径侧延伸则起到外径侧泵送的作用，在提高端面开启力的同时能降低泄漏效果，如从迎风侧到背风侧向内径侧延伸则起到能进一步增加端面开启力，提升干气密封气膜刚度和稳定性的能力；此外，网格沟槽（槽内气流）不仅起到吸振作用，而且可起到强化传热传质的效果，因此不仅散热能力强，而且可缓解高压干气密封气膜局部凝析问题，进一步提升干气密封的工作稳定性；网格沟槽相比于传统的螺旋槽端面干气密封具有强的独立吸纳磨粒的能力，能有效防止出现大螺旋槽内颗粒高速旋流产生对密封面磨损的情况发生，因此可以最大程度降低磨损，有效延长干气密封的使用寿命。
附图说明
图1为本发明具体实施例一中所述的一种端面干气密封结构的结构示意图。
图2为图1中动环的开槽密封端面的结构示意图。
图3为图2中仿蜻蜓翼翅型槽的放大结构示意图。
图4为本发明具体实施例二中所述的一种端面干气密封结构中静环的开槽密封端面的结构示意图。
图5为图4中仿蜻蜓翼翅型槽的放大结构示意图。
图6为本发明具体实施例三中所述的一种端面干气密封结构中动环的开槽密封端面的结构示意图。
图7为图6中仿蜻蜓翼翅型槽的放大结构示意图。
图8为图7中网格沟槽的放大结构示意图。
图9为本发明具体实施例三中所述的一种端面干气密封结构中静环的开槽密封端面的结构示意图。
图10为图9中仿蜻蜓翼翅型槽的放大结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
如图1、图2、图3所示，所述的一种端面干气密封结构，包括干气密封用的动环1和静环2，在动环1与静环2之间相对的两个密封端面中的至少一个密封端面为开槽密封端面，在本实施例中，动环的密封端面为开槽密封端面，静环的密封端面为非开槽密封端面；在动环1的开槽密封端面的外径侧沿周向设置有多个仿蜻蜓翼翅型槽3，所述开槽密封端面的外径侧中相邻仿蜻蜓翼翅型槽3之间未开槽区域形成密封堰4，所述开槽密封端面内径侧的未开槽环形区域形成密封坝5；所述仿蜻蜓翼翅型槽3包括：主脉沟槽31、以及三条支脉沟槽32，所述主脉沟槽31位于仿蜻蜓翼翅型槽3的迎风侧、并且由开槽密封端面的外径侧向内径侧延伸，三条支脉沟槽32均与主脉沟槽31成角度相连通，三条支脉沟槽32沿径向顺序间隔排列，所述主脉沟槽31的根部以及所有支脉沟槽32的根部均交汇于同一条型线沟槽33，主脉沟槽31、型线沟槽33以及开槽密封端面的外径端共同形成蜻蜓翼翅轮廓，在主脉沟槽31、支脉沟槽32、型线沟槽33、开槽密封端面的外径端共同构成的区域内设置有网格沟槽34，网格沟槽34同时连通主脉沟槽31及支脉沟槽32；所述仿蜻蜓翼翅型槽的型线沟槽形状为对数螺旋线或阿基米德螺旋线或圆弧线或抛物线或直线；在本实施例中，仿蜻蜓翼翅型槽的型线沟槽形状为对数螺旋线；所述网格沟槽34的格子外形为三角形或四边形或六边形等多边形，本实施例中，网格沟槽34的格子外形为六边形，由于六边形的空气阻力相比于其他多边形在多数工况和环境条件下最小，因此这种干气密封适合于近超高速（80～100m/s）或超高速（≥100m/s）运行场合；在本实施例中，仿蜻蜓翼翅型槽3的型槽深度33从迎风侧到背风侧沿周向逐渐变浅、并且从外径侧到内径侧逐渐变浅，所述仿蜻蜓翼翅型槽3的深度范围为1～30µm，其中，所述主脉沟槽31的深度范围为5～30µm，支脉沟槽的深度范围为5～30µm，型线沟槽的深度范围为1～5µm。
具体实施例二
如图4、图5所示，所述的一种端面干气密封结构，包括干气密封用的动环1和静环2，在动环1与静环2之间相对的两个密封端面中的至少一个密封端面为开槽密封端面，在本实施例中，动环1的密封端面为非开槽密封端面，静环2的密封端面为开槽密封端面；在静环2的开槽密封端面的外径侧沿周向设置有多个仿蜻蜓翼翅型槽3，所述开槽密封端面的外径侧中相邻仿蜻蜓翼翅型槽3之间未开槽区域形成密封堰4，所述开槽密封端面内径侧的未开槽环形区域形成密封坝5；所述仿蜻蜓翼翅型槽3包括：主脉沟槽31、以及三条支脉沟槽32，所述主脉沟槽31位于仿蜻蜓翼翅型槽3的迎风侧、并且由开槽密封端面的外径侧向内径侧延伸，三条支脉沟槽32均与主脉沟槽31成角度相连通，三条支脉沟槽32沿径向顺序间隔排列，所述主脉沟槽31的根部以及所有支脉沟槽32的根部均交汇于同一条型线沟槽33，主脉沟槽31、型线沟槽33以及开槽密封端面的外径端共同形成蜻蜓翼翅轮廓，在主脉沟槽31、支脉沟槽32、型线沟槽33、开槽密封端面的外径端共同构成的区域内设置有网格沟槽34，网格沟槽34同时连通主脉沟槽31及支脉沟槽32；所述仿蜻蜓翼翅型槽的型线沟槽形状为对数螺旋线或阿基米德螺旋线或圆弧线或抛物线或直线；在本实施例中，仿蜻蜓翼翅型槽的型线沟槽形状为对数螺旋线；在本实施例中，仿蜻蜓翼翅型槽3中网格沟槽34的格子外形从迎风侧到背风侧依次为规则密排四边形、六边形和无规则疏排四边形；在本实施例中，仿蜻蜓翼翅型槽3的型槽深度从迎风侧到背风侧沿周向逐渐变浅、并且从外径侧到内径侧逐渐变浅，所述仿蜻蜓翼翅型槽3的深度范围为1～30µm，其中，所述主脉沟槽31的深度范围为5～30µm，支脉沟槽32的深度范围为5～30µm，型线沟槽33的深度范围为1～5µm；在实施应用中，针对高速透平机械（≥5000rpm），当速度和压力等参数均较高且设计时速度考虑占优时，建议采用本实施例结构。
具体实施例三
如图6、图7、图8、图9、图10所示，所述的一种端面干气密封结构，包括干气密封用的动环1和静环2，在动环1与静环2之间相对的两个密封端面中的至少一个密封端面为开槽密封端面，在本实施例中，动环1的密封端面为开槽密封端面，静环2的密封端面也为开槽密封端面；在动环1与静环2的开槽密封端面的外径侧沿周向设置有多个仿蜻蜓翼翅型槽3，所述开槽密封端面的外径侧中相邻仿蜻蜓翼翅型槽3之间未开槽区域形成密封堰4，所述开槽密封端面内径侧的未开槽环形区域形成密封坝5；所述仿蜻蜓翼翅型槽3包括：主脉沟槽31、以及三条支脉沟槽32，所述主脉沟槽31位于仿蜻蜓翼翅型槽3的迎风侧、并且由开槽密封端面的外径侧向内径侧延伸，三条支脉沟槽32均与主脉沟槽31成角度相连通，三条支脉沟槽32沿径向顺序间隔排列，所述主脉沟槽31的根部以及所有支脉沟槽32的根部均交汇于同一条型线沟槽33，主脉沟槽31、型线沟槽33以及开槽密封端面的外径端共同形成蜻蜓翼翅轮廓，在主脉沟槽31、支脉沟槽32、型线沟槽33、开槽密封端面的外径端共同构成的区域内设置有网格沟槽34，网格沟槽34同时连通主脉沟槽31及支脉沟槽32；所述仿蜻蜓翼翅型槽的型线沟槽形状为对数螺旋线或阿基米德螺旋线或圆弧线或抛物线或直线，在本实施例中，所述仿蜻蜓翼翅型槽的型线沟槽形状为对数螺旋线；在本实施例中，仿蜻蜓翼翅型槽3中网格沟槽34的格子外形从外径侧到内径侧依次为规则密排四边形、六边形和无规则疏排四边形；在本实施例中，仿蜻蜓翼翅型槽3的型槽深度从迎风侧到背风侧沿周向逐渐变浅、并且从外径侧到内径侧逐渐变浅，所述仿蜻蜓翼翅型槽3的深度范围为1～30µm，其中，所述主脉沟槽31的深度范围为5～30µm，支脉沟槽32的深度范围为5～30µm，型线沟槽33的深度范围为1～5µm。在实施应用中，针对高速透平机械，当速度和压力等参数均较高且设计时介质压力考虑占优时，建议采用本实施例结构。
具体实施例四
一种端面干气密封结构，包括干气密封用的动环1和静环2，在动环1与静环2之间相对的两个密封端面中的至少一个密封端面为开槽密封端面，在本实施例中，动环的密封端面为开槽密封端面，静环的密封端面为非开槽密封端面；在动环1的开槽密封端面的外径侧沿周向设置有多个仿蜻蜓翼翅型槽3，所述开槽密封端面的外径侧中相邻仿蜻蜓翼翅型槽3之间未开槽区域形成密封堰4，所述开槽密封端面内径侧的未开槽环形区域形成密封坝5；所述仿蜻蜓翼翅型槽3包括：主脉沟槽31、以及三条支脉沟槽32，所述主脉沟槽31位于仿蜻蜓翼翅型槽3的迎风侧、并且由开槽密封端面的外径侧向内径侧延伸，三条支脉沟槽32均与主脉沟槽31成角度相连通，三条支脉沟槽32沿径向顺序间隔排列，所述主脉沟槽31的根部以及所有支脉沟槽32的根部均交汇于同一条型线沟槽33，主脉沟槽31、型线沟槽33以及开槽密封端面的外径端共同形成蜻蜓翼翅轮廓，在主脉沟槽31、支脉沟槽32、型线沟槽33、开槽密封端面的外径端共同构成的区域内设置有网格沟槽34，网格沟槽34同时连通主脉沟槽31及支脉沟槽32；所述仿蜻蜓翼翅型槽的型线沟槽形状为对数螺旋线或阿基米德螺旋线或圆弧线或抛物线或直线，在本实施例中，仿蜻蜓翼翅型槽3的型线沟槽33形状为直线，并且直线形的型线沟槽33与主脉沟槽31、以及开槽密封端面的外径端形成的三角形为等腰三角形或直角三角形；；所述网格沟槽34的格子外形为三角形或四边形或六边形等多边形，本实施例中，网格沟槽34的格子外形为六边形；在本实施例中，仿蜻蜓翼翅型槽3的型槽深度33从迎风侧到背风侧沿周向逐渐变浅、并且从外径侧到内径侧逐渐变浅，所述仿蜻蜓翼翅型槽3的深度范围为1～30µm，其中，所述主脉沟槽31的深度范围为5～30µm，支脉沟槽的深度范围为5～30µm，型线沟槽的深度范围为1～5µm。
本发明的优点是：（1）基于蜻蜓翼翅特殊的网格“翼眼”构造，提供一种端面干气密封结构，其独特的仿生结构能提供大的端面开启力，有助于消除或缓和气膜破裂与强烈振动，从而具有强的抗振动能力和高稳定性，同时依靠支脉沟槽的合理布置，可使得端面的散热能力得到改善，消除或减缓气体凝析产生的影响；本发明适用于不同转速的透平机械轴端干气密封，特别适用于高速场合，具有抗振动、低泄漏、强对流换热和气膜刚度大的特点；
（2）仿蜻蜓翼翅型槽的主脉沟槽位于仿蜻蜓翼翅型槽的迎风侧或称为“前缘”，在端面上起到引流作用，将外径侧的密封气体介质引入端面，并随着气流向内径侧泵送，产生较大的气体压力升幅，在近密封坝处达到最大值，由此产生部分端面开启力；与此同时，支脉沟槽将主脉沟槽引入的气流快速导入到每个仿蜻蜓翼翅型槽的不同径向位置，进一步加大端面开启力；
（3）仿蜻蜓翼翅型槽的主脉沟槽和支脉沟槽之间分布有大小不一、深浅不一的网格沟槽，其作用主要包括：使支脉沟槽流动的气流更加快速遍布端面，并可使干气密封受到外界扰动产生振动时，通过改变气流在仿蜻蜓翼翅型槽的分布及其压力值和速度值起到吸振的作用，特别是消除在高速下干气密封的振动，具有强的抗振动能力；与此同时，支脉沟槽的走向决定了干气密封设计要求的不同，如从迎风侧到背风侧向外径侧延伸则起到外径侧泵送的作用，在提高端面开启力的同时能降低泄漏效果，如从迎风侧到背风侧向内径侧延伸则起到能进一步增加端面开启力，提升干气密封气膜刚度和稳定性的能力；此外，网格沟槽（槽内气流）不仅起到吸振作用，而且可起到强化传热传质的效果，因此不仅散热能力强，而且可缓解高压干气密封气膜局部凝析问题，进一步提升干气密封的工作稳定性；网格沟槽相比于传统的螺旋槽端面干气密封具有强的独立吸纳磨粒的能力，能有效防止出现大螺旋槽内颗粒高速旋流产生对密封面磨损的情况发生，因此可以最大程度降低磨损，有效延长干气密封的使用寿命。
本说明书所述内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
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