一種內壁仿龍卷風螺旋溝槽復合結構的密封腔體的制作方法【專利摘要】一種內壁仿龍卷風螺旋溝槽復合結構的密封腔體，由機械密封側的錐形密封腔和靠近葉輪側的梯形密封腔組成，機械密封主要摩擦副由動環(huán)和靜環(huán)組成，錐形密封腔的內壁加工有仿龍卷風形的螺旋溝槽，螺旋溝槽的螺旋型線是阿基米德螺線，錐形密封腔的內壁直徑沿軸向自機械密封至腔體喉部逐漸變大；梯形密封腔由大圓環(huán)形腔和小圓環(huán)形腔兩部分組成，大圓環(huán)形腔包含梯形密封腔與錐形密封腔的交界面，交界面上開設有多個引流槽和一個環(huán)形集流槽，引流槽的一側與錐形密封腔大直徑側的螺旋溝槽出口相連貫通，引流槽的另一側與環(huán)形集流槽相連貫通；梯形密封腔的大圓環(huán)形腔、小圓環(huán)形腔的腔體上分布有排泄孔?！緦＠f明】一種內壁仿龍卷風螺旋溝槽復合結構的密封腔體(一)
技術領域：
[0001]本發(fā)明涉及的是旋轉機械軸端用機械密封的密封腔體結構，該腔體能用作惡劣環(huán)境下特別是含固含氣較多的多相流介質栗的密封腔。(二)【
背景技術：
】[0002]機械密封以其低泄漏、低功耗、低磨損和長壽命等性能優(yōu)勢被廣泛應用于各種旋轉機械或設備的軸端密封，如栗、壓縮機、反應釜等。隨著石油石化和航天航空產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，要求機械密封能夠適應更高參數(shù)和更惡劣的環(huán)境，密封腔體作為密封介質的直接載體，其換熱能力、排渣與破泡能力的好壞直接影響密封性能的優(yōu)劣。[0003]針對機械密封的腔體結構，國內外做了大量的研究工作，上個世紀80年代，英國BHR協(xié)會對腔體結構做了一系列的研究工作，包括實驗研究和數(shù)值模擬，并對多種腔體結構進行了探索，包括等直徑平滑腔、不等直徑光滑錐形腔或梯形腔等，研究發(fā)現(xiàn)錐形腔體有利于腔內流體的流動，但是有關研究并沒有給出光滑錐形腔體的結構尺寸。1992年英國學者Nau教授等在第9屆國際栗會議上發(fā)表了題為“Mechanicalsealchamberdesignforimprovedperformance”，系統(tǒng)總結了英國學者關于密封腔研究工作的進展，認為許多機械密封仍然運行在無法很好發(fā)揮其功能的腔體內，無法實現(xiàn)密封的良好傳熱以及對密封環(huán)境中氣固量的良好控制，因此研究并提出了一種具有良好性能的可控渦結構錐形密封腔。1998年Merati和Parper對錐形密封腔體的流場進行了實驗研究，證實錐形腔具有排氣除渣效果，并提出錐形腔內泰勒漩渦對流場很重要，而漩渦強度與腔體進口的流體狀態(tài)有關。加拿大EnviroSeal工程制品有限公司發(fā)明了位于密封腔喉部的SpiralTrac螺旋襯套(US5553868“Sealcavitythroatbushing”)，可起到排渣強化換熱的效果。在此基礎上，國際上出現(xiàn)了多個與SpiraITrac相關的發(fā)明，如EnviroSeal公司的(EP1409899B1“Bushingarrangementforsealcavityprotect1ninrotatingfluidequipment，，)方定車專流體機器密封腔襯套裝置，是在US5553868的基礎上對襯套裝置進行了系列設計，進一步完善了螺旋襯套裝置；在此基礎上，該公司又發(fā)明了外裝式螺旋適配器(US7314218“Externallymountablespiraladaptor”)，其內壁加工有螺旋槽，起到排除密封介質中污染物的作用；又如AES工程有限公司發(fā)明的密封腔保護器(W02009010772A1uSealcavityprotect1n”)及環(huán)形密封腔喉部襯套(US20140325791A1“Annularsealcavitythroatbushing”)。在國內，2008年趙龍對錐形密封腔體和普通腔體進行了對比，得出錐形腔體有更好的效果;同年，張明明研究了腔內流場以及摩擦副溫度場性能。[0004]以上發(fā)明和理論研究表明，錐形密封腔體有其獨特的性能優(yōu)勢，但實際應用表明上述結構絕大多數(shù)不適用于密封介質中固體磨料或污染物含量較高的場合，對強化密封環(huán)的換熱效果、有效防止密封端面污染物沉積尚需實質改進。此外，國外專利對錐形密封腔喉部襯套或外裝式錐形螺旋槽結構適配器的主要進行了定性描述，少有定量描述的具體結構設計。(三)【
發(fā)明內容】[0005]本發(fā)明要解決在惡劣環(huán)境下，尤其是高固含量或者氣液混相的環(huán)境中固體顆?；驓馀萜茐拿芊舛嗣媪黧w膜的問題，提出一種內壁開仿龍卷風形溝槽錐形密封腔體結構，可有效排出溶解在密封介質中或匯集在密封端面附近的固體顆?；驓馀?。[0006]本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn):[0007]—種內壁仿龍卷風螺旋溝槽復合結構的密封腔體，所述密封腔體適用于安裝臥式轉子栗機械密封，由機械密封側的錐形密封腔3和靠近葉輪側的梯形密封腔組成，所述機械密封主要摩擦副由動環(huán)4和靜環(huán)5組成，所述錐形密封腔3的內壁加工有仿龍卷風形的螺旋溝槽6，所述螺旋溝槽6的螺旋型線是阿基米德螺線，所述錐形密封腔3的內壁直徑沿軸向自機械密封至腔體喉部逐漸變大;所述梯形密封腔由大圓環(huán)形腔2和小圓環(huán)形腔I兩部分組成，所述大圓環(huán)形腔2包含梯形密封腔與錐形密封腔的交界面，所述交界面上開設有多個引流槽7和一個環(huán)形集流槽8，所述引流槽7的一側與錐形密封腔大直徑側的螺旋溝槽6出口相連貫通，所述引流槽7的另一側與環(huán)形集流槽8相連貫通;所述梯形密封腔的大圓環(huán)形腔2、小圓環(huán)形腔I的腔體上分布有排泄孔。[0008]進一步，所述的排泄孔包括第一排泄孔9和第二排泄孔10，所述第一排泄孔9孔口朝上用于排泄密度較小的含氣介質，其直徑d=0.1?0.3mm。所述第二排泄孔10孔口朝下用于排泄密度較大的含固體磨料混合液，其直徑D=0.5?5.0mm。[0009]進一步，所述錐形密封腔內壁的錐角arctan[(d2_di)/(2Li)]=5.1°?8.8°。[0010]再進一步，所述的錐形密封腔體的軸向長度與錐形密封腔的軸向長度之比L2/L1=0.05?OAc[0011]所述螺旋溝槽6的截面形狀可以為矩形、三角形或其他形狀，[0012]工作原理:龍卷風是自然界中一種較為常見的自然現(xiàn)象，是在極不穩(wěn)定天氣下由空氣強烈對流運動而產(chǎn)生的一種伴隨著高速旋轉的錐形漏斗螺旋狀云柱的強風渦旋，能將所經(jīng)路徑上的樹木、房屋建筑材料等固體物迅速卷吸進入空中，并在龍卷風上端大面積云層區(qū)域盤旋。借鑒龍卷風下端具有強卷吸作用的錐形漏斗螺旋狀結構，在靠近密封側設計錐形密封腔體，并在錐形密封腔體內壁開設阿基米德螺線螺旋溝槽，起到排渣與破泡排氣作用;借鑒龍卷風上端大面積柱狀云層，在遠離密封側設計由大小圓柱形腔兩部分組成的梯形密封腔，內徑較大的圓柱形腔作為密封介質中固體顆粒和所含氣泡的滯留區(qū)，進一步通過梯形截面圓環(huán)形集流槽中的不同直徑孔向栗側排泄，不同直徑排泄孔的大小及分布與轉子機器設備的具體型式有關。當轉軸轉動時，密封腔中的流體介質受粘性剪切力作用隨轉軸一起轉動，其中密封側流體介質中的固體顆粒和氣泡在錐形螺旋溝槽結構的渦漩導流作用下，沿著螺旋溝槽沿錐形密封腔流向梯形密封腔。從螺旋溝槽中流出的含固體顆粒和氣泡的流體介質沿著錐形密封腔與梯形密封腔交界面上的引流槽進入環(huán)形集流槽中，受密度差異的影響，固體顆粒產(chǎn)生的離心慣性力遠大于氣泡。因此，當轉子栗為臥式栗時，梯形密封腔大圓形腔部分的下圓弧面分布的排泄孔直徑大于其上圓弧面分布的排泄孔直徑，而下圓弧面上排泄孔的分布密度小于上圓弧面，以分別有利于顆粒介質和含氣介質的分層順利排泄；當轉子栗為立式栗時，梯形密封腔大圓形腔中圓環(huán)內壁的下端部分布的排泄孔直徑大于其上端部分布的排泄孔直徑，且下端部上排泄孔的分布密度小于上端部，以分別有利于顆粒介質和含氣介質的分層排泄。固體顆?；旌弦号判箍椎闹睆紻=0.5?5.0mm，含氣液體排泄孔的直徑d=0.1?0.3mm。[0013]錐形密封腔及在其內壁開設的螺旋溝槽除了具有強化密封腔中混相流體介質的流動作用外，還具有強化密封腔體中流體介質的對流換熱能力，因此對改善密封腔中機械密封或其它類似軸端密封的對流換熱特性非常有利。[0014]本發(fā)明的有益效果在于:通過仿效龍卷風對固體顆粒的卷吸作用，本發(fā)明能將位于密封側流體介質中的固體顆粒和氣泡通過錐形密封腔內壁的龍卷風螺旋溝槽吸進梯形密封腔，最終排泄出密封腔，同時可以加強密封介質對機械密封對流換熱效果，因此從根本上達到改善機械密封工作環(huán)境，提高密封使用壽命的目的。(四)【附圖說明】[0015]圖1是本發(fā)明的含機械密封的錐形密封腔與梯形密封腔組合結構的示意圖。[0016]圖2是本發(fā)明實施案例一的三維示意圖。[0017]圖3是本發(fā)明實施案例一的幾何結構參數(shù)統(tǒng)一定義示意圖。[0018]圖4是本發(fā)明實施案例一的俯視圖。[0019]圖5是本發(fā)明實施案例二中螺旋溝槽的螺距為變螺距結構示意圖。[0020]圖6是本發(fā)明實施案例三中螺旋溝槽截面為三角形截面結構示意圖。[0021]圖6a是圖6的螺旋溝槽截面的局部剖視放大圖。(五)【具體實施方式】[0022]實施例一[0023]參考圖1、圖2、圖3和圖4，一種內壁仿龍卷風螺旋溝槽復合結構的密封腔體，所述密封腔體適用于安裝臥式轉子栗機械密封，由機械密封側的錐形密封腔3和靠近葉輪側的梯形密封腔組成，所述機械密封主要摩擦副由動環(huán)4和靜環(huán)5組成，所述錐形密封腔3的內壁加工有仿龍卷風形的螺旋溝槽6，所述螺旋溝槽6的螺旋型線是阿基米德螺線，所述螺旋溝槽6的截面形狀為矩形，所述錐形密封腔3的內壁直徑沿軸向自機械密封至腔體喉部逐漸變大;所述梯形密封腔由大圓環(huán)形腔2和小圓環(huán)形腔I兩部分組成，所述大圓環(huán)形腔2包含梯形密封腔與錐形密封腔的交界面，所述交界面上開設有多個引流槽7和一個環(huán)形集流槽8，所述引流槽7的一側與錐形密封腔大直徑側的螺旋溝槽6出口相連貫通，所述引流槽7的另一側與環(huán)形集流槽8相連貫通;所述梯形密封腔的大圓環(huán)形腔2、小圓環(huán)形腔I的腔體上分布有第一排泄孔9和第二排泄孔10，所述第一排泄孔9孔口朝上用于排泄密度較小的含氣介質，所述第二排泄孔10孔口朝下用于排泄密度較大的含固體磨料混合液。[0024]本發(fā)明的有益效果在于:通過仿效龍卷風對固體顆粒的卷吸作用，本發(fā)明能將位于密封側的固體顆粒和氣泡通過錐形密封腔內壁的龍卷風螺旋溝槽吸進梯形密封腔，最終排泄出密封腔，從而從根本上改善機械密封工作環(huán)境，提高密封使用壽命。[0025]進一步，所述錐形密封腔3的內壁錐角arctan[(d2_di)/(2Li)]=5.1°?8.8°。[0026]或進一步，根據(jù)上述權利要求所述的梯形密封腔，其特征在于:所述梯形密封腔的大小頭兩部分圓柱形腔體上分布的用于排泄固體顆粒混合液的第二排泄孔10為較大孔，其直徑D=0.5?5.0mm;用于排泄含氣液體的第一排泄孔9為較小孔，其直徑d=0.1?0.3mm。[0027]再進一步，所述錐形密封腔體軸向長度與錐形密封腔的軸向長度之比LVL1=0.05?OAc[0028]針對不同的栗輸介質、栗的操作條件和密封輔助系統(tǒng)操作參數(shù)，通過大量試驗測試分析和優(yōu)化設計，為滿足石油、石化、化工、電力和制藥等領域不同工況條件下的實用性要求，所述錐形密封腔3的內壁上仿龍卷風形的螺旋溝槽6的螺旋頭數(shù)數(shù)量取值為3?8。[0029]實施例二[0030]參照圖5，本實施案例與實施案例一不同之處在于所述密封腔適合立式轉子栗，所述仿龍卷風形的螺旋溝槽6的錐形密封腔3的螺旋溝槽的螺距自密封側至葉輪側逐漸減小，所述排泄孔9位于梯形密封腔上方用于排泄密度較小的含氣介質，所述排泄孔10孔位于梯形密封腔下方用于排泄密度較大的含固體磨料混合液，其余結構的實施方式與實施案例一相同。[0031]實施例三[0032]參見圖6，本實施案列與實施案例二不同之處在于錐形密封腔3上的螺旋溝槽6的截面形狀為三角形，此外，還可以依據(jù)不同要求選擇螺旋溝槽6的截面形狀為梯形、圓弧形、拋物形等。[0033]其余結構和實施方式與實施案例二相同。[0034]本說明書實施案例所述的內容僅僅是對發(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案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)明構思所能夠想到的等同技術手段。【主權項】1.一種內壁仿龍卷風螺旋溝槽復合結構的密封腔體，其特征在于:由機械密封側的錐形密封腔(3)和靠近葉輪側的梯形密封腔組成，所述機械密封主要摩擦副由動環(huán)(4)和靜環(huán)(5)組成，所述錐形密封腔(3)的內壁加工有仿龍卷風形的螺旋溝槽(6)，所述螺旋溝槽(6)的螺旋型線是阿基米德螺線，所述錐形密封腔(3)的內壁直徑沿軸向自機械密封至腔體喉部逐漸變大;所述梯形密封腔由大圓環(huán)形腔(2)和小圓環(huán)形腔(I)兩部分組成，所述大圓環(huán)形腔(2)包含梯形密封腔與錐形密封腔的交界面，所述交界面上開設有多個引流槽(7)和一個環(huán)形集流槽(8)，所述引流槽(7)的一側與錐形密封腔大直徑側的螺旋溝槽(6)出口相連貫通，所述引流槽(7)的另一側與環(huán)形集流槽(8)相連貫通;所述梯形密封腔的大圓環(huán)形腔(2)、小圓環(huán)形腔(I)的腔體上分布有排泄孔。2.如權利要求1所述的一種內壁仿龍卷風螺旋溝槽復合結構的密封腔體，其特征在于:所述的排泄孔包括第一排泄孔(9)和第二排泄孔(10)，所述第一排泄孔(9)孔口朝上用于排泄密度較小的含氣介質，其直徑d=0.1?0.3mm;所述第二排泄孔(10)孔口朝下用于排泄密度較大的含固體磨料混合液，其直徑D=0.5?5.0mm。3.如權利要求1所述的一種內壁仿龍卷風螺旋溝槽復合結構的密封腔體，其特征在于:所述錐形密封腔內壁的錐角arctan[(d2_di)/(2Li)]=5.1°?8.8°。4.如權利要求2或權利要求3所述的一種內壁仿龍卷風螺旋溝槽復合結構的密封腔體，其特征在于:所述的錐形密封腔體的軸向長度與錐形密封腔的軸向長度之比1^/1^=0.05?.0.4?！疚臋n編號】F04D29/10GK106050728SQ201610553000【公開日】2016年10月26日【申請日】2016年7月12日【發(fā)明人】彭旭東,李定,孟祥鎧,李紀云【申請人】浙江工業(yè)大學