具有双旋向流体动压槽的非接触式机械密封环，在密封端面的外侧部沿周向等间距地设置有相同形式的流体动压槽结构单元；流体动压槽结构单元为由中心槽和分别与其周向两侧接合并向两侧对称收敛延伸的相同翼槽构成的机翼形结构；中心槽的两和侧壁边分别为密封端面的两个径向延伸段，内侧的壁边为与密封端面同心的弧形，中心槽开口于密封环周壁部；翼槽两侧的长侧边和收敛延伸端的短槽边分别为密封端面的两个径向延伸段，其中两翼槽的长侧边分别为与其所在侧的中心槽侧壁接合的槽口部。该流体动压槽结构能提高密封流体动压效应，增大密封端面开启力，增加密封端面间的流体膜厚度和膜刚度，减少密封泄漏量，并简化了槽型加工难度，降低密封零部件加工、装配的工艺要求。
1.具有双旋向流体动压槽的非接触式机械密封环，在具有内径（R内）和外径（R外）的密封端面上，沿周向以间隔方式设置有流体动压槽，其特征是在密封端面的外侧部沿周向等间距地设置有若干个相同形式的流体动压槽结构单元，其中：——流体动压槽结构单元为由中心槽（5）和分别与其周向两侧接合并向两侧对称收敛延伸的相同结构的翼槽（4，6）构成的机翼形结构；
——中心槽（5）的槽壁中，两个侧壁边分别为密封端面的两个径向延伸段（12），径向内侧的壁边（8）为与密封端面同心的弧形，中心槽的开口（9）设于密封环周壁部；
——翼槽（4，6）的槽壁中，两侧壁中的长壁边（12'）和收敛延伸端部的短壁边（10）分别为密封端面的两个径向延伸段，其中两翼槽（4，6）的长壁边（12'）分别为与其所在侧的中心槽（5）侧壁边（12）相接合的槽开口部。
2.如权利要求1所述的机械密封环，其特征是所述沿周向以间隔方式设置有流体动压槽为8~20个。
3.如权利要求1所述的机械密封环，其特征是所述沿周向以间隔方式设置有流体动压槽为12个。
4.如权利要求1至3之一所述的机械密封环，其特征是翼槽（4，6）中作收敛延伸的内侧延伸壁（7）与外侧延伸壁（11）的收敛角为30°~50°。
5.如权利要求4所述的机械密封环，其特征是所述的收敛角为38°。
6.如权利要求1至3之一所述的机械密封环，其特征是中心槽（5）是由径向内端至槽外口（9）为深度相同的等深槽，或是由与翼槽（4，6）深度相同的径向内侧的壁边（8）向周壁开口（9）深度线性延伸增加的变深楔形槽。
7.如权利要求6所述的机械密封环，其特征是所述中心槽（5）的深度为3~28微米。
8.如权利要求1至3之一所述的机械密封环，其特征是翼槽（4，6）为在其收敛延伸段中具有相同深度的等深槽。
9.如权利要求8所述的机械密封环，其特征是所述翼槽（4，6）的深度为1~8微米。
10.如权利要求9所述的机械密封环，其特征是所述翼槽（4，6）的深度为5微米。
11.如权利要求8所述的机械密封环，其特征是所述翼槽（4，6）的深度小于中心槽（5）深度。
12.如权利要求1至3之一所述的机械密封环，其特征是流体动压槽结构单元中两侧翼槽（4，6）中的延伸端部短壁边（10）间的圆心角（A2）为22.5°~45°，中心槽（5）中的两侧壁边（12）间的圆心角（A1）为2°~10°。
13.如权利要求12所述的机械密封环，其特征是所述的两圆心角A2/A1的大小关系为
14.如权利要求13所述的机械密封环，其特征是所述的两圆心角A2/A1的大小关系为
15.如权利要求1至3之一所述的机械密封环，其特征是所述中心槽（5）中径向内侧的弧形内壁边（8）在密封端面上的半径（R3），与密封端面内径和外径（R内，R外）间的长度关系为：（R内+ R外）/R3=1.8~2.2。
16.如权利要求15所述的机械密封环，其特征是所述的半径（R3），与密封端面内径和外径（R内，R外）间的长度关系为：（R内+ R外）/R3=2。
17.如权利要求15所述的机械密封环，其特征是所述翼槽（4，6）的收敛延伸端部短壁边（10）的外端（a）所在的密封端面半径R1，与密封端面外径（R外）和中心槽（5）内壁边（8）所在的半径（R3）间的长度关系为：（R外+R3）/R1=1.8~2.2。
18.如权利要求17所述的机械密封环，其特征是所述的半径R1，与密封端面外径（R外）和中心槽（5）内壁边（8）所在的半径（R3）间的长度关系为：（R外+R3）/R1=2。
19.如权利要求17所述的机械密封环，其特征是所述翼槽（4，6）的收敛延伸端部短壁边（10）的内端（b）所在的密封端面半径R2，与该短壁边（10）的外端（a）所在的密封端面半径R1，以及中心槽（5）内壁边（8）所在的半径R3间的长度关系为：（R1+R3）/R2=1.8~2.2。
20.如权利要求19所述的机械密封环，其特征是所述的半径R2，与短壁边（10）的外端（a）所在的密封端面半径R1，以及中心槽（5）内壁边（8）所在的半径R3间的长度关系为：（R1+R3）/R2=2。
21.如权利要求1至3之一所述的机械密封环，其特征是所述翼槽（4，6）中的外侧延伸壁（11）与其收敛延伸端部短壁边（10）间的夹角（A4）为100°~120°。
22.如权利要求21所述的机械密封环，其特征是所述翼槽（4，6）中的外侧延伸壁（11）与其收敛延伸端部短壁边（10）间的夹角（A4）为110°。
23.如权利要求1至3之一所述的机械密封环，其特征是所述翼槽（4，6）中的内侧延伸壁（7）与其收敛延伸端部短壁边（10）间的夹角（A5）为95°~115°。
24.如权利要求23所述的机械密封环，其特征是所述翼槽（4，6）中的内侧延伸壁（7）与其收敛延伸端部短壁边（10）间的夹角（A5）为107°。
具有双旋向流体动压槽的非接触式机械密封环
技术领域
[0001] 本发明为一种可用于多种形式的压缩机、膨胀机、泵、反应釜等旋转机械的轴端密封的密封环。
背景技术
[0002] 流体端面非接触式机械密封是通过两相对旋转的密封环，依靠旋转时剪切两个环之间的流体，形成流体动压效应，从而增大端面流体膜承载能力和流体膜刚度。最终使得密封端面长时间处于稳定的非接触状态。改变密封端面上设置的流体动压槽的槽型，是增强端面流体动压效应，减少密封泄漏量并延长密封使用寿命的有效和常用手段。
[0003] 流体端面非接触式机械密封通常分为单旋向和双旋向两大类。单旋向密封环的密封端面上的流体动压槽，以具有对数螺旋线型或阿基米德线型为典型特征，具有流体动压效应显著、泄漏量低、流体膜刚度好等优势，但受其槽型几何特征限定，该类槽型只能用于单向旋转的工况。在工程实际中，以压缩机为代表的旋转机械常会发生反转现象，该现象随着压缩机容积大型化的趋势变得愈发明显。具有双旋向槽型的流体端面非接触式机械密封环，即可适应旋转主机正/反向旋转的特殊工况要求。现有的双旋向槽型以燕尾槽、圣诞树槽、T形槽、半圆面包槽等为代表，但目前的双旋向密封环密封端面上的槽型存在流体膜刚度相对较低、动压效应相对较弱、开启力较低、稳定工作时建立的流体膜（即流体动压非接触式机械密封平稳运转后，在动静环之间形成的润滑膜）厚度相对较小、密封自身零件加工和装配精度要求相对高等不足，是亟待解决的问题。
发明内容
[0004] 鉴于此，本发明提供了一种新结构形式的具有双旋向流体动压槽的非接触式机械密封环，特别是通过对密封环中密封端面上的流体动压槽结构的改进，可以有效解决上述问题。
[0005] 本发明具有双旋向流体动压槽的非接触式机械密封环的结构，是在环体端部具有内径和外径的密封面上，沿周向以间隔方式设置有流体动压槽这一基本结构的基础上，进行的一种新的设计和改进。其中，在密封端面的外侧部沿周向等间距地设置有若干个相同结构形式的流体动压槽结构单元。所说的流体动压槽结构单元在密封端面的外周部设置的数量，可根据所用设备旋转轴的轴径和/或对密封要求的不同而定。一般情况下，可优选设置为8~20个，更好的设置数量为12个。
[0006] 上述流体动压槽结构单元的具体结构为：
[0007] ——流体动压槽结构单元为由中心槽和分别与其周向两侧接合并向两侧对称收敛延伸的相同结构的翼槽构成的机翼形结构；
[0008] ——中心槽的槽壁中：两个侧壁边分别为密封端面的两个径向延伸段，径向内侧的壁边为与密封端面同心的弧形，中心槽的开口设于密封环周壁部；
[0009] ——翼槽的槽壁中：两侧壁中的长壁边（即底边）和收敛延伸端部的短壁边分别为密封端面的两个径向延伸段，其中两侧翼槽的长壁边分别为与其所在侧的中心槽侧壁边相接合的槽开口部。
[0010] 本发明上述结构式的双旋向流体动压槽的非接触式机械密封环，可用作非接触式机械密封装置中的旋转环（可随旋转机械轴一起转动）和/或静止环（不随旋转机械轴转动）。
[0011] 在上述基本结构的基础上，根据不同设备和/或使用工况条件及要求，还可以单独或任意组合地选择下述进一步的优选结构方式。
[0012] 在上述位于中心槽两侧的翼槽中，作收敛延伸的其内侧延伸壁与外侧延伸壁间的收敛角，可优选为30°~50°，更好的收敛角为38°。改变该收敛角的大小，可以改变密封面间的流体动压效应，从而调整和改变提升正作用翼槽区开启力的大小。例如，减小该收敛角，在相同工况下，密封端面的流体动压开启力会有所增大，泄漏量则会较大程度增加；而增大收敛角，则会有相反的效果。
[0013] 上述结构中的中心槽的槽深，可以是由其径向的内侧壁边至周壁部开口为等深度的形式，也可以是由其径向的内侧的壁边向周壁部开口呈线性延伸增加的变深楔形槽。采用变深楔形槽时，更优选的是使其径向内侧壁边即最浅处的深度，与两侧翼槽的深度相同的形式。中心槽深度的不同，会影响和决定密封端面的静压开启力及静压泄漏量。一般情况下，等深槽的深度越深，中心槽的压力分布界线越明显且越平行于径向半径方向，开启力越大，且流体膜刚度越好。但这种变化会随深度的不断增加而逐渐减小，例如深度超过24μm后效果的变化即不明显了。而采用不等深楔形槽，则能明显增强静压开启效果，使得整个系统的启动扭矩降低，且平均深度越深，则静压开启力越大，静压泄漏量也越大。因此，可根据实际需要或不同工况（例如在多级密封中对不同级的密封所允许的泄漏量等）选择适当槽型和/或槽深。一般情况下，中心槽的深度可优选为3~28微米。
[0014] 上述结构中所述的翼槽，一般可采用为在其收敛延伸段中具有相同深度的等深槽。由于改变翼槽的深度可改变和影响密封面间的流体动压效应，因此除在有特殊需要或工况的条件下，翼槽的深度一般可优选为1~8微米，更好的深度为5微米。进一步更好的方式，是使翼槽的深度小于中心槽的深度。计算和实验表明，增大中心槽的深度，能明显增强静压开启效果，使得整个系统的启动扭矩降低。
[0015] 在上述的流体动压槽结构单元中，两侧翼槽中收敛延伸端部短壁边间的圆心角（如附图中所示的A2夹角），优选为22.5°~45°。增大该夹角，在其它参数不变的话，密封端面的泄漏量会相应增加，流体动压效应则相应降低。反之亦然。该优选的夹角范围，一般情况下都可以使密封端面上的流体动压效应和泄漏量有较理想的配合，即能有较好的刚漏比值。
[0016] 中心槽中的两侧壁边间的圆心角（如附图中所示的A1夹角）的优选值可为2°~10°。该夹角的大小主要会对静压开启力产生影响。夹角小则静压开启力小；但随夹角的增大，静压开启力虽也相应增大，但这种变化同样也会随夹角的继续增大而渐不明显，甚至可能反而有略微降低的趋势。
[0017] 上述两侧翼槽中收敛延伸端部短壁边间的圆心角（A2），与中心槽中的两侧壁边间的圆心角（A1）可以各自相互独立地选取，但如使该两个夹角保持有A2/A1为4~6/1，特别是A2/A1为5/1的关系，则是更为可取的优选方式。
[0018] 在上述结构的中心槽中，其径向内侧的弧形壁边在密封端面上的半径（R3），与密封端面的内、外径（R内，R外）间的长度关系，优选为（R内+ R外）/R3=1.8~2.2，更好的是（R内+ R外）/R3=2。增大中心槽中径向内侧弧形壁边在密封端面上的半径（R3），密封端面的泄漏量相应也会增大，流体动压效应和开启力也会减小。
[0019] 同时，在中心槽中内壁边半径（R3）的上述基础上，所说翼槽的收敛延伸端部短壁边中的外侧端所在的密封端面半径（R1），与密封端面的外径（R外）和上述中心槽内壁边的半径（R3）间的长度关系，还可进一步优选为（R外+R3）/R1=1.8~2.2，更好的是（R外+R3）/R1=2。
[0020] 更进一步的是，在上述（R1）和（R3）的基础上，所说翼槽的收敛延伸端部短壁边的内侧端所在的密封端面半径（R2），与该短壁边的外侧端的该半径（R1）及中心槽内壁边的半径（R3）间的长度关系，可优选为：（R1+R3）/R2=1.8~2.2，更好的（R1+R3）/R2=2。
[0021] 上述翼槽收敛延伸端部短壁边中的外侧端所在密封端面的半径（R1）及内侧端所在密封端面的半径（R2），其变化都会改变翼槽槽型的流体动压效果。例如，R1过大或过小都会减小密封端面的开启力，增大泄漏量。而由各半径间的上述关联关系可知，R2可随R1的变化而定。
[0022] 除上述可以单独或组合采用的相应优选方式外，还可以有的另一种优选方式是，所说该翼槽中的外侧延伸壁与收敛延伸端部短壁边间的夹角可优选为100°~120°，更好的是110°，和/或翼槽中的内侧延伸壁与收敛延伸端部短壁边间的夹角可优选为95°~115°，更好的是107°。所说该翼槽中外侧延伸壁与收敛延伸端部短壁边间的夹角，以及内侧延伸壁与收敛延伸端部短壁边间的夹角大小，实际上与上述所说的半径R1、R2、R3等相关联，并决定和影响翼槽延伸收敛角的大小。
[0023] 上述结构的机械密封环的基本工作原理和过程，可包括静态和动态两种不同的工作状态。在静压工作状态下，高压流体从各流体动压槽结构单元中心槽的外侧周壁开口进入，被挤压同时从其两侧壁边处进入两侧的翼槽（尤其是具有变深楔形结构的中心槽），分别受到作收敛延伸的内、外侧延伸壁的挤压而快速流向其收敛延伸部的短壁边。与目前其它双旋向密封环的槽型不同点在于，通过该翼槽收敛延伸部的短壁边的节流作用，从而能迅速抬升密封端面的开启力；
[0024] 在动压工作状态下，旋转环相对静止环旋转，以顺时针旋向为例（反向旋转时以相反方式类似），流体从中心槽的外侧周壁开口进入中心槽，除受到中心槽深度方向的挤压外，还受到整个槽组相对运动的剪切作用，流体从中心槽被剪切泵送进流体动压槽结构单元中旋转方向后方侧的翼槽中，并在该翼槽中受到收敛延伸的内、外侧延伸壁的挤压作用和收敛延伸部短壁边的节流作用，局部压力迅速升高。而位于旋转方向前方的另一侧翼槽，则一方面在顺时针旋转的动压效应影响下，流体被反向剪切，从该翼槽收敛延伸部的短壁边流向中心槽，另一方面因该翼槽同时又受密封端面的静压效应影响，流体又会从中心槽补充流回其自身翼槽中。通过理论计算与仿真发现，各流体动压槽结构单元中的该两个反向收敛延伸的翼槽，会形成高压区与低压区，并都是位于以翼槽收敛延伸部短壁边处并沿周向和径向逐渐扩散开，但低压区的压力总体上低于高压区，整个密封端面呈现高压使得动静环呈开启趋势。因此，该收敛延伸端部的短壁边在正作用的翼槽中能产生节流升压作用；在负作用翼槽中能补充流体，由能明显降低负作用翼槽产生的使端面趋于闭合的效果。
[0025] 由此可以看出，本发明上述结构的机械密封环，特别是密封端面上该“机翼形”流体动压槽结构单元中的槽型结构，不仅具有开启力高，开启间隙较大，能提高密封流体动压效应，增大密封端面开启力，增加密封端面间流体膜厚度，提高流体膜刚度（力的变化微元与流体膜厚度变化微元的比值，表征流体膜抗拒外力作用的能力），同时又能减少密封泄漏量，而且简化了槽型加工的难度，降低了对密封零部件加工、装配的工艺要求。因而该机械密封环尤其适用于（但并非仅限于）大轴径旋转机械轴端密封，能提高大轴径流体动压非接触式机械密封的工作稳定性，节约能源，降低工艺介质的泄漏量。且加工工艺简单，装配精度要求低的流体动压非接触式机械。
[0026] 以下结合附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
附图说明
[0027] 图1是本发明具有双旋向流体动压槽的非接触式机械密封环的一种密封端面的结构示意图
[0028] 图2是图1中的局部放大结构示意图。
具体实施方式
[0029] 实施例1
[0030] 如图所示的本发明具有双旋向流体动压槽的非接触式机械密封环，在具有内径R内=401.62mm和外径R外=517.68mm的密封端面上，其R3=455.04mm的外侧部为密封槽区2，其中沿周向等间距地设置有若干个（图1中示出的为12个）相同形式的流体动压槽结构单元，各流体动压槽结构单元之间的间隔部位为密封台区3，密封槽区2的内侧圆周部为无动压槽结构单元的密封坝区1。其中：
[0031] ——各流体动压槽结构单元均是由中心槽5以及分别在其周向两侧与之接合并向两侧对称收敛延伸的相同结构的翼槽4，6构成的“机翼形”结构的动压槽组。
[0032] ——在中心槽5中，其两个侧槽壁边分别为密封端面的两个不同位置上的径向延伸段12，其间的圆心角A1为4°（根据需要可在2°~10°内调整）；径向内侧的弧形内壁边8位于密封端面上R3=227.52mm的弧形位置；中心槽的开口9设于密封环周壁部。中心槽5的深度，可以是由径向内端至槽外口9为相同深度的等深槽，或是由径向内侧的壁边8向槽外口9深度线性延伸增加的变深楔形槽，特别是其径向内侧的壁边8的深度应与翼槽4，6的深度相同。中心槽5的深度为24微米。
[0033] ——在翼槽4，6中，其两侧槽壁中的长壁边12'和收敛延伸端部的短壁边10，也分别为密封端面的两个不同位置的径向延伸段，且两侧翼槽4，6中的长壁边12'分别为与其所在侧的中心槽5的侧壁边12相接合的槽开口部；其作收敛延伸的内侧延伸壁7与外侧延伸壁11的收敛角为38°（根据需要可在30°~50°范围内调整），收敛延伸端部短壁边10的外端a所在的密封端面半径R1=485.77mm，收敛延伸端部短壁边10的内端b所在的密封端面半径R2=470.4mm。各翼槽中外侧延伸壁11与收敛延伸端部短壁边10间的夹角A4为110°（根据需要可在100°~120°范围内调整）；内侧延伸壁7与收敛延伸端部短壁边10间的夹角A5为107°（根据需要可在95°~115°范围内调整）；两侧翼槽4，6中的延伸端部短壁边10间的圆心角A2为20°（根据需要可在22.5°~45°范围内调整）。翼槽由其长壁边12'至收敛延伸端部短壁边10的槽深均为5微米的相同深度。
[0034] 本发明的上述槽型的与目前不同槽型的双旋向流体动压槽密封环的综合效果对比可如表1所示。
[0035] 表1 不同流体动压槽槽型结构密封端面的综合效果对比表
[0036]流体动压槽槽型结构 开启力 泄漏量
圆端点槽 0.57649 0.67592
周向直线贯通槽 0.52139 0.62568
三角形槽 0.67281 1
蝶形槽 0.47803 0.47017
双深度人字槽 0 0
四三角形槽 0.6002 0.4354
圣诞树槽 1 0.98876
本发明机翼形槽 0.96581 0.81007
[0037] 实施例2
[0038] 本例双旋向流体动压槽的非接触式机械密封环是在实施例1结构的基础上，将中心槽5的深度由等深改为弧形内壁边8向周壁部开口9线性延伸增加的楔形槽，外径处的周壁部开口9槽深为24微米，弧形内壁边8端的槽深为与翼槽深度相等的5微米。该非等深楔形中心槽的动压效果与实施例1相差不多，但静压开启效果更佳，但静压泄漏量也相应有所增加。
