本發(fā)明涉及一種低泄漏螺旋槽液膜機械密封端面結(jié)構(gòu)，適應于低壓工況下的軸端密封，如汽車發(fā)動機冷卻水泵用水封，風電及潮汐發(fā)電機組齒輪增速箱中的軸端密封，也可應用于低壓工況下離心泵等其它設備的軸端密封。

背景技術：

在生產(chǎn)實際中存在大量運行于低壓工況下的機械密封，如汽車發(fā)動機冷卻水泵用水封等。此類密封往往存在以下問題：機械密封端面往往難以實現(xiàn)非接觸而造成密封端面摩擦磨損嚴重從而易失效，若實現(xiàn)端面非接觸則因密封間隙的存在會產(chǎn)生較大的泄漏。為此在工程或研究中往往采用表面織構(gòu)技術，通過合理的設計提高機械密封的承載能力來實現(xiàn)端面的非接觸從而延長使用壽命，提高泵送回流能力來改善密封性能。

美國專利(us4290611)公開了上游泵送機械密封，提出了上游泵送概念，隨后上游泵送技術在機械密封領域得到廣泛的應用。美國專利(us5529317和us7194803)公開了具有泵送回流功能的激光臉端面密封，國內(nèi)專利zl200920043048.5公開了一種具有類似功能的機械密封，結(jié)合了上游泵送技術和導流回流技術。雖然上述國內(nèi)外機械密封專利技術提高了機械密封的密封性能，但仍存在以下問題：雖然采用了上游泵送技術或同時采用了導流回流技術來改善密封性能，但使用條件比較苛刻，承載性能和密封性能協(xié)同作用不強。

在液膜潤滑機械密封中普遍存在空化現(xiàn)象，而空化現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡能減小端面摩擦，實現(xiàn)空化減阻，且空化區(qū)由于其較低的液膜壓力可導致壓差流，將下游側(cè)流體抽吸到密封端面從而改善密封性能(雷列臺階-環(huán)槽端面密封機理與性能研究[j].摩擦學學報,2016,36(5):585-591)，故可通過合理的織構(gòu)設計，應用密封端面的液膜空化進一步改善密封性能。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有機械密封技術的密封性能不良、液膜承載性能差、在低壓工況下實現(xiàn)非接觸穩(wěn)定運行難、啟停性能不佳的不足，本發(fā)明提供一種在各種復雜工況下易實現(xiàn)低泄漏、摩擦學性能優(yōu)良、承載性能和穩(wěn)定性良好、使用壽命長的低泄漏螺旋槽液膜機械密封端面結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種低泄漏螺旋槽液膜機械密封端面結(jié)構(gòu)，包括機械密封的動環(huán)、靜環(huán)，所述動環(huán)或靜環(huán)端面的一側(cè)為高壓側(cè)即上游，所述動環(huán)或靜環(huán)端面的另一側(cè)為低壓側(cè)即下游，動環(huán)或靜環(huán)其中之一的端面上設有系列流槽，下游側(cè)設有周向均勻排布的系列反向螺旋槽，中部設有與所述反向螺旋槽貫通的環(huán)槽，上游側(cè)設有與所述環(huán)槽和介質(zhì)側(cè)連通的出口，相鄰兩個所述的出口之間設有系列正向螺旋槽，所述反向螺旋槽與下游側(cè)之間設密封壩，所述環(huán)槽與所述正向螺旋槽之間設密封堰。

進一步，所述反向螺旋槽在密封運行時槽根處的液膜具有發(fā)散的趨勢，反向螺旋槽個數(shù)為2～10；反向螺旋槽壁線螺旋角為2°～15°；周向槽臺寬比為0.5～10；徑向槽壩比為0.25～10，反向螺旋槽與密封壩徑向?qū)挾葹槊芊饷鎸挾鹊?/4～2/3，反向螺旋槽深度為1～50μm。

再進一步，所述環(huán)槽徑向?qū)挾葹?.5～3mm；環(huán)槽深度為所述反向螺旋槽深度的1～5倍。

更進一步，所述出口在上游側(cè)呈周期分布，周期數(shù)為4、6或8，出口壁線為螺旋線或直線，螺旋角或傾角為30°～45°，周向槽寬為1°～10°，出口深度與所述環(huán)槽等深。

優(yōu)選的，所述正向螺旋槽在密封運行時槽根處的液膜具有收斂的趨勢，正向螺旋槽在相鄰兩出口之間的個數(shù)為2～5；正向螺旋槽壁線螺旋角為10°～45°；周向槽臺寬比為0.5～3；徑向槽壩比為0.25～10，正向螺旋槽與密封堰徑向整體寬度為密封面寬度的1/3～2/3，正向螺旋槽深度為1～20μm。

本發(fā)明的技術構(gòu)思為：密封端面液膜的流動是壓差流和剪切流的相互平衡。高壓介質(zhì)側(cè)流體由于壓差流進入密封端面間隙，由于密封動環(huán)的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的剪切流，流體進入上游側(cè)正向螺旋槽，在上游側(cè)正向螺旋槽槽根處由于液膜間隙的收斂性，擠壓效應增大，故在上游側(cè)正向螺旋槽出口區(qū)域產(chǎn)生高壓區(qū)。由于下游側(cè)螺旋槽為反向間隙，膜厚的增大導致該區(qū)域發(fā)生空化，由于空化區(qū)的低液膜壓力造成的壓差流，壩區(qū)和堰區(qū)的部分流體被抽吸到反向螺旋槽區(qū)域，最后通過環(huán)槽和出口的導流回流作用將下游側(cè)流體輸運到上游側(cè)，在幾種型槽的協(xié)同作用下形成回流泵送功能。由于較強的泵送回流能力，固體顆粒等可被及時帶出密封端面，同時空化區(qū)域的摩擦力較低，從而可使得摩擦磨損降低。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

(1)密封環(huán)端面下游側(cè)的反向螺旋槽由于其發(fā)散性會使?jié)櫥耗ぎa(chǎn)生空化，系列空化區(qū)環(huán)繞整個密封端面，從而可控制密封端面液膜流動，將下游側(cè)流體抽吸到密封端面反向螺旋槽區(qū)域。

(2)空化區(qū)的抽吸效應、環(huán)槽和出口的導流回流效應的協(xié)同作用下形成良好的泵送回流能力，在低壓條件下的各種工況下極易實現(xiàn)低泄漏甚至上游泵送。

(3)上游側(cè)正向螺旋槽可產(chǎn)生良好的流體動壓效應，提供良好的液膜承載能力，故該密封同時具有優(yōu)異的密封性能和良好的承載性能。

(4)由于較強的泵送回流能力，固體顆粒等可被及時帶出密封端面，同時空化區(qū)域的摩擦力較低，從而可使得摩擦磨損降低，進一步延長密封使用壽命。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的機械密封端面結(jié)構(gòu)排布示意圖，圖中標示：1為反向螺旋槽；2為環(huán)槽；3為出口；4為正向螺旋槽；51、52、53為密封堰；6為密封壩。

圖2是本發(fā)明的機械密封開槽端面幾何參數(shù)示意圖。

圖3是本發(fā)明的機械密封開槽端面深度示意圖，圖中標示：h1為反向螺旋槽深度，h2為正向螺旋槽深度，ha為環(huán)槽和出口深度，h0為密封間隙。

圖4是本發(fā)明的機械密封開槽端面另一實施案例，出口數(shù)為6，出口壁線為直線，直線傾角為3＝30°～45°，反向螺旋槽數(shù)為8，相鄰出口之間正向螺旋槽數(shù)為2。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖4，一種低泄漏螺旋槽液膜機械密封端面結(jié)構(gòu)，包括機械密封的動環(huán)、靜環(huán)，所述動環(huán)或靜環(huán)端面的一側(cè)為高壓側(cè)即上游，所述動環(huán)或靜環(huán)端面的另一側(cè)為低壓側(cè)即下游，動環(huán)或靜環(huán)其中之一的端面上設有系列流槽，下游側(cè)設有周向均勻排布的系列反向螺旋槽1，中部設有與所述反向螺旋槽1貫通的環(huán)槽2，上游側(cè)設有與所述環(huán)槽2和介質(zhì)側(cè)連通的出口3，所述的相鄰兩出口3之間設有系列正向螺旋槽4，所述反向螺旋槽1與下游側(cè)之間設密封壩6，所述環(huán)槽2與所述正向螺旋槽4之間設密封堰51、52。

所述反向螺旋槽1在密封運行時槽根處的液膜具有發(fā)散的趨勢，反向螺旋槽1個數(shù)為2～10；反向螺旋槽1壁線螺旋角為α1＝2°～15°；周向槽臺寬比為γg1/γw1＝0.5～10；徑向槽壩比為(rg2-rg1)/(rg1-ri)＝0.25～10，反向螺旋槽1與密封壩6徑向?qū)挾葹槊芊饷鎸挾鹊?/4～2/3，反向螺旋槽1深度為h1＝1～50μm。

所述環(huán)槽2徑向?qū)挾葹?.5～3mm；環(huán)槽2深度ha為所述反向螺旋槽1深度h1的1～5倍。

所述出口3在上游側(cè)呈周期分布，周期數(shù)為4、6或為8，出口壁線為螺旋線，螺旋角為α3＝30°～45°，周向槽寬為γg3＝1°～10°，出口3深度與所述環(huán)槽2等深。

所述正向螺旋槽4在密封運行時槽根處的液膜具有收斂的趨勢，正向螺旋槽4在相鄰兩出口3之間的個數(shù)為2～5；正向螺旋槽4壁線螺旋角為α2＝10°～45°；周向槽臺寬比為γg2/γw2＝0.5～3；徑向槽壩比為(ro-rg3)/(rg3-ra)＝0.25～10，正向螺旋槽4與密封堰51徑向整體寬度為密封面寬度的1/3～2/3，正向螺旋槽4深度為h2＝1～20μm。

參照圖1，密封端面液膜的流動是壓差流和剪切流的相互平衡。高壓介質(zhì)側(cè)流體由于壓差流進入密封端面間隙，由于密封動環(huán)的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的剪切流，流體進入上游側(cè)正向螺旋槽4，在上游側(cè)正向螺旋槽4槽根處由于間隙的收斂性，擠壓效應增大，故在上游側(cè)正向螺旋槽4出口區(qū)域產(chǎn)生高壓區(qū)。由于下游側(cè)螺旋槽1為反向間隙，膜厚的增大導致該區(qū)域發(fā)生空化，由于空化區(qū)的低液膜壓力造成的壓差流，壩區(qū)6和堰區(qū)53的部分流體被抽吸到反向螺旋槽1區(qū)域，最后通過環(huán)槽2和出口3的導流回流作用將下游側(cè)流體輸運到上游側(cè)，在幾種型槽的協(xié)同作用下形成回流泵送功能。由于較強的泵送回流能力，固體顆粒等可被及時帶出密封端面，同時空化區(qū)域的摩擦力較低，從而可使得摩擦磨損降低。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)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)明的保護范圍也包括本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術手段。