專利名稱：阻塞節(jié)流交替式無接觸轉(zhuǎn)動密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非接觸式轉(zhuǎn)動密封，特別適合用作允許微量泄漏的各種回轉(zhuǎn)式氣體機(jī)械的軸端密封。
為減小功耗與摩損，高轉(zhuǎn)速下宜采用非接觸式轉(zhuǎn)動密封，其主要型式有迷宮式、浮環(huán)式、磁流體和壓力氣封式四種。后三種的密封效果雖好，但其附屬設(shè)備多、造價(jià)高、功耗大，且被封流體要受污染，故大量使用的還是前一種即迷宮式密封。
但目前的迷宮密封技術(shù)尚存在著下列不足一、密封高壓氣體，其密度大，因?yàn)榱鬟^各齒隙的質(zhì)量流量是相等的，故靠近高壓側(cè)的梳齒縫隙中的氣速很低，動壓幾乎不減，這些齒腔就幾乎失去了迷宮密封靠節(jié)流膨脹使氣體動壓降低來實(shí)現(xiàn)密封的作用。故從再多設(shè)齒腔數(shù)以求減少高壓氣泄漏的方向努力，其效果微小。
二、在限定的機(jī)器密封空間內(nèi)，能排列下的齒腔數(shù)量有限，軸向排列式(如附圖3(a))尤少。
三、徑向排列、流體向周心往返式(如附圖3(b))，雖可排列較多的齒腔，但其對軸向尺寸偏差，軸承軸向竄動的耐受性差。中國專利90206024.4徑向迷宮式旋轉(zhuǎn)軸密封裝置中提出將槽根嵌入環(huán)狀巴氏合金等軟填料，以求提高密封效果和減輕與梳齒尖的擦灼，尚未從根本上解決竄軸后密封梳齒尖的擦碰問題。
本發(fā)明的目的就是為解決迷宮密封的上述三個(gè)問題，重點(diǎn)是要降低泄漏和易于裝配，而在結(jié)構(gòu)上又必須簡單，容易制造，成本低、通用性強(qiáng)。
本發(fā)明的特點(diǎn)是突破了迷宮式密封只是以節(jié)流膨脹降壓來實(shí)現(xiàn)密封的框框，在迷宮密封中融匯了浮環(huán)等間隙阻力型密封的邊界層摩擦阻流原理，創(chuàng)造出新的密封結(jié)構(gòu)，集節(jié)流、阻塞這兩種密封作用于一身，在其中多次交替進(jìn)行，由此便同時(shí)克服了上述的三點(diǎn)不足。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所采用的技術(shù)手段為1.在節(jié)流膨脹的同時(shí)，加入邊界層摩擦效應(yīng)來增大流動阻力。具體做法是把各個(gè)齒隙延長。這樣，當(dāng)高壓低速流體流過時(shí)，由于雷諾數(shù)小，?？尚纬蓪恿?，邊界層增厚，其流量即泄漏量便可減小，即高壓側(cè)齒隙的阻流作用大為增強(qiáng)，于是克服了上述的第一點(diǎn)不足。
2.破傳統(tǒng)的梳齒頂隙節(jié)流而改為齒側(cè)隙阻塞與節(jié)流。若沿用傳統(tǒng)，延長齒隙就得增加齒的厚度，定會使同尺寸下排出的齒腔數(shù)量減少。現(xiàn)改為齒側(cè)隙節(jié)流阻塞，可實(shí)現(xiàn)長的環(huán)隙，同時(shí)還能騰出原來必不可少的齒厚空間，用以排下更多的齒隙齒腔，從而克服了前述的第二點(diǎn)不足。
3.將齒頂與槽根相互拉開而形成軸向往返排列的迷宮腔。流體從齒側(cè)環(huán)隙流出后，進(jìn)入迷宮腔中消耗了動能，再折轉(zhuǎn)180°后進(jìn)入另一側(cè)隙。由于齒頂和槽根分屬于動、靜或靜、動兩個(gè)齒盤，軸向拉開后，對軸向偏差、軸承竄動的耐受性便大為增強(qiáng)了，即使加工裝配偏差或竄軸幾毫米，齒頂與槽根也不會擦碰，仍可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這就從根本上克服了前述的第三點(diǎn)不足，也使密封的裝配變得十分容易。
本發(fā)明轉(zhuǎn)動密封的兩種適用齒腔結(jié)構(gòu)如附圖1和附圖2所示。這兩種結(jié)構(gòu)都能克服前述的三點(diǎn)不足，但附圖1結(jié)構(gòu)的流道曲折度更大些，氣流180°繞轉(zhuǎn)次數(shù)比附圖2結(jié)構(gòu)多一倍，而附圖2結(jié)構(gòu)的挖窄槽量卻可以減少一倍，有利于加工。
由附圖1和附圖2可以看出，本發(fā)明轉(zhuǎn)動密封是由若干個(gè)獨(dú)立的圓盤按照同軸心疊摞組成的。其中，邊靜盤(1)為兩個(gè)，中靜盤(2)可為0至8個(gè)，動盤(3)的數(shù)量比靜盤的總和數(shù)量少一個(gè)。中間靜、動盤的數(shù)量可以任意增減，以滿足不同的壓力與不同的泄漏量之要求。
邊靜盤(1)的一側(cè)端面，中靜盤(2)和動盤(3)的兩側(cè)端面上車加工有數(shù)圈與圓盤同軸線的圓環(huán)齒和圓環(huán)槽，環(huán)齒與環(huán)槽的截面形狀均為矩形(附圖1)，其長邊與圓盤軸線平行;或者是均為凸字形(附圖2)，其對稱軸與圓盤軸線平行。
各靜盤與動盤相對臨兩端面上分別屬于兩個(gè)盤的各個(gè)環(huán)齒與環(huán)槽一一地徑向?qū)ξ?，各雙雙對位的齒、槽的徑向公稱尺寸相同，控制二者的尺寸公差使槽寬度比齒寬度略大0.10-0.30毫米。在靜盤(1)、(2)、動盤(3)處于工作位置時(shí)，各雙雙對位的環(huán)齒與環(huán)槽沿著圓盤軸向互相插入一部分長度、一般在0.5-4毫米之間。齒的徑向位置恰居于槽中不偏，其兩側(cè)面與環(huán)槽側(cè)面便圍成了兩條為0.5-4毫米長、而間隙為0.05-0.15毫米的環(huán)狀窄縫間隙即前述的齒側(cè)隙，可以起到邊界層摩擦與節(jié)流兩種作用。
環(huán)齒的徑向?qū)挾仍?-3毫米之間，環(huán)槽的徑向?qū)挾嚷晕⒋笥诃h(huán)齒，以使二者在插入后能相對無接觸轉(zhuǎn)動。對于凸字形截面的齒槽結(jié)構(gòu)(附圖2)，其齒和槽肩部的徑向?qū)挾纫踩?-3毫米。
通常情況下，靜盤與動盤相對臨兩端面上的齒長與槽深相等，且在3-7毫米之間。靜盤(1)、(2)的外圓端部、動盤(3)的內(nèi)圓端部的軸向定位凸肩限定著各密封動、靜盤的裝配位置即工作位置。處于工作位置時(shí)，各環(huán)齒環(huán)槽軸向插入0.5-4毫米，齒頂與對位槽根離開的距離為1.5-4毫米，這兩項(xiàng)尺寸靠齒長、槽深和靜盤(1)、(2)、動盤(3)的軸向定位凸肩的長度來控制。
由于環(huán)齒在環(huán)槽中為不完全插入，故環(huán)齒頂和對位環(huán)槽的側(cè)面與根面就圍成了截面為矩形或方形的環(huán)狀空腔，對于截面均為凸字形的環(huán)齒和環(huán)槽結(jié)構(gòu)，除了形成上述齒頂槽根腔之外，齒和槽的兩肩部位處也形成矩形或方形截面的環(huán)狀空腔，這些空腔即迷宮腔，泄漏氣流在其中產(chǎn)生渦流降速并折轉(zhuǎn)，消耗掉其動能。
為了插入順利和增強(qiáng)迷宮腔中的渦流，各環(huán)齒的頂棱倒角0.2-0.5毫米;為增大邊界層摩擦阻力，各齒側(cè)圓周面的光潔度不必很高。
為了防止當(dāng)軸承出現(xiàn)較大的徑向跳動和軸橫向振動時(shí)可能發(fā)生的齒與槽側(cè)面間的擦碰，將靜盤(1)、(2)和動盤(3)分別選用硬度差大的兩種材料靜盤用中碳合金鋼，如2Cr13等，其加工性能好，車槽容易;動盤用鋁合金，且齒側(cè)面的光潔度取更低并留有刀紋，除摩擦阻流性提高之外，凸出的微部分在一旦與靜盤的槽側(cè)面擦碰時(shí)可以很快磨損掉而不致于粘合，且由于鋁的導(dǎo)熱性好，摩擦熱可迅速傳開而不致于局部升溫出險(xiǎn)和產(chǎn)生局部變形與軸的彎曲，另外，鋁合金的輕質(zhì)還可以減輕整個(gè)轉(zhuǎn)子的重量。
由附圖1和附圖2還可看出，所提到的齒側(cè)面與槽側(cè)面實(shí)際是一回事，即兩齒之間為槽，兩槽之間為齒，齒間距即為槽寬，槽間距為齒寬，齒和槽依次沿徑向順排，而兩齒的中心距與兩槽的中心距通常是相等的。
由于同時(shí)利用了兩種密封原理，將節(jié)流與阻塞這兩種密封作用融匯于一體，從而彌補(bǔ)了迷宮式密封僅靠單一節(jié)流這一原理上的不足;還由于發(fā)明的結(jié)構(gòu)形式獲得了比已有迷宮密封結(jié)構(gòu)都多的齒腔數(shù)量，并獲得了泄漏流道的更大的曲折度，氣流在其中的迷宮腔中可形成充分的旋渦而消耗掉動能，故實(shí)測表明本發(fā)明密封的泄漏量只有目前迷宮密封的十幾分之一對于0.5MPa(g)的空氣，只用一個(gè)動盤、兩個(gè)邊靜盤而無中靜盤的結(jié)構(gòu)，就可以使泄漏量低于每小時(shí)5標(biāo)準(zhǔn)立方米。對于高壓氣體，由于有摩擦阻塞作用，其對比結(jié)果更為明顯。
本發(fā)明無接觸轉(zhuǎn)動密封是應(yīng)氣波制冷機(jī)(中國專利號89213744.4)轉(zhuǎn)動密封之需要而提出和研制的。已在幾臺氣波制冷機(jī)中試用，顯著減小了高壓氣向低壓冷氣的泄漏摻和與外泄漏量，提高了機(jī)器的制冷效率，如今最早者已運(yùn)轉(zhuǎn)過了半年，最高密封壓力者已達(dá)10MPa。除泄漏量小和易裝配之外，均未曾發(fā)生過機(jī)械故障，證明使用可靠。
本發(fā)明密封的結(jié)構(gòu)簡單、制造裝配簡便，且很容易實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化與系列化，可廣泛應(yīng)用于離心式、軸流式、螺桿式壓縮機(jī)，羅茨、旋渦風(fēng)機(jī)，各種蒸汽、燃?xì)?、氣體透平，旋轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)等回轉(zhuǎn)式氣體機(jī)械的軸端密封。
本發(fā)明阻塞節(jié)流交替式無接觸轉(zhuǎn)動密封的


如下附圖1為矩形齒、槽截面密封的結(jié)構(gòu)圖。其中，邊靜盤(1)有兩個(gè)，只一側(cè)的端面有齒槽;中靜盤(2)可從0至8個(gè)，該圖結(jié)構(gòu)為一個(gè);動盤(3)比靜盤總數(shù)少一個(gè)，該圖結(jié)構(gòu)為兩個(gè);橡膠O型密封圈(4)用以阻止氣體通過靜盤(1)、(2)外圓與機(jī)體密封段(5)內(nèi)孔的配合間隙和動盤(3)內(nèi)孔與機(jī)軸密封段(8)的配合間隙的泄漏，當(dāng)用于高溫或超低溫時(shí)，密封圈需改用其他材料與相應(yīng)的結(jié)構(gòu);靜盤壓緊螺母(6)旋入機(jī)體內(nèi)螺紋以壓緊各個(gè)靜盤;動盤壓緊螺母(7)旋入機(jī)軸螺紋以壓緊各個(gè)動盤。
附圖2為凸字形齒、槽截面密封的結(jié)構(gòu)圖，圖中各序號所表示的部件名稱與功能與附圖1相同。
為了前面的對比和說明之需要，特以附圖3(a)和附圖3(b)給出已有迷宮密封的幾種結(jié)構(gòu)型式簡圖，其中附圖3(a)為軸向排列式，附圖3(b)為徑向排列式。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例是利用普通車床車削加工。靜盤(1)、(2)先車好外圓與端面，動盤(3)先車好內(nèi)孔與端面，然后靜盤(1)、(2)以外圓對中、動盤(3)以內(nèi)孔對中，用三爪卡盤或簡易對中胎具夾持車加工環(huán)齒環(huán)槽。各齒、槽初加工完留一定余量，然后再將一組或一批相同尺寸的環(huán)齒側(cè)即環(huán)槽側(cè)一并同時(shí)精加工即保持刀架橫向不動，軸向進(jìn)刀精加工圓環(huán)面，然后退刀換上另一個(gè)圓盤，直至所有各盤的這一尺寸的圓環(huán)面都精加工完，再橫向移動刀架進(jìn)到下一個(gè)尺寸。如此精加工可以保證密封盤的可互換性。自然，若有數(shù)控車床加工則會方便得多。
靜盤(1)、(2)外圓與機(jī)體密封段(5)內(nèi)孔、動盤(3)內(nèi)孔與機(jī)軸密封段(8)均采用二級精度可滑動定位配合。為了拆卸的方便，在靜盤(1)、(2)的外凸肩端面和動盤(3)的內(nèi)凸肩端面上均對稱鉆2或4個(gè)孔挍M4絲，在擰下靜、動盤壓緊螺母(6)和(7)以后，用頭部帶有M4螺紋的兩根長鐵條便會很容易地將各個(gè)密封盤一一拉出。
權(quán)利要求
1.一種既有迷宮密封節(jié)流，又具間隙密封摩擦阻力作用的低泄漏量的阻塞節(jié)流交替式無接觸轉(zhuǎn)動密封，由端面上帶有數(shù)條同軸的圓環(huán)齒和圓環(huán)槽的若干個(gè)圓形靜盤和圓形動盤按照同軸心疊摞組成，圓環(huán)齒與圓環(huán)槽的截面形狀均為矩形或者是均為凸字形，其特征在于靜盤(1)、(2)和動盤(3)相對臨的兩端面上分別屬于兩個(gè)盤的各圓環(huán)齒與對面的圓環(huán)槽一一地徑向?qū)ξ?，槽寬略微大于齒寬，靜盤(1)、(2)和動盤(3)靠合到工作位置時(shí)，各雙雙對位的環(huán)齒與環(huán)槽沿著圓盤的軸向互相插入一部分長度，則各環(huán)齒與對位環(huán)槽的側(cè)圓面均圍成了這個(gè)長度的環(huán)狀窄縫間隙，環(huán)齒頂部與對位環(huán)槽根面軸向離開一定的距離而形成截面為矩形或方形的環(huán)狀空腔，對于截面均為凸字形的環(huán)齒與環(huán)槽結(jié)構(gòu)，除了形成齒頂槽根腔之外，齒和槽的兩肩部位處也形成矩形或方形截面的環(huán)狀空腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻塞節(jié)流交替式無接觸轉(zhuǎn)動密封，其特征在于圓盤端面上的圓環(huán)齒與圓環(huán)槽的截面形狀為矩形者，其長邊與圓盤的軸線平行，為凸字形截面者，其對稱軸與圓盤軸線平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻塞節(jié)流交替式無接觸轉(zhuǎn)動密封，其特征在于環(huán)齒與環(huán)槽的截面形狀無論為矩形還是為凸字形，其對插環(huán)齒與環(huán)槽的各個(gè)對應(yīng)的徑向公稱尺寸相同，控制各徑向尺寸的公差使各齒、槽的側(cè)向環(huán)狀窄縫間隙為0.05-0.15毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻塞節(jié)流交替式無接觸轉(zhuǎn)動密封，其特征在于環(huán)齒的徑向?qū)挾葹?-3毫米，環(huán)槽的寬度略微大于環(huán)齒寬，以使二者在互相插入后能相對無接觸轉(zhuǎn)動，凸字形截面的齒和槽其頭部與肩部的寬度也為1-3毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻塞節(jié)流交替式無接觸轉(zhuǎn)動密封，其特征在于相對鄰兩圓盤端面上分別屬于兩盤的環(huán)齒與環(huán)槽的軸向插入長度即環(huán)狀窄縫間隙的長度為0.5-4毫米，齒頂與槽根面軸向離開的距離為1.5-4毫米，這兩項(xiàng)尺寸靠齒長、槽深和靜盤(1)、(2)外圓端面定位凸肩與動盤(3)內(nèi)圓端面定位凸肩的長度來控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻塞節(jié)流交替式無接觸轉(zhuǎn)動密封，其特征在于靜盤(1)、(2)的材料為中碳合金鋼，如2Cr13等，動盤(3)的材料為鋁合金。
全文摘要
本發(fā)明阻塞節(jié)流交替式無接觸轉(zhuǎn)動密封可作為多種回轉(zhuǎn)式氣體機(jī)械的軸端密封。針對迷宮式密封僅靠節(jié)流作用而泄漏多特別是在高壓下的不理想、排齒數(shù)少以及對竄軸的耐受性差的不足，融匯了兩種密封原理，添加了邊界層阻流作用，將傳統(tǒng)的齒頂節(jié)流齒側(cè)迷宮改為長齒側(cè)阻塞節(jié)流和齒頂迷宮?？啥嗯琵X腔，增大曲折度、延長軸向間距，故消除了迷宮密封的幾個(gè)缺點(diǎn)，顯著降低了泄漏量。
文檔編號F16J15/54GK1077262SQ92102698
公開日1993年10月13日 申請日期1992年4月11日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月11日
發(fā)明者鄒久朋, 方曜奇, 郭永來, 史啟才, 李占德, 胡大鵬, 孫洪玉 申請人:大連理工大學(xué)