强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构制造技术

一种强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构，机械密封的动环或静环的端面上加工有依照端面中心沿圆周方向排列构成环带的三元弯扭微凸体，所述三元弯扭微凸体是横截面形状呈翼型的微柱体，三元弯扭微凸体上的相邻两横截面之间有相对扭转；所述三元弯扭微凸体的横截面的长轴沿所述端面的周向设置，所述的横截面的短轴沿所述端面的径向设置，环带上前一微凸体的背风侧端面位于后一微凸体的迎风侧端面的内侧；相邻两排的所述环带之间形成环向流道，流体经微凸体流入环向流道并在其中产生强涡旋；所述三元弯扭微凸体的相邻两排环带错位排列；密封端面上靠泄漏侧设置有环形密封坝，密封坝高度与三元弯扭微凸体的高度相等。

【技术实现步骤摘要】
强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构
本技术涉及一种旋转式流体机械的机械端面密封结构，特别涉及一种三元弯扭微凸体端面机械密封结构，用于各种压缩机、泵和反应釜等旋转机械设备的轴端密封，特别适用于高速场合或要求端面传热性能高的场合，属于机械端面密封

技术介绍
机械端面密封因具有泄漏小，结构简单，可自动补偿磨损等性能优势而在石油石化、食品医药及造纸等行业用旋转机械上获得广泛应用。传统的普通机械密封在运行时，动静环密封端面会产生直接接触，两相对滑动端面的接触摩擦生热可能会导致密封端面变形或热裂失效，而软质密封环的不断磨损限制了密封使用寿命的进一步提高。机械密封适应高参数工况特别是高速工况及高固含量流体的能力较差，往往因产生上述失效问题而导致环境污染、生产装置停车，甚至危及人命。为改善现有接触式机械密封端面摩擦生热量较大和接触磨损影响使用寿命的问题，国内外学者开展了大量研究与研制等有关工作。一方面，在密封端面开设各种不同形状、不同尺度深度的流体动压槽，技术了干式气体端面密封(简称DGS，见LubricationEngineering，1994，50(3):pp215以及US5224714“Non-contactingfaceseal”)和上游泵送机械密封(简称Up-StreamMS，见LubricationEngineering，1990，46(4):pp213以及US4290611“Highpressureupstreampumpingsealcombination”)以及围绕这类密封研制开发的系列新型流体动压型机械密封，其简单工作原理是通过端面型槽将流体介质泵入密封端面，并在流体动静压的作用下推开端面，使其保持非接触运行，从而减小端面温升和降低磨损。但是这种端面上开设型槽的流体动压型机械密封对固体颗粒的适应能力较差，一旦固体颗粒进入密封端面，仍容易划伤端面或填充型槽，使密封过早失效。另一方面，利用LIGA技术在密封端面上加工高纵横比微结构(Highaspectratiosmicrostructures，简写为HARMs)的微凸体密封开始得到国内外学者的关注，如Stephens等利用LIGA技术在轴承和机械密封的承磨表面上加工出均匀分布的HARMs，发现与普通接触式机械密封相比能显著降低端面摩擦热量，提高密封适应含固体颗粒环境的能力，提高密封的可靠性和使用寿命；中国专利CN1818434A(ZL200610049841.7)提出了一种加工有柱状微凸体结构的耐磨型机械密封，其具有较好的耐磨性，摩擦热量小。虽然上述这类柱状的微凸体结构对固体颗粒具有一定的破碎能力，且端面摩擦热较低，但是其动压效应较弱，端面上流体的传热能力较弱，加上在密封启停阶段不能产生较强的动压力以保证密封端面足够的开启力，从而容易导致密封在启停过程中容易发生端面碰磨，在高参数机械密封运行过程中易使密封介质产生汽化，造成干磨。
技术实现思路
为了克服现有接触式机械密封工作时摩擦生热大，适应含固体颗粒环境能力不强的不足，克服现有流体动压型机械密封端面传热能力弱，适应固含量介质能力差的特点，本技术提供一种工作时摩擦热量小，传热能力强，耐磨性好，流体动压效应强，且具有优异启停特性和运行稳定性的强对流换热型三元弯扭微凸体端面高速机械密封结构。本技术的技术方案是：一种强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构，其特征在于：所述机械密封的动环或静环的端面上加工有依照端面中心沿圆周方向排列构成环带的三元弯扭微凸体，所述三元弯扭微凸体是横截面形状呈翼型的微柱体，三元弯扭微凸体上的相邻两横截面之间有相对扭转，所述同一条微凸体环带上的微凸体沿端面周向均匀布置；所述三元弯扭微凸体的横截面的长轴沿所述端面的周向设置，所述的横截面的短轴沿所述端面的径向设置，三元弯扭微凸体的横截面的宽度自迎风侧到背风侧逐渐增大，所述三元弯扭微凸体的周向侧壁自迎风侧到背风侧逐渐向内弯曲，其中内侧的周向侧壁的曲率大于外侧的周向侧壁的曲率，环带上前一微凸体的背风侧端面位于后一微凸体的迎风侧端面的内侧；相邻两排的所述环带之间形成环向流道，流体经微凸体流入环向流道并在其中产生强涡旋；所述三元弯扭微凸体的相邻两排环带错位排列以形成径向大流阻；端面上靠泄漏侧设置有环形密封坝，密封坝高度与三元弯扭微凸体的高度相等。优选地，所述三元弯扭微凸体的入口安装角取值范围为：θ＝0～15°；所述三元弯扭微凸体相邻两排环带之间形成的环向流道的径向间隔为100～500μm，同一环带相邻两个微凸体之间的周向距离为10～50μm。更优选地，所述三元弯扭微凸体的单体的各向尺寸取值范围为：周向尺寸L＝500～3000μm，最大径向尺寸ΔR＝100～1000μm，高度h＝100～1000μm，微凸体表面粗糙度取值范围为Ra0.8～3.2μm；用作密封端面的微凸体表面粗糙度取值为Ra0.05～0.20μm；所述三元弯扭微凸体的前缘和后缘都是圆柱体，其曲率半径取值范围分别为：R1＝0～0.05rad，R2＝0.05～1.0rad。其中，所述三元弯扭微凸体的迎流突缘为其前缘，溢流面突缘为其后缘；所述三元弯扭微凸体的入口安装角即翼型前缘的中线切线与圆周切线方向的夹角。本技术所述的内侧是指接近端面的中心圆心的一侧，外侧是指远离端面中心圆心的一侧。本技术的工作原理是：采用微纳尺度超高精度3D打印技术或超精密磨削加工技术或超精密镜面电火花技术，在机械密封的密封环端面上加工出周向侧壁面为三元弯扭面的三元弯扭微凸体结构。三元弯扭微凸体端面机械密封工作时，密封介质顺三元弯扭微凸体入口角泵汲入端面，在周向上流体可以较顺畅流动，但是在径向上由于密封坝或相邻两排三元弯扭微凸体环带很小的径向间隙或径向间距，流体在径向上流动阻力大大增加，从而限制了密封介质的泄漏。由于微凸体的弯扭特征，构成了微凸体对流体的有效泵汲作用，产生了强的流体动压效应，因此启停短暂过程中，密封具有良好开启特性，而且正常运行期间密封同时又具有很好的稳定性。通过控制密封端面上三元弯扭微凸体的流体入射角或入口安装角，可以调节流体进入端面的冲击流动效果；同时通过调节三元弯扭微凸体周向间隔距离、径向间隔距离和微凸体弯扭程度，并通过三元弯扭微凸体相邻两排环带的错位排列，可以对进入端面的流体形成周向强传热和径向大流阻，从而强化高参数机械密封的端面传热，降低端面间密封液体介质汽化的可能(当密封介质为液体时)，极大地减少流体通过径向的泄漏；此外，三元弯扭微凸体破碎流体中固体磨料的能力相比于采用LIGA方法形成规则直棱微柱体或螺旋槽要强，而且通过改变三元弯扭微凸体相邻两排环带的错位排列，在相邻两排环带三元弯扭微凸体与微凸体之间形成较大空室，因此可以容纳更多、更大粒径的固体磨料，并且在大空室中形成的强蜗旋流作用下逐级排出密封端面。对于拥有普通直棱柱状微凸体端面的机械密封结构，在密封环运转时进入端面的流体介质难以产生流体动压效应，因此在密封启停阶段，端面难以产生足够的开启力以推开密封端面，密封的启停特性较差。本技术拥有的这种新型三元弯扭微凸体结构的周向侧壁为三元弯扭面，其对进入密封端面的流体介质具有很好的导流作用，流体介质顺着周向侧壁流动时逐渐被压缩，动压效应显本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构，其特征在于：所述机械密封的动环或静环的端面上加工有依照端面中心沿圆周方向排列构成环带的三元弯扭微凸体，所述三元弯扭微凸体是横截面形状呈翼型的微柱体，三元弯扭微凸体上的相邻两横截面之间有相对扭转，所述同一条微凸体环带上的微凸体沿端面周向均匀布置；所述三元弯扭微凸体的横截面的长轴沿所述端面的周向设置，所述的横截面的短轴沿所述端面的径向设置，三元弯扭微凸体的横截面的宽度自迎风侧到背风侧逐渐增大，所述三元弯扭微凸体的周向侧壁自迎风侧到背风侧逐渐向内弯曲，其中内侧的周向侧壁的曲率大于外侧的周向侧壁的曲率，环带上前一微凸体的背风侧端面位于后一微凸体的迎风侧端面的内侧；相邻两排的所述环带之间形成环向流道，流体经微凸体流入环向流道并在其中产生强涡旋；所述三元弯扭微凸体的相邻两排环带错位排列以形成径向大流阻；端面上靠泄漏侧设置有环形密封坝，密封坝高度与三元弯扭微凸体的高度相等。

【技术特征摘要】
1.一种强化传热型三元弯扭微凸体端面机械密封结构，其特征在于：所述机械密封的动环或静环的端面上加工有依照端面中心沿圆周方向排列构成环带的三元弯扭微凸体，所述三元弯扭微凸体是横截面形状呈翼型的微柱体，三元弯扭微凸体上的相邻两横截面之间有相对扭转，所述同一条微凸体环带上的微凸体沿端面周向均匀布置；所述三元弯扭微凸体的横截面的长轴沿所述端面的周向设置，所述的横截面的短轴沿所述端面的径向设置，三元弯扭微凸体的横截面的宽度自迎风侧到背风侧逐渐增大，所述三元弯扭微凸体的周向侧壁自迎风侧到背风侧逐渐向内弯曲，其中内侧的周向侧壁的曲率大于外侧的周向侧壁的曲率，环带上前一微凸体的背风侧端面位于后一微凸体的迎风侧端面的内侧；相邻两排的所述环带之间形成环向流道，流体经微凸体流入环向流道并在其中产生强涡旋；所述三元弯扭微凸体的相邻两排环带错位排列以形成径向大流阻；端面上靠泄漏侧设置有环形密封...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭旭东，江锦波，孟祥铠，陈源，李纪云，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33