本发明涉及一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环，属于机械密封技术领域，特别适用于泵、压缩机、反应釜等各种旋转机械轴端的端面密封。

　　背景技术：

　　机械密封，如用于密封气体的干气密封和用于密封液体的上游泵送机械密封，以其独特的性能优势在离心压缩机、风机、反应釜等中高速旋转机械上得到广泛应用。机械密封是通过在密封端面上开设型线为螺旋线、直线或圆弧线的动压槽，各类动压槽中以螺旋槽*为典型。当动环旋转时，利用动压槽较强的动静压效应将气体介质泵入密封端面，进入密封端面的流体在槽根处受阻升压，产生一定的流体动静压力以推开端面，从而使机械密封能够维持在一层微米级气膜的条件下非接触运行，但是目前在工业中广泛使用的螺旋槽机械密封仍存在泄漏率高、流体膜的承载能力有限和流体膜刚度不够大等问题，失效事故时有发生。

　　技术实现要素：

　　本发明的目的在于提供一种流体动压效应强、流体膜承载能力和流体膜刚度大、泄漏率低的具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环。

　　本发明的技术方案是：

　　一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环，密封环端面的一侧为高压侧即上游，另一侧为低压侧即下游，密封环端面上开有3~20个沿端面圆周均匀分布的螺旋槽，螺旋槽开口于端面高压侧，每个螺旋槽槽根部为锯齿形，密封环端面未开槽区域形成密封坝，台槽比（未开槽区域的外圆周弧长与开槽区域的外圆周弧长之比）a2/ a1=0.1~5；

　　每个螺旋槽的轮廓线均由螺旋角相等的对数螺旋线构成，螺旋角α的范围0°＜∣α∣＜90°；

　　每个螺旋槽槽根部的锯齿个数为2~10个；

　　槽深为2~100μm。

　　单个多锯齿形螺旋槽的构造过程为：以对数螺旋轮廓线l1为基准线，并以O为圆心，分别顺时针旋转φ、2×φ.(n-1)×φ角得到辅助对数螺旋线l2、l3.和对数螺旋轮廓线ln，其中（式中，N为密封环端面上所开螺旋槽的个数，n为螺旋槽槽根部的锯齿个数），且l1、l2.ln与槽根圆圆弧lg的交点分别为O1、O2.On；对数螺旋轮廓线l1以O1为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l1"；对数螺旋轮廓线ln以On为圆心逆时针旋转γ角得到辅助螺旋线ln'，其中，夹在对数螺旋轮廓线l1和ln中间的辅助对数螺旋线l2、l3.ln-1分别以O2、O3.On-1为圆心逆时针旋转γ角得到辅助对数螺旋线l2'、l3'.ln-1'，辅助对数螺旋线l2、l3.ln-1再以O2、O3.On-1为圆心顺时针时旋转θ角得到辅助对数螺旋线l2"、l3".ln-1"；辅助对数螺旋线l1"和辅助对数螺旋线l2'相交于点A1，辅助对数螺旋线l2"和辅助对数螺旋线l3'相交于点A2，以此类推，辅助对数螺旋线ln-1"和辅助对数螺旋线ln'相交于点An-1；多锯齿型螺旋槽的轮廓线由线l1、点O1、线l1"、点A1、线l2'、点O2、线l2"、点A2、线l3'、点O3、线l3".点An-1、线ln'、点On、线ln所围成；

　　0°<∣θ∣≤90°，0°<∣γ∣<18°。

　　本发明所述的一种具有多锯齿形螺旋槽机械密封环，可采用电化学腐蚀、电火花、激光加工等工艺加工端面微造型，利用非接触光学轮廓仪来检测加工精度。

　　本发明所述具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环可作为机械密封结构中的动环或静环，或者动环和静环同时为所述的密封环均可。

　　本发明的有益效果是：

　　在机械密封的密封环表面开设多锯齿形螺旋槽，可对流体产生更强的压缩效果，从而具有更佳的流体动压效应，使得密封在高速工况下的承载能力和抗干扰能力更强，有效地改善了机械密封端面的润滑状态，降低了密封端面的摩擦磨损程度，延长了密封件的工作寿命，保证了设备的长期稳定运行，消除了设备的安全隐患。

　　附图说明

　　图1为n=3时多锯齿形螺旋槽机械密封环的示意图；

　　图2为n=3时多锯齿形螺旋槽机械密封环一个槽的构造过程示意图；

　　图3为n=3时多锯齿形螺旋槽机械密封环一个槽轮廓线示意图；

　　图4A和4B为n=9时多锯齿形螺旋槽机械密封环一个槽轮廓线示意图。

　　具体实施方式

　　实施例1

　　如图1所示，一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环，密封环端面的一侧为高压侧即上游，另一侧为低压侧即下游，密封环端面上开有10个沿端面圆周均匀分布的螺旋槽，螺旋槽开口于端面高压侧，每个螺旋槽槽根部为锯齿形，每个螺旋槽槽根部的锯齿个数为3个；密封环端面未开槽区域形成密封坝，台槽比（未开槽区域的外圆周弧长与开槽区域的外圆周弧长之比）a2/ a1=1；槽深为5μm；

　　每个螺旋槽的轮廓线均由螺旋角相等的对数螺旋线构成，螺旋角α=15°。

　　单个多锯齿形螺旋槽的构造过程为：以对数螺旋轮廓线l1为基准线，并以O为圆心，分别顺时针旋转9°、18°得到辅助对数螺旋线l2和对数螺旋轮廓线l3，且l1、l2、l3与槽根圆圆弧lg的交点分别为O1、O2、O3；对数螺旋轮廓线l1以O1为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l1"；对数螺旋轮廓线l3以O3为圆心逆时针旋转γ角得到辅助螺旋线l3'，辅助对数螺旋线l2以O2为圆心逆时针旋转γ角得到辅助对数螺旋线l2'，辅助对数螺旋线l2再以O2为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l2"；辅助对数螺旋线l1"和辅助对数螺旋线l2'相交于点A1，辅助对数螺旋线l2"和辅助对数螺旋线l3'相交于点A2；三锯齿形螺旋槽的轮廓线由线l1、点O1、线l1"、点A1、线l2'、点O2、线l2"、点A2、线l3'、点O3、线l3所围成，如图2、3所示。其中，θ=30°，γ=18°。

　　与等效无锯齿螺旋槽比较：设无锯齿螺旋槽密封环和三锯齿形螺旋槽密封环的内径Ri=20mm，槽根半径Rg=27mm，外径Ro=30mm，螺旋角α=15°，槽数为10，平衡膜厚为hb=10μm，槽深为h=5μm。且被密封介质密度ρ=1.293kg/m3，粘度μ=1.76×10-6Pa·s，密封环转速ω=1000rad/s,外径处压力po=Pa，内径处压力pi=Pa。

　　无锯齿螺旋槽密封环端面开启力Fo为493N，泄露率St为4.66×10-2kg/s；三锯齿形螺旋槽密封环端面开启力Fo为512N，泄露率St为4.52×10-2kg/s；可以看出，三锯齿形螺旋槽密封环比无锯齿螺旋槽密封环具有更强的承载能力，这有效地改善了机械密封端面的润滑状态，降低了密封端面的摩擦磨损程度，延长了密封件的工作寿命。并且，三锯齿形螺旋槽密封环比无锯齿螺旋槽密封环的泄漏率小，这说明在相同工况条件下三锯齿形螺旋槽密封环更有利于介质的密封。

　　实施例2

　　一种具有多锯齿形螺旋槽的机械密封环，密封环端面的一侧为高压侧即上游，另一侧为低压侧即下游，密封环端面上开有20个沿端面圆周均匀分布的螺旋槽，螺旋槽开口于端面高压侧，每个螺旋槽槽根部为锯齿形，每个螺旋槽槽根部的锯齿个数为9个；密封环端面未开槽区域形成密封坝，台槽比（未开槽区域的外圆周弧长与开槽区域的外圆周弧长之比）a2/ a1=1；槽深为30μm；

　　每个螺旋槽的轮廓线均由螺旋角相等的对数螺旋线构成，螺旋角α=30°。

　　单个多锯齿形螺旋槽的构造过程为：以对数螺旋轮廓线l1为基准线，并以O为圆心，分别顺时针旋转1.125°、2.25°、3.375°、4.5°、5.625°、6.75°、7.875°、9°得到辅助对数螺旋线l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8和对数螺旋轮廓线l9，且l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8、l9与槽根圆圆弧lg的交点分别为O1、O2、O3、O4、O5、O6、O7、O8、O9；对数螺旋轮廓线l1以O1为圆心顺时针旋转θ角得到辅助对数螺旋线l1"；对数螺旋轮廓线l9以O9为圆心逆时针旋转γ角得到辅助螺旋线l9'，辅助对数螺旋线l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8以O2、O3、O4、O5、O6、O7、O8为圆心逆时针旋转γ角得到辅助对数螺旋线l2'、l3'、l4'、l5'、l6'、l7'、l8'，辅助对数螺旋线l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8再以O2、O3、O4、O5、O6、O7、O8为圆心顺时针时旋转θ角得到辅助对数螺旋线l2"、l3"、l4"、l5"、l6"、l7"、l8"；辅助对数螺旋线l1"和辅助对数螺旋线l2'相交于点A1，辅助对数螺旋线l2"和辅助对数螺旋线l3'相交于点A2，辅助对数螺旋线l3"和辅助对数螺旋线l4'相交于点A3，辅助对数螺旋线l4"和辅助对数螺旋线l5'相交于点A4，辅助对数螺旋线l5"和辅助对数螺旋线l6'相交于点A5，辅助对数螺旋线l6"和辅助对数螺旋线l7'相交于点A6，辅助对数螺旋线l7"和辅助对数螺旋线l8'相交于点A7，辅助对数螺旋线l8"和辅助对数螺旋线l9'相交于点A8；九锯齿型螺旋槽的轮廓线由线l1、点O1、线l1"、点A1、线l2'、点O2、线l2"、点A2、线l3'、点O3、线l3"、点A3、线l4'、点O4、线l4"、点A4、线l5'、点O5、线l5"、点A5、线l6'、点O6、线l6"、点A6、线l7'、点O7、线l7"、点A7、线l8'、点O8、线l8"、点A8、线l9'、点O9、线l9所围成。其中，θ=15°，γ=5°。如图4A和4B 所示。

　　与等效无锯齿螺旋槽比较：设无锯齿螺旋槽密封环和九锯齿形螺旋槽密封环的内径Ri=20mm，槽根半径Rg=27mm，外径Ro=30mm，螺旋角α=30°，槽数为20，平衡膜厚为hb=10μm，槽深为h=30μm。且被密封介质密度ρ=1000kg/m3，粘度μ=8.01×10-4Pa·s，密封环转速ω=300rad/s,外径处压力po=Pa，内径处压力pi=Pa。

　　无锯齿螺旋槽密封环端面开启力Fo为290N，泄露率St为2.323×10-3kg/s；九锯齿形螺旋槽密封环端面开启力Fo为301N，泄露率St为2.227×10-3kg/s；可以看出，九锯齿形螺旋槽密封环比无锯齿螺旋槽密封环具有更强的承载能力，这有效地改善了机械密封端面的润滑状态，降低了密封端面的摩擦磨损程度，延长了密封件的工作寿命。并且，九锯齿形螺旋槽密封环比无锯齿螺旋槽密封环的泄漏率小，这说明在相同工况条件下九锯齿形螺旋槽密封环更有利于介质的密封。

　　本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。