CN111305911A - 弹性箔片复合柱面织构密封装置 - Google Patents

弹性箔片复合柱面织构密封装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种弹性箔片复合柱面织构密封装置，包括密封座、安装在密封座内孔凹槽内的悬臂箔片、安装在悬臂箔片背部的弹簧、安装在悬臂箔片内表面的密封片、安装在悬臂箔片两侧的前后挡板。密封片和转动部件之间构成微间隙柱面气膜密封，抑制泄漏。周向挤压型、轴向台阶型密封片内表面加工有螺旋槽、孔型等微织构保证气膜具有大刚度。悬臂箔片使整个密封***具有柔性，间隙可调。一刚一柔的设计提高了密封间隙的自适应跟随调节能力，实现密封间隙微小化。

Description

弹性箔片复合柱面织构密封装置
技术领域
本发明涉及一种旋转机械非接触式密封及其密封方法，尤其涉及一种密封间隙自适应调节的弹性箔片复合柱面织构密封装置及其密封方法。主要应用领域包括：电力、能源、化工、国防等领域内旋转机械。
背景技术
介质在旋转机械（蒸汽/燃气透平、航空发动机、压缩机等）动静部件之间的间隙内流动会形成泄漏流，导致效率降低，并引发流体激振。为了提高密封性能，人们在传统梳齿密封的基础上先后提出了蜂窝、孔型、刷式、薄叶等多种先进密封型式，取得了一定效果。但这类密封本质上都属于间隙固定型密封，必然存在低泄漏量和高耐磨性之间的矛盾。特别是当透平变工况运行和大幅振动时，动静间隙变化较大，该矛盾尤为突出。间隙不能根据工况变化而自动调节已经成为制约这类密封发展的瓶颈技术问题。
布莱登密封和压力作动式密封是两类具有间隙调节功能的密封。布莱登密封在密封弧块端面处加装四只螺旋弹簧。蒸汽流量较小时，在弹簧力作用下弧块张开而远离转子，蒸汽流量增大后作用在弧块背部的蒸汽压力增大，弧块逐渐关闭，使得弧块和转子之间保持最小间隙运行。压力作动式密封片弯曲一定角度后固定在密封座上。机组启动时密封两端压差较小，作用在密封片上的力较小，密封尖部与转轴表面处于脱开状态。机组带负荷运行后密封两端压差增大，密封片产生弹性变形被压向转轴表面，进而减小间隙。这两种密封都是根据变工况运行时密封两端压差变化来调节间隙，工况稳定后密封就失去间隙调节能力，没有从根本上解决低泄漏量和高耐磨性之间的矛盾。
随着透平向高参数、大容量方向发展，自适应调节密封间隙满足透平变工况和大幅振动状态下运行需求，进而在此基础上实现间隙最小化，提高密封可靠性，是现代透平对密封技术提出的新要求，也是先进密封发展的大趋势。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出了一种弹性箔片复合柱面织构密封装置，该密封装置在变工况运行和大幅振动状态下都具有间隙自调节能力并且无需对转动部件进行改动的。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种弹性箔片复合柱面织构密封装置，包括密封座、安装在密封座内孔凹槽内的悬臂箔片、安装在悬臂箔片背部的弹簧、安装在悬臂箔片内表面的密封片、安装在悬臂箔片两侧的前挡板与后挡板；所述悬臂箔片一端固装在所述密封座的内孔凹槽内，另一端沿转动部件的旋转方向顺次迭搭在相邻的悬臂箔片上。
优选地，所述密封片为周向挤压型、轴向台阶型密封片，周向设计为挤压型，便于转动时形成动压气膜；轴向设计为台阶型(高压侧间隙大、低压侧间隙小)，便于利用密封两端压差形成顶升力。
优选地，所述密封片的安装位置位于所述悬臂箔片内表面公共内切圆的切点处，所述密封片的背部弧线与内切圆重合，构成柱面密封。
优选地，所述密封片内表面加工有微织构，提高顶升力，改善密封副摩擦特性；该微织构包括螺旋槽、孔型以及凹槽等。
优选地，所述密封片和转动部件之间的间隙为10μm~20μm，便于形成稳定动压气膜。
优选地，所述相邻两片密封片之间的周向间隙大于0，且不大于10μm，避免相邻密封片之间碰摩，减少通过此处间隙的泄漏。
优选地，所述前挡板与后挡板分别紧贴所述悬臂箔片的侧面，所述前挡板与后挡板的下端面和所述密封片背面共面，避免径向泄漏。
优选地，所述悬臂箔片和所述密封片沿周向均匀分布。
本发明提供的一种弹性箔片复合柱面织构密封装置，密封片和转动部件之间构成微间隙柱面气膜密封，抑制泄漏；在箔片两侧各设计有一个紧贴箔片侧面的挡板，防止气体径向泄漏。
在本发明中，密封片设计为周向挤压型、轴向台阶型（高压侧间隙大，低压侧间隙小），密封片内表面还加工有螺旋槽、孔型、凹槽等微织构，保证柱面密封内有足够的顶升力，将动静部件隔开；悬臂箔片使整个密封***具有柔性，承受和缓冲透平变工况运行和大幅振动所带来的间隙变化。一刚一柔的设计可以提高密封间隙的自适应跟随调节能力，实现密封间隙微小化。
本发明采取柱面径向密封，当叶轮机械启停机以及变工况运行时，转子和机匣之间的轴向位移对密封影响可以不考虑。此外，转速越高、密封两端压差越大，柱面织构内动压效应越明显，密封气膜刚度越大。所以，弹性箔片复合柱面织构密封特别适用于大压差和高滑移速度区域。
有益效果：本发明相对于现有技术而言具有如下优点：
1.弹性悬臂箔片具有较大柔性，可以吸收大幅径向位移扰动，提高密封对透平变工况运行的自适应调节能力，减少密封副表面接触摩擦和磨损。
2.引入柱面气膜和微织构理论提高密封间隙内顶升力和气膜刚度，改善摩擦性能。
3.柔性支撑、柱面密封和微织构技术结合，可以实现密封间隙最小化，密封间隙仅为普通梳齿密封的5%~10%，泄漏量小。
4.转速越高、密封两端压差越大，柱面织构内动压效应越明显，密封气膜刚度越大。更适用于大压差和高滑移速度区域。
5.采用柱面密封技术，本发明装置可以用于轴端密封和叶尖密封而不需要对转动部件做改动，对机组安全运行影响小。此外，轴向位移变化对密封效果没有影响。
除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的弹性箔片复合柱面织构密封装置及其密封方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明弹性箔片复合柱面织构密封装置结构图。
图2为本发明弹性箔片复合柱面织构密封装置分解图。
图3为本发明弹性箔片复合柱面织构密封装置剖视图。
图4为密封片、弹簧安装位置说明图。
图5为密封片周向挤压示意图。
图6为密封片轴向台阶示意图。
图7为密封片内表面加工织构（以人字槽织构为例）。
图8为轴端弹性箔片复合柱面织构密封装置结构图。
图9为轴端弹性箔片复合柱面织构密封装置A向视图。
图10为叶尖弹性箔片复合柱面织构密封装置结构图。
图11为叶尖弹性箔片复合柱面织构密封装置B向视图。
图中：1是密封片，2是密封座，3是弹簧，4是悬臂箔片，5是柱条，6是前挡板，7是后挡板，8是转轴，9是叶片。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1、图2和图3所示，弹性箔片复合柱面织构密封装置包括：密封座2，沿周向均匀分布的悬臂箔片4，安装在悬臂箔片4背部的弹簧3，安装在悬臂箔片4内表面的密封片1，安装在悬臂箔片4两侧的前挡板6和后挡板7。
如图1所示，悬臂箔片4一端固装在密封座2内孔凹槽内并用柱条5压紧，另一端自由迭搭在相邻的悬臂箔片4上。如图3所示，前挡板6和后挡板7紧贴悬臂箔片4的侧面，挡板的下端面和密封片的背面共面，防止密封介质径向泄漏。如图4所示，圆o为悬臂箔片4内表面的公共内切圆，线段a为圆o的圆心、圆o与悬臂箔片4切点、弹簧3中心这3点的连线，内切圆o与悬臂箔片4的切点为密封片1的安装位置，密封片1的背部弧线和内切圆o重合，密封片1构成柱面密封，弹簧3和悬臂箔片4的接触点即为线段a和悬臂箔片4背部弧线的交点，通过调节弹簧3的参数可以调节密封***刚度。
如图5所示，密封片1设计为周向挤压型，介质流入端间隙大，流出端间隙小，便于转动时形成动压气膜。如图6所示，密封片1轴向设计为台阶型，高压侧间隙大，低压侧间隙小，介质由高压侧流向低压侧时，会形成顶升力。图7以人字槽为例，给出了密封片1内表面加工的微织构，微织构可以增加气膜刚度，提高顶升力。
上述为弹性箔片复合柱面织构密封装置的总体实施方案，未涉及转动部件类型。本发明提出的弹性箔片复合柱面织构密封装置可以应用于透平轴端密封和透平叶尖密封，下面结合附图对具体的实施例进行介绍和说明。
实施例1：
如图8和图9所示，轴端弹性箔片复合柱面织构密封装置包括：密封座2，沿周向均匀分布的6片悬臂箔片4，用于压紧悬臂箔片4固定端的柱条5，安装在悬臂箔片4背部的弹簧3，安装在悬臂箔片4内表面的密封片1，安装在悬臂箔片4两侧的前挡板6和后挡板7，转轴8。
相邻密封片1的周向间隙取5μm，密封片1薄端和转轴的间隙为20μm，密封片1厚端和转轴的间隙为10μm，密封片1薄端径向厚度为0.5mm。
实施例2：
如图10和图11所示，叶尖弹性箔片复合柱面织构密封装置包括：密封座2，沿周向均匀分布的悬臂箔片4，用于压紧悬臂箔片4固定端的柱条5，安装在悬臂箔片4背部的弹簧3，安装在悬臂箔片4内表面的密封片1，安装在悬臂箔片4两侧的前挡板6和后挡板7，转轴8和叶片9。
相邻密封片1的周向间隙取5μm，密封片1薄端和叶尖的间隙为20μm，密封片1厚端和叶尖的间隙为10μm，密封片1薄端径向厚度为0.5mm。
工作状态，相邻密封片之间的周向间隙为5μm，既可以减少通过此间隙处的泄漏，又可以避免相邻密封片之间碰摩；密封片和转轴或叶片的间隙为10μm~20μm之间，能够形成稳定有效的密封气膜，密封间隙只有普通梳齿密封间隙的5%~10%，泄漏量小；密封片薄端径向厚度为0.5mm，减少转动部件和挡板下端面的碰撞摩擦和磨损；周向挤压型、轴向台阶型密封片以及密封片内表面加工的螺旋槽、孔型、凹槽等微织构提高气膜刚度，保证柱面密封内有足够的顶升力，将动静部件隔开（刚性设计）；悬臂箔片使整个密封***具有柔性，承受和缓冲透平变工况运行和大幅振动所带来的间隙变化，减少密封副表面接触摩擦和磨损（柔性设计）。一刚一柔的设计可以提高密封间隙的自适应跟随调节能力，实现密封间隙微小化。
本发明采取柱面径向密封，当叶轮机械启停机以及变工况运行时，转子和机匣之间的轴向位移对密封影响可以不考虑。此外，转速越高、密封两端压差越大，柱面织构内动压效应越明显，密封气膜刚度越大。所以，弹性箔片复合柱面织构密封特别适用于大压差和高滑移速度区域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.弹性箔片复合柱面织构密封装置，其特征在于：包括密封座、安装在密封座内孔凹槽内的悬臂箔片、安装在悬臂箔片背部的弹簧、安装在悬臂箔片内表面的密封片、安装在悬臂箔片两侧的前挡板与后挡板；所述悬臂箔片一端固装在所述密封座的内孔凹槽内，另一端沿转动部件的旋转方向顺次迭搭在相邻的悬臂箔片上。
2.根据权利要求1所述的弹性箔片复合柱面织构密封装置，其特征在于：所述密封片为周向挤压型、轴向台阶型密封片。
3.根据权利要求1所述的弹性箔片复合柱面织构密封装置，其特征在于：所述密封片的安装位置位于所述悬臂箔片内表面公共内切圆的切点处，所述密封片的背部弧线与内切圆重合。
4.根据权利要求1所述的弹性箔片复合柱面织构密封装置，其特征在于：所述密封片内表面加工有微织构。
5.根据权利要求1所述的弹性箔片复合柱面织构密封装置，其特征在于：所述密封片和转动部件之间的间隙为10μm~20μm。
6.根据权利要求1所述的弹性箔片复合柱面织构密封装置，其特征在于：相邻两个密封片之间的周向间隙大于0，且不大于10μm。
7.根据权利要求1所述的弹性箔片复合柱面织构密封装置，其特征在于：所述前挡板与后挡板分别紧贴所述悬臂箔片的侧面，所述前挡板与后挡板的下端面和所述密封片背面共面。
8.根据权利要求1所述的弹性箔片复合柱面织构密封装置，其特征在于：所述悬臂箔片和所述密封片沿周向均匀分布。
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