CN112112976A - 一种能够增强封严性能的新型齿密封结构 - Google Patents

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方志
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Abstract

本发明公开了一种能够增强封严性能的新型齿密封结构，该新型密封结构包括在旋转机械的转子部件(1)表面布置的旋向与转速方向相同的螺旋齿(2)，或在旋转机械的静子部件(7)内表面布置的旋向与转速方向相反的螺旋齿(2)，或同时在旋转机械的转子部件(1)表面和静子部件(7)内表面布置的螺旋齿(2)；其中，螺旋齿(2)的齿顶布置有织构结构(5)，相邻两个螺旋齿(2)之间的螺旋槽(3)内布置有挡板(6)，挡板(6)向螺旋槽(3)上游倾斜设定角度。本发明提供的新型齿密封结构，能够显著降低密封泄漏量，提升旋转机械运行效率。

Description

一种能够增强封严性能的新型齿密封结构
技术领域
本发明属于旋转机械技术领域，具体涉及一种能够增强封严性能的新型齿密封结构，应用于泵、压缩机、透平等旋转机械转子部件与静子部件间隙中。
背景技术
透平机械是热功转换过程中的关键装置，在火力发电、航空航天等诸多重要领域起着至关重要的作用。近些年，工业生产和科学技术得到了迅猛的发展，对旋转机械功率、效率和寿命等参数的要求也越来越高。在旋转机械转子部件与静止部件间隙处安装密封装置来减少间隙处的泄漏流量，是提高旋转机械功率、效率等参数最有效的方式。因此，发展先进的密封技术，对于提升旋转机械效率、节约能源消耗、具有重大工程意义。
密封装置通常安装在轴端、叶顶间隙等旋转机械转子部件与静子部件间隙处，限制间隙处由高压端向低压端的工质泄漏流，减少泄漏损失。现有密封装置主要包括：迷宫密封、螺旋密封等。迷宫密封装置通常在旋转机械转子部件表面或者静子部件表面布置环形密封齿，具有结构简单，易于安装等优点。泄漏流体通过密封齿时，由于通流面积不断变化，泄漏流体经过多次节流膨胀和动能耗散，泄漏流体的动能不断转化为热能，进而达到控制泄漏流量的目的。迷宫密封封严性能较差，已逐渐不能满足先进旋转机械封严性能要求。
螺旋密封通常在旋转机械转子部件表面或者静子部件表面布置螺旋形密封齿，密封原理是螺旋形密封齿之间形成螺旋槽，当转子转动时，螺旋形密封齿侧壁面会对螺旋槽内泄漏流体施加轴向负方向的推力，驱使沟槽内流体沿螺旋向密封进口流动，部分抵消了密封进口与密封出口压差导致的轴向正方向的泄漏流量，从而降低密封泄漏流量。螺旋密封封严性能主要取决于转子部件转动速度，在高转速情况下，能够实现较好的封严效果，然而在低转速以及机组启停机阶段，封严性能较差。此外，螺旋密封的两条相邻螺旋形密封齿之间构成的螺旋槽也由密封进口延伸至密封出口。螺旋槽加大了密封通流面积，进而导致螺旋密封封严性能下降。
现代工业技术的发展，对旋转机械提出了更高功率、效率和寿命等参数的要求，现有密封技术已不能满足先进旋转机械封严性能要求。发展更加先进的密封技术，对现代工业发展至关重要。
发明内容
本发明针对先进旋转机械中对密封装置封严性能的更高要求，提出了一种能够增强封严性能的新型齿密封结构。本发明以典型螺旋密封为基础，增加设计结构，获得具有不同封严机理的新型齿密封结构。该新型齿密封结构在旋转机械转子部件表面或静子部件内表面，布置与周向具有一定倾斜角度的螺旋齿，在螺旋齿齿顶布置织构结构；相邻螺旋齿之间形成螺旋槽，螺旋槽由密封进口螺旋延伸至密封出口，在螺旋槽内布置向螺旋槽上游倾斜的挡板。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种能够增强封严性能的新型齿密封结构，包括在旋转机械的转子部件表面布置的旋向与转速方向相同的螺旋齿，或在旋转机械的静子部件内表面布置的旋向与转速方向相反的螺旋齿，或同时在旋转机械的转子部件表面和静子部件内表面布置的螺旋齿；其中，
螺旋齿的齿顶布置有织构结构，相邻两个螺旋齿之间的螺旋槽内布置有挡板，挡板向螺旋槽上游倾斜设定角度。
本发明进一步的改进在于，螺旋齿的截面形状为三角形、梯形或半圆形。
本发明进一步的改进在于，螺旋齿在转子部件表面或静子部件内表面呈任意规律分布。
本发明进一步的改进在于，螺旋齿齿顶布置的织构结构，为凹陷的孔腔或凸起的任意能够增大齿顶表面粗糙度的结构。
本发明进一步的改进在于，螺旋齿齿顶的织构结构在齿顶区域呈任意规律分布。
本发明进一步的改进在于，相邻两个螺旋齿之间的螺旋槽内布置的挡板向螺旋槽上游倾斜，且倾斜角度α在0-90°之间取值。
本发明进一步的改进在于，相邻两个螺旋齿之间的螺旋槽内布置的挡板具有任意截面形状。
本发明进一步的改进在于，螺旋槽内的挡板为任意能使螺旋槽内泄漏流体产生设定径向速度的结构，包括凸起的三角块、棱体。
本发明进一步的改进在于，挡板在螺旋槽内呈任意规律分布。
本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种能够增强封严性能的新型齿密封结构，通过在旋转机械的转子部件表面和静子部件内表面布置螺旋齿，且螺旋齿齿顶布置织构结构，进而提升了表面粗糙度，增加了流动阻力，织构结构内流体形成湍流涡旋，耗散流体动能，降低了密封泄漏量。螺旋槽是由密封进口螺旋延伸至密封出口，在螺旋槽内布置挡板伸减小了通流面积，降低了泄漏量。螺旋槽内挡板向螺旋槽上游倾斜，螺旋槽内主流经过挡板，会流入间隙区域，并带有负的轴向速度，阻碍了间隙区域内受压差驱动的沿轴向的主流流动，进一步降低了密封泄漏量。
本发明提出的新型齿密封结构，通过布置与周向具有一定倾斜角度的螺旋齿、螺旋齿齿顶布置织构结构以及螺旋槽内布置倾斜挡板结构，能够显著提升了密封性能，提高旋转机械运行功率。
附图说明
图1为典型螺旋密封的转子部件三维结构图。
图2为典型螺旋密封的静子部件三维结构图。
图3为新型齿密封的转子部件三维结构图。
图4为新型齿密封的静子部件三维结构图。
图5为新型齿密封的转子部件表面局部放大图。
图6为新型齿密封的静子部件表面局部放大图。
图7为大压差工况下，新型齿密封间隙及螺旋槽内流场示意图。
图8为小压差工况下，新型齿密封间隙及螺旋槽内流场示意图。
图9为凹陷型织构结构子午面的流场结构。
图10为织构结构基本类型与三维结构图。
附图标记说明：
1为转子部件；2为螺旋齿；3为螺旋槽；4为螺旋槽旋向；5为织构结构；6为挡板；7为静子部件；8为间隙区域主流方向；9为螺旋槽区域主流方向；10为倾斜角度α；11为湍流涡旋。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。以下实施仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。
参见图1、图2，典型螺旋密封在转子部件表面和静子部件内表面布置有旋向相反的螺旋齿，相邻螺旋齿之间构成螺旋槽，螺旋槽由密封进口螺旋延伸至密封出口。
参见图3、图4，本发明提出的新型齿密封结构，包括在旋转机械的转子部件1表面布置的旋向与转速方向相同的螺旋齿2，或在旋转机械的静子部件7内表面布置的旋向与转速方向相反的螺旋齿2，或同时在旋转机械的转子部件1表面和静子部件7内表面布置的螺旋齿2；其中，螺旋齿2的齿顶布置有织构结构5，相邻两个螺旋齿2之间的螺旋槽3内布置有挡板6，挡板6向螺旋槽3上游倾斜设定角度。螺旋齿2齿顶布置的织构结构5，为凹陷的孔腔或凸起的任意能够增大齿顶表面粗糙度的结构。
参见图5、图6，本发明提出的新型齿密封结构，在静子部件内表面布置螺旋齿的旋向与转子部件表面布置的螺旋齿旋向相反，在螺旋齿齿顶布置织构结构，织构结构可为凸起型或凹陷型。在相邻螺旋齿之间构成的螺旋槽内布置挡板，挡板向螺旋槽上游倾斜。
图10给出了两种典型的织构结构类型。螺旋齿齿顶布置的织构结构可为凸起型织构结构，如凸起的小棱、不规则小块等，或为凹陷型织构结构，如棱形凹陷、矩形凹陷。织构结构用以增加螺旋齿顶的表面粗糙度，提升流动阻力。
本发明的技术原理如下：
参见图7，新型齿密封内流动区域可分为间隙区域和螺旋槽区域。在大压差工况下，沿着间隙区域主流方向8，间隙区域主流受压差作用，由密封进口流向密封出口。螺旋槽区域流体同时受压差作用和螺旋槽的泵送作用，由于压差很大，螺旋槽内主流也由密封进口流向密封出口。在螺旋槽内布置的向螺旋槽上游倾斜的挡板，隔断了一条由密封进口螺旋延伸至密封出口的完整螺旋槽，减小了通流面积，因而降低了泄漏量，同时，由于挡板向螺旋槽上游倾斜布置，螺旋槽内主流在流经挡板时，会流入间隙区域，并且具备较小或负的轴向速度，阻碍了间隙区域主流流动，进一步降低了泄漏量。相邻两个螺旋齿2之间的螺旋槽4内布置的挡板6向螺旋槽上游倾斜，且倾斜角度α10在0-90°之间取值。
参见图8，在小压差工况下，间隙区域主流受压差作用，由密封进口流向密封出口，沿着螺旋槽区域主流方向9，螺旋槽区域流体由于压差作用小，泵送作用较强，螺旋槽内主流由密封出口流向密封进口。由于螺旋槽内布置有向螺旋槽上游倾斜的挡板，因此，螺旋槽内主流流经挡板时会被抬升到间隙区域，并且该部分主流具备较大的负轴向速度，阻碍了间隙内主流流动，降低了密封泄漏量。
参见图9，新型齿密封螺旋齿顶布置有织构结构。流体流经螺旋齿顶的织构结构时，会进入织构结构内形成湍流涡旋11，耗散流体动能。降低密封泄漏量。同时，织构结构还能增强密封周向的流动阻力，限制密封内流体的周向流动，减小密封内流体周向流动诱发的周向不稳定流体激振力，进而提升密封的转子动力学稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明技术原理前提下，可做若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种能够增强封严性能的新型齿密封结构，其特征在于，包括在旋转机械的转子部件(1)表面布置的旋向与转速方向相同的螺旋齿(2)，或在旋转机械的静子部件(7)内表面布置的旋向与转速方向相反的螺旋齿(2)，或同时在旋转机械的转子部件(1)表面和静子部件(7)内表面布置的螺旋齿(2)；其中，
螺旋齿(2)的齿顶布置有织构结构(5)，相邻两个螺旋齿(2)之间的螺旋槽(3)内布置有挡板(6)，挡板(6)向螺旋槽(3)上游倾斜设定角度。
2.根据权利要求1所述的新型齿密封结构，其特征在于，螺旋齿(2)的截面形状为三角形、梯形或半圆形。
3.根据权利要求1所述的新型齿密封结构，其特征在于，螺旋齿(2)在转子部件(1)表面或静子部件(7)内表面呈任意规律分布。
4.根据权利要求1所述的新型齿密封结构，其特征在于，螺旋齿(2)齿顶布置的织构结构(5)，为凹陷的孔腔或凸起的任意能够增大齿顶表面粗糙度的结构。
5.根据权利要求1所述的新型齿密封结构，其特征在于，螺旋齿(2)齿顶的织构结构(5)在齿顶区域呈任意规律分布。
6.根据权利要求1所述的新型齿密封结构，其特征在于，相邻两个螺旋齿(2)之间的螺旋槽(4)内布置的挡板(6)向螺旋槽上游倾斜，且倾斜角度α(10)在0-90°之间取值。
7.根据权利要求1所述的新型齿密封结构，其特征在于，相邻两个螺旋齿(2)之间的螺旋槽(3)内布置的挡板(6)具有任意截面形状。
8.根据权利要求1所述的新型齿密封结构，其特征在于，螺旋槽(3)内的挡板(6)为任意能使螺旋槽内泄漏流体产生设定径向速度的结构，包括凸起的三角块、棱体。
9.根据权利要求1所述的新型齿密封结构，其特征在于，挡板(6)在螺旋槽内呈任意规律分布。
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