CN101725375B - 透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空航天、石化和电力等行业核心机组的密封装置，具体涉及透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封，适用于工作介质为易燃易爆的高速旋转机械的密封。透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封是整体成型，其薄壁铝质蜂窝状整体结构的壁厚为0.4mm-1.5mm之间，正六边形结构对边距离在1.5mm-5.5mm之间，深度在2mm-4mm之间；采用NaOH腐蚀液，浓度在100g/L-140g/L之间，蚀刻温度控制在85℃-90℃之间，腐蚀时间为2h-4h和侧蚀余量为1mm-1.8mm。本发明采用材质铝解决了传统钢蜂窝密封结构与转子碰磨时容易产生大量火花的问题，特别对于工作介质为易燃易爆的机组，突破了钢蜂窝密封应用局限。且与转子发生碰磨时先磨损铝蜂窝密封自己。本发明用整体成形的工艺，耐高压、高温，提高了机组效率和转子稳定性。

Description

透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封

技术领域

本发明涉及一种航空航天、石化和电力行业核心机组的密封装置，具体涉及一种透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封，特别适用于工作介质为易燃易爆的高速旋转机械的密封。

背景技术

在航空航天、电力和石化行业核心机组中涉及一种钢蜂窝密封装置，该蜂窝密封装置一般是采用厚度为0.1mm等的耐高温镍基合金片，通过多次冲压形成瓦棱带，瓦棱带金属片点焊起来即形成蜂窝带，再通过高温真空钎焊工艺将蜂窝带焊接在密封基板上，形成钢蜂窝密封。钢蜂窝密封由很薄的合金片加工而成，因蜂窝壁厚很薄，与转子碰磨时不会刮伤转子，使得蜂窝密封在工程应用中密封间隙一般较小，为进一步提高密封效果提供了可能，密封能力明显优于传统梳齿密封结构。同时，蜂窝密封特殊的六边形结构提供了很大的流体阻尼，增强了转子稳定性，使其在叶轮机械中的应用越来越广泛。但是其存在的主要技术问题是：

(1)旋转机械转速一般较高，现有蜂窝密封材质是合金钢，当高速旋转的转子与钢蜂窝碰磨时极易产生大量火花。而在天然气压缩机、裂解气压缩机等机组中，工作介质是易燃易爆气体，火花的产生极易引发火灾甚至爆炸等恶性事故，导致工作介质是易燃易爆的高速旋转机械不能应用钢蜂窝密封。

(2)蜂窝密封是一种高效的低泄漏密封，其控制泄漏的能力远远优于传统的梳齿密封。由于钢蜂窝密封容易产生大量摩擦火花等问题，使得工作介质为易燃易爆气体的高速旋转机械无法应用钢蜂窝密封，这类机组的泄漏问题长期无法得到有效解决，密封泄漏严重造成机组运行效率降低甚至污染环境等严重问题。

(3)蜂窝密封是一种高效的阻尼密封，可以提供很大的阻尼来抑制密封流体激振，解决传统梳齿密封容易产生密封流体激振的问题。由于钢蜂窝密封存在容易产生大量摩擦火花等问题，导致工作介质是易燃易爆的高速旋转机械不能应用钢蜂窝密封，使得这类高速旋转机械密封流体激振问题长期无法得到有效解决，密封流体激振造成机组故障停车增加、设备寿命受到严重威胁等严重问题。

(4)钢蜂窝的蜂窝带由于焊接不牢或受到与机组轴系碰磨、机组振动等的影响，存在运行中蜂窝带脱落的隐患，严重危及机组安全。

在现有的旋转机械密封装置中，大量采用制造成本低，技术难度相对较小的梳齿迷宫密封，该密封的主要缺点是：

(1)密封效果差，泄漏量大，机组效率低；

(2)梳齿密封长期使用易在转子上磨出沟槽，损害转子，带来不可估量的损失。

(3)梳齿迷宫密封易诱导产生密封气流激振进而导致转子失稳，危及机组安全稳定运行；

(4)工作介质容易外泄，特别易燃易爆危险工作介质的外泄，导致严重的环境问题和安全隐患。

目前，在建筑装饰行业涉及一种铝蜂窝板。该铝蜂窝板一般由蜂窝芯和上下面板组成，其中蜂窝芯由厚度0.04mm-0.06mm的铝箔经折叠粘接在一起形成蜂窝芯，蜂窝芯再粘接在厚度0.5mm-1.0mm的上下面板上。铝蜂窝板是一种新兴环保建筑装饰材料，在民用建筑、车船装饰等领域应用广泛。但其缺点是：因蜂窝芯是由厚度仅为0.04mm-0.06mm的铝箔粘接而成，且蜂窝芯与上下板之间也通过粘接连接，其强度差，不耐高温、高压，不能满足工况环境常常是高温、高压的航空航天、石化、电力行业核心机组密封装置长周期、安全稳定运行的要求。

发明内容

本发明克服了上述装置的不足，目的在于提供一种透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封，用以解决旋转机械，特别是工作介质为易燃易爆的高速旋转机械的密封泄漏问题，改善转子稳定性，提高机组安全性，保障机组高效稳定长期运行。

本发明提供一种透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封，其特征在于：所述的透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封的材质采用铝，整体成形，其连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构的壁厚为0.4mm-1.5mm之间，正六边形结构对边距离在1.5mm-5.5mm之间，深度在2mm-4mm之间；采用碱性NaOH腐蚀液，浓度在100g/L-140g/L之间，蚀刻温度控制在85℃-90℃之间，腐蚀时间为2h-4h之间和侧蚀余量为1mm-1.8mm之间。

钢蜂窝密封因材质极易产生大量摩擦火花的问题而无法应用到工作介质为易燃易爆气体的叶轮机械密封装置中。为解决该问题，本发明材质选用铝。铝质软，塑性好，当发生碰磨时自身发生变形而很少出现摩擦火花，这也是矿用机械设备多采用以铝为主的轻质合金的主要原因。

建筑装饰行业所用铝蜂窝是由厚度仅0.04mm-0.06mm的铝箔粘接而成。由于铝蜂窝板是采用粘接工艺结合，粘接剂的耐高温性能和粘接强度都较弱，再加上铝蜂窝芯是由铝箔制造，其结构强度也很弱。因此，面对航空航天、石化、电力行业核心机组密封装置高温、高压的工作环境，并要求长期稳定运行时，传统的铝蜂窝板无法满足使用要求。研究认为，要保证密封有足够的结构强度和有效控制泄漏的能力，质地较软的铝蜂窝的壁厚需要大大厚于传统钢蜂窝0.1mm的壁厚，应在0.4mm-1.5mm之间，方可满足高速旋转机械的密封的使用要求。

本发明所述的透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封是壁厚为0.4mm-1.5mm之间，正六边形结构对边距离在1.5mm-5.5mm之间，深度在2mm-4mm之间的连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构。由于采用的材料铝熔点低(660℃)，传热快又极易氧化为熔点很高的氧化铝(2050℃)，导致铝焊接性能很差，连续的壁厚小于1mm的薄壁铝的焊接会导致薄壁结构的破坏而无法实现。因此，本发明的结构如果采用原有钢蜂窝密封通过高温真空钎焊工艺(焊接温度大约是1000℃)，将蜂窝带焊接在基板上的加工工艺成形是不可行的。这是阻碍铝蜂窝密封研制的主要技术难题。

为解决连续的薄壁铝质蜂窝状结构的加工问题，本发明摒弃了原有钢蜂窝的蜂窝带与基体分别加工，最终再焊接成形的工艺。而是采用金属蚀刻技术在密封体上直接成形加工连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构。金属蚀刻加工是化学腐蚀剂与零件表面发生反应，腐蚀加工向着垂直于零件表面的方向进行，即深度方向进行。但是，随着深度方向上被腐蚀掉而露出来的侧壁也会被腐蚀，即常说的“侧腐蚀”是不可避免的。在常用的金属材料中，铝的侧腐蚀最为严重。侧腐蚀量受腐蚀深度影响显著，蚀刻加工本发明的连续薄壁铝质蜂窝状整体结构时，因腐蚀深度深而侧壁壁厚薄，加之是连续的薄壁结构，所以严重的侧腐蚀极易造成铝质蜂窝薄壁的破坏，而无法满足航空航天、石化和电力行业核心机组的密封装置的使用要求。中国专利“用于铝及铝合金的化学蚀刻溶液”(ZL 200510044854.0)等主要关注腐蚀液配比以获得更高的腐蚀效率，而没有注重侧腐蚀破坏特殊铝质薄壁结构问题。与其不同，本发明采用的是通用的铝及铝合金蚀刻用碱性NaOH腐蚀液，其浓度在100g/L-140g/L之间，蚀刻温度控制在85℃-90℃之间，并主要关注腐蚀时间和侧蚀余量两个蚀刻加工最核心最关键的工艺参数，实现了连续的薄壁铝质蜂窝状结构的整体蚀刻加工。在蚀刻加工时，为保证蚀刻加工后连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构壁厚是0.4mm-1.5mm，在设计蚀刻加工用防蚀层时(防蚀层的作用是保护不需要蚀刻加工的表面免受腐蚀液的腐蚀)，其对应的连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构并不是直接采用0.4mm-1.5mm的壁厚，而是在此基础上多留出1mm-1.8mm的壁厚即前述的侧蚀余量。当配合腐蚀时间在2h-4h之间时，就实现了壁厚控制在0.4mm-1.5mm之间的连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构的蚀刻加工。因此，整体蚀刻加工本发明连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构的腐蚀时间在2h-4h之问，侧蚀余量在1mm-1.8mm之间。

综上所述，本发明涉及一种透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封，整体材料采用铝，其组成包括密封体，密封体的密封面上连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构是通过蚀刻技术整体成形的。

所述连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构是壁厚为0.4mm-1.5mm之间，正六边形结构对边距离在1.5mm-5.5mm之间，深度在2mm-4mm之间。

所述连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构的腐蚀时间在2h-4h之间，侧蚀余量在1mm-1.8mm之间。

所述密封体由整环，两半，4段、6段、8段或前述数量的倍数组成。所述的由整环和两半式的密封体主要用于叶轮机械的轴端、级间密封。所述的由4段、6段、8段或前述数量的倍数组成的分段式的密封体主要用于叶轮机械直径较大的动叶叶顶密封。

所述密封体外侧直接或通过螺栓连接在旋转机械静子或壳体上。

本发明利用材料铝的特性，研制发明了透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封，解决了工作介质是易燃易爆气体的高速旋转机械的密封泄漏和密封流体激振问题。与现有技术相比，透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封具有如下特点：

(1)本发明的铝蜂窝密封采用材质铝，解决了传统钢蜂窝密封结构与转子碰磨时容易产生大量火花的问题，排除了机组安全隐患，特别对于工作介质为易燃易爆的机组，突破了钢蜂窝密封应用的局限。并且材质铝质软，当其与转子发生碰磨时首先磨损铝蜂窝密封自己，可以有效保护转子免受破坏。

(2)本发明采用整体成形的工艺，增大了蜂窝状结构壁厚，克服了建筑装饰行业铝蜂窝密封粘接结构强度低，不耐高压、高温的问题，满足了航空航天、电力、石化行业核心机组密封装置的工作要求。

(3)本发明的六边形蜂窝状整体结构是在密封体上整体成形，避免了蜂窝带脱落的安全隐患。

(4)本发明的密封效果明显好于传统梳齿迷宫密封，在相同的密封间隙下，本发明的泄漏量比传统的梳齿迷宫密封减少30％以上，从而提高了机组效率。本发明能提供较大的阻尼，能有效抑制转子的密封流体激振，可以提高转子稳定性。

附图说明：

图1为本发明两半式结构示意图；

图2为本发明分段式结构示意图；

图3为建筑装饰行业用铝蜂窝板；

图4为钢蜂窝密封结构示意图；

图5为本发明轴端密封示意图；

图6为本发明动叶叶顶密封示意图。

具体实施方式：

如图1所示，一种透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封，其由两半式密封体1组成。所述密封体1的密封面上连续的薄壁铝质蜂窝整体状结构是通过蚀刻技术整体加工成形的。所述密封体1的最终尺寸是根据旋转机械的具体结构形式和尺寸而设计、加工完成；

如图2所示，一种透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封，其由分段式密封体1组成。

如图3所示，钢蜂窝密封结构示意图，其由蜂窝带2和基板3组成。

如图4所示，建筑装饰行业用铝蜂窝板，其由蜂窝芯4，胶粘剂5和面板6组成。

如图5所示，密封体1外侧固定在静子7上，密封体1上连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构，用来密封转子8。所述密封体1为两半式。

如图6所示，密封体1外侧直接或通过螺栓固定在隔板9上，密封体1上连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构，用来密封动叶10或带有围带的动叶10。所述密封体1为分段式，数量为4段、6段、8段或前述数量的倍数。

本发明突破了传统钢蜂窝密封容易产生大量摩擦火花，不能在工作介质为易燃易爆的高速旋转机械应用的局限性，避免了钢蜂窝密封蜂窝带脱落的问题。克服了建筑装饰行业用铝蜂窝板粘接结构强度低，不耐高温高压，不能应用于旋转机械密封装置的问题。较之传统的梳齿迷宫密封，本发明在改善密封效果、抑制密封流体激振、提高转子稳定性、提高机组效率、保护转子不受损坏和保障机组安全长周期运行等方面具有明显的优势。

Claims (2)

1.透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封，其特征在于：所述的透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封的材质采用铝，是整体成型，其连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构的壁厚为0.4mm-1.5mm之间，正六边形结构对边距离在1.5mm-5.5mm之间，深度在2mm-4mm之间；

所述的连续的薄壁铝质蜂窝状整体结构采用碱性NaOH腐蚀液，浓度在100g/L-140g/L之间，蚀刻温度控制在85℃-90℃之间，腐蚀时间为2h-4h之间和侧蚀余量为1mm-1.8mm之间加工而成。

2.根据权利要求1所述的透平机械防爆低泄漏减振铝蜂窝密封，其特征在于：所述密封由整环、两半，4段、6段、8段或前述数量的倍数组成。

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