CN101832392A - 一种旋转机械动静间隙的密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设置在旋转机械动静间隙的密封结构。密封齿后设置横臂结构，密封齿顶采用爪型结构，增加密封腔室的深度，加宽密封齿根和齿顶的厚度，应用斜密封齿，密封齿的迎风面和背风面都采用弧面造型。本发明用于控制高温高压流体沿动静间隙泄漏，避免大流量泄漏影响下一级部件的稳定运行和安全运作。在核主泵高压高温高速大流量工质条件下，数值模拟结果显示，本发明比相同间隙的普通直齿迷宫密封减小13.8％的泄漏量，可在倒流极端工况下暂时稳定控制泄漏量，安全、耐用、节流效果好。

Description

一种旋转机械动静间隙的密封结构

技术领域

本发明属于间隙密封技术领域，涉及一种用于旋转机械内动静间隙的密封结构。

背景技术

间隙密封技术应用于控制旋转机械的旋转部件与静止部件的介质泄漏。为保证机械的安全稳定运行，旋转部件与静止部件应保持足够的间隙，因此选择非接触密封控制间隙泄漏流。非接触式密封技术，即流体经过密封齿顶间隙，节流加速，在密封齿后的较大密封腔室内，流体的动能转化为热能，工质经过密封腔，压力逐渐降低，以避免工质大流量的泄漏。常见的非接触密封形式为迷宫密封，以直通型、错齿型、阶梯型为主，这些常用于气体介质，泵在叶轮出口与导叶动静间隙以及叶轮入口轮盖处与进口导流管间动静间隙常采用无空腔小间隙密封，此种密封控制泄漏效果不好，空腔内部基本没有介质的耗散作用，而本发明密封结构通过增加介质流动通道的复杂性强化流体动能向热能转化过程，以减小泄漏量。

当前密封结构，有些节流效果不佳，不能有效控制泄漏量；有些在动静间隙设置密封圈，容易磨损，使用寿命较短；有些不能保证在大流量的工质下安全稳定运行；更重要的是泵的间隙密封尤其是核主泵的间隙密封，应该考虑到倒流这种极端工况，大部分的密封没有控制倒流的结构设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种旋转机械动静间隙的密封结构，与普通直齿间隙密封相比，节流效果明显改善，更有效控制泄漏量；不设置密封圈，避免出现磨损现象，使用寿命长；保证在大流量的工质下稳定运行；考虑倒流极端工况，设置控制倒流的结构。

本发明采用的技术方案是：

一种旋转机械动静间隙的密封结构，其设置在旋转机械动静间隙，其特征是密封齿后设置横臂，密封齿的齿顶采用爪型结构，增加密封腔室的深度，加宽密封齿根和齿顶的厚度，采用斜密封齿，密封齿迎风面和背风面设置采用弧面造型。

横臂把密封腔室分成上下两个密封腔，增大流体在密封腔内流动阻力，横臂与本级密封腔室底部旋转部件壁的垂直距离是本级密封腔高度的1/2-3/5。横臂位置过高会使上方腔室的耗散空间不足。横臂位置过低会使下方腔室的耗散空间不足，且经密封节流后的部分高速流因横臂的阻挡，直接进入下一级节流，而缺少了在本级空腔内的能量耗散。

横臂与密封腔室侧壁间隙是其位置腔室宽度的1/3-2/3。横臂过长会使上方腔室流出的高速流体阻止流体进入该腔室；横臂过短会减弱阻碍流体流出上腔室的能力。

横臂数量也不宜过多，过多将会减小密封腔内流体的大容积耗散空间优势，减弱耗散效果。

横臂设置在非末级密封齿背上。横臂不宜设置在密封齿前，设置在齿前将会使更多的流体停留在下腔室，不能充分利用密封腔室的空间。

本发明的密封结构和直通尖齿密封相比，横臂的添加是使密封腔内的流场复杂化，增大了流体阻力，一个规则的大涡旋演变成一个畸变的大涡旋和横臂下面的小涡旋；增加了横臂两个流体滞止角落，有利于能量耗散；密封腔被横臂分成两个相通的腔室，上方的腔室的流体难于进入下方腔室，一部分沿弯齿流入上方腔室的流体密封腔内的停留时间相应增加；上方腔室流体流出时和进入该腔室的流体对流耗散，很大程度上促进了流体的能量耗散，从图4的横臂顶部区域的较大压力梯度可以看出明显的耗散效应。

密封齿顶爪型结构左右对称，两侧分别有双尖角爪型结构，中间采用圆弧形凹面。密封齿顶采用爪型结构，4个尖角能产生更好的节流效果，控制泄漏量。另外，对称的齿尖可以阻止两方向来流的泄漏量，在倒流的极端工况下，稳定控制泄漏量，而且中间圆形凹面槽道可以引导泄漏流在其内部停留耗散，增加了泄漏流的在密封内的停留时间，减小泄漏量，同时小涡旋也阻碍泄漏流的流动，随着间隙的减小，这种阻力会越加明显。

密封齿来流迎风面采用弧面造型。引部分齿前流体沿齿壁上行，引入滞止区或上层腔室，使其在齿前或齿腔内停留更多的时间，以减小泄漏。

密封齿的齿顶和齿根渐进加宽，齿根、齿顶宽度是齿长的1/5-1/3。适应高压、高速流体，防止密封齿齿根断裂，增加其使用寿命，延长检修周期，保证安全性。另外，齿根的弧形壁面同样有助于引流进入上腔室，增加流体在腔室停留时间，以减小泄漏量。

密封结构也可由多个密封齿排列而成，形成密封组。

密封结构的密封齿在空间有限的情况下，可以适当缩短齿长度，保持宽度不变。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明密封结构有良好的控制流量效果。在很大程度上，泄漏量取决于密封的间隙的大小，在保证设备安全运行的前提下，密封间隙可以设置到最小。密封腔室内复杂的流动空间，是促进工质能量耗散的重要因素，但腔室结构不宜过于复杂，原因在于流体需要大容积的耗散空间，以涡旋的形式动能转化为热能。考虑到制造难度和加工成本，设计也应尽量简单，使流体有足够空间能量耗散，图1为本发明的密封结构示意图，本发明密封比相同间隙的普通直齿密封减小13.8％的泄漏量。

(2)横臂增大流体在密封腔内流动阻力，加强流体在腔内的能量耗散，增加流体在腔内的停留时间。

(3)密封齿顶采用爪型结构，4个尖角能产生更好的节流效果，控制泄漏量，另外对称的齿尖可以阻止两方向来流的泄漏量，在倒流的极端工况下，稳定控制泄漏量，而且中间圆形凹面槽道可以引导泄漏流在其内部停留耗散，增加了泄漏流的在密封内的停留时间，减小了泄漏量，同时小涡旋也阻碍的泄漏流的流动，随着间隙的减小，这种阻力会越加明显。

(4)由于本发明有横臂结构，所以采取加深齿腔方法为了给上腔室提供足够的流体耗散空间。

(5)弧形迎风面引部分齿前流体沿齿壁上行，引入滞止区或上层腔室，使其在齿前或齿腔内停留更多的时间，以减小泄漏。

(6)密封腔内部最低压力高于饱和压力1Mpa，确保密封腔室内不发生气蚀现象。

(7)为了适应高压、高速流体，本发明采用加固齿根和齿顶的方法，防止密封齿齿根断裂，增加其使用寿命，延长检修周期，保证安全性。

附图说明

图1(a)是本发明密封结构示意图三维侧视图。

图1(b)是本发明密封齿示意图。

图2加宽齿根直通齿密封迹线流场图。

图3本发明结构密封内部迹线流场图。

图4本发明结构密封空腔内部压力云图。

图5密封环外观俯视图。

图6本发明密封安装位置示意图。

图中：1密封环；2密封齿；3横臂；4叶轮出口与导叶动静间隙处；5叶轮入口轮盖处与进口导流管动静间隙处。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图以核主泵为实施例详细叙述本发明。

本发明密封是由两个半圆形密封环组成，如图5，可安装在核主泵的叶轮出口与导叶动静间隙4和叶轮入口轮盖处与进口导流管动静间隙处5，如图6，或者安装于热屏与转轴的间隙处。密封环背弧沿着固定部件的密封槽道安装，密封齿倾斜方向朝向来流方向。本发明密封结构主要由密封环1、密封齿2组成。

密封环内圈可以设置多个密封齿，图1所示，设置了2个密封齿，密封齿之间形成密封腔室。密封腔被横臂3分成两个相通的腔室。

流体经密封齿间隙节流加速，压力降低，高速流体在密封空腔中动能转化成热能，同时恢复压力，但由于流体的部分动能转化成热能，因此压力不能恢复到上一级的压力值，所以流体压力逐级降低，流体泄漏量减小。

在核主泵叶轮出口与导叶处存在动静间隙，在叶轮入口轮盖处与进口导流管间也存在动静间隙，核主泵正常运行时，有部分经叶轮出口的高压流体沿此间隙外泄，并重新回流至泵入口，干扰主流场流动，同时减小有效通流面积，降低了泵的流动效率和性能；热屏与转轴之间存在间隙，高温高压流体沿此间隙泄漏，下级部件易受其影响，造成运行不稳定甚至损坏。为了保障核主泵各部件安全运行，应尽量减小这些泄漏，本发明结构密封设置在上述动静间隙处。

Claims (4)

1.一种旋转机械动静间隙的密封结构，其特征在于，斜密封齿(2)后设置横臂(3)，横臂(3)与本级加深的密封腔室底部旋转部件壁的垂直距离是本级密封腔高度的1/2-3/5，横臂(3)与密封腔室侧壁间隙是其位置腔室宽度的1/3-2/3，横臂(3)设置在非末级密封齿(2)背上；

密封齿(2)顶采用爪型结构，爪型为左右对称结构，两侧分别有双尖角爪型，中间采用圆弧形凹面；密封齿(2)来流迎风面和背风面都采用弧面造型，密封齿(2)的齿顶和齿根渐进加宽，齿根和齿顶的宽度是齿长的1/5到1/3。

2.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于，采用多个密封齿(2)排列形成密封齿组。

3.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述的密封齿(2)长度缩短，齿宽不变。

4.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述的密封结构用于核主泵、水泵或应用于工质为气体的旋转机械的密封装置。

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