CN103244682B - 叶片式密封装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的叶片式密封装置，包括上游环、下游环和一片以上的叶片，所述叶片为长方形薄片，一端固定在上游环和下游环之间，另一端为自由端。本发明叶片式密封装置可完全继承刷式密封的退让柔性以及指尖密封的稳定性，大幅缩小密封间隙，提升密封性能。
Description
技术领域
本发明涉及叶片式密封装置，适用于各种旋转机械上。
背景技术
密封技术在现代工业生产和科学技术发展中具有十分重要的作用。无论是提高科学技术发展和工业生产技术水平，还是在技术改造和设备改造与更新方面，密封技术都占据着重要的地位和承担着重要角色。
根据密封构件间是否有相对运动，密封可分为静密封和动密封；动密封按运动形式分为往复移动密封和旋转密封。旋转密封在旋转机械设备中应用十分普遍，常见的旋转密封有机械密封、盘根密封、迷宫密封、浮环密封、刷式密封以及指尖密封等。
刷式密封的核心部件刷丝一般采用直径0.05～0.15mm的耐高温合金丝，刷丝束总厚度0.6～2mm，刷丝与转子径向呈15～60°倾角，倾角顺着转子旋向。指尖密封是从刷式密封演变而来的，其结构与刷式密封类似，差别在于用割缝的金属薄片错开重叠来代替刷丝束。
刷式密封和指尖密封都属于柔性密封，柔性密封最突出的优点是允许动静之间瞬态严重不同心而保持密封性能不变，但两者又均存在一些问题，如刷式密封的“压力闭合效应”和指尖密封的“刚化迟滞效应”。
刷式密封的“压力闭合效应”是指刷丝倾角在压差作用下变小而发生的内孔收缩现象。尽管这种现象在某种程度上是我们希望看到的，但是这种现象的不稳定性最终会导致刷丝自由端过度磨损并伤及转子，刷式密封很快失效。为解决此问题，技术研究人员提出了指尖密封的概念，大幅减小柔性而增大刚性，可以保持密封件工作状态下的稳定性，但指尖密封严重的“刚化迟滞效应”随之产生，在高压差作用下，受到碰磨影响退让时会产生很大的内部摩擦力，退让后也不易恢复到原来状态，如此将加剧磨损且增大泄漏。
总结一点，理想的柔性密封装置需兼具刷式密封极佳的退让柔性以及指尖密封的稳定性，稳定性又不能单纯地依靠牺牲柔性而增大刚性来获得，更应该从结构设计着手。
发明内容
本发明的目的是提供叶片式密封装置，属于一种柔性密封，一旦与转子碰磨可弹性退让，能够获得稳定而高效的密封性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
叶片式密封装置，包括上游环、下游环和一片以上的叶片，所述叶片为长方形薄片，一端固定在上游环和下游环之间，另一端为自由端。
上述叶片相当于一端为支点的悬臂梁，意想不到地满足了上述密封装置所需的柔性。
为了提高上述装置的密封效果，上述叶片在整个圆周上整齐排列，在叶根位置，相邻叶片间留有间隙以适应内外径差。叶片自由端所确定的密封内径小于下游环和下游环的内径，叶片与旋转机械转子间为微间隙或微过盈配合，上游环和下游环设计时均需保证极限工况下不与转子碰磨。
本发明的叶片式密封装置可适用于任何旋转机械的密封。
为了进一步提高本发明装置的密封性能，叶片式密封装置还包括用来遮挡叶片的遮流片，所述遮流片设在上游环和叶片之间，且遮流片不高出叶片。
为了便于适用于、更换方便，叶片式密封装置，包括固连在一起的上游环和下游环，以及活动镶嵌在上游环和下游环之间的叶片模块，所述叶片模块包括上夹板、下夹板和一片以上的叶片，所述叶片为长方形薄片，一端固定在上夹板和下夹板之间，另一端为自由端，叶片的自由端高出上游环和下游环，所述上游环与上夹板相邻，下游环和下夹板相邻。
采用上述技术方案，当叶片受损时，只需要将叶片模块更换即可，简单易操作。
为了提高装置的密封性能，上夹板和叶片之间设有用来遮挡叶片的遮流片，所述遮流片不高出叶片。
为了提高装置的稳定性，所述下游环上、叶片与下游环之间设有平衡腔室。
为了实现装置的自调整性，所述叶片与下游环之间的距离为0-2mm。
为了同时保证密封的刚性和柔性，叶片的长度5-20mm，宽度0.5-2.5mm，厚度为0.05-0.25mm；遮流片的厚度为0.1-0.5mm。
为增强本发明装置的密封性能，同时保证装置的柔性，延长装置的使用寿命，在过叶片且与旋转机械转子轴向垂直的平面上、顺着转子的转动方向上，叶片的叶根与汽轮机转子的轴心的连线与叶片的夹角为0-60°；叶片与竖直面的夹角为0-30°。
为了方便，本发明将在过叶片且与旋转机械转子轴向垂直的平面上、顺着转子的转动方向上，叶片的叶根与转子的轴心的连线与叶片的夹角记为α，将叶片与竖直面的夹角记为β。
申请人经研究发现，上述角度范围的选择，实现了意想不到的密封效果，且能同时保证对密封装置柔性和刚性的要求。参数α的设计使得碰磨时叶片能够柔性退让；参数β的设计使得困扰刷式密封的“压力闭合效应”和指尖密封的“刚化迟滞效应”等问题得到彻底解决。具体说明：叶片贴紧背部下游环时，参数β的存在使得内孔有收缩趋势时背部立刻产生一阻止闭合的摩擦力，而碰磨退让时无此摩擦力的影响。
上述装置，在轴向压差作用下，叶片发生轻微的弹性扭转变形，使得相邻两叶片重叠，并贴紧背部的下游环，实现完整的密封。
为了操作的方便性和连接的牢固性，叶片与上游环和下游环之间为焊接连接或胶粘连接；遮流片与上游环之间为焊接连接或胶粘连接。
叶片和遮流片均选用耐磨、耐腐蚀、耐高温材料，与之匹配的转子表面硬度一般大于叶片本身的硬度，当不能满足这个条件时，转子表面需要进行喷涂处理。
本发明未特别限定的技术均为现有技术。
本发明叶片式密封装置可完全继承刷式密封的退让柔性以及指尖密封的稳定性，大幅缩小密封间隙，提升了密封性能；本发明还彻底解决了困扰刷式密封“压力闭合效应”不可控的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1叶片式密封装置的轴向主视图。
图2为图1的A-A向视图。
图3为图1沿径向部分截断的三维示意图。
图4为本发明实施例2叶片式密封装置的径向断面结构示意图。
图5为本发明实施例3叶片式密封装置的径向断面结构示意图。
图6为本发明实施例4叶片式密封装置的径向断面结构示意图。
图7为实施例1所得的叶片式密封装置与刷式密封泄漏量对比图。
图中，1为上游环，2为下游环，3为叶片，4为遮流片，5为焊接区，6为上夹板，7为下夹板，8为平衡腔室。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1-3所示的叶片式密封装置，包括上游环、下游环和一片以上的叶片，所述叶片为长方形薄片，一端固定在上游环和下游环之间，另一端为自由端，叶片与上游环和下游环之间为焊接连接。
叶片的长度15mm，宽度1mm，厚度为0.1mm。
在过叶片且与旋转机械转子轴向垂直的平面上、顺着转子的转动方向上，叶片的叶根与旋转机械转子的轴心的连线和叶片的夹角为30°；叶片与竖直面的夹角为15°。
实施例2
如图4所示的叶片式密封装置，与实施例1基本相同，所不同的是：把若干叶片制作为易于拆卸更换的叶片模块，装夹于上游环和下游环之间；叶片的长度12mm，宽度1.2mm，厚度为0.15mm，叶片模块包括上夹板、下夹板和一片以上的叶片，所述叶片为长方形薄片，一端固定在上夹板和下夹板之间，另一端为自由端，叶片的自由端高出上游环和下游环，所述上游环与上夹板相邻，下游环和下夹板相邻。
在过叶片且与旋转机械转子轴向垂直的平面上、顺着转子的转动方向上，叶片的叶根与旋转机械转子的轴心的连线和叶片的夹角为40°；叶片与竖直面的夹角为10°。
实施例3
如图5所示的叶片式密封装置，与实施例1基本相同，所不同的是：上游环的内径与下游环的内径相同，都大于叶片自由端确定的内径；叶片的背部、下游环上开设有平衡腔室；叶片的长度20mm，宽度1.5mm，厚度为0.2mm。
实施例4
如图6所示的叶片式密封装置，与实施例2基本相同，所不同的是：还包括用来遮挡叶片的遮流片，所述遮流片设在上夹板和叶片之间，且遮流片不高出叶片；遮流片与上夹板之间为焊接连接，遮流片的厚度为0.2mm；增设遮流片时，叶片与下游环之间留有0.2mm的缝隙。上游环与下游环设计为套装结构，更易于加工制作。
实施例5
实施例1所得的叶片式密封装置与刷式密封的性能稳定性对比试验：
试验条件：转子直径φ202mm，转速3000RPM，径向跳动量0.05mm以内，密封件与转子配合间隙0.1mm，密封介质为压缩空气，进出口压差0.1MPa；
刷式密封参数：用刷丝替换实施例1中的叶片，刷丝倾角30°，刷丝直径φ0.076mm，刷丝束总厚度1mm；
刷式密封与实施例1所得的叶片式密封装置的性能对比如表1所示：
表1刷式密封与实施例1所得的叶片式密封装置的性能对比
由上可知：刷式密封在0-3min内产生了压力闭合效应，刷丝倾角变小，密封间隙缩小，刷丝与转子持续接触碰磨，在高压气流作用下，压力闭合效应不可控，刷丝倾角无法保持稳定，随着磨损的深入，密封间隙慢慢变大，泄漏量增大。而叶片式密封初始泄漏量低于刷式密封，且能长时间保持高密封性能。
结论：刷式密封的压力闭合效应不可控，导致刷丝与转子过量接触磨损，虽然能获得短时间的高密封性能，但不可持续，使用一段时间后密封性能大幅降低；而叶片式密封的倾角α在压力作用下保持稳定，不存在压力闭合效应，密封性能稳定。
Claims (9)
1.叶片式密封装置，其特征在于：包括上游环、下游环和一片以上的叶片，所述叶片为长方形薄片，一端固定在上游环和下游环之间，另一端为自由端；在过叶片且与旋转机械转子轴向垂直的平面上、顺着转子的转动方向上，叶片的叶根与旋转机械转子的轴心的连线和叶片的夹角为0-60°；叶片与竖直面的夹角为10-30°。
2.如权利要求1所述的叶片式密封装置，其特征在于：还包括用来遮挡叶片的遮流片，所述遮流片设在上游环和叶片之间，且遮流片不高出叶片。
3.如权利要求1所述的叶片式密封装置，其特征在于：包括固连在一起的上游环和下游环，以及活动镶嵌在上游环和下游环之间的叶片模块，所述叶片模块包括上夹板、下夹板和一片以上的叶片，所述叶片为长方形薄片，一端固定在上夹板和下夹板之间，另一端为自由端，叶片的自由端高出上游环和下游环，所述上游环与上夹板相邻，下游环和下夹板相邻。
4.如权利要求3所述的叶片式密封装置，其特征在于：上夹板和叶片之间设有用来遮挡叶片的遮流片，所述遮流片不高出叶片。
5.如权利要求1-4任意一项所述的叶片式密封装置，其特征在于：所述下游环上、叶片与下游环之间设有平衡腔室。
6.如权利要求1-4任意一项所述的叶片式密封装置，其特征在于：所述叶片与下游环之间的距离为0-2mm。
7.如权利要求1-4任意一项所述的叶片式密封装置，其特征在于：叶片的长度5-20mm，宽度0.5-2.5mm，厚度为0.05-0.25mm。
8.如权利要求2或4所述的叶片式密封装置，其特征在于：遮流片的厚度为0.1-0.5mm。
9.如权利要求2或4所述的叶片式密封装置，其特征在于：叶片与上游环和下游环之间为焊接连接或胶粘连接；遮流片与上游环之间为焊接连接或胶粘连接。
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