CN104089018B - 一种刷丝受约束的刷式密封 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刷丝受约束的刷式密封，包括上游环、下游环和装夹在上游环和下游环之间的刷丝，还包括一片以上的限位片，限位片为长条形薄片状；限位片一端为固定端、另一端为自由端；限位片设在上游环和下游环之间、且相间设置在整圈刷丝之间，相邻两限位片之间的刷丝定义为刷丝束，限位片的宽度方向沿轴向横穿刷丝束的厚度方向，限位片的固定端设在刷丝的固定端之间。本发明刷丝受约束的刷式密封主要是针对传统刷式密封不可控的“压力闭合效应”提出的解决方案，不仅大大增强了刷式密封的结构稳定性，而且有利于增加刷丝排列的紧密性，从而减少刷丝间的泄漏，提高刷式密封的密封性能。此外，本发明提出了一种降低刷式密封的磨损率的新途径。

Description

一种刷丝受约束的刷式密封

技术领域

本发明属于旋转机械密封领域，具体涉及一种刷丝受约束的刷式密封。

背景技术

在旋转机械中，常使用不同类型的密封装置对不同压力室进行密封，这些密封装置包括篦齿密封、刷式密封、指尖密封、石墨密封等。在大多场合下，常常篦齿密封和刷式密封二选其一，篦齿密封具有高可靠性和长寿命的优点，而刷式密封具有更好的密封性能。

刷式密封是现代先进透平机械发展的关键技术之一，已经应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮机械中。刷式密封的基本结构至少包括上游环、下游环和刷丝，且刷丝装夹在上游环和下游环之间。上述刷丝一般采用直径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。刷式密封在转子瞬间大幅径向位移后仍可保持密封间隙不变，进而实现高效密封。

与传统篦齿密封相比，刷式密封在许多方面具有优势，然而也存在一些问题，导致其至今仍没能替代传统密封技术，需进一步研究改进。近年来，对刷式密封的研究方兴未艾，研究主要集中在解决“压力闭合效应”、“刚化效应”和“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。因压差存在，刷丝束内部形成径向气流，如图1所示；这种径向气流会促使刷丝倾角自发地变小，即刷丝自由端自发地贴近转子，如图4中单根刷丝向转子表面方向靠近。当压差足够大、径向气流足够强烈时，刷丝会贴紧转子表面，刷式密封与转子零间隙配合。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，严重影响刷式密封的使用寿命。

刷式密封的“刚化效应”和“迟滞效应”均是由于其承受的高压差造成的。压差使刷丝锁定在下游环上，刷丝一旦与转子发生碰磨，需克服刷丝与下游环之间较大的摩擦力，这必然会增大磨损；刷丝一旦退让，由于上述摩擦力的存在，刷丝也不易复位，造成泄漏增加。

目前，在刷丝上游增设遮流板可在一定程度上减小“压力闭合效应”的不利影响，但同时会增大“刚化效应”和“迟滞效应”的不利影响。

国外公司为了减小“刚化效应”和“迟滞效应”的不利影响，设计出压力平衡型刷式密封，即在刷丝下游环上增设压力平衡腔，以减小上述摩擦力。然而，压力平衡腔的设计需格外谨慎，不仅更容易产生“压力闭合效应”，而且还容易引起刷丝颤动现象。

发明内容

本发明提供了一种刷丝受约束的刷式密封。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种刷丝受约束的刷式密封，包括上游环、下游环和装夹在上游环和下游环之间的刷丝，还包括一片以上的限位片，限位片为长条形薄片状；限位片一端为固定端、另一端为自由端；限位片设在上游环和下游环之间、且相间设置在整圈刷丝之间，相邻两限位片之间的刷丝定义为刷丝束，限位片的宽度方向沿轴向横穿刷丝束的厚度方向，限位片的固定端设在刷丝的固定端之间。

本申请将位于相邻两限位片之间的刷丝定义为刷丝束；本申请中所提轴向均指应用本发明的旋转机械的转子轴向。

上述限位片设置在整圈刷丝之间，限位片的宽度方向沿轴向横穿刷丝束的厚度方向设置，这样相邻两限位片对位于它们之间的刷丝束形成约束。限位片优选沿着密封周向均匀分布。

作为一种公知常识，刷丝也为一端固定端、一端自由端，固定端固定在上游环和下游环之间，即限位片和刷丝均为一端为固定端、且均固定设在上游环和下游环之间，另一端为均自由端。上述限位片和刷丝一端为固定端、另一端为自由端指的是将限位片和刷丝长度方向上的一端与另一端。限位片的宽度方向上一边与上游环相邻，另一边与下游环相邻。限位片受到下游环的约束，其自由端并非完全自由，而是受一定约束，下游环约束限位片，限位片约束位于相邻限位片之间的刷丝。

优选，上述上游环、下游环、限位片和刷丝通过焊接的方式连接，焊接方式包括熔焊和钎焊，焊接位置为限位片和刷丝的固定端。

上述改进主要是针对传统刷式密封不可控的“压力闭合效应”提出的解决方案，可大大增强刷式密封的结构稳定性，延长刷式密封的使用寿命。

下游环上、且与限位片和刷丝相邻的侧面上设有限位槽，限位片上设有伸入限位槽的凸起，凸起上至少有一点与限位槽内壁接触。

为了获得较佳的限位效果，上述限位片与限位槽内壁的接触点应尽量靠近限位片和刷丝的自由端。

上述限位槽优选为沿下游环整圈设置的圆环状，且与刷式密封的内孔同心，并使限位片与圆环的内环可接触。这样不仅方便加工，且能减小“刚化效应”和“迟滞效应”的不利影响。

通过上述改进，所述限位片可在一定范围内挠性变形，伸入限位槽内的凸起至少有一点可与限位槽内壁接触，限位片的接触点定义为限位点。

上述凸起上至少有一点与限位槽内壁接触，包括限位片在自由状态下至少有一点与限位槽内壁接触，也包括自由状态下，限位片与限位槽保持一定距离，但在一定的径向气流作用下，限位片上至少有一点与限位槽内壁接触。

作为本申请的一种改进，所述限位点在限位片自由状态时刚好与限位槽内壁接触。申请人经研究发现，上述限位点可限制限位片朝接近转子表面的方向挠曲变形，进而限制刷丝朝接近转子表面的方向挠曲变形。采用上述技术方案，刷丝在径向气流作用下仍可保持结构稳定可控，消除传统刷式密封“压力闭合效应”的不利影响。上述限位槽的设计不仅起到限位的作用，还可平衡刷丝束前后压差，同时减小“刚化效应”和“迟滞效应”的不利影响。

作为本申请的另一种改进，上述限位点在限位片自由状态时与限位槽内壁分离并保持一定距离。优选，上述限位点与限位槽内壁的垂直距离为0.1～1mm。申请人经研究发现，在足够强的径向气流作用下，刷丝和限位片可朝接近转子表面的方向挠曲变形，即刷式密封内孔收缩。所述挠曲变形的极限位置为限位点与限位槽内壁刚好接触的位置。采用上述技术方案，在刷式密封上下游压差比较小时，可保持其内孔较大，对应密封间隙较大；而在刷式密封上下游压差变大时，其内孔逐渐缩小，对应密封间隙逐渐变小；当所述限位点与限位槽内壁已经接触时，继续增大刷式密封上下游压差，其内孔大小保持不变，对应密封间隙保持不变。上述受压力驱动的变间隙特性在某些旋转机械中尤为重要，比如汽轮机，汽轮机在启停机阶段(汽封前后压差较小)，由于过临界转速、汽缸受热不均导致变形等因素的存在，需要较大的密封间隙才能保证汽封装置不被碰磨；而并网带负荷运行阶段(汽封前后压差较大)，机组状态较为稳定，过大的密封间隙将导致机组效率下降，此时刷式密封受压力驱动而间隙缩小，可提升汽轮机运行的经济性。

作为本申请的另一种改进，相邻两限位片之间的刷丝相互平行。

上述刷丝优选为圆柱状刷丝，上述刷丝相互平行，指圆柱状刷丝的轴线在自由状态下相互平行，此时刷丝较容易形成紧密叉排，减小刷丝束的孔隙率。

作为本申请的一种改进，上述限位片长度近似等于刷丝长度，沿着限位片长度方向宽度不同、厚度相同。

作为本申请的另一种改进，限位片沿着长度方向上的厚度不同，且呈楔形，从固定端到自由端厚度逐渐减小。

申请人经研究发现，采用上述技术方案，组成单个刷丝束的若干根刷丝趋于互相平行，刷丝的排列将更加紧密，可减小刷丝束的孔隙率，进而减少刷丝间的泄漏，提高刷式密封的密封性能。

优选，限位片包括两个以上的限位元件，限位元件一端为固定端、另一端为自由端，每两个限位元件的固定端之间均设有间隔元件，所有限位元件的固定端与间隔元件连为一体形成限位片的固定端，所有限位元件的自由端连为一体形成限位片的自由端。

上述限位片沿长度方向上的截面也为楔形。

上述结构加工制造方便，且申请人经研究发现，采用上述技术方案，限位片可获得更高的柔性，从而减少磨损。此外，上述每两个限位元件之间形成楔形的平衡孔，有利于平衡刷丝束前后压差，进一步发挥限位槽的作用，从而大幅减小“刚化效应”和“迟滞效应”的不利影响。

进一步优选，上述相邻两限位片的相对面平行。这样可最大限度减小刷丝束的孔隙率。

作为本申请的另一种改进，限位片长度方向的截面为“Γ”形，且限位片固定端的宽度大于限位片自由端的宽度。上述限位片的设计在保证密封性能的基础上可节约材料、简化加工工艺、降低制作成本。

限位片自由端的宽度超出刷丝束的厚度。

上述限位片自由端的宽度超出刷丝束的厚度指：限位片的宽度方向上、且不与下游环靠接的一边(即与上游环靠接的一边)，限位片自由端的宽度超出刷丝的厚度。优选，限位片固定端的宽度等于刷丝的厚度，这样限位片自由端的宽度超出刷丝的厚度也即限位片自由端的宽度大于限位片固定端的宽度，限位片从固定端到自由端可以任何形状的形式过渡，但至少保证自由端端部宽度超出刷丝的厚度，这样可对刷丝形成更为可靠的约束。

上述限位片可以由金属材料制备，也可由石墨、陶瓷以及复合材料等制备。

优选，限位片自由端的宽度大于刷丝束的厚度1～3mm。这样相邻两限位片对位于它们之间的刷丝可起到很好的限位作用。

优选，限位片长度为10～30mm，宽度为1～5mm，厚度为0.05～1mm。

优选，限位片用耐磨金属材料制备或将限位片作耐磨处理。上述耐磨处理可采用现有技术中的各种耐磨工艺，目的是使限位片具有耐磨性能。

进一步优选，耐磨处理包括增加材料表面硬度的电镀、喷涂、浸渍、渗氮、渗碳或渗硅。更优选，限位片的表层设有1～25μm的耐磨层。

本发明刷式密封的结构特征决定了限位片和刷丝的磨损率是一致的，当采用上述技术方案时，可降低对刷丝耐磨性的要求。由于金属丝材的加工制造难度远远大于金属薄片，各种热处理工艺、耐磨处理工艺等也更为复杂，因此采用上述技术方案，不仅可节约刷式密封的制造成本，而且为降低刷式密封的磨损率开辟了一种新途径。

本发明未提及的技术均为现有技术。

本发明刷丝受约束的刷式密封主要是针对传统刷式密封不可控的“压力闭合效应”提出的解决方案，不仅大大增强了刷式密封的结构稳定性，而且有利于增加刷丝排列的紧密性，从而减少刷丝间的泄漏，提高刷式密封的密封性能。此外，本发明提出了一种降低刷式密封的磨损率的新途径。

说明书附图

图1是传统压力平衡型刷式密封的径向截面结构示意图。

图2是传统压力平衡型刷式密封的轴向局部结构示意图。

图3是传统压力平衡型刷式密封的单根刷丝与下游环的配合示意图。

图4是图3中刷丝挠曲变形示意图。

图5是实施例1刷式密封的限位片的二维轮廓图。

图6是实施例1刷式密封的径向截面结构示意图。

图7是实施例1刷式密封的限位片的三维结构图。

图8是实施例1刷式密封的轴向局部结构示意图。

图9是实施例1刷式密封的限位片与下游环的配合示意图。

图10是图9中限位片挠曲变形(碰磨退让)示意图。

图11是实施例1刷式密封的刷丝束与相邻限位片的三维结构示意图。

图12是实施例1刷式密封的径向(对应图11中从自由端A方向)局部结构示意图。

图13是实施例2刷式密封的径向截面结构示意图。

图14是实施例2刷式密封的限位片与下游环的配合示意图。

图15是图14中限位片挠曲变形(“压力闭合效应”显现)示意图。

图16是实施例3刷式密封的楔形限位片的三维结构示意图。

图17是实施例3刷式密封的轴向局部结构示意图。

图18是实施例4刷式密封的楔形限位片的三维结构示意图。

图19是实施例4刷式密封的轴向局部结构示意图。

图20是实施例5刷式密封的Γ形限位片的三维结构示意图。

图21、图22分别是实施例6刷式密封的限位片轮廓图和径向截面结构示意图。

图23、图24分别是实施例7刷式密封的限位片轮廓图和径向截面结构示意图。

图25、图26分别是实施例8刷式密封的限位片轮廓图和径向截面结构示意图。

图27、图28分别是实施例9刷式密封的限位片轮廓图和径向截面结构示意图。

图29、图30分别是实施例10刷式密封的限位片轮廓图和径向截面结构示意图。

图中，1为上游环，2为刷丝，3为下游环，4为压力平衡腔，5为转子表面，6为限位槽，7为限位片，8为刷丝束，9为楔形限位片，10为径向气流，61为限位槽内壁，71为限位点，91为限位元件，92为间隔元件，93为楔形平衡孔，71a为处于非接触状态的限位片与限位槽，71b为处于接触状态的限位片与限位槽，7A为限位片自由端，8A为刷丝束自由端，a为刷丝碰磨退让方向，b为不可控“压力闭合效应”下刷丝挠曲变形方向，c为限位片和刷丝碰磨退让方向，d为可控“压力闭合效应”下限位片和刷丝挠曲变形方向，A为自由端，B为固定端。

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5～12所示的刷丝受约束的刷式密封，安装在航空发动机高压涡轮的叶尖位置，包括上游环、下游环、装夹在上游环和下游环之间的刷丝和一片以上的限位片，限位片为长条形薄片状；限位片一端为固定端、另一端为自由端；限位片设在上游环和下游环之间、且相间设置在整圈刷丝之间，限位片的宽度方向沿轴向横穿刷丝束的厚度方向，限位片的固定端设在刷丝的固定端之间。

下游环上、且与限位片和刷丝相邻的侧面上设有限位槽，限位槽为沿下游环整圈设置的圆环状，且与刷式密封的内孔同心。限位片上设有伸入限位槽的凸起，在自由状态下，凸起与限位槽内壁(圆环的内环)接触，凸起的长度接近限位槽的长度(从固定端到自由端的方向定义为凸起和限位槽的长度方向)。限位片长度近似等于刷丝长度，沿着限位片长度方向宽度不同、厚度相同。限位片长度为16mm，宽度为1～3mm，厚度为0.1mm。限位片的表层设有10μm的耐磨层，耐磨层为镍基高温合金，通过激光涂覆工艺制备。

实施例2

如图13～15所示，与实施例1基本相同，所不同的是：刷丝受约束的刷式密封用作汽轮机高中压缸之间平衡盘的密封。凸起的长度略小于限位槽的长度，自由状态下，凸起下端(限位点)与限位槽底部(从固定端到自由端的方向定义为从顶部到底部的方向)内壁的垂直距离为0.5mm，但在一定的径向气流作用下，限位点与限位槽内壁接触。从限位片固定端到自由端的方向定义为凸起从上端到下端的方向。限位片的表层设有5μm的耐磨层，耐磨层为硬铬，通过电镀工艺制备。

实施例3

如图16～17所示，与实施例1基本相同，所不同的是：限位片沿着长度方向上的厚度不同，且呈楔形，从固定端到自由端厚度逐渐减小；相邻两限位片的相对面平行。限位片长度为20mm，宽度为1～5mm，厚度为0.05～0.3mm。

实施例4

如图18～19所示，与实施例3基本相同，所不同的是：限位片包括两个限位元件，限位元件一端为固定端、另一端为自由端，两个限位元件的固定端之间设有间隔元件，两个限位元件的固定端与间隔元件连为一体形成限位片的固定端，两个限位元件的自由端连为一体形成限位片的自由端。

实施例5

如图20所示，与实施例1基本相同，所不同的是：限位片长度方向的截面为“Γ”形，且限位片固定端的宽度大于限位片自由端的宽度。

实施例6

如图21～22所示，与实施例3基本相同，所不同的是：限位片上与上游环靠接的一边、限位片超出上游环的部分上，其宽度均超出刷丝厚度2mm。

实施例7

如图23～24所示，与实施例3基本相同，所不同的是：限位片上与上游环靠接的一边、限位片超出上游环的部分上，其宽度从固定端到自由端逐渐增加。

实施例8

如图25～26所示，与实施例6基本相同，所不同的是：限位片的上的凸起长度远小于限位槽的长度，凸起仅在下端与限位槽内壁有接触的点，从限位片固定端到自由端的方向定义为从上端到下端的方向。

实施例9

如图27～28所示，与实施例8基本相同，所不同的是：限位片宽度仅在其自由端端部的宽度超出刷丝厚度2mm。

实施例10

如图29～30所示，与实施例9基本相同，所不同的是：限位槽的长度稍大于凸起的长度，且限位槽的长度为1～3mm。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种刷丝受约束的刷式密封，包括上游环、下游环和装夹在上游环和下游环之间的刷丝，其特征在于：还包括一片以上的限位片，限位片为长条形薄片状；限位片一端为固定端、另一端为自由端；限位片设在上游环和下游环之间、且相间设置在整圈刷丝之间，相邻两限位片之间的刷丝定义为刷丝束，限位片的宽度方向沿轴向横穿刷丝束的厚度方向，限位片的固定端设在刷丝的固定端之间；

下游环上、且与限位片和刷丝相邻的侧面上设有限位槽，限位片上设有伸入限位槽的凸起，凸起上至少有一点与限位槽内壁接触。

2.如权利要求1所述的刷丝受约束的刷式密封，其特征在于：限位片的固定端宽度等于刷丝束的厚度；限位片自由端的宽度不小于刷丝束的厚度。

3.如权利要求1或2所述的刷丝受约束的刷式密封，其特征在于：相邻两限位片之间的刷丝之间相互平行。

4.如权利要求1或2所述的刷丝受约束的刷式密封，其特征在于：限位片沿着长度方向上的厚度不同，且呈楔形，从固定端到自由端厚度逐渐减小。

5.如权利要求4所述的刷丝受约束的刷式密封，其特征在于：限位片包括两个以上的限位元件，限位元件一端为固定端、另一端为自由端，每两个限位元件的固定端之间均设有间隔元件，所有限位元件的固定端与间隔元件连为一体形成限位片的固定端，所有限位元件的自由端连为一体形成限位片的自由端。

6.如权利要求4所述的刷丝受约束的刷式密封，其特征在于：相邻两限位片的相对面平行。

7.如权利要求1或2所述的刷丝受约束的刷式密封，其特征在于：限位片长度方向的截面为“Γ”形，且限位片固定端的宽度大于限位片自由端的宽度。

8.如权利要求1或2所述的刷丝受约束的刷式密封，其特征在于：限位片自由端的宽度大于刷丝束的厚度1～3mm。

9.如权利要求1或2所述的刷丝受约束的刷式密封，其特征在于：限位片长度为10～30mm，宽度为1～5mm，厚度为0.05～1mm。

10.如权利要求1或2所述的刷丝受约束的刷式密封，其特征在于：限位片的表层设有1～25μm的耐磨层。

11.如权利要求1或2所述的刷丝受约束的刷式密封，其特征在于：限位片用耐磨材料制备或将限位片作耐磨处理；耐磨处理包括增加材料表面硬度的电镀、喷涂、浸渍、渗氮、渗碳或渗硅。