CN105673854B - 一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置 - Google Patents

Abstract

一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置，包括密封件和密封座，密封座对密封件产生轴向移动的约束，使密封件仅能在径向力的作用下径向偏移。所述密封件的组成由高压侧到低压侧依次为C型密封环、高压密封环、径向阻隔片、低压密封环、滚珠固定环及多个周向排列的滚珠。本发明中间引气提供自同心平衡力的密封装置能够避免小型汽轮机、高压风机及航空发动机等设备由于转子与静子严重偏心而造成的碰磨，始终保持密封间隙在设计范围之内，减小气流激振力，全面提高相关设备运行的安全性和经济性。

Description

一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置

技术领域

本发明涉及一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置，属于旋转机械密封领域。

背景技术

密封是汽轮机、压缩机、航空发动机等旋转机械的关键部件。近年来，随着旋转机械向高参数方向发展，密封在起减少旋转机械泄漏量的同时，也会产生较大的气流激振力，对转子系统稳定性产生重要影响。

为减小密封气流激振力，提高密封的稳定性，人们在传统迷宫密封的基础上，通过改变密封本身的结构提出了多种密封结构。A.Muszynska于80年代提出一种反预旋思想。反预旋密封形式主要有两种，一种是在密封进气入口处设置用来降低密封入口预旋速度的栅板，称之为阻旋栅密封；另一种是是在密封进口经若干齿腔后，在密封周向设置一定数量的反吹孔，由反吹孔将高压气源引入密封腔内，反吹孔方向指向转子表面切向方向，并与转子转动方向相反，称之为反旋流密封。Von Pragenau于1982年首次提出了阻尼密封的概念。其设计理念是通过改变密封结构静子面的粗糙程度来提高密封的稳定性。目前现有的阻尼密封有蜂窝阻尼密封、孔型阻尼密封、袋型阻尼密封等。

上述密封形式虽然减振机理不完全相同，但是本质上都属于固定式密封。对于传统固定式密封而言，旋转机械运行过程中，必然存在转子偏心状态。在转子偏心转动条件下，不仅密封装置容易磨损失效，而且密封间隙内不均匀的压力分布会产生气流激振力，造成密封气流激振问题得不到根本解决。

传统的浮动密封主要依靠转子高速转动形成的液膜浮力保持与转子的非接触状态，可用以密封气体和液体(主要指粘度较高的液体，如油类)。但是密封气体时，浮动密封装置中应充满润滑油，以利于密封和润滑，因此需额外增加一套油路系统；更大的应用局限在于，传统浮动密封无法适用高温气体的密封。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置，包括密封件和密封座，密封座对密封件产生轴向移动的约束，使密封件仅能在径向力的作用下径向偏移。所述密封件的组成由高压侧到低压侧依次为C型密封环、高压密封环、径向阻隔片、低压密封环、滚珠固定环及多个周向排列的滚珠。

本发明密封件各组成部分的功能如下：

1、上述高压密封环及C型密封环保证高压侧气体不从密封件高压侧与密封座高压侧间隙处泄漏至密封件背部；

2、上述径向阻隔片与高压密封环、低压密封环及滚珠固定环焊接固定，间隔5～15°均布，把高压密封环、低压密封环和密封座之间形成的周向空腔分隔为若干个独立腔室，形成周向迷宫密封，其主要作用是减弱上述周向空腔内、圆周方向上压力趋于均等的趋势；同时，径向阻隔片还起到了类似于袋型密封的周向分割挡板和阻旋栅密封的阻旋栅作用，阻隔的蒸汽的周向流动，降低了交叉刚度，有利于提供更加稳定的自同心平衡力，同时还能抑制激流激振，减少轴系的振动幅值。

3、低压密封环和滚珠固定环与密封座相邻面之间通过滚珠隔开，即存在间隙，但间隙极小，以最大限度减少密封件背部的高压气体泄漏。在低压密封环接近转子的部分，形成类似迷宫密封的齿腔。低压密封环齿腔的径深适当加深，有利于周向均压，减少转子的不平衡力，提供更大的自同心平衡力，同时也能减轻密封环的重量。

自同心平衡力产生机理：自定平衡力＝径向压差力-径向摩擦力。

径向摩擦力产生的机理：密封件在轴向压差作用下产生轴向推力，为径向摩擦力提供正压力；低压密封环、滚珠固定环及滚珠与密封座表面非绝对光滑接触，存在摩擦系数μ；在径向压差力(自同心平衡力)的作用下，密封件相对于密封座有一个相对径向运动的趋势，进而产生了径向的摩擦力；密封件相对于转子同心的过程均须克服轴向推力造成的静摩擦力。

径向压差力产生机理：转子一旦相对于密封件偏心，密封件背部的静压在径向阻隔片的作用下，不再周向均匀，偏心侧的静压降低，而相对侧的静压升高，产生沿偏心方向的压差(高压区偏心侧密封齿比相对侧密封齿的间隙小是产生此压差的根本原因)，进而产生了径向压差力。

自同心平衡力产生机理：而转子与密封环背部的在径向压差力作用下，产生由高压指向低压的自同心平衡力，克服密封件与密封座之间的摩擦阻力，使密封件向转子偏心的方向移动，使其自同心，从而避免碰磨，保持极小密封间隙。

只有当径向压差产生的上述和压差力大于静摩擦力时，密封件才能实现自同心。

采用本发明的设计，当转子偏心后，偏心方向高压密封齿承担的压差变大(流量减小，密封件背部静压变低)，而相反方向高压密封齿承担的压差变小(流量增大，密封件背部静压变高)，因此密封件背部会产生沿偏心方向的压差(压差在径向阻隔片的作用下更易保持)。

优选的，所述的滚珠为氮化硅滚珠。

优选的，所述的滚珠固定环为碳精环等低摩擦系数材料。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明提出一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置结构，其主要优点如下：

1、结构相对简单，保留了传统梳齿密封的大部分结构特征，密封件在自同心平衡力的作用力，在密封座内相对径向移动，从而保持与转子同心。

2、密封件在自同心平衡力的作用下克服轴向推力产生的摩擦阻力，保证密封件相对于转子同心，避免发生恶性碰摩事故以及密封间隙扩大可能引发的故障，提高了设备运行的安全性。

3、由于密封件与转子具有自动同心功能，密封间隙可以设计得尽量小，从而大幅减少漏气，提高了设备运行的经济性。

本发明中间引气提供自同心平衡力的密封装置能够避免小型汽轮机、高压风机及航空发动机等设备由于转子与静子严重偏心而造成的碰磨，始终保持密封间隙在设计范围之内，减小气流激振力，全面提高相关设备运行的安全性和经济性。

附图说明

图1是本发明实施例1转子-密封系统处于正常状态下的示意图。

图2是本发明实施例1转子-密封系统处于偏心状态下的示意图。

图3是本发明实施例1中密封件的结构装配示意图。

图4是本发明实施例1中的高压密封环结构示意图。

图5是本发明实施例1中的低压密封环结构示意图。

图6是本发明实施例1中的滚珠固定环结构示意图。

图7是本发明实施例1中的径向阻隔片的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明做进一步阐明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前堤下所获得的其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-7所示，一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置，包括密封件及密封座1两部分组成，密封座对密封件产生轴向移动的约束，使密封件仅能在径向力的作用下径向偏移。上述密封件结构组成由高压侧到低压侧依次为C型密封环2、高压密封环3、径向阻隔片4、低压密封环5、滚珠固定环6及多个周向排列的滚珠7；径向阻隔片4每隔5～15°周向均匀排列，与高压密封环3、低压密封环5及滚珠固定环6焊接固定；

为了方便解释说明，从压强的角度，将转子-密封系统划分为五个区，如图1、图2所示：密封座高压区A、密封件高压区B1、密封件背部区B2、密封件中压区C、密封件低压区D、密封座低压区E。

当转子相对于密封装置正常运转时，如图1所示两侧间隙相同，同为0.2mm，密封座高压区A的压强相同，径向作用面积也相同，故密封装置高压区A产生的径向力F1、F2大小相同，方向相反，合力为零；

即：F1＝F2

上述密封件在转子未偏心时，高压密封齿与转子间隙相同，密封座高压区A的高压气体通过密封齿间隙，产生相同的压降0.5MPa，故高压密封齿后紧邻腔室内部压强相同，作用面积相同，故在密封件高压区B1产生的径向压力也相同；又由于此腔室与密封件背部的压力相通，故密封件背部区B2产生的径向压力F3、F4大小相同，大小相反，合力为零。

即：F3＝F4

上述密封件中压区C、密封件低压区D、密封座低压区E由于没有径向阻隔片的阻挡，且腔室径向深度可适当加深，利于周向均压，故其径向、轴向合力均为零。

由上述可知，转子-密封系统中五个区的径向合力全为零，密封件为与密封座之间没有相对运动的趋势，即便是存在正压力及摩擦系数μ，也不满足摩擦力生成的必要条件，故密封件与密封座之间的摩擦力f为零。

即：f＝0

转子未偏心时密封时：自同心平衡力＝径向压差合力F-最大摩擦力f＝0

故上述转子-密封系统的自同心平衡力也为零，密封件与密封座之间保持合理间隙，相对静止，保持良好的密封性能。

转子8一旦相对于密封件偏心，如图2所示，偏心侧高压区密封齿间隙减少为0.1mm，而相对侧间隙增大至0.3mm；在相同条件下，间隙小处压降大，间隙大处压降小，故偏心侧压降较大，降低0.7MPa，而相对侧压降较小仅降低了0.5MPa，故偏心侧与相对侧存在0.2MPa压差，B2区压力>B1区压力，压差在两片径向阻隔片之间的空隙传递到密封件背区域B3、B4处，故B4区压力>B3区压力，且压差在径向阻隔片的作用下无法周向连通，故压差力得以保持，并作用在密封件背部，产生径向压差力。

径向压差合力F＝F3-F4

密封座高压区A、密封件中压区C、密封件低压区D及密封座低压区E结构相似，周向没有径向阻隔片的阻挡，周向均压，且密封件中压区C及低压区D腔室径向深度比传统迷宫密封腔室更深，更利于周向均压，所以各腔室内部压力相同，则其径向力大小相同，且方向相反，故四个区域的径向合力全部为零。

对上述转子密封系统从轴向力的角度分析：转子-密封系统内，密封件中B、C、D区各腔室内部压强相同，轴向作用面积相同，故其在三个区的腔室内产生的轴向压力大小相同，方向相反，轴向合力为零；但密封座高压区A轴向压力由于在轴向只有一侧有作用面积，另一侧完全与进气口相通，密封座低压区类似于高压区的受力情况，只有单侧有作用面积，且作用面积相同，进气口与出气口的压差就是其产生轴向压力的原因，压差力作用在密封件与密封座之间，为径向摩擦力提供了正压力F_正压。

当正压力满足，密封件与密封座之间也并非绝对光滑，存在摩擦系数μ，故密封件与密封座之间存在摩擦力。

且最大摩擦力f＝F_正压μ

当密封件背部B3、B4区产生的径向产生的压差合力克服密封件与密封座之间的最大摩擦力，使密封件也向转子偏心的方向移动，从而避免碰磨，保持极小密封间隙，从而提供更大的经济效益。

转子偏心时：自同心平衡力＝径向压差合力F-最大摩擦力f。

Claims (4)

1.一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置，其特征在于：包括密封件和密封座，密封座对密封件产生轴向移动的约束，使密封件仅能在径向力的作用下径向偏移；所述密封件的组成由高压侧到低压侧依次为C型密封环、高压密封环、径向阻隔片、低压密封环、滚珠固定环及多个周向排列的滚珠，所述径向阻隔片与高压密封环、低压密封环及滚珠固定环焊接固定，间隔5～15°均布，把高压密封环、低压密封环和密封座之间形成的周向空腔分隔为多个独立腔室，形成周向迷宫密封。

2.如权利要求1所述的一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置，其特征在于：低压密封环和滚珠固定环与密封座相邻面之间通过滚珠隔开。

3.如权利要求1所述的一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置，其特征在于：所述的滚珠为氮化硅滚珠。

4.如权利要求1所述的一种中间引气提供自同心平衡力的密封装置，其特征在于：所述的滚珠固定环为碳精环。