CN106949245A - 一种自止旋收敛型旋转密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自止旋收敛型旋转密封结构，包括静子内环和静子外环，静子外环的内表面与静子内环的外表面之间存在高压止旋腔，静子外环的内表面具有若干密封齿。静子内环具有低压止旋腔和止旋射流孔。止旋射流孔存在射流角30°≤α≤60°，在低压止旋腔内形成于旋转部件旋转方向相反的高速射流。静子内环上的迷宫环形腔、袋型腔、圆孔腔、六边形蜂窝腔等结构形式的收敛型密封腔的腔室深度沿流动方向逐渐减小。静子内环上的密封腔的上游密封齿具有齿顶凹槽。静子内环上的密封腔与旋转部件的外表面之间的收敛型密封间隙沿流动方向线性减小。本发明能够有效地减小密封腔室内的周向旋流，增大旋转密封的有效阻尼和有效刚度，增强转子系统的静态和动态稳定性。

Description

一种自止旋收敛型旋转密封结构

技术领域：

本发明涉及一种旋转密封结构，特别涉及一种叶轮机械转子系统使用的具有控制泄漏、抑振增稳作用的自止旋收敛型旋转密封结构。

背景技术：

叶轮机械中转动部件与静止部件之间的工质泄漏是其主要的损失来源之一，旋转密封能够控制通过动静间隙从高压区向低压区的泄漏流动，有效地减小泄漏量和泄漏流动对主流的影响，对叶轮机械运行效率具有显著地影响。目前常用的旋转密封结构有迷宫密封、蜂窝密封、孔型密封、袋型阻尼密封和刷式密封。

虽然旋转密封能够减小动静间隙泄漏量、提高透平机械运行效率，但旋转密封在控制工质泄漏流动的同时，由于转子系统的偏心涡动和密封内非定常泄漏流动，还会产生非常重要的气流激振力，从而影响着透平机械转子系统的稳定性。目前对于透平机械中的气流激振力来源，比较公认的有三个方面：密封气流激振力、叶顶间隙激振力和作用在转子上的静态气流力。而密封气流激振力诱发的自激振动是导致透平机械轴系失稳的重要因素。由于密封内气流激振力诱发的自激振动为转子的正向进动，不能用动平衡的方法消除，面对密封气流激振引起的透平机械转子失稳问题，目前研究工作者主要通过研制和更换先进的阻尼轴承结构和旋转阻尼密封结构、调整动静间隙、安装进口止涡装置(如进口防旋板)等措施来解决。

研究表明：旋转密封内的气流激振力对轴系稳定性的影响与密封的转子动力特性(有效刚度和有效阻尼)有关，这一气流激振力可能抑制转子振动，也可能诱发转子失稳，而旋转密封进口和腔室内的周向旋流、以及密封进出口间隙比对密封转子动力特性具有显著影响。

由于叶栅通道的导流，以及轴、轮盘等旋转部件的旋转，工质在密封进口和腔室内具有很大的周向旋流速度，正向旋流(与密封旋转面旋转速度同向)能够显著增大密封交叉刚度，减小密封有效阻尼；而反向旋流(与密封旋转面旋转速度反向)能够改变密封交叉刚度的符号，增大密封有效阻尼。减小密封进口和腔室内的正向旋流或增大反向旋流能够显著地提高旋转密封的有效阻尼，增强转子系统的稳定性。

密封进出口间隙比是指密封进口间隙泄漏面积与出口间隙泄漏面积之比。研究表明：收敛型密封间隙(进出口间隙比<1)能够增大密封正有效刚度，但会使有效阻尼减小；发散型密封间隙(进出口间隙比>1)增大密封有效阻尼，但会产生负的有效刚度。而转子-密封系统的稳定性不但与密封有效阻尼有关，还受有效刚度的影响。

目前工程应用中通过采用具有发散型密封间隙的蜂窝密封、孔型密封和袋型密封等阻尼密封代替传统迷宫密封，并在密封进口安装防旋板或止旋射流器的方法，有效地减小转子振动幅值，但往往达不到完全消除转子振动失稳的目的。这主要是由于发散形密封间隙会产生负的有效刚度，引起转子系统的临界转速降低；进口防旋板和止旋射流器虽能够减小密封进口旋流速度，但对密封转子面旋转引起的密封腔室旋流抑振作用有限(特别是对于大型叶轮机械的轴端长密封而言)，并不能从根本上改善旋转密封转子动力特性，解决转子振动失稳问题。同时，发散型的密封间隙使密封泄漏量增大，降低了密封的封严性能；密封进口止旋射流器需单独的高压气源和通道，使密封结构复杂，增大了制造成本。

因此，研发能够有效减小密封进口以及密封腔室内正向旋流速度，同时具有较大的有效刚度和有效阻尼的新型旋转密封结构对改善密封转子动力特性、提高转子稳定性具有重要的工程应用价值。

发明内容：

本发明的目的在于针对叶轮机械对减小动静间隙泄漏量、提高运行效率，以及增大旋转密封有效刚度和有效阻尼、提高轴系稳定性的要求，提供了一种具有止旋腔室、止旋射流孔、收敛型密封间隙和收敛型腔室深度的自止旋收敛型旋转密封结构，使其能够有效地增大密封有效刚度和有效阻尼，同时保证较好的密封封严性能，从而解决叶轮机械转子系统静态和动态失稳问题，提高叶轮机械运行效率和稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种自止旋收敛型旋转密封结构，该旋转密封结构包括由内至外依次设置在旋转部件周向上的静子内环和静子外环；其中，

静子外环的内表面上加工有若干密封齿结构；

静子外环上的密封齿结构与静子内环的外表面之间存在径向间隙，且径向间隙的宽度大于静子内环与旋转部件之间存在的密封间隙的宽度；

静子外环的内表面与静子内环的外表面之间形成的环形腔室被密封齿结构分割为若干高压止旋腔；

高压止旋腔与旋转密封结构的高压端相连，每个高压止旋腔内的压力通过密封齿结构的个数、位置、形状和径向间隙调节；

静子内环安装在静子外环上，静子内环靠近旋转部件的表面上开设有密封腔，且密封腔与旋转部件组成工质的泄漏通道，工质从高压端流向低压端；

静子内环靠近旋转部件的表面上还开设有若干环形的低压止旋腔，且低压止旋腔布置在轴向相邻的两个密封腔之间，低压止旋腔内的压力小于对应的高压止旋腔内的压力；

静子内环上开设有连通高压止旋腔和低压止旋腔的止旋射流孔；

高压止旋腔、低压止旋腔和止旋射流孔构成了高速止旋射流通道，工质通过止旋射流孔，从高压止旋腔流入低压止旋腔，形成高速射流。

本发明进一步的改进在于，止旋射流孔沿静子内环的周向等弧度布置，其数量为4的倍数，止旋射流孔的中心线与半径方向存在射流角α，且有30°≤α≤60°，在低压止旋腔内形成的高速射流具有与旋转部件旋转方向相反的周向速度。

本发明进一步的改进在于，止旋射流孔呈等截面圆柱型、收缩圆锥形或者缩放双曲型，其加工截面为圆、椭圆或者狭缝。

本发明进一步的改进在于，静子内环上的密封腔具有迷宫环形腔结构、袋型腔结构、圆孔腔结构或者六边形蜂窝腔结构。

本发明进一步的改进在于，迷宫环形腔结构的密封腔采用沿流动方向逐渐减小的密封齿的密封间隙，以及密封腔上游密封齿的齿顶凹槽，共同作用形成收敛型密封间隙，且密封间隙收敛角为0°≤β≤15°；

袋型腔结构的密封腔的密封齿与旋转部件的外表面之间的密封间隙沿流动方向恒定不变，采用在密封腔上游密封齿的开设齿顶凹槽的方法，形成收敛型密封间隙；

圆孔腔结构和六边形蜂窝腔结构的密封腔均采用在密封腔内表面切削具有收敛角β斜面的方法，使密封间隙沿流动方向线性减小，形成收敛型密封间隙，且密封间隙收敛角0°≤β≤15°。

本发明进一步的改进在于，密封腔的腔室深度沿流动方向逐渐减小，形成收敛型密封腔，根据腔室深度沿流动方向减小规律的不同，收敛型密封腔分为直线收缩型、二次曲线收缩型和余弦曲线收缩型。

本发明进一步的改进在于，迷宫环形腔结构的密封腔采用切削静子内环内表面的加工方法，或者采用在静子内环的内表面上镶嵌金属薄片的加工方法，形成密封齿、密封腔和低压止旋腔；

袋型腔结构和圆孔腔结构的密封腔采用切削静子内环内表面的加工方法，获得环形的低压止旋腔；

六边形蜂窝腔结构的密封腔采用切削静子内环内表面的加工方法，加工出环形低压止旋腔室和焊接面，且焊接面的半径沿流动方向逐渐减小，并采用将楔形蜂窝板焊接在静子内环上的焊接面的方法获得密封腔。

本发明进一步的改进在于，密封腔与旋转部件的外表面之间的密封间隙沿流动方向线性减小，形成收敛型密封间隙。

本发明进一步的改进在于，静子内环上的密封腔为迷宫环形腔结构或者袋型腔结构时，在密封腔的上游密封齿上开设有齿顶凹槽，且低压止旋腔轴向长度小于密封腔轴向长度；

齿顶凹槽沿周向等弧度布置，其数量为4的倍数，齿顶凹槽形状分为矩形和扇形两种，且齿顶凹槽形状为矩形或者扇形。

本发明进一步的改进在于，静子内环上的密封腔为圆孔腔结构或者六边形蜂窝腔结构时，低压止旋腔轴向长度为1-2倍的圆孔直径或蜂窝芯格的外接圆直径。

本发明具有如下的有益效果：

本发明的总体技术思路是针对传统旋转密封，引入一个密封静子外环和密封静子内环，静子外环内表面与静子内环外表面间形成一个环形高压止旋腔室。静子内环的内表面沿流动方向布置数排环形低压止旋腔室。在静子内环上，高压止旋腔和低压止旋腔之间，沿周向等弧度布置若干止旋射流孔，射流孔的射流角方向与转子旋转方向相反。工质在高、低压止旋腔压差作用下通过静子内环上的止旋射流孔进入低压止旋腔和密封泄漏通道中，形成与转子旋转方向相反的高速射流，从而减小或消除密封腔室内的正向旋流、甚至获得反向旋流。从而达到减小密封腔室的正旋流、增大反向旋流，减小密封交叉刚度，增大密封有效阻尼的目的。

进一步，通过在密封腔上游密封齿上开设齿顶凹槽、以及在密封腔内表面加工具有一定收敛角的斜面的方法，使密封间隙沿流动方向线性减小，形成收敛型密封间隙。对密封腔采用沿流动方向逐渐减小腔室深度的方法，形成收敛型的密封腔。从而达到既增大有效刚度，又保证封严性能的目的。

进一步，通过止旋腔和止旋射流孔、以及收敛型密封间隙和收敛型密封腔室的共同作用，达到同时增大密封有效刚度和有效阻尼，提高转子系统稳定性的目的。

进一步，本发明通过安装密封静子外环和静子内环，以及高压止旋腔、低压止旋腔和止旋射流孔，形成高速止旋射流通道；通过在密封腔上游密封齿开设齿顶凹槽、以及在密封腔内表面加工具有一定收敛角的斜面，形成收敛型密封间隙；密封腔采用沿流动方向逐渐减小的腔室深度，形成收敛型密封间隙。具体特征包括：

(1)密封静子外环结构。密封静子外环结构在叶轮机械中可安装于轴密封、叶顶密封、隔板密封、叶轮入口密封、平衡密封等处。密封静子外环结构和静子内环结构为独立部件，静子外环可做为静子内环的支撑部件，二者通过螺栓连接，同轴配合安装。静子外环内部表面和静子内环外表面之间形成一个环形腔室，该环形腔室与旋转密封的高压端相连，称为高压止旋腔。静子外环内表面布置有若干密封齿结构，密封齿顶与静子内环外表面间存在一个比旋转密封间隙偏大的径向间隙，将高压止旋腔分割为若干压力不同的独立的高压止旋腔。

(2)密封静子内环结构。密封静子内环结构通过螺栓安装于静子外环，二者同轴配合安装。静子内环内表面上的密封腔与旋转部件外表面构成了工质流体的泄漏通道，对工质的流动进行控制。旋转部件可为转轴、叶片、轮盘等。静子内环内表面上的密封腔可采用迷宫环形腔结构、袋型腔结构、圆孔腔结构或六边形蜂窝腔结构。在静子内环的内表面布置有环形止旋腔室，该止旋腔室内压力低于高压止旋腔，称为低压止旋腔。在密封静子内环上布置有连接高压止旋腔和低压止旋腔的射流孔，该射流孔具有一定的射流角，出口射流方向与转子面旋转方向相反，称为止旋射流孔。高压止旋腔、止旋射流孔、低压止旋腔构成了高速止旋射流的通道，可实现对密封腔和泄漏通道内正向旋流的抑制，和反向旋流的促进。

(3)高压止旋腔结构。高压止旋腔结构是由密封静子外环的内表面和静子内环的外表面构成的环形腔室。高压止旋腔与旋转密封的高压端相连，被静子外环内表面上的密封齿结构分割为若干独立的止旋腔。通过静子外环内表面密封齿结构的不同布置形式可实现对各高压止旋腔压力的调节。

(4)低压止旋腔结构。低压止旋腔结构是布置在密封静子内环内表面的轴向排列的若干环形腔室。对于密封腔为迷宫环形腔或袋型腔结构的静子内环而言，低压止旋腔为相邻密封齿组成的环形腔室，为节省轴向空间，该低压止旋腔轴向长度小于密封腔室轴向长度。对于密封腔为圆孔腔或六边形蜂窝腔结构的静子内环而言，低压止旋腔结构为开设在静子内环内表面的环形沟槽，其轴向长度为1-2个圆孔或六边形芯格的直径。

(5)止旋射流孔结构。止旋射流孔结构是布置在静子内环上，连接高压止旋腔和低压止旋腔的管状通道。止旋射流孔的中心线与径向存在一定的夹角，即射流角，使出口射流与转子旋转方向相反。止旋射流孔分为等截面圆柱型、收缩圆锥型和缩放双曲线等三种形式，加工截面可为圆、椭圆和狭缝三种。

(6)收敛型密封间隙结构。收敛型密封间隙结构是指密封静子内环内表面的密封腔上游密封间隙比下游密封间隙更大。为形成收敛型密封间隙结构：对于密封腔为迷宫环形腔结构的静子内环而言，通过在密封腔内表面加工具有一定收敛角的斜面，以及在某些密封腔上游密封齿上开设齿顶凹槽的方法，使密封间隙沿流动方向线性减小，形成收敛型密封间隙；对于密封腔为袋型腔结构的静子内环而言，通过在每个密封腔上游密封齿上开设齿顶凹槽的方法，使密封间隙沿流动方向线性减小，形成收敛型密封间隙；对于密封腔为圆孔腔或六边形蜂窝腔结构的静子内环而言，通过在密封腔内表面加工具有一定收敛角的斜面的方法，使密封间隙沿流动方向线性减小，形成收敛型密封间隙。

(7)收敛型密封腔室结构。收敛型密封腔室结构是指密封静子内环内表面的上游密封腔室深度比下游密封腔室深度更大。腔室深度沿流动方向是逐渐减小的，减小的规律可为直线收缩型、二次曲线收缩型、余弦曲线收缩型等。

综上所述，本发明的自止旋收敛型旋转密封结构，可有效地减小旋转密封泄漏通道内的正向旋流、增大反向旋流，显著增大旋转密封的有效阻尼和有效刚度，改善密封转子动力特性，提高转子系统稳定性。本发明的旋转密封结构对目前叶轮机械中的各类动静间隙具有普遍适用性，可代替传统密封结构安装在轴端、叶顶、隔板和级间等位置，增强转子系统的稳定性。可应用于压气机、燃气透平、蒸汽透平和泵等多种叶轮机械。

附图说明：

图1是本发明的旋转密封静子外环结构和静子内环结构在多级离心压气机中的相对配合安装位置示意图；

图2是本发明的旋转密封的三维结构图；(图2a：迷宫环形腔结构密封腔；图2b：袋型腔结构密封腔；图2c：圆孔腔结构密封腔；图2d：六边形蜂窝腔结构密封腔；)

图3是本发明的旋转密封的子午面剖视图；(图3a：迷宫环形腔结构密封腔；图3b：袋型腔结构密封腔；图3c：圆孔腔结构密封腔；图3d：六边形蜂窝腔结构密封腔；)

图4a是本发明的旋转密封的六边形蜂窝板周向展开图，图4b是本发明的旋转密封的子午面剖视图；

图5是本发明的旋转密封静子内环的低压止旋腔轴向剖视图；

图6a是本发明的旋转密封静子内环的等截面圆柱型止旋射流孔局部剖视图，图6b是本发明的旋转密封静子内环的收缩圆锥型止旋射流孔局部剖视图，图6c是本发明的旋转密封静子内环的缩放双曲型止旋射流孔局部剖视图，图6d是图6a的B-B剖面图，图6e是图6b的B-B剖面图，图6f是图6c的B-B剖面图；

图7a是本发明的旋转密封静子内环的矩形齿顶凹槽示意图，图7b是本发明的旋转密封静子内环的扇形齿顶凹槽示意图。

图中：1-旋转部件，2-静子内环，3-静子外环，4-旋转密封结构，5-内表面，6-外表面，7-高压止旋腔，8-密封齿结构，9-低压止旋腔，10-止旋射流孔，11-上游密封齿，12-齿顶凹槽，13-密封腔，14-周向挡板，15-径向间隙，16-密封间隙，17-外表面，18-腔室径向深度，19-焊接面，20-蜂窝板。

具体实施方式：

以下结合附图和技术原理对本发明作进一步的详细说明。

本发明的具体结构参见附图1～7，设计思路如下：

参见图1，本发明提供的一种自止旋收敛型旋转密封结构，该旋转密封结构4包括静子外环3和静子内环2，二者同轴安装。本发明的旋转密封结构4的静子外环3可代替传统密封结构安装在轴端、叶顶、隔板和级间等位置，增强转子系统的稳定性。静子内环2通过螺栓安装在静子外环3上。静子内环2与旋转部件1组成工质的泄漏通道。

参见图2，本发明的旋转密封结构4的静子外环3和静子内环2采用独立加工，螺栓组装的加工方法。为便于安装，静子外环3和静子内环4均可加工为等弧度的2～6块。

参见图2和图3，本发明的旋转密封结构4的静子外环3的内表面5上具有若干的密封齿结构8。密封齿结构8可采用切削静子外环3的内表面5的加工方法，也可采用在静子环3的内表面5上镶嵌金属薄片的加工方法。

参见图2和图3，本发明的旋转密封结构4的静子外环3的内表面5与静子内环2的外表面6、密封齿结构8组成了若干环形的高压止旋腔7。密封齿结构8的齿顶与静子内环2的外表面6存在径向间隙15。高压止旋腔7与密封高压端相连，腔内压力可通过密封齿结构8的数目、位置、齿形以及径向间隙15进行调节。

参见图2和图3，本发明的旋转密封结构4的静子内环2具有环形的低压止旋腔9和止旋射流孔10。止旋射流孔10连通着高压止旋腔7和低压止旋腔9，形成了高速止旋射流的通道。低压止旋腔9布置在轴向相邻的两个密封腔13之间，低压止旋腔9个数根据密封轴向长度和止旋效果确定，且低压止旋腔9内的压力小于对应的高压止旋腔7内的压力。

参见图2和图3，本发明的旋转密封结构4的静子内环2上的密封腔结构13可采用多种形式：图2a和图3a所示的迷宫环形腔结构的密封腔13；图2b和图3b所示的袋型腔结构的密封腔13；图2c和图3c所示的圆孔腔结构的密封腔13；图2d和图3d所示的六边形蜂窝腔结构的密封腔13。静子内环2上的密封腔13的腔室径向深度18沿流动方向逐渐减小，形成收缩型密封腔13。根据密封腔13的腔室深度18沿流动方向减小规律的不同，密封腔13可分为：直线收缩型，二次曲线收缩型，余弦曲线收缩型。

参见图2和图3，本发明的旋转密封结构4的静子内环2与旋转部件1的外表面17间的径向密封间隙16沿流动方向是线性减小的，形成收敛型的密封间隙结构16。β(0°≤β≤15°)为密封间隙16的收敛角，决定了密封腔13上下游的密封间隙比。径向间隙15具有比密封间隙16更大的值。

参见图2a和图3a，本发明的旋转密封结构4的静子内环2上的密封腔13选择迷宫环形腔结构时：低压止旋腔9具有与密封腔13相同的结构，均为周向贯通的环形腔室。低压止旋腔9和密封腔13可采用切削静子内环2内表面的方法，或采用在静子内环2的内表面上镶嵌金属薄片的方法，加工获得。低压止旋腔9轴向长度小于密封腔13轴向长度。静子内环2上的某些密封腔13的上游密封齿结构11的顶部开设有齿顶凹槽结构12。齿顶凹槽12可进一步增大密封腔13上游的密封间隙16的值，使收敛型密封间隙16的进出口间隙比更大，效果更显著。

参见图2b和图3b，本发明的旋转密封结构4的静子内环2上的密封腔13选择袋型腔结构时：密封腔13内具有沿周向等弧度布置的若干个周向挡板14，将密封腔13分割成袋型腔室。密封腔13的密封齿11与旋转部件1的外表面(17)之间的密封间隙16沿流动方向恒定不变。通过在每个密封腔13的上游密封齿11的齿顶开设齿顶凹槽12，使上游密封间隙大于下游密封间隙，获得收敛型的密封间隙16。周向挡板14的个数和齿顶凹槽12的个数相同，可取8,12,16,24,……等4的倍数，沿周向等弧度布置。低压止旋腔9和密封腔13均采用切削静子内环2内表面的加工方法。低压止旋腔9轴向长度小于密封腔13轴向长度。

参见图2c和图3c，本发明的旋转密封结构4的静子内环2上的密封腔13选择圆孔腔结构时：低压止旋腔9采用切削静子内环2内表面的加工方法，加工出环形腔室。密封腔13采用在静子内环2内表面切削孔的加工方法，加工出腔室深度18沿流动方向逐渐减小的圆形孔。低压止旋腔9的轴向长度为1-2个圆孔型密封腔13的直径。采用在静子内环2的密封腔13上加工具有一定收敛角β(0°≤β≤15°)的斜面，获得收敛型的密封间隙16。

参见图2d、图3d和图4a、图4b，本发明的旋转密封结构4的静子内环2上的密封腔13选择六边形蜂窝腔结构时：低压止旋腔9采用切削静子内环2内表面的加工方法，加工出环形腔室。静子内环2内表面采用切削加工方法加工有焊接面19。焊接面19的半径沿流动方向逐渐减小。密封腔室13采用将六边形芯格蜂窝板20焊接在静子内环2上的焊接面19的方法获得。将蜂窝板20的子午面(E-E剖面)加工成如图4b所示的楔形，与静子内环2的焊接面19配合形成腔室深度18沿流动方向逐渐减小的收敛型密封腔13，与旋转部件1的外表面17配合形成沿流动方向线性减小的收敛型密封间隙16。低压止旋腔9的轴向长度为1-2个六边形蜂窝腔密封腔13的外接圆直径。

参见图5，本发明的旋转密封结构4的静子内环2上布置有连通高压止旋腔7和低压止旋腔9的止旋射流孔10。止旋射流孔10沿周向等弧度布置，个数为4,8,12,……等4的倍数。止旋射流孔10的中心线与半径方向存在一个夹角，即射流角α(30°≤α≤60°)，使进入低压止旋腔9的高速射流具有与旋转部件1旋转方向相反的周向速度，达到减小密封腔室13内周向旋流的目的。

参见图5，本发明的旋转密封结构4的静子内环2上的密封腔13选择迷宫环形腔结构(如图2a和图3a所示)或袋型腔结构(如图2b和图3b所示)时：在密封腔13的上游密封齿11的齿顶开设有齿顶凹槽12。齿顶凹槽12沿周向等弧度布置，个数为8,12,16,24,……等4的倍数。

参见图6a至图6d，静子内环2上的止旋射流孔10的垂直于中心线的截面(B-B截面)可加工成圆、椭圆、狭缝三种形状。截面面积从高压止旋腔7到低压止旋腔9，沿中心线方向具有等截面、收缩截面和缩放截面三种变化规律，相应的止旋射流孔10可加工成等截面圆柱型、收缩圆柱型和缩放双曲型三种形式。

参见图7a和图7b，密封齿11的齿顶凹槽12具有矩形和扇形两种形状。

本发明的技术原理如下：

参见图1，在叶轮机械中，由于旋转部件1(如转子、叶轮、轮盘等)的旋转、以及叶栅通道的偏转等作用，进入旋转密封4的工质具有与旋转部件旋转方向相同的周向旋流速度。工质进入旋转密封4后的，受旋转部件1的旋转作用，其周向旋流速度会进一步增大。

研究表明：密封腔室内的正旋流(与旋转部件旋转方向相同)会增大旋转密封的交叉刚度，减小有效阻尼，使转子发生振动失稳；而通过减小密封腔室正旋流、增大反向旋流(与旋转部件旋转方向相反)可增大旋转密封的有效阻尼，增强转子系统的稳定性。本发明的旋转密封结构4通过引入高压止旋腔7、低压止旋腔9和止旋射流孔10组成的高速止旋射流通道，抑制密封腔室内的正向旋流，引导工质在密封腔内反向旋转，达到减小密封交叉刚度，增大有效阻尼，改善旋转密封转子动力特性、增强转子稳定性的目的。

本发明的旋转密封结构4的高压止旋腔7与密封高压端相连，高压止旋腔7的压力大于低压止旋腔9的压力，且可通过密封齿结构8进行调节。高压止旋腔7内高压工质，流经止旋射流孔10时，压力减小、速度增大(压力能转化为动能)。止旋射流孔10通过射流角α引导射流方向，在低压止旋腔9内形成于转子旋转方向相反的高速射流，从而减小密封腔13内的正向旋流、增大反向旋流。

研究表明：发散型的密封间隙能够增大密封的阻尼，但会形成负的有效刚度；而收敛型的密封间隙能够产生显著的正有效刚度，但会减小密封的有效阻尼。负有效刚度会降低轴系的一阶临界转速，对轴系稳定是不利的。本发明的旋转密封结构4引入收敛型密封间隙16和收敛型密封腔13，达到增大正有效刚度的目的。

本发明的旋转密封结构4的静子内环2上的密封腔室13的腔室深度18沿流动方向逐渐减小，形成收敛型密封腔13。对于迷宫环形腔结构、圆孔腔结构和六边形蜂窝腔结构的密封腔13，密封间隙16沿流动方向逐渐减小，形成收敛型密封间隙16。对于袋型腔结构的密封腔13，通过在密封腔13上游密封齿11上开设齿顶凹槽12，形成收敛型密封间隙16。

因此，本发明的旋转密封结构4通过引入高压止旋腔7、低压止旋腔9和止旋射流孔10，以及收敛型密封间隙16和收敛型密封腔室13，达到同时增大有效阻尼和有效刚度的目的，改善密封转子动力特性，提高轴系稳定性。

数值模拟结果已初步证明了本发明的旋转密封结构4能够有效地提高密封有效刚度和有效阻尼，改善密封转子动力特性。

Claims (10)

1.一种自止旋收敛型旋转密封结构，其特征在于，该旋转密封结构(4)包括由内至外依次设置在旋转部件(1)周向上的静子内环(2)和静子外环(3)；其中，

静子外环(3)的内表面(5)上加工有若干密封齿结构(8)；

静子外环(3)上的密封齿结构(8)与静子内环(2)的外表面(6)之间存在径向间隙(15)，且径向间隙(15)的宽度大于静子内环(2)与旋转部件(1)之间存在的密封间隙(16)的宽度；

静子外环(3)的内表面(5)与静子内环(2)的外表面(6)之间形成的环形腔室被密封齿结构(8)分割为若干高压止旋腔(7)；

高压止旋腔(7)与旋转密封结构(4)的高压端相连，每个高压止旋腔(7)内的压力通过密封齿结构(8)的个数、位置、形状和径向间隙(15)调节；

静子内环(2)安装在静子外环(3)上，静子内环(2)靠近旋转部件(1)的表面上开设有密封腔(13)，且密封腔(13)与旋转部件(1)组成工质的泄漏通道，工质从高压端流向低压端；

静子内环(2)靠近旋转部件(1)的表面上还开设有若干环形的低压止旋腔(9)，且低压止旋腔(9)布置在轴向相邻的两个密封腔(13)之间，低压止旋腔(9)内的压力小于对应的高压止旋腔(7)内的压力；

静子内环(2)上开设有连通高压止旋腔(7)和低压止旋腔(9)的止旋射流孔(10)；

高压止旋腔(7)、低压止旋腔(9)和止旋射流孔(10)构成了高速止旋射流通道，工质通过止旋射流孔(10)，从高压止旋腔(7)流入低压止旋腔(9)，形成高速射流。

2.根据权利要求1所述的一种自止旋收敛型旋转密封结构，其特征在于，止旋射流孔(10)沿静子内环(2)的周向等弧度布置，其数量为4的倍数，止旋射流孔(10)的中心线与半径方向存在射流角α，且有30°≤α≤60°，在低压止旋腔(9)内形成的高速射流具有与旋转部件(1)旋转方向相反的周向速度。

3.根据权利要求1所述的一种自止旋收敛型旋转密封结构，其特征在于，止旋射流孔(10)呈等截面圆柱型、收缩圆锥形或者缩放双曲型，其加工截面为圆、椭圆或者狭缝。

4.根据权利要求1所述的一种自止旋收敛型旋转密封结构，其特征在于，静子内环(2)上的密封腔(13)具有迷宫环形腔结构、袋型腔结构、圆孔腔结构或者六边形蜂窝腔结构。

5.根据权利要求4所述的一种自止旋收敛型旋转密封结构，其特征在于，迷宫环形腔结构的密封腔(13)采用沿流动方向逐渐减小的密封齿(11)的密封间隙(16)，以及密封腔(13)上游密封齿(11)的齿顶凹槽(12)，共同作用形成收敛型密封间隙，且密封间隙收敛角为0°≤β≤15°；

袋型腔结构的密封腔(13)的密封齿(11)与旋转部件(1)的外表面之间的密封间隙(16)沿流动方向恒定不变，采用在密封腔(13)上游密封齿(11)的开设齿顶凹槽(12)的方法，形成收敛型密封间隙；

圆孔腔结构和六边形蜂窝腔结构的密封腔(13)均采用在密封腔(13)内表面切削具有收敛角β斜面的方法，使密封间隙(16)沿流动方向线性减小，形成收敛型密封间隙，且密封间隙收敛角0°≤β≤15°。

6.根据权利要求4所述的一种自止旋收敛型旋转密封结构，其特征在于，密封腔(13)的腔室深度(18)沿流动方向逐渐减小，形成收敛型密封腔，根据腔室深度(18)沿流动方向减小规律的不同，收敛型密封腔(13)分为直线收缩型、二次曲线收缩型和余弦曲线收缩型。

7.根据权利要求4所述的一种自止旋收敛型旋转密封结构，其特征在于，迷宫环形腔结构的密封腔(13)采用切削静子内环(2)内表面的加工方法，或者采用在静子内环(2)的内表面上镶嵌金属薄片的加工方法，形成密封齿(11)、密封腔(13)和低压止旋腔(9)；

袋型腔结构和圆孔腔结构的密封腔(13)采用切削静子内环(2)内表面的加工方法，获得环形的低压止旋腔(9)；

六边形蜂窝腔结构的密封腔(13)采用切削静子内环(2)内表面的加工方法，加工出环形低压止旋腔室(9)和焊接面(19)，且焊接面(19)的半径沿流动方向逐渐减小，并采用将楔形蜂窝板(20)焊接在静子内环(2)上的焊接面(19)的方法获得密封腔(13)。

8.根据权利要求1所述的一种自止旋收敛型旋转密封结构，其特征在于，密封腔(13)与旋转部件(1)的外表面(17)之间的密封间隙(16)沿流动方向线性减小，形成收敛型密封间隙。

9.根据权利要求1所述的一种自止旋收敛型旋转密封结构，其特征在于，静子内环(2)上的密封腔(13)为迷宫环形腔结构或者袋型腔结构时，在密封腔(13)的上游密封齿(11)上开设有齿顶凹槽(12)，且低压止旋腔(9)轴向长度小于密封腔(13)轴向长度；

齿顶凹槽(12)沿周向等弧度布置，其数量为4的倍数，齿顶凹槽(12)形状分为矩形和扇形两种，且齿顶凹槽(12)形状为矩形或者扇形。

10.根据权利要求1所述的一种自止旋收敛型旋转密封结构，其特征在于，静子内环(2)上的密封腔(13)为圆孔腔结构或者六边形蜂窝腔结构时，低压止旋腔(9)轴向长度为1-2倍的圆孔直径或蜂窝芯格的外接圆直径。