CN107269848B - 基于磁控形状记忆效应的箔片端面气膜密封结构 - Google Patents

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Abstract

基于磁控形状记忆效应的箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；带箔片端面的密封环包括圆环状的环本体1、扇形磁控形状记忆合金块2、环形箔片3，环本体的圆环形凹面上开有若干个依照旋转中心对称分布的扇形槽11，每个扇形槽11中放入与扇形槽间隙配合的扇形磁控形状记忆合金块2；环形箔片3分为外环形箔片31和内环形箔片32，内环形箔片32的下表面与扇形磁控形状记忆合金块的上表面接触，内环形箔片32的上表面为楔形面，楔形面的内圆周面在密封处于静止状态时低于密封坝平面，而在密封处于运行状态时受磁控形状记忆合金块2的形变作用产生微米级振幅的高频颤振，并在振幅最大时与密封坝平面齐平，楔形面的外圆周面始终低于密封坝平面。

Description

基于磁控形状记忆效应的箔片端面气膜密封结构
(一)技术领域
本发明涉及一种机械气膜端面密封结构。
(二)背景技术
气膜端面密封作为一种气体润滑非接触式机械密封形式以其低泄漏、低功耗、长寿命等显著的性能优势在旋转机械的轴端密封上获得广泛应用，如压缩机、泵、反应釜及风机等旋转机械的轴端密封。众所周知，流体静压型密封是将密封环端面加工成锥面，借助流体静压效应，最终将密封端面打开实现非接触，比如美国专利US3701535、US4290613、US4792146、US20090047123等，但流体静压型密封运用到干气密封时端面气膜刚度较低，运行稳定性较差。
自然界中的蜂鸟和蜻蜓等依靠翅膀的高频颤振使之平稳地悬浮在空中，基于这种自然现象和仿生原理，参照目前已有关于箔片端面气膜密封方面的专利“CN204784722U”、“CN204692585U”等，将箔片端面的箔块在运行过程中可看做飞行鸟类的翼翅，若箔块在外力作用下能实现高频颤振，那么由于气体的挤压膜效应，密封端面气膜刚度也将有效增强，密封的稳定性因此得到显著提升。
(三)发明内容
为了解决目前静压型气体端面密封气膜刚度低，运行稳定性差，气膜自平衡自适应能力较弱的问题，本发明提供一种利用磁控形状记忆合金实现箔块振幅受限的高频颤振且具有高稳定性的箔片端面流体动静压型气膜密封结构。
本发明是通过以下技术方案来实现：
基于磁控形状记忆效应的箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是箔片端面，所述带箔片端面的密封环包括圆环状的环本体1、扇形磁控形状记忆合金块2、环形箔片3，环本体1外侧下凹形成圆环形凹面，环本体内侧凸起形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝12，所述圆环形凹面上开有若干个依照旋转中心对称分布的扇形槽11，每个扇形槽中放入与扇形槽间隙配合的扇形磁控形状记忆合金块2，所述扇形磁控形状记忆合金块2沿轴向的厚度大于所述扇形槽的深度；所述环形箔片3分为外环形箔片31和内环形箔片32，所述内环形箔片沿周向均匀分割成与扇形槽11数目相同且对应布置的扇形箔块33；所述外环形箔片31通过螺钉4与环本体1固定，固定后的内环形箔片32的下表面刚好与扇形磁控形状记忆合金块2的上表面接触，所述内环形箔片32的上表面为楔形面，所述楔形面的内圆周面在密封处于静止状态时低于密封坝12平面，而在密封处于运行状态时受磁控形状记忆合金块2的形变作用产生微米级振幅的高频颤振，并在振幅最大时与密封坝12平面齐平，所述楔形面的外圆周面始终低于密封坝12平面。
进一步，所述扇形磁控记忆合金块2的周向角度小于所述扇形槽周向角度0.05～0.5°，所述扇形磁控记忆合金块2的内径尺寸大于所述扇形槽11内径尺寸0.01～0.1mm，所述扇形磁控记忆合金块2的外径尺寸小于所述扇形槽11外径尺寸0.01～0.1mm。
进一步，密封处于静止状态时所述楔形面的内圆周面低于密封坝12平面0.5～3μm。密封处于静止状态时所述楔形面的内圆周面与外圆周面的高度差h的取值范围为1～5μm。密封处于运行状态时受扇形磁控形状记忆合金块2的作用，所述楔形面的内圆周面轴向振幅的取值范围为0.5～3μm。密封处于运行状态时受扇形磁控形状记忆合金块2的作用，所述楔形面的内圆周面轴向振动频率的取值范围为10～500Hz。
本发明所称的轴向是指动环和静环的旋转中心轴的方向。
磁控形状记忆合金作为一种新型的智能材料，兼具形状记忆效应和磁控形状记忆效应(磁控形状记忆效应是指奥氏体相在外加磁场的作用下产生马氏体相变而发生形状改变，之后通过加热或者去掉磁场的方式恢复到原有的奥氏体相，从而使得合金恢复到原来的形状)，不仅具有温控形状记忆合金输出应变大的特点，并且具有超磁致伸缩材料响应速度快，效率高和易于控制的优点。因此利用磁控形状记忆合金作为箔片的“外力推手”，在外界高频交变磁场的作用下，可使箔片端面上的箔块产生高频颤振，从而实现端面间强流体动压效应的同时，产生有利于气膜刚度提高的流体静压效应，实现气体密封的无磨损、高刚度、长寿命运行。
本发明的优点是：基于磁控形状记忆效应，创新提出箔片端面气膜密封结构，不仅能够提高现有干气密封的运行稳定性和抗干扰能力，提升干气密封对工作环境的自适应能力，而且能够消除转子密封件产生碰摩的危害性，特别适应轴向窜量大、工况波动频繁及高参数工况的场合。
本发明工作原理：
本发明提供的基于磁控形状记忆效应的箔片端面气膜密封结构，在环本体圆环形凹面上开有若干个依照旋转中心对称分布的扇形槽，扇形槽中放入与扇形槽为间隙配合的磁控形状记忆合金块，环形箔片通过螺钉与环本体装配后，环本体上的扇形箔块下表面与磁控形状记忆合金块的上表面完全接触，扇形磁控形状记忆合金块在外界高频磁场的作用下将发生轴向变频伸长，这种高频轴向微米级位移将快速的“托举”和“收放”驱动箔块，使每个扇形箔块沿轴向或气膜厚度方向产生高频微幅颤振。由于箔块的高频颤振，强化了端面间气体的挤压膜效应，使气膜刚度增大。施加不同频率和不同强度的高频交变磁场，箔块形变所产生的高频颤振频率和振幅不同，从而使箔片端面气体密封可以适应不同的工作环境和运行工况，具有强的自适应和自调控能力。磁场去掉后扇形磁控形状记忆合金块又会恢复原状，密封端面在高压工况下靠密封坝即可实现有效密封。
本发明具有以下有益效果：
提高密封运行的动态稳定性，具有抗扰动能力强、气膜动态刚度可控、泄漏小、可靠性高的特点，可适应轴向窜量大、工况波动频繁及高参数工况的场合，提升干气密封对工作环境的自适应能力，消除转子密封件产生碰摩的危害性，因此具有高稳定、低泄漏、无磨损、长寿命等优异性能。
(四)附图说明
图1为本发明的爆炸示意图。
图2为本发明的装配示意图。
图3(a)为本发明装配结构沿径向对称剖后的剖面结构示意图。
图3(b)为图3(a)中椭圆框区域A中结构的放大示意图。
图4为本发明中环本体的结构示意图。
图5为本发明中环形箔片的结构示意图。
图6(a)为本发明中扇形磁控形状记忆合金块的结构示意图。
图6(b)为本发明中扇形磁控形状记忆合金块在磁场作用后变形前后的结构示意图，图中带箭头线条表示磁力线，实线表示应变前的扇形磁控形状记忆合金块，虚线表示应变后的扇形磁控形状记忆合金块。
图7是图2的局部结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
图中，1-环本体；11-扇形槽；12-密封坝；2-扇形磁控形状记忆合金块；3-环形箔片；31-第一环形箔片区域；32-第二环形箔片区域；33-扇形箔块；4-螺钉。
参照图1至图6所示，本发明基于磁控形状记忆效应的箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；其特征在于：所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是箔片端面，所述带箔片端面的密封环包括圆环状的环本体1、扇形磁控形状记忆合金块2、环形箔片3，环本体1外侧下凹形成圆环形凹面，环本体内侧凸起形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝12，所述圆环形凹面上开有若干个依照旋转中心对称分布的扇形槽11，每个扇形槽中放入与扇形槽间隙配合的扇形磁控形状记忆合金块2，所述扇形磁控形状记忆合金块2沿轴向的厚度大于所述扇形槽11的深度；所述环形箔片3分为外环形箔片区域31和内环形箔片32，所述内环形箔片32沿周向均匀分割成与扇形槽11的数目相同且对应分布的扇形箔块33；所述环形箔片3通过螺钉4与环本体1固定，固定后的内环形箔片32的下表面刚好与扇形磁控形状记忆合金块2上表面完全接触，所述内环形箔片32的上表面为楔形面，所述楔形面的内圆周面在密封处于静止状态时低于密封坝12的平面，而在密封处于运行状态时受磁控形状记忆合金块2的形变作用产生微米级振幅的高频颤振，并在振幅最大时与密封坝12平面齐平，所述楔形面的外圆周面始终低于密封坝12平面。
所述扇形磁控记忆合金块的周向角度小于所述扇形槽周向角度0.05～0.5°，所述扇形磁控记忆合金块的内径尺寸大于所述扇形槽内径尺寸0.01～0.1mm，所述扇形磁控记忆合金块的外径尺寸小于所述扇形槽外径尺寸0.01～0.1mm。
密封处于静止状态时所述楔形面的内圆周面低于密封坝平面0.5～3μm。
密封处于静止状态时所述楔形面的内圆周面与外圆周面的高度差h的取值范围为1～5μm。
密封处于运行状态时受扇形磁控形状记忆合金块的作用，所述楔形面的内圆周面轴向振幅的取值范围为0.5～3μm。
密封处于运行状态时受扇形磁控形状记忆合金块的作用，所述楔形面的内圆周面轴向振动频率的取值范围为10～500Hz。
本说明书实施例所述内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.基于磁控形状记忆效应的箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是箔片端面，带箔片端面的密封环包括圆环状的环本体(1)、扇形磁控形状记忆合金块(2)、环形箔片(3)，环本体外侧下凹形成圆环形凹面，环本体内侧凸起形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝(12)，所述圆环形凹面上开有若干个依照旋转中心对称分布的扇形槽(11)，每个扇形槽(11)中放入与扇形槽(11)间隙配合的扇形磁控形状记忆合金块(2)，所述扇形磁控形状记忆合金块(2)沿轴向的厚度大于所述扇形槽(11)的深度；所述环形箔片(3)分为外环形箔片(31)和内环形箔片(32)，所述内环形箔片(32)沿周向均匀分割成与扇形槽数目相同且对应布置的扇形箔块(33)；所述外环形箔片(31)通过螺钉(4)与环本体(1)固定，固定后的内环形箔片(32)的下表面刚好与扇形磁控形状记忆合金块(2)的上表面接触，所述内环形箔片(32)的上表面为楔形面，所述楔形面的内圆周面在密封处于静止状态时低于密封坝(12)平面，而在密封处于运行状态时受扇形磁控形状记忆合金块(2)的形变作用产生微米级振幅的高频颤振，并在振幅最大时与密封坝平面齐平，所述楔形面的外圆周面始终低于密封坝平面。
2.如权利要求1所述的基于磁控形状记忆效应的箔片端面气膜密封结构，其特征在于：所述扇形磁控形状记忆合金块(2)的周向角度小于所述扇形槽(11)的周向角度0.05～0.5°，所述扇形磁控形状记忆合金块(2)的内径尺寸大于所述扇形槽(11)内径尺寸0.01～0.1mm，所述扇形磁控形状记忆合金块(2)的外径尺寸小于所述扇形槽(11)外径尺寸0.01～0.1mm。
3.如权利要求2所述的基于磁控形状记忆效应的箔片端面气膜密封结构，其特征在于：密封处于静止状态时所述楔形面的内圆周面低于密封坝平面0.5～3μm；密封处于静止状态时所述楔形面的内圆周面与外圆周面的高度差h的取值范围为1～5μm；密封处于运行状态时受扇形磁控形状记忆合金块的作用，所述楔形面的内圆周面轴向振幅的取值范围为0.5～3μm；密封处于运行状态时受扇形磁控形状记忆合金块的作用，所述楔形面的内圆周面轴向振动频率的取值范围为10～500Hz。
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