CN107654354B - 一种摆线轴向迷宫密封齿结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械密封技术领域，特别涉及一种用于往复迷宫压缩机的活塞与气缸、活塞杆与缸体轴向迷宫密封齿结构，用于往复式迷宫压缩机的活塞与气缸、活塞杆与缸体的迷宫密封；迷宫密封的齿形采用摆线齿形；活塞上采用的迷宫密封齿齿高、齿宽及间距宽度是气缸上迷宫密封齿齿高、齿宽及间距宽度的2～4倍；所述摆线齿形参数通过嵌入到CAD应用软件中的绘制二维摆线CAD曲线软件包模块、基于有限体积法FLUENT应用软件模拟计算优化获得。本发明制造成本低廉，成品率高，与传统的、同尺寸参数的三角形齿、梯形齿和圆形齿迷宫密封结构比较，摆线齿形的迷宫密封结构密封效果好、在密封区域耗散所密封介质能量的能力提高33％～58％。

Description

一种摆线轴向迷宫密封齿结构

技术领域

本发明属于机械密封技术领域，特别涉及一种用于往复迷宫压缩机的活塞与气缸、活塞杆与缸体轴向迷宫密封齿结构。

背景技术

迷宫密封因结构简单、使用方便、工作可靠等特性被广泛用于往复式压缩机、鼓风机和汽轮机等动力机械中。其工作原理是通过节流间隙中的节流过程和空腔内的动能耗散来实现密封，两个流动过程的能量耗散大小决定着密封的性能，而密封结构是能量耗散的主要决定因素，因此进行迷宫密封结构分析和研究设计新型的密封结构，对降低迷宫密封泄漏量、提高迷宫密封性能具有重要意义。

随着国家清洁能源制备及输送设备的需求量的增加，促进往复式迷宫压缩机装备产业的迅速发展，传统的2K、2D、3K、4D、4K型迷宫压缩机因密封结构及其工艺技术落后，严重制约发展大型或者超大型迷宫压缩机系统设备。目前所设计生产的迷宫压缩机迷宫密封结构中起决定作用的迷宫密封齿结构，基本是采用传统的三角形齿、圆形齿和梯形齿结构，近年来也出现了一种仿梯形齿结构。

从理论角度来说，减少泄漏量的关键在于工作介质的能量在迷宫内部充分耗散，由齿形结构所决定，目前采用的传统形式迷宫密封齿形无论如何改变齿形角度、齿形深度以及间隙宽度，其所密封的工作介质能量耗散程度都没有发生质的变化，在工程实际中往往是增加100％的成本投入来换取3～12％的密封效果。虽然仿梯形齿迷宫密封结构从根本上改变了工作介质在迷宫密封齿中能量耗散效果，比传统形式的迷宫密封效率提高60％以上，但由于仿梯形齿是经验设计结构，无齿形理论成型依据，这样对于任何一种规格的迷宫压缩机，需要对所采用仿梯形齿迷宫密封结构的活塞、缸体以及活塞杆进行大量迷宫效果试验，所以在迷宫压缩机中采用仿梯形齿迷宫密封结构会增加大量的成本，同时会产生大量的试验废品。为此，如何降低成本、改进和开发新型高效密封性能的迷宫密封齿结构，是设计制造迷宫压缩机行业一直努力探寻的目标。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种密封效果好，在密封区域耗散所密封介质能量的能力强，制造成本低廉，成品率高的摆线轴向迷宫密封齿结构。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

摆线轴向迷宫密封齿结构，用于往复式迷宫压缩机的活塞与气缸、活塞杆与缸体的迷宫密封；所述迷宫密封的齿形采用摆线齿形；所述活塞上采用的迷宫密封齿齿高、齿宽及间距宽度是气缸上迷宫密封齿齿高、齿宽及间距宽度的2～4倍；所述摆线齿形参数通过嵌入到CAD应用软件中的绘制二维摆线CAD曲线软件包模块、基于有限体积法FLUENT应用软件模拟计算优化获得。

作为一种优选方案，本发明采用GAMBIT软件建立迷宫通道的二维非结构化网格模型，利用FLUENT应用软件模拟迷宫密封的内部流动及应用有限体积法对不同摆线齿高、开口尺寸及活塞与气缸缸体齿形间隙δ参数进行分析计算，得到优化的摆线轴向迷宫密封齿结构。

进一步地，本发明确定迷宫密封摆线齿形参数的软件包模块、应用FLUENT软件模拟计算及有限体积法推导出用于往复运动密封的三角形齿二维数学解析式(1)、(2)以及延伸推导出的摆线齿二维数学解析式(3)、(4)；据此得到优化的摆线轴向迷宫密封齿结构，具体数学解析式如下：

(1)三角形齿数学解析式：

其中：活塞参数：X_i、Y_i为三角形齿形二维直线方程自变量和函数；k₁为三角形齿形角的变量；m₁为三角形齿形齿高变量；p₁为齿高m₁条件下三角形齿形的间隙宽度变量；i为(0、1、2……)；气缸参数：x_j、y_j为三角形齿形二维直线方程自变量和函数；k为三角形齿形角的变量；m为三角形齿形齿高变量；p为齿高m条件下三角形齿形的间隙宽度变量；δ为活塞与气缸缸体齿形间隙；j为(0、1、2……)；

(2)摆线齿数学解析式：

其中：活塞参数：X、Y为活塞齿形二维摆线方程的两个坐标变量；A为动圆半径；θ为动圆转角；气缸参数：x、y为缸体上二维摆线方程的两个坐标变量；a为动圆半径；θ为动圆转角；δ为活塞与气缸缸体齿形间隙。

本发明制造成本低廉，成品率高，与传统的、同尺寸参数的三角形齿、梯形齿和圆形齿迷宫密封结构比较，摆线齿形的迷宫密封结构密封效果好、在密封区域耗散所密封介质能量的能力提高33％～58％。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为三角形齿迷宫密封二维流场图；

图2为本发明摆线齿迷宫密封二维流场图；

图3为本发明摆线迷宫密封齿二维湍流动能云图。

具体实施方式

如图所示，摆线轴向迷宫密封齿结构，用于往复式迷宫压缩机的活塞与气缸、活塞杆与缸体的迷宫密封，所述迷宫密封的齿形采用摆线齿形；所述活塞上采用的迷宫密封齿齿高、齿宽及间距宽度是气缸上迷宫密封齿齿高、齿宽及间距宽度的2～4倍；所述摆线齿形参数通过嵌入到CAD应用软件中的绘制二维摆线CAD曲线软件包模块、基于有限体积法FLUENT应用软件模拟计算优化获得。

本发明采用GAMBIT软件建立迷宫通道的二维非结构化网格模型，利用FLUENT应用软件模拟迷宫密封的内部流动及应用有限体积法对不同摆线齿高、开口尺寸及活塞与气缸缸体齿形间隙δ参数进行分析计算，得到优化的摆线轴向迷宫密封齿结构。

本发明摆线轴向迷宫密封齿结构在具体设计时，确定迷宫密封摆线齿形参数的软件包模块、应用FLUENT软件模拟计算及有限体积法推导出用于往复运动密封的三角形齿二维数学解析式(1)、(2)以及延伸推导出的摆线齿二维数学解析式(3)、(4)；据此得到优化的摆线轴向迷宫密封齿结构，具体数学解析式如下：

(1)三角形齿数学解析式：

其中：活塞参数：X_i、Y_i为三角形齿形二维直线方程自变量和函数；k₁为三角形齿形角的变量；m₁为三角形齿形齿高变量；p₁为齿高m₁条件下三角形齿形的间隙宽度变量；i为(0、1、2……)；气缸参数：x_j、y_j为三角形齿形二维直线方程自变量和函数；k为三角形齿形角的变量；m为三角形齿形齿高变量；p为齿高m条件下三角形齿形的间隙宽度变量；δ为活塞与气缸缸体齿形间隙；j为(0、1、2……)；

(2)摆线齿数学解析式：

其中：活塞参数：X、Y为活塞齿形二维摆线方程的两个坐标变量；A为动圆半径；θ为动圆转角；气缸参数：x、y为缸体上二维摆线方程的两个坐标变量；a为动圆半径；θ为动圆转角；δ为活塞与气缸缸体齿形间隙。

本发明摆线轴向迷宫密封齿结构采用如下设计方法：

1、通过C++应用软件对三角形迷宫密封齿形参数化设计开发研究，开发出参数化绘制二维往复式迷宫密封结构的软件模块，使之能够在CAD应用平台上通过给定设计参数，自动绘制出二维迷宫密封流场图(参见图1)。

2、结合CAXA和CAD应用软件，在CAD软件应用平台上绘制摆线二维图形的二次开发应用。

3、通过形成迷宫密封结构所确定的摆线齿型参数分析研究，应用C++软件，开发出参数化绘制摆线齿二维往复式迷宫密封结构的软件模块，使之能够在CAD应用平台上通过给定参数设定，自动绘制出二维迷宫密封流场图(参见图2)。

4、应用有限元理论对摆线迷宫密封齿形的参数进行优化，然后通过FLUENT应用软件模拟迷宫密封的内部流动，得到优化的摆线迷宫密封齿结构(参见图3)。

本发明摆线轴向迷宫密封齿结构的具体设计步骤如下：

依据解析几何数学关系式以及二维三角形齿迷宫密封CAD设计图，推导三角形齿迷宫密封二维流场CAD设计图解析关系式，如下：

(1)三角形齿数学解析式：

其中：活塞参数：X_i、Y_i为三角形齿形二维直线方程自变量和函数；k₁为三角形齿形角的变量；m₁为三角形齿形齿高变量；p₁为齿高m₁条件下三角形齿形的间隙宽度变量；i为(0、1、2……)；气缸参数：x_j、y_j为三角形齿形二维直线方程自变量和函数；k为三角形齿形角的变量；m为三角形齿形齿高变量；p为齿高m条件下三角形齿形的间隙宽度变量；δ为活塞与气缸缸体齿形间隙；j为(0、1、2……)；

(2)摆线齿数学解析式：

其中：活塞参数：X、Y为活塞齿形二维摆线方程的两个坐标变量；A为动圆半径；θ为动圆转角；气缸参数：x、y为缸体上二维摆线方程的两个坐标变量；a为动圆半径；θ为动圆转角；δ为活塞与气缸缸体齿形间隙。

2、在二维工程绘图应用软件CAXA上通过二次开发应用，设计开发了绘制二维摆线CAD曲线文件，并将其导入到CAD应用软件中作为软件模块，应用该软件模块，可通过参数快速、精确绘制二维摆线曲线。

3、依据解析几何数学关系式以及二维摆线齿迷宫密封CAD设计图，研究推导摆线齿迷宫密封二维流场CAD设计图解析关系式，如下：

由解析式(3)、(4)及C++软件应用，开发出参数化绘制二维往复式迷宫密封结构的软件模块，使之能够在CAD应用平台上通过给定设计参数，自动绘制出二维迷宫密封流场图(参见图2)。

上式中：X、Y是活塞上二维摆线方程的两个坐标变量，A是动圆半径，θ是动圆转角；

x、y是缸体上二维摆线方程的两个坐标变量，a是动圆半径，θ是动圆转角。

4、采用GAMBIT软件建立迷宫通道的二维非结构化网格模型，利用FLUENT模拟迷宫密封的内部流动及应用有限元理论对不同摆线齿高2A(2a)、开口尺寸2πA(2πa)及间隙δ参数进行优化分析计算，得到优化的摆线迷宫密封齿结构(参见图3)：三角形齿、梯形齿、摆线形齿三种齿形密封性能的数值模拟(模拟过程中保证空腔深度宽度、空腔深度、间隙宽度不发生变化)。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种摆线轴向迷宫密封齿结构，用于往复式迷宫压缩机的活塞与气缸、活塞杆与缸体的迷宫密封，其特征在于：所述迷宫密封的齿形采用摆线齿形；所述活塞上采用的迷宫密封齿齿高、齿宽及间距宽度是气缸上迷宫密封齿齿高、齿宽及间距宽度的2～4倍；所述摆线齿形参数通过嵌入到CAD应用软件中的绘制二维摆线CAD曲线软件包模块、基于有限体积法FLUENT应用软件模拟计算优化获得；采用GAMBIT软件建立迷宫通道的二维非结构化网格模型，利用FLUENT应用软件模拟迷宫密封的内部流动及应用有限体积法对不同摆线齿高、开口尺寸及活塞与气缸缸体齿形间隙δ参数进行分析计算，得到优化的摆线轴向迷宫密封齿结构；确定迷宫密封摆线齿形参数的软件包模块、应用FLUENT软件模拟计算及有限体积法推导出用于往复运动密封的三角形齿二维数学解析式(1)、(2)以及延伸推导出的摆线齿二维数学解析式(3)、(4)；据此得到优化的摆线轴向迷宫密封齿结构，具体数学解析式如下：

(1)三角形齿数学解析式：

其中：活塞参数：X_i、Y_i为三角形齿形二维直线方程自变量和函数；k₁为三角形齿形角的变量；m₁为三角形齿形齿高变量；p₁为齿高m₁条件下三角形齿形的间隙宽度变量；i为(0、1、2……)；气缸参数：x_j、y_j为三角形齿形二维直线方程自变量和函数；k为三角形齿形角的变量；m为三角形齿形齿高变量；p为齿高m条件下三角形齿形的间隙宽度变量；δ为活塞与气缸缸体齿形间隙；j为(0、1、2……)；

(2)摆线齿数学解析式：

其中：活塞参数：X、Y为活塞齿形二维摆线方程的两个坐标变量；A为动圆半径；θ为动圆转角；气缸参数：x、y为缸体上二维摆线方程的两个坐标变量；a为动圆半径；θ为动圆转角；δ为活塞与气缸缸体齿形间隙。