CN1077262A - 阻塞节流交替式无接触转动密封 - Google Patents

Abstract

本发明阻塞节流交替式无接触转动密封可作为 多种回转式气体机械的轴端密封。针对迷宫式密封 仅靠节流作用而泄漏多特别是在高压下的不理想、排 齿数少以及对窜轴的耐受性差的不足，融汇了两种密 封原理，添加了边界层阻流作用，将传统的齿顶节流 齿侧迷宫改为长齿侧阻塞节流和齿顶迷宫。可多排 齿腔，增大曲折度、延长轴向间距，故消除了迷宫密封 的几个缺点，显著降低了泄漏量。

Description

本发明属于非接触式转动密封，特别适合用作允许微量泄漏的各种回转式气体机械的轴端密封。

为减小功耗与摩损，高转速下宜采用非接触式转动密封，其主要型式有迷宫式、浮环式、磁流体和压力气封式四种。后三种的密封效果虽好，但其附属设备多、造价高、功耗大，且被封流体要受污染，故大量使用的还是前一种即迷宫式密封。

但目前的迷宫密封技术尚存在着下列不足：

一、密封高压气体，其密度大，因为流过各齿隙的质量流量是相等的，故靠近高压侧的梳齿缝隙中的气速很低，动压几乎不减，这些齿腔就几乎失去了迷宫密封靠节流膨胀使气体动压降低来实现密封的作用。故从再多设齿腔数以求减少高压气泄漏的方向努力，其效果微小。

二、在限定的机器密封空间内，能排列下的齿腔数量有限，轴向排列式（如附图3（a））尤少。

三、径向排列、流体向周心往返式（如附图3（b）），虽可排列较多的齿腔，但其对轴向尺寸偏差，轴承轴向窜动的耐受性差。中国专利90206024.4径向迷宫式旋转轴密封装置中提出将槽根嵌入环状巴氏合金等软填料，以求提高密封效果和减轻与梳齿尖的擦灼，尚未从根本上解决窜轴后密封梳齿尖的擦碰问题。

本发明的目的就是为解决迷宫密封的上述三个问题，重点是要降低泄漏和易于装配，而在结构上又必须简单，容易制造，成本低、通用性强。

本发明的特点是突破了迷宫式密封只是以节流膨胀降压来实现密封的框框，在迷宫密封中融汇了浮环等间隙阻力型密封的边界层摩擦阻流原理，创造出新的密封结构，集节流、阻塞这两种密封作用于一身，在其中多次交替进行，由此便同时克服了上述的三点不足。

实现本发明所采用的技术手段为：

1.在节流膨胀的同时，加入边界层摩擦效应来增大流动阻力。具体做法是把各个齿隙延长。这样，当高压低速流体流过时，由于雷诺数小，常可形成层流，边界层增厚，其流量即泄漏量便可减小，即高压侧齿隙的阻流作用大为增强，于是克服了上述的第一点不足。

2.破传统的梳齿顶隙节流而改为齿侧隙阻塞与节流。若沿用传统，延长齿隙就得增加齿的厚度，定会使同尺寸下排出的齿腔数量减少。现改为齿侧隙节流阻塞，可实现长的环隙，同时还能腾出原来必不可少的齿厚空间，用以排下更多的齿隙齿腔，从而克服了前述的第二点不足。

3.将齿顶与槽根相互拉开而形成轴向往返排列的迷宫腔。流体从齿侧环隙流出后，进入迷宫腔中消耗了动能，再折转180°后进入另一侧隙。由于齿顶和槽根分属于动、静或静、动两个齿盘，轴向拉开后，对轴向偏差、轴承窜动的耐受性便大为增强了，即使加工装配偏差或窜轴几毫米，齿顶与槽根也不会擦碰，仍可正常运转。这就从根本上克服了前述的第三点不足，也使密封的装配变得十分容易。

本发明转动密封的两种适用齿腔结构如附图1和附图2所示。这两种结构都能克服前述的三点不足，但附图1结构的流道曲折度更大些，气流180°绕转次数比附图2结构多一倍，而附图2结构的挖窄槽量却可以减少一倍，有利于加工。

由附图1和附图2可以看出，本发明转动密封是由若干个独立的圆盘按照同轴心叠摞组成的。其中，边静盘（1）为两个，中静盘（2）可为0至8个，动盘（3）的数量比静盘的总和数量少一个。中间静、动盘的数量可以任意增减，以满足不同的压力与不同的泄漏量之要求。

边静盘（1）的一侧端面，中静盘（2）和动盘（3）的两侧端面上车加工有数圈与圆盘同轴线的圆环齿和圆环槽，环齿与环槽的截面形状均为矩形（附图1），其长边与圆盘轴线平行;或者是均为凸字形（附图2），其对称轴与圆盘轴线平行。

各静盘与动盘相对临两端面上分别属于两个盘的各个环齿与环槽一一地径向对位，各双双对位的齿、槽的径向公称尺寸相同，控制二者的尺寸公差使槽宽度比齿宽度略大0.10-0.30毫米。在静盘（1）、（2）、动盘（3）处于工作位置时，各双双对位的环齿与环槽沿着圆盘轴向互相插入一部分长度、一般在0.5-4毫米之间。齿的径向位置恰居于槽中不偏，其两侧面与环槽侧面便围成了两条为0.5-4毫米长、而间隙为0.05-0.15毫米的环状窄缝间隙即前述的齿侧隙，可以起到边界层摩擦与节流两种作用。

环齿的径向宽度在1-3毫米之间，环槽的径向宽度略微大于环齿，以使二者在插入后能相对无接触转动。对于凸字形截面的齿槽结构（附图2），其齿和槽肩部的径向宽度也取为1-3毫米。

通常情况下，静盘与动盘相对临两端面上的齿长与槽深相等，且在3-7毫米之间。静盘（1）、（2）的外圆端部、动盘（3）的内圆端部的轴向定位凸肩限定着各密封动、静盘的装配位置即工作位置。处于工作位置时，各环齿环槽轴向插入0.5-4毫米，齿顶与对位槽根离开的距离为1.5-4毫米，这两项尺寸靠齿长、槽深和静盘（1）、（2）、动盘（3）的轴向定位凸肩的长度来控制。

由于环齿在环槽中为不完全插入，故环齿顶和对位环槽的侧面与根面就围成了截面为矩形或方形的环状空腔，对于截面均为凸字形的环齿和环槽结构，除了形成上述齿顶槽根腔之外，齿和槽的两肩部位处也形成矩形或方形截面的环状空腔，这些空腔即迷宫腔，泄漏气流在其中产生涡流降速并折转，消耗掉其动能。

为了插入顺利和增强迷宫腔中的涡流，各环齿的顶棱倒角0.2-0.5毫米;为增大边界层摩擦阻力，各齿侧圆周面的光洁度不必很高。

为了防止当轴承出现较大的径向跳动和轴横向振动时可能发生的齿与槽侧面间的擦碰，将静盘（1）、（2）和动盘（3）分别选用硬度差大的两种材料：静盘用中碳合金钢，如2Cr13等，其加工性能好，车槽容易;动盘用铝合金，且齿侧面的光洁度取更低并留有刀纹，除摩擦阻流性提高之外，凸出的微部分在一旦与静盘的槽侧面擦碰时可以很快磨损掉而不致于粘合，且由于铝的导热性好，摩擦热可迅速传开而不致于局部升温出险和产生局部变形与轴的弯曲，另外，铝合金的轻质还可以减轻整个转子的重量。

由附图1和附图2还可看出，所提到的齿侧面与槽侧面实际是一回事，即两齿之间为槽，两槽之间为齿，齿间距即为槽宽，槽间距为齿宽，齿和槽依次沿径向顺排，而两齿的中心距与两槽的中心距通常是相等的。

由于同时利用了两种密封原理，将节流与阻塞这两种密封作用融汇于一体，从而弥补了迷宫式密封仅靠单一节流这一原理上的不足;还由于发明的结构形式获得了比已有迷宫密封结构都多的齿腔数量，并获得了泄漏流道的更大的曲折度，气流在其中的迷宫腔中可形成充分的旋涡而消耗掉动能，故实测表明本发明密封的泄漏量只有目前迷宫密封的十几分之一：对于0.5MPa（g）的空气，只用一个动盘、两个边静盘而无中静盘的结构，就可以使泄漏量低于每小时5标准立方米。对于高压气体，由于有摩擦阻塞作用，其对比结果更为明显。

本发明无接触转动密封是应气波制冷机（中国专利号89213744.4）转动密封之需要而提出和研制的。已在几台气波制冷机中试用，显著减小了高压气向低压冷气的泄漏掺和与外泄漏量，提高了机器的制冷效率，如今最早者已运转过了半年，最高密封压力者已达10MPa。除泄漏量小和易装配之外，均未曾发生过机械故障，证明使用可靠。

本发明密封的结构简单、制造装配简便，且很容易实现规范化、标准化与系列化，可广泛应用于离心式、轴流式、螺杆式压缩机，罗茨、旋涡风机，各种蒸汽、燃气、气体透平，旋转真空干燥机等回转式气体机械的轴端密封。

本发明阻塞节流交替式无接触转动密封的附图说明如下：

附图1为矩形齿、槽截面密封的结构图。其中，边静盘（1）有两个，只一侧的端面有齿槽;中静盘（2）可从0至8个，该图结构为一个;动盘（3）比静盘总数少一个，该图结构为两个;橡胶O型密封圈（4）用以阻止气体通过静盘（1）、（2）外圆与机体密封段（5）内孔的配合间隙和动盘（3）内孔与机轴密封段（8）的配合间隙的泄漏，当用于高温或超低温时，密封圈需改用其他材料与相应的结构;静盘压紧螺母（6）旋入机体内螺纹以压紧各个静盘;动盘压紧螺母（7）旋入机轴螺纹以压紧各个动盘。

附图2为凸字形齿、槽截面密封的结构图，图中各序号所表示的部件名称与功能与附图1相同。

为了前面的对比和说明之需要，特以附图3（a）和附图3（b）给出已有迷宫密封的几种结构型式简图，其中附图3（a）为轴向排列式，附图3（b）为径向排列式。

实现本发明的实施例是：

利用普通车床车削加工。静盘（1）、（2）先车好外圆与端面，动盘（3）先车好内孔与端面，然后静盘（1）、（2）以外圆对中、动盘（3）以内孔对中，用三爪卡盘或简易对中胎具夹持车加工环齿环槽。各齿、槽初加工完留一定余量，然后再将一组或一批相同尺寸的环齿侧即环槽侧一并同时精加工：即保持刀架横向不动，轴向进刀精加工圆环面，然后退刀换上另一个圆盘，直至所有各盘的这一尺寸的圆环面都精加工完，再横向移动刀架进到下一个尺寸。如此精加工可以保证密封盘的可互换性。自然，若有数控车床加工则会方便得多。

静盘（1）、（2）外圆与机体密封段（5）内孔、动盘（3）内孔与机轴密封段（8）均采用二级精度可滑动定位配合。为了拆卸的方便，在静盘（1）、（2）的外凸肩端面和动盘（3）的内凸肩端面上均对称钻2或4个孔挍M4丝，在拧下静、动盘压紧螺母（6）和（7）以后，用头部带有M4螺纹的两根长铁条便会很容易地将各个密封盘一一拉出。

Claims (6)

1、一种既有迷宫密封节流，又具间隙密封摩擦阻力作用的低泄漏量的阻塞节流交替式无接触转动密封，由端面上带有数条同轴的圆环齿和圆环槽的若干个圆形静盘和圆形动盘按照同轴心叠摞组成，圆环齿与圆环槽的截面形状均为矩形或者是均为凸字形，其特征在于：静盘(1)、(2)和动盘(3)相对临的两端面上分别属于两个盘的各圆环齿与对面的圆环槽一一地径向对位，槽宽略微大于齿宽，静盘(1)、(2)和动盘(3)靠合到工作位置时，各双双对位的环齿与环槽沿着圆盘的轴向互相插入一部分长度，则各环齿与对位环槽的侧圆面均围成了这个长度的环状窄缝间隙，环齿顶部与对位环槽根面轴向离开一定的距离而形成截面为矩形或方形的环状空腔，对于截面均为凸字形的环齿与环槽结构，除了形成齿顶槽根腔之外，齿和槽的两肩部位处也形成矩形或方形截面的环状空腔。

2、根据权利要求1所述的阻塞节流交替式无接触转动密封，其特征在于圆盘端面上的圆环齿与圆环槽的截面形状为矩形者，其长边与圆盘的轴线平行，为凸字形截面者，其对称轴与圆盘轴线平行。

3、根据权利要求1所述的阻塞节流交替式无接触转动密封，其特征在于环齿与环槽的截面形状无论为矩形还是为凸字形，其对插环齿与环槽的各个对应的径向公称尺寸相同，控制各径向尺寸的公差使各齿、槽的侧向环状窄缝间隙为0.05-0.15毫米。

4、根据权利要求1所述的阻塞节流交替式无接触转动密封，其特征在于环齿的径向宽度为1-3毫米，环槽的宽度略微大于环齿宽，以使二者在互相插入后能相对无接触转动，凸字形截面的齿和槽其头部与肩部的宽度也为1-3毫米。

5、根据权利要求1所述的阻塞节流交替式无接触转动密封，其特征在于相对邻两圆盘端面上分别属于两盘的环齿与环槽的轴向插入长度即环状窄缝间隙的长度为0.5-4毫米，齿顶与槽根面轴向离开的距离为1.5-4毫米，这两项尺寸靠齿长、槽深和静盘（1）、（2）外圆端面定位凸肩与动盘（3）内圆端面定位凸肩的长度来控制。

6、根据权利要求1所述的阻塞节流交替式无接触转动密封，其特征在于静盘（1）、（2）的材料为中碳合金钢，如2Cr13等，动盘（3）的材料为铝合金。

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