CN107939974A - 一种可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构 - Google Patents

一种可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，包括：沿转子轴向依次设置的前挡板、刷丝束、后挡板和转子圆盘，其中，前挡板与后挡板通过熔焊区连接，刷丝束的根部固定在熔焊区上，端部与转子贴合，后挡板包括与熔焊区连接的固定座和与固定座铰接的永磁铁挡板，转子圆盘与永磁铁挡板的相对侧通过固定于转子圆盘上的调节螺钉和固定螺钉连接有与永磁铁挡板极性相同的永磁铁配合板，永磁铁挡板和永磁铁配合板均由多块钕铁硼永磁铁沿转子的周向阵列而成。该可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构能够抑制刷丝颤振及刷丝与后挡板之间由于摩擦力而导致的“刚化效应”及“滞后效应”，减弱刷丝和转子表面的磨损，抑制颤振，提高密封性能，延长使用寿命。

Description

一种可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构
技术领域
本发明涉及一种应用于旋转机械中的动密封结构，尤其涉及一种可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构。
背景技术
刷式密封是航空发动机、汽轮机、压缩机等旋转机械的关键部件。相对于传统的迷宫密封，刷式密封不但具有较好的封严特性，并且是一种柔性接触式动密封技术，能够适应转子的瞬间径向变形或偏心运动，此外，刷式密封的刷丝与转子轴形成柔性接触，可改善转子系统的振动特性，保证机组运行的安全性。因此刷式密封被广泛应用于航空航天、电力、石化等行业领域的旋转机械中。
刷式密封由前挡板、后挡板及夹装在两者之间紧密排列的刷丝束组成，刷式密封依靠上述排列整齐、紧密的刷丝与转子相贴合来隔断下游气体并对上游气体的泄漏造成阻碍从而达到密封的效果，其流场特性与密封机理如下：刷子中刷丝间隙是不均匀的，不均匀性使得均匀的来流进入刷丝束中就变得不均匀，并且从密集的刷丝束区域向疏松的刷丝束区域偏流，这些偏流在刷丝之间逐渐形成同向流和射流，并产生随机的二次流和旋涡流，密封腔内的流场变得非常复杂。当射流遇到前面紧密的刷丝束时，就会改变运动方向而变成和主流方向垂直的横向流，正由于刷丝束破坏流动而确保流动的不均匀性，使流体产生了自密封效应，横向流动有效的促进自密封效应的产生，使横流过刷子的总压降增大从而减少密封的泄漏。
研究表明，传统刷式密封在受到刷丝束上下游较高气体压差的作用下，刷丝发生轴向弯曲紧贴后挡板，刷丝与后挡板之间的摩擦力阻碍刷丝及时变形，从而刷丝不能及时跟随转子的升速或者涡动偏心增大等运动状态进行变形，出现刷丝刚化效应。刚化效应会引起刷丝和转子跑道的加速磨损，降低刷式密封的密封性能，缩短使用寿命。另外随着转子降速或者恢复到较小涡动偏心位置时，刷丝与后挡板之间的摩擦力又阻碍刷丝不能立即复原，刷丝出现悬挂，出现刷丝滞后效应。
因此，如何对现有的刷式密封结构进行改进，以抑制刷丝颤振及刷丝与后挡板之间由于摩擦力而导致的“刚化效应”及“滞后效应”，减弱刷丝和转子表面的磨损，抑制颤振，提高刷式密封结构的密封性能，延长刷式密封结构的使用寿命，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，以解决现有刷式密封结构容易产生“刚化效应”、“滞后效应”和颤振现象、刷丝和转子表面的磨损严重、使用寿命短等问题。
本发明提供的技术方案是：一种可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，包括：沿转子轴向依次设置的前挡板、刷丝束、后挡板和转子圆盘，其中，前挡板与后挡板通过熔焊区连接，刷丝束的根部固定在熔焊区上，端部与转子贴合，后挡板包括与熔焊区连接的固定座和与固定座铰接的永磁铁挡板，转子圆盘固定于转子上，转子圆盘与永磁铁挡板的相对侧通过固定于转子圆盘上的调节螺钉和固定螺钉连接有与永磁铁挡板极性相同的永磁铁配合板，其中，永磁铁挡板和永磁铁配合板均由多块钕铁硼永磁铁沿转子的周向阵列而成。
优选，固定座的截面呈倒L型，永磁铁挡板铰接于固定座的下顶面，固定座与永磁铁挡板相对的外侧面固定连接有C型环，永磁铁挡板上设置有与C型环配合的凹槽。
进一步优选，C型环的开口朝向转子设置。
进一步优选，构成永磁铁挡板和永磁铁配合板的相邻钕铁硼永磁铁的端部相互重叠。
进一步优选，构成永磁铁挡板和永磁铁配合板的钕铁硼永磁铁的长度为刷丝束长度的0.5～0.7倍，宽度为刷丝束宽度的0.2～0.6倍，厚度为刷丝束沿转子轴向总厚度的0.5～2倍。
进一步优选，后挡板的高度为刷丝束长度的0.75～0.95倍，前挡板的高度为刷丝束长度的0.45～0.75倍，前挡板和后挡板的厚度为3mm～4.5mm，刷丝束末排刷丝与后挡板的轴向间隙为0～0.5mm。
进一步优选，刷丝束的刷丝为镍基耐高温合金丝，刷丝的直径为0.05mm～0.15mm，刷丝长度为25mm～40mm，刷丝束的轴向总厚度为0.5mm～20mm。
进一步优选，刷丝顺着转子旋转方向安装且与转子径向呈30～60°安装角。
本发明提供的可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，极性相同的永磁铁挡板和永磁铁配合板之间有磁场斥力，使得永磁铁挡板可以在气流力和磁阻尼力的作用下可以在一定的范围内动态移动，维持刷丝与永磁铁挡板正压力及摩擦力之间的动态平衡，实现永磁铁挡板的自由收放，抑制刷丝颤振及刷丝与永磁铁挡板之间由于摩擦力而导致“刚化效应”及“滞后效应”，减弱了刷丝和转子表面的磨损，抑制颤振，提高了刷式密封结构的密封性能，延长刷式密封结构的使用寿命，同时，永磁铁配合板与永磁铁挡板的初始距离可以通过调节转子圆盘上的调节螺钉进行调节，通过调节两者的距离可以调节两者之间的磁阻尼力的大小，以保证永磁铁配合板与永磁铁挡板的距离保持在一定范围内，防止永磁铁挡板受力不平衡，导致变形过大，引发密封件损坏。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明提供的可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为永磁铁挡板与永磁铁配合板之间的磁感应线示意图；
图4为永磁铁挡板的受力曲线图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
如图1、图2所示，本发明提供了一种可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，包括：沿转子6轴向依次设置的前挡板1、刷丝束2、后挡板3和转子圆盘4，其中，前挡板1与后挡板3通过熔焊区5连接，刷丝束2的根部固定在熔焊区5上，端部与转子6贴合，后挡板3包括与熔焊区5连接的固定座31和与固定座31铰接的永磁铁挡板32，转子圆盘4固定于转子6上，转子圆盘4与永磁铁挡板32的相对侧通过固定于转子圆盘4上的调节螺钉42和固定螺钉43连接有与永磁铁挡板32极性相同的永磁铁配合板41，其中，永磁铁挡板32和永磁铁配合板41均由多块钕铁硼永磁铁沿转子的周向阵列而成。
该可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，极性相同的永磁铁挡板和永磁铁配合板之间有磁场斥力，使得永磁铁挡板可以在气流力和磁阻尼力的作用下可以在一定的范围内动态移动，维持刷丝与永磁铁挡板正压力及摩擦力之间的动态平衡，实现永磁铁挡板的自由收放，抑制刷丝颤振及刷丝与永磁铁挡板之间由于摩擦力而导致“刚化效应”及“滞后效应”，减弱了刷丝和转子表面的磨损，抑制颤振，提高了刷式密封结构的密封性能，延长刷式密封结构的使用寿命，同时，永磁铁配合板与永磁铁挡板的初始距离可以通过调节转子圆盘上的调节螺钉进行调节，通过调节两者的距离可以调节两者之间的磁阻尼力的大小，以保证永磁铁配合板与永磁铁挡板的距离保持在一定范围内，防止永磁铁挡板受力不平衡，导致变形过大，引发密封件损坏。
具体地：当该刷式密封结构在汽轮机启停状态下及低载荷状态时，永磁铁挡板基本绕上部的转轴移动，保持自由状态，此时，刷丝与永磁铁挡板之间正压力为零、摩擦力为零，与传统密封相似。当该刷式密封结构处于高载荷状态下，刷丝贴附在永磁铁挡板上，接触正压力增加，刷丝与永磁铁挡板之间摩擦力也随之增大，“刚化效应”、“滞后效应”增强，但由于永磁铁挡板与固定座的铰接结构，可以使刷丝紧贴的永磁铁挡板动态退让，刷丝与永磁铁挡板之间正压力维持平衡，不会急剧增加，刷丝与永磁铁挡板之间摩擦力也不会急剧增大，从而减弱了刷丝与永磁铁挡板之间由于摩擦力而产生的“刚化效应”及“滞后效应”，弱化了刷丝和转子跑道磨损，提高了该刷式密封结构的密封性能及使用寿命，达到低滞后、低磨损的效果。
图4为该刷式密封结构在磁场力及气流力的共同作用下的受力分析图，其中，X轴表示永磁铁挡板动态受力平衡时与永磁铁配合板的距离，Y轴表示永磁铁挡板所受的气流力，曲线S表示永磁铁挡板所受的磁阻力。具体地：当透平机械起步阶段时，永磁铁挡板所受气流力较小，如图4中C点所示，气流力Fl与磁阻尼力F相交于Xh，表示永磁铁挡板在轴向同时受到起步气流力与磁场阻尼力的共同作用而平衡，此时永磁铁挡板与永磁铁配合板平衡于相对距离较远的Xh处，当透平机械加速运行时，永磁铁挡板所受气流力适中，如图4中B点所示，气流力Fm与磁阻尼力F相交于Xm，表示永磁铁挡板在轴向同时受到加速气流力与磁场阻尼力的共同作用而平衡，此时永磁铁挡板与永磁铁配合板平衡于相对距离适中的Xm处，当透平机械正常运行时，永磁铁挡板所受气流力较大，如图4中A点所示，气流力Fh与磁阻尼力F相交于Xl，表示永磁铁挡板在轴向同时受到加速气流力与磁场阻尼力的共同作用而平衡，此时永磁铁挡板与永磁铁配合板平衡于相对距离适中的Xl处。
磁阻尼力是一种非线性力，与磁极之间距离的三次方成反比，距离越近磁阻尼力越大，当两磁极之间距离无限小时，两者之间的排斥力也就无限大。磁极间相互作用力公式为：
F吸＝F斥＝mH
其中，m为磁极强度，H为磁场强度,而磁极所产生的磁场强度与距离r的3次方成反比，G及ρ为磁极系数。
气流力属于均布力,均匀作用在刷式密封结构的刷丝及活动式永磁铁挡板上，线性增加，与非线性的磁阻尼力属于不同类型的力，彼此不互相激励，因而起到一定的阻尼作用，抑制刷式密封结构的刷丝颤振的产生。
此外，转子圆盘的存在不仅使密封气体在泄漏路径上增加了四个90度的直角转弯，有效的减少了密封泄漏的直通效应，同时阻止了气体轴向螺旋形流动现象产生，抑制螺旋形流动效应，气流激振力得以消除，达到减少泄漏，增加阻尼，提高转子稳定性的效果。
综上，刷丝与永磁铁挡板的动态平衡接触，有效的降低了刷丝与转子之间的正压力，保证了刷丝与永磁铁挡板之间摩擦力降低，抑制了刷丝的刚化效应及滞后效应，又能防止泄漏量的增加，增加了阻尼，抑制刷式密封结构中刷丝颤振，提高了转子的稳定性。
作为技术方案的改进，如图1所示，固定座31的截面呈倒L型，永磁铁挡板32铰接于固定座31的下顶面，固定座31与永磁铁挡板32相对的外侧面固定连接有C型环33，永磁铁挡板32上设置有与C型环33配合的凹槽，该凹槽配合C型环密封高压侧气体，优选，C型环33的开口朝向转子设置。
为了减小泄露，作为技术方案的改进，构成永磁铁挡板32和永磁铁配合板41的相邻钕铁硼永磁铁的端部相互重叠，以防止气体从相邻钕铁硼永磁铁的间隙泄漏。
作为技术方案的改进，构成永磁铁挡板32和永磁铁配合板41的钕铁硼永磁铁的长度为刷丝束2长度的0.5～0.7倍，宽度为刷丝束2宽度的0.2～0.6倍，厚度为刷丝束2沿转子轴向总厚度的0.5～2倍。
作为技术方案的改进，后挡板3的高度为刷丝束2长度的0.75～0.95倍，前挡板1的高度为刷丝束2长度的0.45～0.75倍，前挡板1和后挡板3的厚度为3mm～4.5mm，刷丝束2末排刷丝与后挡板3的轴向间隙为0～0.5mm。
作为技术方案的改进，刷丝束2的刷丝为镍基耐高温合金丝，刷丝的直径为0.05mm～0.15mm，刷丝长度为25mm～40mm，刷丝束2的轴向总厚度为0.5mm～20mm。
作为技术方案的改进，刷丝顺着转子旋转方向安装且与转子径向呈30～60°安装角。
本发明的具体实施方式是按照递进的方式进行撰写的，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。
上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，其特征在于，包括：沿转子轴向依次设置的前挡板(1)、刷丝束(2)、后挡板(3)和转子圆盘(4)，其中，前挡板(1)与后挡板(3)通过熔焊区(5)连接，刷丝束(2)的根部固定在熔焊区(5)上，端部与转子(6)贴合，后挡板(3)包括与熔焊区(5)连接的固定座(31)和与固定座(31)铰接的永磁铁挡板(32)，转子圆盘(4)固定于转子(6)上，转子圆盘(4)与永磁铁挡板(32)的相对侧通过固定于转子圆盘(4)上的调节螺钉(42)和固定螺钉(43)连接有与永磁铁挡板(32)极性相同的永磁铁配合板(41)，通过旋转调节螺钉(42)，可以调节永磁铁配合板(41)与永磁铁挡板(32)的距离，其中，永磁铁挡板(32)和永磁铁配合板(41)均由多块钕铁硼永磁铁沿转子的周向阵列而成。
2.按照权利要求1所述的可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，其特征在于：固定座(31)的截面呈倒L型，永磁铁挡板(32)铰接于固定座(31)的下顶面，固定座(31)与永磁铁挡板(32)相对的外侧面固定连接有C型环(33)，永磁铁挡板(32)上设置有与C型环(33)配合的凹槽。
3.按照权利要求2所述的可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，其特征在于：C型环(33)的开口朝向转子设置。
4.按照权利要求1所述的可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，其特征在于：构成永磁铁挡板(32)和永磁铁配合板(41)的相邻钕铁硼永磁铁的端部相互重叠。
5.按照权利要求1所述的可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，其特征在于：构成永磁铁挡板(32)和永磁铁配合板(41)的钕铁硼永磁铁的长度为刷丝束(2)长度的0.5～0.7倍，宽度为刷丝束(2)宽度的0.2～0.6倍，厚度为刷丝束(2)沿转子轴向总厚度的0.5～2倍。
6.按照权利要求1所述的可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，其特征在于：后挡板(3)的高度为刷丝束(2)长度的0.75～0.95倍，前挡板(1)的高度为刷丝束(2)长度的0.45～0.75倍，前挡板(1)和后挡板(3)的厚度为3mm～4.5mm，刷丝束(2)末排刷丝与后挡板(3)的轴向间隙为0～0.5mm。
7.按照权利要求1所述的可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，其特征在于：刷丝束(2)的刷丝为镍基耐高温合金丝，刷丝的直径为0.05mm～0.15mm，刷丝长度为25mm～40mm，刷丝束(2)的轴向总厚度为0.5mm～20mm。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的可调式磁阻尼抑颤刷式密封结构，其特征在于：刷丝顺着转子旋转方向安装且与转子径向呈30～60°安装角。
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