CN108331783A - 一种正交各向异性旋转密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交各向异性旋转密封结构，该密封结构为用于套装在旋转部件上的旋转密封静子件，其内表面加工有密封腔、稳压腔、密封齿、周向挡板和齿顶凹槽等结构。密封腔可为迷宫环形结构、圆孔型结构和袋型结构，稳压腔是具有较大腔室深度的周向贯通环形。密封腔具有正交各向不同的腔室深度：迷宫环形密封腔和圆孔型密封腔在X、Y正交方向分别具有最大、最小的腔室深度，其值沿周向是按照椭圆形轨迹连续变化；袋型密封腔在X、Y正交方向具有不同的腔室深度和不同的齿顶凹槽结构，形成正交各向异性的直通型、收敛型和发散型的密封间隙比。本发明能够产生正交各向异性的密封动力特性系数，尤其是正交各向异性的刚度系数，改善轴系稳定性。

Description

一种正交各向异性旋转密封结构

技术领域

本发明涉及一种旋转密封结构，特别涉及一种安装于叶轮机械轴系的具有控制泄漏流动、抑制转子振动、提高轴系稳定性作用的正交向动力特性系数不对称的正交各向异性旋转密封结构。

背景技术

作为叶轮机械的关键部件，先进旋转密封技术的研发和应用已成为进一步提高叶轮机械的运行效率和安全稳定性的最经济、最有效的途径之一。

旋转密封在控制工质泄漏同时，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，从而影响着叶轮机械转子系统的稳定性。旋转密封气流激振力诱发的自激振动是导致叶轮机械轴系失稳的重要激烈源。由于转子的偏心涡动和微小通道内的非定常泄漏流动作用，旋转密封动、静部件微小通道内的压力场沿周向分布不均匀且随时间变化-动压效应，进而在转子上形成了随时空演化的气流激振力，当密封气流激振力满足一定条件时，就会使转子产生强烈的振动。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。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)等措施来解决气流激振诱发轴系失稳问题。

在现代叶轮机械中，特别是大功率汽轮机、燃气轮机和高压多级离心压气机，为追求大功率、高效率，不得不尽可能地减小密封间隙、采用更长的柔性转子增加级数。密封间隙的减小增强了旋转密封内的气流激振力，使其成为现代叶轮机械轴系失稳的重要激励源。同时，长的柔性转子更易诱发转子-密封系统，转子-轴承系统处于偏心涡动。现场测试和实验室研究表明：由于安装误差、转子偏心涡动、进排气周向非均匀等因素的影响，叶轮机械轴系的动力特性系数(刚度、阻尼)在X、Y正交方向是不对称的；传统旋转密封产生的密封动力特性系数(刚度、阻尼)具有X、Y正交方向对称性(直接系数相同，交叉系数符号相反、大小相等)；从轴系涡动能量角度分析，X、Y正交方向各向异性(不对称)的密封动力特性系数，尤其是正交各向异性的直接刚度和交叉刚度系数能够有效抑制轴系涡动能量的累积，对轴系稳定性时有利的。因此研发具有X、 Y正交方向各向异性(不对称)动力特性系数的旋转密封结构，对解决现代叶轮机械轴系失稳问题具有重要意义。

研究表明：旋转密封的密封腔室深度、进出口密封间隙比对密封动力特性系数具有显著影响。密封刚度随密封腔室深度的增大而显著减小；密封阻尼随密封腔室深度的增大略有减小。密封进出口间隙比是指密封出口间隙泄漏面积与进口间隙泄漏面积之比：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。

因此，通过控制旋转密封X、Y正交方向的密封腔室深度和进出口密封间隙比，研发的具有X、Y正交方向各向异性(不对称)动力特性系数的新型正交各向异性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，以及获得正交各向异性转子动力特性系数(尤其是各向异性刚度系数)、提高轴系稳定性的要求，提供了一种具有正交方向非对称(正交各向异性)的密封腔和密封间隙比的正交各向异性旋转密封结构，使其能够产生正交各向异性的密封动力特性系数，同时保证较好的密封封严性能，从而解决现代叶轮机械轴系失稳问题，提高叶轮机械运行效率和轴系稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种正交各向异性旋转密封结构，该密封结构为用于套装在旋转部件上的旋转密封静子件，其内表面上布置有正交各向异性的密封腔和稳压腔；其中，

旋转密封静子件内表面的密封腔、稳压腔与旋转部件外表面之间的密封间隙，构成工质的泄漏通道，使得工质能够从高压端流向低压端；

密封腔的腔室深度在X、Y两个正交方向取值不同；

稳压腔是周向贯通的环形腔体，布置在轴向相邻的两个密封腔之间，具有比密封腔大的腔室深度和比密封腔小的轴向宽带。

本发明进一步的改进在于，密封腔为迷宫环形密封腔；其中，

迷宫环形密封腔的腔室深度分别在X、Y两个正交方向取得最大、最小值；迷宫环形密封腔的腔室深度沿周向按照椭圆形轨迹连续变化的，且该椭圆形轨迹由X、Y两个正交方向的腔室深度和旋转部件的外表面的半径值决定。

本发明进一步的改进在于，迷宫环形密封腔和密封齿可采用刀具切削静子件内表面的加工方法，或者采用在旋转密封静子件的内表面上镶嵌金属薄片作为密封齿的加工方法，或采用增材制造的加工方法。

本发明进一步的改进在于，密封腔为圆孔型密封腔；其中，

圆孔型密封腔的腔室深度分别在X、Y两个正交方向取得最大、最小值；圆孔型密封腔的腔室深度沿周向按照椭圆形轨迹连续变化的，且该椭圆形轨迹由X、Y两个正交方向的腔室深度和旋转部件的外表面的半径值决定。

本发明进一步的改进在于，圆孔型密封腔采用钻头在旋转密封静子件的内表面上打孔的加工方法，或者采用增材制造的加工方法。

本发明进一步的改进在于，密封腔为袋型密封腔；其中，

袋型密封腔在周向被等弧度布置的周向挡板隔开，在轴向被密封齿和布置于相邻袋型密封腔之间的稳压腔隔开；周向挡板和袋型密封腔的周向排列个数为4、8或16；

袋型密封腔的腔室深度在X、Y两个正交方向取值不同，以X正方向为起始角度：315°-360°、0°-45°、135°-225°弧段范围内的X方向袋型密封腔具有相同的腔室深度；45°-135°、225°-315°弧度范围内的Y方向袋型密封腔具有相同的腔室深度；X、Y两个正交方向腔室深度的取值不同；

袋型腔密封腔的上、下游密封齿上加工有齿顶凹槽，齿顶凹槽的截面为矩形或者为扇形。

本发明进一步的改进在于，袋型密封腔的齿顶凹槽沿轴向具有不同的开设位置：开设于袋型密封腔的上游密封齿或下游密封齿的齿顶中弧度处；袋型密封腔具有不同的进出口密封间隙比；其中，

袋型密封腔的上、下游密封齿上均无齿顶凹槽，形成直通型密封间隙；

或者，袋型密封腔上游的密封齿上加工有齿顶凹槽，形成收敛型密封间隙；

或者，袋型密封腔下游的密封齿上加工有齿顶凹槽，形成发散型密封间隙。

本发明进一步的改进在于，袋型密封腔的上、下有密封齿上的齿顶凹槽的沿轴向、周向的开设位置、几何尺寸在X、Y两个正交方向不同；

袋型密封腔具有正交各向异性的密封间隙比；正交各向异性的密封间隙比存在多种形式；其中，

在正交各向：袋型密封腔的上、下游密封齿上均无齿顶凹槽，形成正交各向均为直通型密封间隙；

在正交各向：袋型密封腔均只在上游密封齿上加工有齿顶凹槽，但正交各向齿顶凹槽的面积不同，形成正交各向均为收敛型密封间隙，且密封间隙比大小不同；

在正交各向：袋型密封腔均只在下游密封齿上加工有齿顶凹槽，正交各向齿顶凹槽的面积不同，形成正交各向均为发散型密封间隙，且密封间隙比大小不同；

在正交各向：一个方向的袋型密封腔只在其上游密封齿上加工有齿顶凹槽，具有收敛型密封间隙；另外一个方向袋型密封腔只在其下游密封齿上加工有齿顶凹槽，具有发散形密封间隙。

本发明进一步的改进在于，旋转密封静子件内表面上加工的正交各向异性袋型密封腔和正交各向异性齿顶凹槽二者独立实施，或者配合实施，形成具有各向异性密封动力特性系数的旋转密封结构，具有多种组合形式，分别为：各向同性的袋型密封腔和各向异性的齿顶凹槽；各向异性的袋型密封腔和各向同性的齿顶凹槽；各向异性的袋型密封腔和各向异性的齿顶凹槽。

本发明进一步的改进在于，袋型密封腔、密封齿、周向挡板和稳压腔采用刀具切削静子件的内表面的加工方法，或者采用在静子件内表面上镶嵌金属薄片作为密封齿和周向挡板的加工方法，或者采用增材制造的加工方法。

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，在旋转密封静子件内表面引入正交方向具有不同腔室深度的密封腔结构和正交方向不同的密封间隙比。通过正交方向非对称的密封腔结构和密封间隙比，达到产生正交各向异性的密封动力特性系数(尤其是正交各向异性的密封刚度系数)，同时保证较好的密封封严性能的目的。

进一步，通过在旋转密封静子件内表面加工腔室深度在正交方向不同的迷宫环形密封腔结构，形成正交各向异性的迷宫环形密封腔。迷宫环形密封腔在X、 Y两个正交方向分别具有最大、最小的腔室深度。迷宫环形密封腔腔室深度沿周向按椭圆形规律轨迹变化。

进一步，通过在旋转密封静子件内表面加工腔室深度在正交方向不同的圆孔型密封腔室结构，形成正交各向异性的圆孔型密封腔。圆孔型密封腔在X、Y 两个正交方向分别具有最大、最小的腔室深度。圆孔型密封腔腔室深度沿周向按椭圆形轨迹连续变化。

进一步，通过在旋转密封静子件内表面加工周向等弧段布置的周向挡板结构和腔室深度在正交方向不同的袋型密封腔室结构，形成正交各向异性的袋型密封腔。X、Y两个正交方向的袋型腔室具有不同的腔室深度。

进一步，通过在袋型密封腔上游、下游密封齿上开设齿顶凹槽结构，使袋型密封腔进出口密封间隙沿流动方向不变、减小或增大，形成直通型、收敛型或发散型密封间隙。

进一步，通过在X、Y两个正交方向的袋型腔室的上、下游密封齿上开设几何参数、位置不同的齿顶凹槽结构，形成正交各向异性的密封间隙比。X、Y 两个正交方向的袋型腔室进出口密封间隙比组合形式有：相同的密封间隙；密封间隙比不同的收敛型密封间隙；密封间隙比不同的发散型密封间隙；一个方向为发散型密封间隙，另一个方向为收敛型密封间隙。

进一步，本发明通过正交各向异性的密封腔结构和密封间隙比的共同作用，达到产生正交各向异性密封动力特性系数(尤其是正交各向异性的密封刚度系数)，提高轴系稳定性的目的。

具体特征包括：

(1)密封静子件结构。密封静子件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。密封静子件内表面开设有密封腔结构。旋转密封静子件内表面、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。旋转密封静子件内表面上的密封腔可采用迷宫环形密封腔结构、圆孔型密封腔结构或袋型密封腔结构。具有袋型密封腔结构的旋转密封静子件内表面布置有环形稳压腔结构。

(2)正交各向异性的迷宫环形密封腔结构。迷宫环形密封腔的腔室深度分别在X、Y两个正交方向取得最大、最小值。迷宫环形密封腔的腔室深度沿周向是按照椭圆形轨迹连续变化的。

(3)正交各向异性的圆孔型密封腔结构。圆孔型密封腔的腔室深度分别在 X、Y两个正交方向取得最大、最小值。圆孔型密封腔的腔室深度沿周向是按照椭圆形轨迹连续变化的。

(4)正交各向异性的袋型密封腔结构。在旋转密封静子件内表面开设沿周向等弧度布置的周向挡板结构，形成周向等弧度排列的袋型密封腔结构。周向挡板结构沿周向个数为4、8或16。袋型密封腔的腔室深度在X、Y两个正交方向是不同的。

(5)正交各向异性的齿顶凹槽结构。在袋型密封腔上、下游密封齿上开设齿顶凹槽结构。X、Y两个正交方向的齿顶凹槽布置方式、几何参数是不同的，形成正交各向异性的密封间隙比。X、Y两个正交方向的袋型腔室进出口密封间隙比组合形式有：相同的密封间隙(正交向齿顶凹槽结构相同或均无齿顶凹槽结构)；密封间隙比不同的收敛型密封间隙；密封间隙比不同的发散型密封间隙；一个方向为发散型密封间隙，另一个方向为收敛型密封间隙。

(6)环形稳压腔。环形稳压腔布置在轴向相邻的两个袋型密封腔之间，具有比袋型密封腔较大的腔室深度和较小的轴向宽度。

综上所述，本发明的正交各向异性旋转密封结构通过正交各向异性的迷宫环形密封腔结构、圆孔型密封腔结构、袋型密封腔结构和齿顶凹槽结构，以及正交各向异性的袋型密封腔结构和齿顶凹槽结构二者的不同组合(各向同性的袋型密封腔结构和各向异性的齿顶凹槽结构；各向异性的袋型密封腔结构和各向同性的齿顶凹槽结构；各向异性的袋型密封腔结构和各向异性的齿顶凹槽结构；)，达到产生正交各向异性的密封动力特性系数，尤其是正交各向异性的密封刚度系数的目的，提高轴系稳定性。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，增强叶轮机械轴系稳定性。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件在多级离心压气机中的安装位置示意图；

图2是本发明的具有迷宫环形密封腔的旋转密封三维结构图；

图3是本发明的具有圆孔腔密封腔的旋转密封三维结构图；

图4a至图4d是本发明的具有袋型腔密封腔的旋转密封三维结构图；(图4a：直通型密封间隙；图4b：收敛型密封间隙；图4c：发散型密封间隙；图4d：收敛型和发散型正交混合密封间隙；)

图5a至图5c是本发明的具有迷宫环形密封腔的旋转密封的轴向剖视图和子午面剖视图；(图5a：轴向剖视图；图5b：正交Y方向子午面剖视图；图5c：正交X方向子午面剖视图；)

图6a至图6c是本发明的具有圆孔型密封腔的旋转密封的轴向剖视图和子午面剖视图；(图6a：轴向剖视图；图6b：正交Y方向子午面剖视图；图6c：正交X方向子午面剖视图；)

图7a至图7d是本发明的具有直通型密封间隙袋型密封腔的旋转密封的轴向剖视图和子午面剖视图；(图7a：左轴向剖视图；图7b：右轴向剖视图；图 7c：正交Y方向子午面剖视图；图7d：正交X方向子午面剖视图；)

图8a至图8d是本发明的具有收敛型密封间隙袋型密封腔的旋转密封的轴向剖视图和子午面剖视图；(图8a：左轴向剖视图；图8b：右轴向剖视图；图 8c：正交Y方向子午面剖视图；图8d：正交X方向子午面剖视图；)

图9a至图9d是本发明的具有发散型密封间隙袋型密封腔的旋转密封的轴向剖视图和子午面剖视图；(图9a：左轴向剖视图；图9b：右轴向剖视图；图 9c：正交Y方向子午面剖视图；图9d：正交X方向子午面剖视图；)

图10a至图10d是本发明的具有收敛型和发散型正交混合密封间隙袋型密封腔的旋转密封的轴向剖视图和子午面剖视图；(图10a：左轴向剖视图；图10b：右轴向剖视图；图10c：正交Y方向子午面剖视图；图10d：正交X方向子午面剖视图；)

图中：1-旋转部件，2-旋转密封静子件，3-密封腔，4-密封齿，5-内表面， 6-外表面，7-稳压腔，8-周向挡板，9-齿顶凹槽，10-腔室深度，11-密封间隙。

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，设计思路如下：

参加图1，本发明的旋转密封静子件2可代替传统密封结构安装在轴端、叶顶、隔板和级间等位置，增强轴系的稳定性。旋转密封静子件2与旋转部件1 组成工质的泄漏通道。

参见图2至图3及图4a至图4d，本发明的旋转密封静子件2上加工有螺栓孔，便于安装。旋转密封静子件2可加工为等弧度的2～6块。

本发明的旋转密封静子件2内表面5上加工有密封腔3。密封腔3可采用多种形式：图2所示的迷宫环形腔结构的密封腔3；图3所示的圆孔型结构的密封腔3；图4a至图4d所示的袋型腔结构的密封腔3。

参见图2，本发明的旋转密封静子件2内表面5上加工的迷宫环形密封腔3 和密封齿结构4可采用刀具切削静子件2内表面5的加工方法，也可采用在静子件2内表面5上镶嵌金属薄片作为密封齿4的加工方法，或采用增材制造的加工方法。

参见图3，本发明的旋转密封静子件2内表面5上加工的圆孔型密封腔3可采用钻头在静子件2内表面5打孔的加工方法，也可采用增材制造的加工方法。

参见图4a至图4d，本发明的旋转密封静子件2内表面5上加工的袋型腔密封腔3在周向被等弧度布置的周向挡板结构8隔开，在轴向被密封齿结构4和布置于相邻袋型密封腔3之间的环形稳压腔7隔开。袋型密封腔3、密封齿4、周向挡板8和稳压腔7等结构可采用刀具切削静子件2内表面5的加工方法，也可采用在静子件2内表面5上镶嵌金属薄片作为密封齿4和周向挡板8的加工方法，或采用增材制造的加工方法。周向挡板8和袋型密封腔3周向排列个数可为4、8、16等。

参见图4a至图4d，本发明的旋转密封静子件2内表面5上加工的袋型腔密封腔3的上、下游密封齿上加工有齿顶凹槽结构9。齿顶凹槽结构9的沿轴向具有不同开设位置(袋型密封腔3的上游密封齿4或下游密封齿4的齿顶中弧度处)，形成了不同的密封间隙比：直通型密封间隙(袋型密封腔3的上、下游密封齿4上均无齿顶凹槽结构9，如图4a所示)；收敛型密封间隙(袋型密封腔3 仅上游密封齿4上加工有齿顶凹槽结构9)；发散型密封间隙(袋型密封腔3仅下游密封齿4上加工有齿顶凹槽结构9)。齿顶凹槽9的形状除矩形外，还可以为扇形。

本发明的旋转密封静子件2内表面5、密封腔3和旋转部件1的外表面6构成了径向密封间隙结构11和工质泄漏通道，工质从高压端流向低压端。密封腔 3在X、Y两个正交方向具有不同的腔室深度10、不同的密封间隙比。

参见图5a至图5c，本发明的旋转密封静子件2内表面5上加工的迷宫环形密封腔3的腔室深度10分别在X、Y两个正交方向取得最大、最小值。迷宫环形密封腔3的腔室深度10沿周向是按照椭圆形轨迹连续变化的，该椭圆形轨迹由X、Y两个正交方向的腔室深度10和旋转部件1的外表面6的半径值决定。

参见图6a至图6c，本发明的旋转密封静子件2内表面5上加工的圆孔型密封腔3的腔室深度10分别在X、Y两个正交方向取得最大、最小值。圆孔型密封腔3的腔室深度10沿周向是按照椭圆形轨迹连续变化的，该椭圆形轨迹由X、 Y两个正交方向的腔室深度10和旋转部件1的外表面6的半径值决定。

参见图7a至图7d、图8a至图8d、图9a至图9d及图10a至图10d，本发明的旋转密封静子件2内表面5上加工的袋型密封腔3的腔室深度10在X、Y 两个正交方向取值不同。以X正方向为起始角度：315o-360o、0o-45o、135o-225o 弧段范围内的X方向袋型密封腔3具有相同的腔室深度10；45o-135o、225o-315o 弧度范围内的Y方向袋型密封腔3具有相同的腔室深度10；X、Y两个正交方向腔室深度10取值不同。

本发明的旋转密封静子件2内表面5上加工的袋型密封腔3的上、下有密封齿4上的齿顶凹槽结构9的沿轴向、周向的开设位置(轴向：上游密封齿4 或下一密封齿4；周向：X方向袋型腔室3的密封齿4或Y方向袋型腔室3的密封齿4)、几何尺寸(矩形凹槽的长、宽，扇形凹槽的半径、弧度，决定了齿顶凹槽9的面积，进而决定密封间隙11的有效值)在X、Y两个正交方向不同。袋型密封腔3具有正交各向异性的密封间隙比(考虑齿顶凹槽面积后，袋型密封腔3的出口密封间隙11与进口密封间隙11的有效值之比)：正交各向均为直通型密封间隙(在正交各向，袋型密封腔3的上、下游密封齿4上均无齿顶凹槽结构9，如图7a至图7d所示)；正交各向均为收敛型密封间隙，但密封间隙比大小不同(在正交各向，袋型密封腔3均只在上游密封齿4上加工有齿顶凹槽结构9，正交各向齿顶凹槽9的面积不同，如图8a至图8d所示)；正交各向均为发散型密封间隙，但密封间隙比大小不同(在正交各向，袋型密封腔3均只在下游密封齿4上加工有齿顶凹槽结构9，正交各向齿顶凹槽9的面积不同，如图9a至图9d所示)；在正交各向：一个方向的袋型密封腔3只在上游密封齿 4上加工有齿顶凹槽结构9，具有收敛型密封间隙；另外一个方向袋型密封腔3 只在下游密封齿4上加工有齿顶凹槽结构9，具有发散形密封间隙，如图10a至图10d所示。

本发明的旋转密封静子件2内表面5上加工的袋型密封腔3在轴向被环形稳压腔7隔开。环形稳压腔7布置在轴向相邻的两个袋型密封腔3之间，具有比袋型密封腔3较大的腔室深度和较小的轴向宽度。

本发明的旋转密封静子件2内表面5上加工的正交各向异性袋型密封腔3 和正交各向异性齿顶凹槽9具有不同的组合形式：各向同性的袋型密封腔3和各向异性的齿顶凹槽9；各向异性的袋型密封腔3和各向同性的齿顶凹槽9；各向异性的袋型密封腔3和各向异性的齿顶凹槽9。即正交各向异性袋型密封腔3 和正交各向异性齿顶凹槽9二者可独立实施，也可配合实施，形成具有各向异性密封动力特性系数的旋转密封。

本发明的技术原理如下：

参见图1，在现代叶轮机械中，由于旋转部件1(如转子、叶轮、轮盘等) 的长度和柔性的增大，旋转密封2位置处的旋转部件1的偏心度增大，同时由于安装误差、转子偏心涡动、进排气周向非均匀等因素的影响，叶轮机械轴系的转子动力特性系数(刚度、阻尼)在X、Y正交方向是不对称的；从轴系涡动能量角度分析，X、Y正交方向各向异性(不对称)的密封动力特性系数，尤其是正交各向异性的交叉刚度系数能够有效抑制轴系涡动能量的累积，对轴系稳定性是有利的。因此研发具有X、Y正交方向各向异性(不对称)动力特性系数的旋转密封结构，对解决现代叶轮机械轴系失稳问题具有重要意义。

研究表明：旋转密封的密封腔室深度、进出口密封间隙比对密封动力特性系数具有显著影响。密封刚度随密封腔室深度的增大而显著减小；密封阻尼随密封腔室深度的增大略有减小。密封进出口间隙比是指密封出口密封间隙泄漏面积与进口密封间隙泄漏面积之比：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。因此，在旋转密封中引入X、Y 正交方向具有不同的腔室深度和密封间隙比的正交各向异性密封腔结构，能够获得具有正交各向异性的密封动力特性系数的旋转密封结构。

本发明的旋转密封静子件2的内表面5上加工有正交各向异性的密封腔3 和正交各向异性的齿顶凹槽9。通过引入正交方向具有不同腔室深度的迷宫环形密封腔3、圆孔型密封腔3和袋型密封腔3，形成正交各向异性的密封腔室深度，从而利用密封腔室深度对密封刚度、阻尼的影响，使旋转密封具有正交各向异性的密封动力特性系数，尤其是正交各向异性的密封刚度系数。

进一步，对于袋型密封腔3，通过在密封齿4上开设X、Y正交方向上位置不同、几何尺寸不同的齿顶凹槽结构9，形成正交各向异性的直通型、收敛型和发散型密封间隙，从而利用密封间隙比对密封刚度、阻尼的影响，是旋转密封具有正交各向异性的密封动力特性系数，尤其是正交各向异性的密封刚度系数。

进一步，对于袋型密封腔3，引入布置于相邻袋型密封腔3之间的环形稳压腔7。由于稳压腔7具有较小的轴向宽度和较大的腔室深度，其内的压力场在周向是接近均匀的，并将袋型密封腔3沿轴向隔开，所以轴向排列的袋型密封腔3 的密封间隙比互不影响。

因此，本发明的旋转密封静子件2通过引入正交各向异性的密封腔3和正交各向异性的齿顶凹槽9，能够达到产生正交各向异性密封动力特性系数，尤其是正交各向异性密封刚度系数的目的，提高叶轮机械轴系稳定性。

数值模拟结果已初步证明了本发明的旋转密封结构能够产生正交各向异性的密封动力特性系数，改善密封转子动力特性。

Claims (10)

1.一种正交各向异性旋转密封结构，其特征在于，该密封结构为用于套装在旋转部件(1)上的旋转密封静子件(2)，其内表面(5)上布置有正交各向异性的密封腔(3)和稳压腔(7)；其中，

旋转密封静子件(2)内表面(5)的密封腔(3)、稳压腔(7)与旋转部件(1)外表面(6)之间的密封间隙(11)，构成工质的泄漏通道，使得工质能够从高压端流向低压端；

密封腔(3)的腔室深度(10)在X、Y两个正交方向取值不同；

稳压腔(7)是周向贯通的环形腔体，布置在轴向相邻的两个密封腔(3)之间，具有比密封腔(3)大的腔室深度(10)和比密封腔(3)小的轴向宽带。

2.根据权利要求1所述的一种正交各向异性旋转密封结构，其特征在于，密封腔(3)为迷宫环形密封腔；其中，

迷宫环形密封腔的腔室深度(10)分别在X、Y两个正交方向取得最大、最小值；迷宫环形密封腔的腔室深度(10)沿周向按照椭圆形轨迹连续变化的，且该椭圆形轨迹由X、Y两个正交方向的腔室深度(10)和旋转部件(1)的外表面(6)的半径值决定。

3.根据权利要求2所述的一种正交各向异性旋转密封结构，其特征在于，迷宫环形密封腔和密封齿(4)可采用刀具切削静子件(2)内表面(5)的加工方法，或者采用在旋转密封静子件(2)的内表面(5)上镶嵌金属薄片作为密封齿(4)的加工方法，或采用增材制造的加工方法。

4.根据权利要求1所述的一种正交各向异性旋转密封结构，其特征在于，密封腔(3)为圆孔型密封腔；其中，

圆孔型密封腔的腔室深度(10)分别在X、Y两个正交方向取得最大、最小值；圆孔型密封腔的腔室深度(10)沿周向按照椭圆形轨迹连续变化的，且该椭圆形轨迹由X、Y两个正交方向的腔室深度(10)和旋转部件(1)的外表面(6)的半径值决定。

5.根据权利要求4所述的一种正交各向异性旋转密封结构，其特征在于，圆孔型密封腔采用钻头在旋转密封静子件(2)的内表面(5)上打孔的加工方法，或者采用增材制造的加工方法。

6.根据权利要求1所述的一种正交各向异性旋转密封结构，其特征在于，密封腔(3)为袋型密封腔；其中，

袋型密封腔在周向被等弧度布置的周向挡板(8)隔开，在轴向被密封齿(4)和布置于相邻袋型密封腔之间的稳压腔(7)隔开；周向挡板(8)和袋型密封腔的周向排列个数为4、8或16；

袋型密封腔的腔室深度(10)在X、Y两个正交方向取值不同，以X正方向为起始角度：315°-360°、0°-45°、135°-225°弧段范围内的X方向袋型密封腔具有相同的腔室深度(10)；45°-135°、225°-315°弧度范围内的Y方向袋型密封腔具有相同的腔室深度(10)；X、Y两个正交方向腔室深度(10)的取值不同；

袋型腔密封腔的上、下游密封齿(4)上加工有齿顶凹槽(9)，齿顶凹槽(9)的截面为矩形或者为扇形。

7.根据权利要求6所述的一种正交各向异性旋转密封结构，其特征在于，袋型密封腔的齿顶凹槽(9)沿轴向具有不同的开设位置：开设于袋型密封腔的上游密封齿(4)或下游密封齿(4)的齿顶中弧度处；袋型密封腔具有不同的进出口密封间隙比；其中，

袋型密封腔的上、下游密封齿(4)上均无齿顶凹槽(9)，形成直通型密封间隙；

或者，袋型密封腔上游的密封齿(4)上加工有齿顶凹槽(9)，形成收敛型密封间隙；

或者，袋型密封腔下游的密封齿(4)上加工有齿顶凹槽(9)，形成发散型密封间隙。

8.根据权利要求6所述的一种正交各向异性旋转密封结构，其特征在于，袋型密封腔的上、下有密封齿(4)上的齿顶凹槽(9)的沿轴向、周向的开设位置、几何尺寸在X、Y两个正交方向不同；

袋型密封腔具有正交各向异性的密封间隙比；正交各向异性的密封间隙比存在多种形式；其中，

在正交各向：袋型密封腔的上、下游密封齿(4)上均无齿顶凹槽(9)，形成正交各向均为直通型密封间隙；

在正交各向：袋型密封腔均只在上游密封齿(4)上加工有齿顶凹槽(9)，但正交各向齿顶凹槽(9)的面积不同，形成正交各向均为收敛型密封间隙，且密封间隙比大小不同；

在正交各向：袋型密封腔均只在下游密封齿(4)上加工有齿顶凹槽(9)，正交各向齿顶凹槽(9)的面积不同，形成正交各向均为发散型密封间隙，且密封间隙比大小不同；

在正交各向：一个方向的袋型密封腔只在其上游密封齿(4)上加工有齿顶凹槽(9)，具有收敛型密封间隙；另外一个方向袋型密封腔只在其下游密封齿(4)上加工有齿顶凹槽(9)，具有发散形密封间隙。

9.根据权利要求6或8所述的一种正交各向异性旋转密封结构，其特征在于，旋转密封静子件(2)内表面(5)上加工的正交各向异性袋型密封腔和正交各向异性齿顶凹槽(9)二者独立实施，或者配合实施，形成具有各向异性密封动力特性系数的旋转密封结构，具有多种组合形式，分别为：各向同性的袋型密封腔(3)和各向异性的齿顶凹槽(9)；各向异性的袋型密封腔(3)和各向同性的齿顶凹槽(9)；各向异性的袋型密封腔(3)和各向异性的齿顶凹槽(9)。

10.根据权利要求6所述的一种正交各向异性旋转密封结构，其特征在于，袋型密封腔、密封齿(4)、周向挡板(8)和稳压腔(7)采用刀具切削静子件(2)的内表面(5)的加工方法，或者采用在静子件(2)内表面(5)上镶嵌金属薄片作为密封齿(4)和周向挡板(8)的加工方法，或者采用增材制造的加工方法。