CN108679227B - 一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，该密封结构在前挡板上加工有切向‑径向倾斜的喷嘴，喷嘴分两排，前挡板顶部斜坡与转子圆盘顶部斜坡构成径向倾斜喷嘴；刷丝束与前挡板之间安装有刷丝网，刷丝束中间安装有柔性承压板。本发明的前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，减小或者消除了各种原因导致的刷丝与转子的径向间隙，且使得刷丝束能更好地跟随转子偏心移动，刷式密封封严性能得到提升，迟滞效应得到减弱；减小了高压差工况下刷丝沿轴向的过度弯曲和吹散作用，刷式密封承压能力得到提升；提供相比传统刷式密封更明显的反向切向气流速度，刷式密封转子动特性得到改善。

Description

一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构

技术领域

本发明属于旋转机械密封技术领域，具体涉及一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构。

背景技术

在蒸汽轮机、燃气轮机、泵和压气机等旋转机械中，旋转密封安装在旋转部件和静止部件之间，控制通过动静间隙从高压区向低压区的泄漏流动，对叶轮机械运行效率具有显著地影响。传统迷宫密封和蜂窝密封由于存在固有间隙，封严性能受到限制。现有技术中，刷式密封作为接触式密封，泄漏量仅为迷宫密封的1/5-1/10，且能够很好地适应转子瞬时偏心。因此，刷式密封广泛应用于燃气轮机，航空发动机和汽轮机等领域。

刷式密封的最常见的刷丝材料是钴基合金(如Hayness25)，此种材料在高温下具有很好的耐磨和耐腐蚀特性，转子面需要光滑硬质涂层以降低刷丝和转子的磨损。在轴承油封等领域，刷丝磨损产生的金属颗粒会对精密轴承造成损害同时存在潜在的火花，而非金属纤维材料(如)可有效克服这些缺点。

研究表明，刷丝束与转子之间的径向间隙会显著降低刷式密封的封严性能。而刷式密封运行过程中，出现以下情形使得刷丝束与转子之间产生径向间隙：(1)长期运行后，刷丝束磨损；(2)转子瞬时移动，部分区域刷丝与转子脱离接触；(3)高压差工况，刷丝沿轴向向下游过度偏移；(4)轴承箱油封等高粘度流体密封场合，转子高速旋转产生的流体动升力使得刷丝与转子脱离接触。传统的刷式密封气流径向流动较弱，刷丝“闭合效应”也较弱，使得刷丝与转子之间的间隙不能得到很好的减小或者消除。

此外，现有单级标准型刷式密封的最大承压能力有限，当压差过大时，需考虑采用多级刷式密封设计，而部分场合轴向空间有限，限制了刷式密封的应用范围。

因此，研发能够有效减小或者消除刷式密封运行工程中刷丝与转子之间的径向间隙的耐高压刷式密封，对改善刷式密封封严性能、拓展刷式密封应用范围和提高机组运行效率具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明针对旋转机械对刷式密封降低泄漏量、提高承压能力的要求，提供了一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，使其能够有效地减小或消除刷丝束与转子因为各种原因产生的径向间隙以降低密封泄漏量，且承压能力提高。

本发明采用以下技术方案来实现的：

一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，该刷式密封结构用于套装在转子上，包括前挡板、后档板、刷丝束、柔性承压板以及刷丝网；其中，

前挡板和后档板远离转子的一端固定在一起，使得前挡板和后档板之间形成开口端朝向转子的腔体，刷丝束、柔性承压板以及刷丝网设置在前挡板和后档板之间的腔体内并与前挡板和后档板的连接端固定连接，且柔性承压板安装在刷丝束中间，刷丝网设置在刷丝束靠近前挡板的一侧；

转子的周向上设置有转子圆盘，前挡板上开设有切向-径向倾斜的第一喷嘴和第二喷嘴，前挡板顶部的前挡板顶部斜坡与转子圆盘顶部的转子圆盘顶部斜坡形成第三喷嘴。

本发明进一步的改进在于，后档板的内侧开设有环形减压槽。

本发明进一步的改进在于，转子与刷丝束接触区域设置有光滑的耐磨涂层。

本发明进一步的改进在于，刷丝束根部通过熔焊工艺或者MTU箍制工艺固定于前挡板和后档板之间；刷丝采用直径为0.05mm～0.2mm的钴基耐高温合金丝或者0.01～0.15mm的非金属纤维丝，且刷丝与转子径向倾斜角为30o～60o，且刷丝与转子径向倾斜角顺着转子转动方向。

本发明进一步的改进在于，第一喷嘴、第二喷嘴和第三喷嘴沿轴向渐缩且沿径向向转子倾斜，同时第一喷嘴和第二喷嘴沿切向倾斜并与转子转动方向相反。

本发明进一步的改进在于，每个切向-径向喷嘴进口与出口径向宽度之比大于或者等于2，且前挡板上的切向-径向喷嘴数量为4、8、16、20或24；

第一喷嘴进口径向宽度和第二喷嘴进口径向宽度一致，第一喷嘴出口径向宽度和第二喷嘴出口径向宽度一致；

前挡板顶部斜坡与转子轴向的夹角比转子圆盘顶部斜坡与转子轴向的夹角大40°～50°；

转子圆盘靠近刷丝束侧径向高度大于后档板与转子的径向间隙。

本发明进一步的改进在于，前挡板与转子圆盘之间的径向间隙不少于1.1mm，转子圆盘轴向宽度为两倍于前挡板轴向厚度，且转子圆盘与刷丝网之间的轴向间隙为0.5mm～1mm。

本发明进一步的改进在于，前挡板与刷丝网之间存在轴向间隙，形成空腔，其值与转子圆盘和刷丝网之间的轴向间隙相等。

本发明进一步的改进在于，刷丝网利用径向刷丝和周向刷丝编织而成，径向刷丝和周向刷丝采用线径为0.1～0.2mm柔性材料；刷丝网与转子的径向间隙和前挡板与转子圆盘的径向间隙一致或略小；柔性承压板采用柔性制成，厚度为0.2-0.3mm，且与转子的径向间隙和前挡板与转子圆盘的径向间隙一致。

本发明进一步的改进在于，后档板与转子的径向间隙和前挡板与转子圆盘之间的径向间隙一致。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在前挡板上开设切向-径向喷嘴，前挡板顶部斜坡与转子圆盘顶部斜坡构成径向喷嘴，这样的设计能够提高刷式密封内的气流径向流动，以及与转子转动方向(或刷丝倾斜方向)相反的切向气流，进而减小或者消除刷丝与转子之间由于各种原因产生的径向间隙；此外，当转子从偏心位置回到原始位置时，径向和切向气流以及后挡板的环形减压槽会使得刷丝更好地跟随转子移动，刷式密封封严性能得到提升，迟滞特性得到改善。转子圆盘、以及柔性承压板和刷丝网的存在减弱了刷丝束在高压差工况下的轴向过度弯曲以及吹散作用，刷式密封承压能力得到提升。此外，转子旋转引起的切向气流会恶化密封转子动特性，而前挡板切向-径向喷嘴带来的与转子转动方向相反的反向切向气流有助于减弱转子旋转带来的气流正向切向流动，改善刷式密封的转子动特性。

进一步，后挡板上的环形减压槽的存在，使得刷丝束靠近后挡板侧的末排刷丝与后挡板的摩擦减小，可以使得刷丝更好地跟随转子瞬时移动，刷丝束迟滞效应得到减弱。

进一步，转子与刷式束接触区域设置的光滑耐磨涂层可降低刷丝与转子在高速摩擦下对转子和刷丝的磨损以及摩擦生热。

进一步，刷丝与转子径向夹角为30°～60°，可使得刷丝束在转子发生径向偏移时产生弹性退让，避免刷丝和转子过度磨损。

进一步，前挡板上第一喷嘴和第二喷嘴沿轴向渐缩，且沿径向向转子倾斜，同时沿切向向转子转动方向相反的方向倾斜，使得气流在第一喷嘴和第二喷嘴中得到加速，且流入刷丝束的气流存在明显的径向速度和与转子转动方向相反的切向速度；前挡板顶部斜坡与转子圆盘顶部斜坡构成的沿轴向渐缩且沿径向倾斜的第三喷嘴，使得气流在第三喷嘴中加速并使得流入刷丝束的气流存在明显的径向速度。气流径向和切向流动产生的对刷丝的气流力减小或者消除刷丝与转子之间由于各种原因产生的径向间隙，封严性能得到提升。此外，当转子从偏心位置回到原始位置时，径向和切向气流会使得刷丝更好地跟随转子移动，刷式密封封严性能得到提升，迟滞特性得到改善。同时，前挡板切向-径向喷嘴带来的与转子转动方向相反的反向切向气流有助于减弱转子旋转带来的气流正向切向流动，改善刷式密封的转子动特性。

进一步，前挡板与转子圆盘径向间隙不小于1.1mm避免了前挡板与转子圆盘的触碰对转子的损伤，转子圆盘与刷丝网之间的间隙则避免了转子圆盘与刷丝网的摩擦对刷丝网和转子圆盘的磨损，同时转子圆盘轴向宽度两倍于前挡板轴向厚度，则气流在进入第三喷嘴前得到一定程度的引流作用。

进一步，前挡板与刷丝网之间存在轴向间隙，形成空腔，使得从前挡板周向非连续的第一喷嘴和第二喷嘴出来的气流更均匀的流入刷丝束，刷丝束受力更均匀；同时给予刷丝束一定程度的自由度，避免刷丝过度磨损。

进一步，转子圆盘布置在刷丝束上游，且转子圆盘靠近刷丝束侧径向高度大于后档板与转子的径向间隙，这样就避免了气流对刷丝束顶部的直接冲刷；刷丝网采用柔性材料制成的刷丝编织而成，且布置在刷丝束靠近前挡板一侧，柔性承压板布置在刷丝束中间，可以避免轴向过度弯曲以及吹散作用，进而提高刷式密封承压能力；同时刷丝网空隙很大，对从喷嘴进入刷丝束的气流阻碍作用小；柔性承压板避免了从喷嘴中喷出的气流直接从后档板与转子之间的径向间隙直接排出，增加了流体在刷丝束内的流动距离，刷式密封封严性能得到进一步提升。

终上所述，本发明一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，可以降低泄漏量，提高密封封严性能；提高承压能力；改善刷式密封迟滞特性和转子动特性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是转子结构示意图；

图3是刷丝安装示意图；

图4是本发明前挡板三维结构图；

图5图4中喷嘴的局部放大图；

图6是图4的B向视图(前挡板轴向视图)；

图7是图5沿A-A线的剖视图；

图8是本发明前挡板喷嘴5/6进出口相对位置示意图(轴向)；

图9是本发明刷丝网轴向示意图。

图中：1前挡板；2为后挡板；3为刷丝束；4为柔性承压板；5为第一喷嘴；6为第二喷嘴；7为第三喷嘴；5a为第一喷嘴进口径向宽度；5b为第一喷嘴出口径向宽度；6a为第二喷嘴进口径向宽度；6b为第二喷嘴出口径向宽度；7a为前挡板顶部斜坡；7b为前挡板顶部斜坡与转子轴向夹角；8为转子圆盘；8a为转子圆盘顶部斜坡；8b为转子圆盘顶部斜坡与转子轴向夹角；8c为转子圆盘靠近刷丝束侧径向高度；9为空腔；10为环形减压槽；11为转子；12为耐磨涂层；13为刷丝网，14a为前挡板与转子圆盘的径向间隙，14b为刷丝网与转子的径向间隙，14c为柔性承压板与转子的径向间隙，14d为后挡板与转子的径向间隙，15为刷丝与转子径向倾斜角；16为第一喷嘴和第二喷嘴进出口周向偏转角；17为第一喷嘴和第二喷嘴进口弧段角度；18为第一喷嘴和第二喷嘴出口弧段角度；19为刷丝网径向刷丝与转子径向夹角；20为刷丝网径向刷丝；21为刷丝网周向刷丝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。以下实施仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。

本发明的具体结构参见附图1～8：

参加图1，本发明刷丝束3采用熔焊或者MTU箍制工艺固定与前挡板1和后挡板2之间。刷式密封前挡板1上开有切向-径向倾斜的第一喷嘴5和第二喷嘴6；转子11靠近前挡板1位置设置有转子圆盘8，与前挡板1顶部构成径向倾斜的第三喷嘴7；转子11与刷丝束3接触区域设置有光滑的耐磨涂层12；刷丝束3与前挡板1之间有刷丝网13，刷丝束3中间安装有柔性承压板4；后挡板2上开设有环形减压槽10。

参见图1，本发明中的第三喷嘴7沿径向向转子11倾斜，前挡板与转子圆盘的径向间隙14a不少于1.1mm，转子圆盘8的轴向宽度为两倍于前挡板轴向厚度，且转子圆盘8与刷丝网13之间存在0.5mm～1mm的轴向间隙。

参见图1，本发明中前挡板1与刷丝网13之间存在轴向间隙，其值和转子圆盘8与刷丝网13之间的轴向间隙相等，轴向间隙形成空腔9。

参见图1，本发明中柔性承压板4采用柔性材料制成，厚度为0.2-0.3mm。参见图1，本发明中柔性承压板与转子的径向间隙14c以及后档板与转子的径向间隙14d和前挡板与转子圆盘的径向间隙14a相等，刷丝网与转子之间的径向间隙14b和前挡板与转子圆盘的径向间隙14a相等或略小。

参见图2，本发明中转子圆盘8顶部有转子圆盘顶部斜坡8a，转子圆盘顶部斜坡8a与转子11轴向夹角为转子圆盘顶部斜坡与转子轴向的夹角8b，转子圆盘靠近刷丝束侧径向高度8c大于后档板与转子的径向间隙14d。

参见图3，本发明中刷丝束3材料采用0.05～0.2mm的钴基耐高温合金丝(如Hayness25)或者0.01～0.15mm的非金属纤维丝(如)，且刷丝与转子11径向有30°～60°的刷丝与转子径向倾斜角15，刷丝与转子径向倾斜角15顺着转子11转动方向。

参见图4、图5、图6、图7，本发明中前挡板1上加工切向-径向第一喷嘴5和第二喷嘴6，其数量为4、8、16、20或24等。

参见图4、图5、图6、图7，本发明中前挡板1顶部加工有前挡板顶部斜坡7a，且前挡板顶部斜坡与转子轴向的夹角7b比转子圆盘顶部斜坡与转子轴向的夹角8b大40°～50°，前挡板顶部斜坡7a与图1中的图2中的转子圆盘顶部斜坡8a构成第三喷嘴7。

参见图7，本发明中第一喷嘴进口径向宽度5a和第二喷嘴进口径向宽度6a一致，本发明中第一喷嘴出口径向宽度5b和第二喷嘴出口径向宽度6b一致，且满足5a≥5b·2，6a≥6b·2。

参见图8，本发明中第一喷嘴5和第二喷嘴6进口弧段角度17大于第一喷嘴5和第二喷嘴6出口弧段角度18，且第一喷嘴5和第二喷嘴6的进出口沿周向存在第一喷嘴和第二喷嘴进出口周向偏转角16，且偏转方向与转子11转动方向相反。

参见图9，本发明中刷丝网13利用径向刷丝20和周向刷丝21编织而成，径向刷丝20和周向刷丝21采用线径为0.1～0.2mm的柔性材料(如钴基耐高温合金丝Haynes25)制成；刷丝网13刷丝网径向刷丝20与转子径向存在刷丝网径向刷丝与转子径向夹角19，其值与刷丝与转子径向倾斜角15相等。

本发明的技术原理如下：

在刷式密封运行工程中，由于(1)刷丝束磨损、(2)转子瞬时移动、(3)高压差工况刷丝轴向游过度偏移以及(4)轴承箱油封等高粘度流体密封场合，转子高速旋转产生的流体动升力等因素，刷丝与转子之间容易产生径向间隙，径向间隙会显著提高泄漏流量，降低封严性能。参见图1，切向-径向第一喷嘴5和第二喷嘴6能够提高刷式密封内的气流径向流动，以及与转子11转动方向(或刷丝倾斜方向)相反的切向气流，第三喷嘴7能够提高刷式密封内的径向气流速度，气流径向和切向流动产生的对刷丝的气流力减小或者消除了刷丝束3与转子11之间由于各种原因产生的径向间隙，封严性能得到提升。此外，当转子11从偏心位置回到原始位置时，径向和切向气流以及后挡板2的环形减压槽10会使得刷丝更好地跟随转子11移动，刷式密封迟滞特性得到改善。

转子圆盘8避免了气流对刷丝束3顶部的直接冲刷，柔性承压板4和刷丝网13的存在则提高了刷丝束3的轴向刚度，减弱了刷丝束3在高压差工况下的轴向过度弯曲以及吹散作用，刷式密封承压能力得到提升；同时柔性承压板4避免了从喷嘴中喷出的气流直接从后档板与转子之间的径向间隙14d直接排出，增加了流体在刷丝束3内的流动距离，刷式密封封严性能得到进一步提升。

转子11旋转引起的切向气流会恶化密封转子动特性，而前挡板2上的第一喷嘴5和第二喷嘴6带来的与转子转动方向相反的反向切向气流有助于减弱转子11旋转带来的气流正向切向流动，进而刷式密封的转子动特性得到提升。

综上，所述前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构可以减小或消除刷丝与转子之间的径向间隙，降低泄漏量，提高密封封严性能；提高承压能力；改善密封刷封迟滞特性和转子动特性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明技术原理前提下，可做若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，其特征在于，该刷式密封结构用于套装在转子(11)上，包括前挡板(1)、后档板(2)、刷丝束(3)、柔性承压板(4)以及刷丝网(13)；其中，

前挡板(1)和后档板(2)远离转子(11)的一端固定在一起，使得前挡板(1)和后档板(2)之间形成开口端朝向转子(11)的腔体，刷丝束(3)、柔性承压板(4)以及刷丝网(13)设置在前挡板(1)和后档板(2)之间的腔体内并与前挡板(1)和后档板(2)的连接端固定连接，且柔性承压板(4)安装在刷丝束(3)中间，刷丝网(13)设置在刷丝束(3)靠近前挡板(1)的一侧；

转子(11)的周向上设置有转子圆盘(8)，前挡板(1)上开设有切向-径向倾斜的第一喷嘴(5)和第二喷嘴(6)，前挡板(1)顶部的前挡板顶部斜坡(7a)与转子圆盘(8)顶部的转子圆盘顶部斜坡(8a)形成第三喷嘴(7)；并且第一喷嘴(5)、第二喷嘴(6)和第三喷嘴(7)沿轴向渐缩且沿径向向转子(11)倾斜，同时第一喷嘴(5)和第二喷嘴(6)沿切向倾斜并与转子(11)转动方向相反；第一喷嘴(5)和第二喷嘴(6)使得流经的气流加速并使得流入刷丝束(3)的气流存在明显的径向速度和与转子转动方向相反的切向速度，第三喷嘴(7)使得流经的气流加速并使得流入刷丝束(3)的气流存在明显的径向速度，气流径向和切向流动产生的对刷丝的气流力可减小或者消除刷丝与转子(11)之间由于各种原因产生的径向间隙；同时，当转子从偏心位置回到原始位置时，径向和切向气流会使得刷丝更好地跟随转子移动，刷式密封封严性能得到提升，迟滞特性得到改善；此外，第一喷嘴(5)和第二喷嘴(6)带来的与转子转动方向相反的反向切向气流有助于减弱转子旋转带来的气流正向切向流动，改善刷式密封的转子动特性；

刷丝网(13)利用径向刷丝(20)和周向刷丝(21)编织而成，径向刷丝(20)和周向刷丝(21)采用线径为0.1～0.2mm柔性材料；刷丝网与转子的径向间隙(14b)和前挡板与转子圆盘的径向间隙(14a)一致或略小；柔性承压板采用柔性材料制成，厚度为0.2-0.3mm，且与转子的径向间隙(14c)和前挡板与转子圆盘的径向间隙(14a)一致；刷丝网(13)和柔性承压板(4)能够避免刷丝束(3)轴向过度弯曲以及吹散作用，进而提高刷式密封承压能力。

2.根据权利要求1所述的一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，其特征在于，后档板(2)的内侧开设有环形减压槽(10)。

3.根据权利要求1所述的一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，其特征在于，转子(11)与刷丝束(3)接触区域设置有光滑的耐磨涂层(12)。

4.根据权利要求1所述的一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，其特征在于，刷丝束(3)根部通过熔焊工艺或者MTU箍制工艺固定于前挡板(1)和后档板(2)之间；刷丝采用直径为0.05mm～0.2mm的钴基耐高温合金丝或者0.01～0.15mm的非金属纤维丝，且刷丝与转子径向倾斜角(15)为30°～60°，且刷丝与转子径向倾斜角(15)顺着转子(11)转动方向。

5.根据权利要求1所述的一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，其特征在于，每个切向-径向喷嘴进口与出口径向宽度之比大于或者等于2，且前挡板上的切向-径向喷嘴数量为4、8、16、20或24；

第一喷嘴进口径向宽度(5a)和第二喷嘴进口径向宽度(6a)一致，第一喷嘴出口径向宽度(5b)和第二喷嘴出口径向宽度(6b)一致；

前挡板顶部斜坡与转子轴向的夹角(7b)比转子圆盘顶部斜坡与转子轴向的夹角(8b)大40°～50°；

转子圆盘靠近刷丝束侧径向高度(8c)大于后档板与转子的径向间隙(14d)。

6.根据权利要求1所述的一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，其特征在于，前挡板(1)与转子圆盘(8)之间的径向间隙(14a)不少于1.1mm，转子圆盘(8)轴向宽度为两倍于前挡板(1)轴向厚度，且转子圆盘(8)与刷丝网(13)之间的轴向间隙为0.5mm～1mm。

7.根据权利要求1所述的一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，其特征在于，前挡板(1)与刷丝网(13)之间存在轴向间隙，形成空腔(9)，其值与转子圆盘(8)和刷丝网(13)之间的轴向间隙相等。

8.根据权利要求1所述的一种前挡板带喷嘴的耐高压低迟滞刷式密封结构，其特征在于，后档板与转子的径向间隙(14d)和前挡板与转子圆盘之间的径向间隙(14a)一致。