CN109026819A - 一种异型齿双迷宫密封结构及一种核主泵用带定位的异型齿口环密封结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体机械及间隙密封技术领域，更具体的涉及一种异型齿双迷宫密封结构及一种核主泵用带定位的异型齿口环密封结构。异型齿双迷宫密封结构的密封齿向流体进口侧倾斜，且背风面采用内凹的圆弧结构，类平行四边形结构的大密封腔上部开有平行四边形结构的小密封腔，形成双迷宫密封。口环与叶轮进水口外缘、口环与导叶前缘内壁通过异型齿双迷宫密封结构实现密封，降低流体泄漏量，提高核主泵运行稳定性。口环上设有安装块实现口环的无损拆装及周向定位；口环与泵壳之间设有密封垫进行轴向定位并阻止液体回流。基于大量分析计算得到异型齿形状修正系数约束函数，可在短时间内确定最佳化的设计关键尺寸，减少口环间隙泄漏对核主泵的不利影响。
Description
技术领域
本发明属于流体机械及间隙密封技术领域，更具体的涉及一种异型齿双迷宫密封结构及一种核主泵用带定位的异型齿口环密封结构。
背景技术
叶片泵工作时，高速旋转的叶轮与固定的泵体之间、叶轮与导叶之间留有一定的间隙，间隙两端的压力差导致流体由高压腔流向低压腔，造成泄漏与能量损失。因此工程上会在间隙处设置密封口环，达到减少介质泄漏的目的。此外，密封口环的设置还起到保护泵上主要零件不受磨损的作用，改善泵进口处水流状态，提高泵效率。
现有的口环大多采用光滑口环的密封形式，依靠节流间隙来增加介质的流动阻力，从而减少泄漏，达到密封效果，但是这种结构的空腔内部介质耗散作用低，阻止回流作用有限；现有的中开式结构口环很多仅通过螺栓连接，口环与离心泵之间的同轴度降低，容易造成错位，产生振动及噪声，引发叶轮及泵轴失效，降低使用年限。
核主泵内介质为高温高压具有放射性介质的流体，工作流量大，服役年限长，对部件的安全性稳定性要求更高，所以对口环的密封性能提出了更高要求。因此，如何经济有效地降低口环泄漏量，改善定位方式，对于设备的节能降噪和安全运行都具有重要的实际意义和应用价值。
发明内容
本申请要解决的技术问题是提供一种异型齿双迷宫密封结构及一种核主泵用带定位的异型齿口环密封结构，加强节流效果，有效控制核主泵内高温高压具有放射性介质流体的泄漏，保证在大流量工况下稳定运行，减少口环泄漏量对下一级部件的安全稳定运行产生影响。
本发明采用的技术方案是：一种异型齿双迷宫密封结构，包括多个密封齿，所述密封齿向流体进口侧倾斜，且背风面采用内凹的圆弧结构，圆弧结构的圆弧角为35-60°；相邻两个密封齿之间构成第一密封腔；密封齿的高度为所述第一密封腔的深度h，密封齿倾斜角度为第一密封腔的倾斜度相邻两个密封齿之间的间距为第一密封腔的宽度b；第一密封腔上部开有第二密封腔，第二密封腔为平行四边形结构，第二密封腔的宽度b'，深度h'，倾斜度分别满足：b'＝1/3b，h'＝1/3h，
进一步地，所述的第一密封腔深度h，第一密封腔倾斜度第一密封腔宽度b通过下式获得：其中，l为密封长度，α为槽高系数，β为槽宽系数，ψ为角度系数；
α、β、ψ通过以下异型齿形状修正系数约束函数得到：
且0.07<α<0.12，0.12<β<0.15，0.5<ψ<0.7。
一种具有上述异型齿双迷宫密封结构的核主泵用带定位的异型齿口环密封结构，该密封结构实现泵壳与叶轮，以及叶轮与导叶之间的密封，所述密封机构包括口环；所述口环包括上部和下部，上部具有圆筒状结构，与泵壳固定连接；下部具有弧形外扩结构，套设于叶轮上；所述弧形外扩结构上端的内壁面具有第一异型齿双迷宫密封结构；所述弧形外扩结构下端的外壁面具有第二异型齿双迷宫密封结构；口环与叶轮的进水口外缘之间通过第一异型齿双迷宫密封结构实现密封，口环与导叶的前缘内壁通过第二异型齿双迷宫密封结构实现密封。
进一步地，口环顶部周向具有凸沿，口环通过多个沿周向均布的安装块与泵壳连接，安装块与凸沿相扣；所述安装块通过螺栓固定于泵壳。
进一步地，口环与泵壳之间设有密封垫。
本发明的有益效果：
1、本发明的口环呈一体成型，强度高，稳定性好，异型齿双迷宫密封结构大大降低泄漏量，提高设备效率；
2、根据本发明的经验公式和设计方法，可在短时间内确定最佳化的设计关键尺寸；
3、设置安装块结构，进行口环周向定位，避免了螺钉在口环上的直接使用，实现口环的无损拆装，延长口环使用寿命。
附图说明
图1为本发明专利实施案例提供的核主泵结构示意图；
图2为本发明专利实施案例提供的核主泵口环径向剖视结构示意图；
图3为图2的A-A向剖视图；
图4为图1的局部放大图；
图5为本发明专利实施案例提供的核主泵异型齿双迷宫密封结构示意图。
图中：1泵壳，2密封垫，3安装块，4螺栓，5口环，6叶轮，71第一异型齿双迷宫密封结构，72第二异型齿双迷宫密封结构，701第一密封腔，702第二密封腔，8导叶。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细阐述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
本发明提供一种异型齿双迷宫密封结构，如图5所示，包括多个密封齿，密封齿向流体进口侧倾斜，且背风面采用内凹的圆弧结构，圆弧结构的圆弧角为35-60°；相邻两个密封齿之间构成第一密封腔701；密封齿的高度为第一密封腔701的深度h，密封齿倾斜角度为第一密封腔701的倾斜度相邻两个密封齿之间的间距为第一密封腔701的宽度b；第一密封腔701上部开有第二密封腔702，第二密封腔702为平行四边形结构，第二密封腔702的宽度b'，深度h'，倾斜度分别满足：b'＝1/3b，h'＝1/3h，
其中，第一密封腔701设计为类平行四边形结构，使得流体经密封齿流向发生偏转，流向密封腔室，形成漩涡。背流面的圆弧结构设计便于将直通流体引流进入密封腔室，有利于漩涡向上层腔室发展，增大了主涡旋的流动面积与流动路径，延长流体在密封腔室的驻留时间，加强大涡的动能耗散。且圆弧结构使得密封齿形成两端厚中间薄的结构，加厚的齿顶和齿根对高压高速的流体更具适应性，可以延长密封齿的使用寿命和检修周期。
第一密封腔701上部设置平行四边形结构的第二密封腔702，形成双迷宫密封。流体在第一密封腔701上壁面流动，流经凹槽发生二次偏转，泄漏流形成逆时针旋转的漩涡，加强节流作用，增加沿程损失，减少流体泄漏量。较多动能转化为热能，降低更多压力能。在离心力作用下，贴近旋转壁面的流体向静止部件运动，平行四边形腔室方向与流体同向，发生涡旋的流体从密封腔室流出后受到相反方向的密封腔阻力，大大降低了流动速度。大小密封腔的组合形式，能够获得更多的能量耗散，可以使流体发生二次偏转，在短时间内经过多次膨胀与压缩过程，消耗更多压力能，有效提高密封效果，减少流体泄漏量。
本发明还进一步涉及上述异型齿双迷宫密封结构的尺寸设计，具体如下：
异型齿形状修正系数Ω的来源根据所得实验模拟数据寻找规律，采用牛顿拟合原理拟合数据曲线而得，具体如下：
如图1所示，为本发明优选实施例，即本发明应用于核主泵的结构示意图。图中叶轮与泵体连接处装有本发明，安装后的密封间隙取s＝0.3mm，密封长度取l＝35mm。根据光滑密封泄漏量理论计算公式得到光滑密封的泄漏量Q0作为基本量，理论计算结果为5.125kg/s，实验模拟结果为5.132kg/s，误差为0.14％，证明模拟结果有效。
根据设备要求和制造工艺，选取以下口环密封齿的几种参数的组合，第一密封腔深度2.5mm，3mm，3.5mm，4mm，宽度4.5mm，5.0mm，密封齿倾斜角度45°，60°。
(1)实验数据
建立不同几何参数(第一密封腔的高度、宽度、倾斜度)的异型齿双迷宫密封口环模型，将该模型导入到流体力学软件中，通过数值计算提取出口流量，即为密封泄漏量。得到实验结果如下：
| 序号 | 高度/mm | 宽度/mm | 倾斜度/° | 泄漏量/kg·s-1 |
| 1 | 2.5 | 4.5 | 45 | 3.748 |
| 2 | 2.5 | 4.5 | 60 | 4.001 |
| 3 | 2.5 | 5 | 45 | 3.864 |
| 4 | 2.5 | 5 | 60 | 4.401 |
| 5 | 3 | 4.5 | 45 | 3.022 |
| 6 | 3 | 4.5 | 60 | 3.650 |
| 7 | 3 | 5 | 45 | 3.388 |
| 8 | 3 | 5 | 60 | 4.100 |
| 9 | 3.5 | 4.5 | 45 | 3.220 |
| 10 | 3.5 | 4.5 | 60 | 3.680 |
| 11 | 3.5 | 5 | 45 | 3.457 |
| 12 | 3.5 | 5 | 60 | 3.816 |
| 13 | 4 | 4.5 | 45 | 3.996 |
| 14 | 4 | 4.5 | 60 | 4.661 |
| 15 | 4 | 5 | 45 | 3.934 |
| 16 | 4 | 5 | 60 | 4.375 |
(2)曲线拟合
异型齿双迷宫密封结构的尺寸参数主要包括第一密封腔深度h，第一密封腔倾斜度第一密封腔宽度b。通常情况下，h优选范围2.5-4mm，b优选范围4.5-5mm，优选范围45-60°。为得到三个变量与泄漏量的关系，根据量纲分析原理，将三个变量进行无量纲化，按公式 计算得到槽高系数α∈(0.07,0.12)，槽宽系数β∈(0.12,0.15)及角度系数ψ∈(0.5,0.7)。以光滑密封泄漏量Q0为基础泄漏量，定义异型齿双迷宫密封泄漏量与光滑密封泄漏量的比值为Ω，即为异型齿形状修正系数。系数越小，防泄漏效果越好。
根据槽高系数α，槽宽系数β及角度系数ψ，将上表重新整理如下：
| 序号 | 槽高系数α | 槽宽系数β | 角度系数ψ | 泄漏量比Ω |
| 1 | 0.07143 | 0.12857 | 0.5 | 0.73032 |
| 2 | 0.07143 | 0.12857 | 0.66667 | 0.77962 |
| 3 | 0.07143 | 0.14286 | 0.5 | 0.75292 |
| 4 | 0.07143 | 0.14286 | 0.66667 | 0.85737 |
| 5 | 0.08571 | 0.12857 | 0.5 | 0.58885 |
| 6 | 0.08571 | 0.12857 | 0.66667 | 0.71122 |
| 7 | 0.08571 | 0.14286 | 0.5 | 0.66017 |
| 8 | 0.08571 | 0.14286 | 0.66667 | 0.79891 |
| 9 | 0.1 | 0.12857 | 0.5 | 0.62744 |
| 10 | 0.1 | 0.12857 | 0.66667 | 0.71707 |
| 11 | 0.1 | 0.14286 | 0.5 | 0.67362 |
| 12 | 0.1 | 0.14286 | 0.66667 | 0.7436 |
| 13 | 0.11429 | 0.12857 | 0.5 | 0.77864 |
| 14 | 0.11429 | 0.12857 | 0.66667 | 0.90803 |
| 15 | 0.11429 | 0.14286 | 0.5 | 0.76656 |
| 16 | 0.11429 | 0.14286 | 0.66667 | 0.85249 |
采用1stopt软件中的麦夸特法及通用全局优化算法进行拟合曲线，得到如下经验公式：
上式即为得到的本发明的异型齿形状修正系数表达式，其中，0.07<α<0.12，0.12<β<0.15，0.5<ψ<0.7。
对获得的约束函数进行验证，验证结果如下：
通过上述的对比结果可以看出，模拟结果和拟合结果的误差在5％以内，符合工程要求，从而证明本发明的经验公式成立。
异型齿双迷宫密封结构尺寸参数的最优结果可通过以下异型齿形状修正系数约束函数得到：
其中，0.07<α<0.12，0.12<β<0.15，0.5<ψ<0.7。
约束结果为：α＝0.08571，β＝0.12857，ψ＝0.5，即h＝3，b＝4.5，
本发明还提供了一种具有上述异型齿双迷宫密封结构的核主泵用带定位的异型齿口环密封结构，如图1所示，该密封结构实现泵壳1与叶轮6，以及叶轮6与导叶8之间的密封，密封机构包括口环5；口环5包括上部和下部，上部具有圆筒状结构，与泵壳1固定连接；下部具有弧形外扩结构，套设于叶轮6上；弧形外扩结构上端的内壁面具有第一异型齿双迷宫密封结构71；弧形外扩结构下端的外壁面具有第二异型齿双迷宫密封结构72；口环5与叶轮6的进水口外缘之间通过第一异型齿双迷宫密封结构71实现密封，口环5与导叶8的前缘内壁通过第二异型齿双迷宫密封结构72实现密封。异型齿双迷宫密封结构在核主泵口环上的应用，使流体经过两次迷宫密封进行节流，大大降低了间隙流体泄漏量，提高了核主泵的运行稳定性与高效性。
口环5顶部周向具有凸沿，口环5通过多个沿周向均布的安装块3与泵壳1连接，安装块3与凸沿相扣；安装块3通过螺栓4固定于泵壳1。安装块3的设置对口环5进行周向定位，有利于保持同轴度，减少轴的攒动，抑制口环5的周向运动。安装块3与泵体1上均布的缺口位置对应，通过螺栓4进行连接。
安装块3的设计避免了螺钉4在口环上的直接使用，安装与拆卸时只需移动和更换安装块3及安装块3上的螺栓4，有效防止了摩擦损失，增加了口环5的使用寿命。
口环5与泵体1之间设有密封垫2，密封垫2的设计一方面防止了口环5的轴向移动，另一方面阻碍了口环5与泵壳1交界面处的液体回流。
Claims (5)
1.一种异型齿双迷宫密封结构，其特征在于，包括多个密封齿，所述密封齿向流体进口侧倾斜，且背风面采用内凹的圆弧结构，圆弧结构的圆弧角为35-60°；相邻两个密封齿之间构成第一密封腔(701)；密封齿的高度为所述第一密封腔(701)的深度h，密封齿倾斜角度为第一密封腔(701)的倾斜度相邻两个密封齿之间的间距为第一密封腔(701)的宽度b；第一密封腔(701)上部开有第二密封腔(702)，第二密封腔(702)为平行四边形结构，第二密封腔(702)的宽度b'，深度h'，倾斜度分别满足：b'＝1/3b，h'＝1/3h，
2.根据权利要求1所述的异型齿双迷宫密封结构，其特征在于，所述的第一密封腔(701)深度h，第一密封腔(701)倾斜度第一密封腔(701)宽度b通过下式获得： 其中，l为密封长度，α为槽高系数，β为槽宽系数，ψ为角度系数；
α、β、ψ通过以下异型齿形状修正系数约束函数得到：
且0.07<α<0.12，0.12<β<0.15，0.5<ψ<0.7。
3.一种具有权利要求1所述异型齿双迷宫密封结构的核主泵用带定位的异型齿口环密封结构，其特征在于，该密封结构实现泵壳(1)与叶轮(6)，以及叶轮(6)与导叶(8)之间的密封，所述密封机构包括口环(5)；所述口环(5)包括上部和下部，上部具有圆筒状结构，与泵壳(1)固定连接；下部具有弧形外扩结构，套设于叶轮(6)上；所述弧形外扩结构上端的内壁面具有第一异型齿双迷宫密封结构(71)；所述弧形外扩结构下端的外壁面具有第二异型齿双迷宫密封结构(72)；口环(5)与叶轮(6)的进水口外缘之间通过第一异型齿双迷宫密封结构(71)实现密封，口环(5)与导叶(8)的前缘内壁通过第二异型齿双迷宫密封结构(72)实现密封。
4.根据权利要求3所述的异型齿口环密封结构，其特征在于，口环(5)顶部周向具有凸沿，口环(5)通过多个沿周向均布的安装块(3)与泵壳(1)连接，安装块(3)与凸沿相扣；所述安装块(3)通过螺栓(4)固定于泵壳(1)。
5.根据权利要求3所述的异型齿口环密封结构，其特征在于，口环(5)与泵壳(1)之间设有密封垫(2)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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