CN109139927B - 一种周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；其特征在于：所述动环或静环中至少有一个密封环是由弹性元件支撑的浮动环，所述浮动环的密封端面是箔片端面；所述箔片端面包括圆环状的环本体、翼型箔片、防转销、防转销支撑座、螺钉；所述环本体外侧低下、形成圆环凹面，所述环本体内侧高起、形成圆环台阶；所述翼型箔片包括箔片翼体部分和箔片翼尾部分，所述箔片翼体部分在任意径向位置处沿圆周方向的截面为空间翼型截面；若干个翼型箔片首尾相接的铺设在所述密封坝外侧的圆环凹面上；所述翼型箔片的箔片翼体部分到箔片翼尾部分的圆周方向均与气流的圆周方向一致。

Description

一种周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封结构
技术领域
本发明涉及机械端面密封结构设计技术领域，具体涉及一种周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封结构，特别适用于各种高速旋转机械的轴端密封装置。
背景技术
端面气膜密封又称干气密封，是一种以气体作为密封介质的非接触式机械密封，通过一对刚性的密封环压紧实现端面密封，最初由Jone Crane密封公司于20世纪60年代首次提出。由于干气密封具有低泄漏、长寿命、低功耗等众多性能优势，在其提出不久后就推广应用于高速旋转机械，如高速离心压缩机、离心泵等。但目前旋转机械使用工况普遍向高参数（高速、高压和高温）和变工况发展，这使得常规的干气密封在使用过程中常因散热能力或抗扰动能力不足而导致密封环热裂、端面碰磨或撞碎而失效。因此，开发散热性好、动态稳定性高、自适应能力强的新型端面气膜密封结构具有重大意义。
箔片端面气膜密封是近年来新兴的一种干气密封结构，以柔性表面为支承，相比常规刚性表面的干气密封结构，其具有可靠性高、高速稳定性好、温度适应性强、摩擦功耗低、抗冲击性好等优点，因此受到国内外研究者的高度关注。但目前的箔片端面气膜密封专利结构也有一个通病即开启性能不佳，这使得密封端面不易成膜，特别在开车阶段箔片端面易磨损，严重降低其使用寿命。
发明内容
本发明的目的就是解决现有箔片端面气膜密封开启性能不佳的问题，提出一种开启性能增强的箔片端面气膜密封结构。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
一种周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；其特征在于：
所述动环或静环中至少有一个密封环是由弹性元件支撑的浮动环，所述浮动环的密封端面是箔片端面；所述箔片端面包括圆环状的环本体、翼型箔片、防转销、防转销支撑座、螺钉；所述环本体外侧低下、形成圆环凹面，所述环本体内侧高起、形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝，所述圆环台阶的外圆周侧壁上沿径向方向均匀开设若干个截面为矩形的第一盲孔；
若干个所述翼型箔片首尾相接的铺设在所述密封坝外侧的圆环凹面上，所述翼型箔片沿所述环本体轴向方向的投影为扇形状，所述翼型箔片的外圆周壁面上沿径向方向开设与第一盲孔截面形状和尺寸相同的通孔；
所述翼型箔片包括箔片翼体部分和箔片翼尾部分，所述箔片翼体部分在任意径向位置处沿圆周方向的截面为空间翼型截面，所述空间翼型截面的大头端为翼型前缘，所述空间翼型截面的小头端为翼型后缘，所述翼型前缘的顶点与所述翼型后缘厚度线段的中点的连线为翼弦，所述翼型箔片任意径向位置处的空间翼型截面的翼弦所形成的平面为翼弦平面，所述箔片翼体部分的上表面到翼弦平面的最大垂直距离h 1小于所述箔片翼体部分的下表面到翼弦平面的最大垂直距离h 2，所述箔片翼尾部分的上表面高出所述密封坝所在的平面，所述箔片翼体部分的上表面低于所述密封坝所在的平面；
所述防转销的横截面与所述第一盲孔的横截面形状相同；所述防转销支撑座沿所述环本体轴向方向的投影亦为扇形状，所述防转销支撑座的内圆周壁面上沿径向方向开设与所述第一盲孔截面形状和尺寸相同的第二盲孔；所述防转销依次通过间隙配合插入所述翼型箔片上的通孔和所述环本体上的第一盲孔后，再与所述防转销支撑座上的第二盲孔间隙配合，最后通过螺钉将所述防转销支撑座固定在所述环本体的圆环凹面上，最终实现所述翼型箔片的定位与防转；所述翼型箔片的箔片翼体部分到箔片翼尾部分的圆周方向均与气流的圆周方向一致。
作为优选，所述箔片翼尾部分为横截面为矩形的弹性薄板，且薄板厚度取0.01~0.2mm。
作为优选，所述箔片翼体部分的周向弧长l 1与箔片翼尾部分的周向弧长l 2的比值取0.5~5。
本发明具有以下有益效果：本发明提供的一种周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封结构，以翼型箔片作为弹性支撑，当密封动环高速旋转形成高速周向气流时，由于箔片翼体部分的特殊截面结构，通过伯努利原理，可使得箔片翼体部分上表面的压力大于箔片翼体部分下表面的压力，当具有箔片端面的密封环作为浮动环时，密封的开启特性在高速条件下将会显著增强，同时本发明还具有自适应能力强、泄露率低等优点。
附图说明
图1是本发明结构的三维爆炸示意图；
图2是本发明结构的装配体轴侧图；
图3是本发明结构的装配体正视图；
图4是本发明图3中A-A剖面图；
图5是本发明结构的环本体的轴测图；
图6是本发明结构的翼型箔片的轴测图；
图7是本发明结构的翼型箔片的俯视图；
图8是本发明图7中B-B剖面图。
图9是本发明结构的防转销的三维图。
图10是本发明结构的防转销支撑座的三维图。
图中：1-环本体、11-密封坝、12-第一盲孔、2-翼型箔片、21-通孔、22-箔片翼体部分、23-箔片翼尾部分、24-翼弦平面、3-防转销、4-防转销支撑座、41-第二盲孔、5-螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
参照图1-图10所示，本发明一种周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；其特征在于：
所述动环或静环中至少有一个密封环是由弹性元件支撑的浮动环，所述浮动环的密封端面是箔片端面；所述箔片端面包括圆环状的环本体1、翼型箔片2、防转销3、防转销支撑座4、螺钉5；所述环本体1外侧低下、形成圆环凹面，所述环本体内侧高起、形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝11，所述圆环台阶的外圆周侧壁上沿径向方向均匀开设若干个截面为矩形的第一盲孔12；
若干个所述翼型箔片2首尾相接的铺设在所述密封坝外侧的圆环凹面上，所述翼型箔片2沿所述环本体1轴向方向的投影为扇形状，所述翼型箔片2的外圆周壁面上沿径向方向开设与第一盲孔12截面形状和尺寸相同的通孔21；
所述翼型箔片2包括箔片翼体部分22和箔片翼尾部分23，所述箔片翼体部分22在任意径向位置处沿圆周方向的截面为空间翼型截面，所述空间翼型截面的大头端为翼型前缘，所述空间翼型截面的小头端为翼型后缘，所述翼型前缘的顶点与所述翼型后缘厚度线段的中点的连线为翼弦，所述翼型箔片2任意径向位置处的空间翼型截面的翼弦所形成的平面为翼弦平面24，所述箔片翼体部分22的上表面到翼弦平面24的最大垂直距离h 1小于所述箔片翼体部分22的下表面到翼弦平面的最大垂直距离h 2，所述箔片翼尾部分23的上表面高出所述密封坝11所在的平面，所述箔片翼体部分22的上表面低于所述密封坝11所在的平面；
所述防转销3的横截面与所述第一盲孔12的横截面形状相同；所述防转销支撑座4沿所述环本体1轴向方向的投影亦为扇形状，所述防转销支撑座4的内圆周壁面上沿径向方向开设与所述第一盲孔12截面形状和尺寸相同的第二盲孔41；所述防转销3依次通过间隙配合插入所述翼型箔片2上的通孔21和所述环本体1上的第一盲孔12后，再与所述防转销支撑座4上的第二盲孔41间隙配合，最后通过螺钉5将所述防转销支撑座4固定在所述环本体1的圆环凹面上，最终实现所述翼型箔片2的定位与防转；所述翼型箔片2的箔片翼体部分22到箔片翼尾部分23的圆周方向均与气流的圆周方向一致。
具体的，所述箔片翼尾部分23为横截面为矩形的弹性薄板，且薄板厚度取0.01~0.2mm。
具体的，所述箔片翼体部分22的周向弧长l 1与箔片翼尾部分23的周向弧长l 2的比值取0.5~5。
本发明的工作过程：
本发明一种周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封在工作过程中，由于翼型箔片2上表面与配副密封环端面在周向方向上形成楔形间隙，当气体沿密封环周向高速流动时，密封端面间将形成明显的气体动压效应，另外，由于箔片翼体部分22的上表面到翼弦平面24的最大垂直距离h 1小于所述箔片翼体部分22的下表面到翼弦平面的最大垂直距离h 2，使得气体沿周向高速流过时，流经箔片翼体部分22上表面的气体流速要小于流经箔片翼体部分22下表面的气体流速，由伯努利原理可知，箔片翼体部分22上表面的气体压力要大于箔片翼体部分22下表面的气体压力，从而在具有箔片端面的浮动环上形成明显的轴向升力，在气体动压和升力的共同作用下，箔片密封端面将更轻易开启。当本发明周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封在受到外界激励作用或工况发生变化时，气膜厚度和气膜压力将发生变化，此时箔片翼体部分22的小头端和箔片翼尾部分23将感受气膜压力变化而发生变形，从而调节气膜厚度和气膜压力，最终实现密封的动态平衡、达到自适应的效果。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；其特征在于：所述动环或静环中至少有一个密封环是由弹性元件支撑的浮动环，所述浮动环的密封端面是箔片端面；所述箔片端面包括圆环状的环本体(1)、翼型箔片(2)、防转销(3)、防转销支撑座(4)、螺钉(5)；所述环本体(1)外侧低下而形成圆环凹面，所述环本体内侧高起而形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝(11)，所述圆环台阶的外圆周侧壁上沿径向方向均匀开设若干个截面为矩形的第一盲孔(12)；若干个所述翼型箔片(2)首尾相接的铺设在所述密封坝外侧的圆环凹面上，所述翼型箔片(2)沿所述环本体(1)轴向方向的投影为扇形状，所述翼型箔片(2)的外圆周壁面上沿径向方向开设与第一盲孔(12)截面形状和尺寸相同的通孔(21)；所述翼型箔片(2)包括箔片翼体部分(22)和箔片翼尾部分(23)，所述箔片翼体部分(22)在任意径向位置处沿圆周方向的截面为空间翼型截面，所述空间翼型截面的大头端为翼型前缘，所述空间翼型截面的小头端为翼型后缘，所述翼型前缘的顶点与所述翼型后缘厚度线段的中点的连线为翼弦，所述翼型箔片(2)任意径向位置处的空间翼型截面的翼弦所形成的平面为翼弦平面(24)，所述箔片翼体部分(22)的上表面到翼弦平面(24)的最大垂直距离h 1小于所述箔片翼体部分(22)的下表面到翼弦平面的最大垂直距离h 2，所述箔片翼尾部分(23)的上表面高出所述密封坝(11)所在的平面，所述箔片翼体部分(22)的上表面低于所述密封坝(11)所在的平面；所述防转销(3)的横截面与所述第一盲孔(12)的横截面形状相同；所述防转销支撑座(4)沿所述环本体(1)轴向方向的投影亦为扇形状，所述防转销支撑座(4)的内圆周壁面上沿径向方向开设与所述第一盲孔(12)截面形状和尺寸相同的第二盲孔(41)；所述防转销(3)依次通过间隙配合插入所述翼型箔片(2)上的通孔(21)和所述环本体(1)上的第一盲孔(12)后，再与所述防转销支撑座(4)上的第二盲孔(41)间隙配合，最后通过螺钉(5)将所述防转销支撑座(4)固定在所述环本体(1)的圆环凹面上，最终实现所述翼型箔片(2)的定位与防转；所述翼型箔片(2)的箔片翼体部分(22)到箔片翼尾部分(23)的圆周方向均与气流的圆周方向一致。
2.如权利要求1所述的周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封结构，其特征在于：所述箔片翼尾部分(23)为横截面为矩形的弹性薄板，且薄板厚度取0.01~0.2mm。
3.如权利要求2所述的周向流致开启性增强的箔片端面气膜密封结构，其特征在于：所述箔片翼体部分(22)的周向弧长l 1与箔片翼尾部分(23)的周向弧长l 2的比值取0.5~5。
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