CN109163094A - 一种挤压与动压效应协同作用的箔片端面气膜密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种挤压与动压效应协同作用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、第一箔片、第二箔片、第一箔片安装座、第二箔片安装座、第三箔片安装座、沉头螺钉、紧定螺钉、第一磁控形状记忆合金块、第二磁控形状记忆合金块；所述第一箔片和第二箔片夹持在所述第一箔片安装座、第二箔片安装座、第三箔片安装座上并安装在所述环本体上，所述第一箔片和第二箔片的上下交错振动通过所述第一磁控形状记忆合金块和第二磁控形状记忆合金块在磁场作用下的变形来实现。

Description

一种挤压与动压效应协同作用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，具体涉及一种挤压与动压效应协同作用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

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。

自然界中，蜻蜓的飞行能力是很多昆虫望尘莫及的，其关键在于，蜻蜓依靠其双翅高频交错振动从而实现空中稳定悬停、旋转、前进、后退的高超飞行动作，同时依靠翅膀前缘一块加厚的角质层可以消除其飞行过程中翅膀的颤振隐患，进一步提高其飞行稳定性。借鉴蜻蜓翅膀结构并基于仿生原理设计箔片结构有望提升箔片端面密封的运行稳定性，并有望依靠气体挤压效应和动压效应的协同作用显著提升密封端面气膜刚度。

发明内容

本发明的目的就是提升现有箔片端面气膜密封动态运行稳定性，提出一种挤压与动压效应协同作用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：

一种挤压与动压效应协同作用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、第一箔片、第二箔片、第一箔片安装座、第二箔片安装座、第三箔片安装座、内六角螺钉、紧定螺钉、第一磁控形状记忆合金块、第二磁控形状记忆合金块；

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，所述环本体的外圆周壁面上均匀开设若干沿径向方向的倒T形槽，所述倒T形槽嵌入所述圆环台阶的外圆周壁面内，所述倒T形槽底面上靠近环本体外径侧沿轴向加工螺纹通孔；所述倒T形槽在所述圆环凹面上形成径向沟槽，在所述圆环凹面上的各所述径向沟槽的同一侧且靠近所述径向沟槽的某一径向方向上并排开设第一矩形槽和第二矩形槽，所述圆环凹面上的每个第一矩形槽中分别放入第一磁控形状记忆合金块，每个第二矩形槽中分别放入第二磁控形状记忆合金块；

所述第一箔片安装座、第二箔片安装座、第三箔片安装座的横截面均为倒T形并均可通过间隙配合插入所述倒T形槽中，所述第一箔片安装座上半身长方体的后端面上开设侧面开口的第一圆形盲孔，所述第一箔片安装座下半身长方体的后端面中心处开设螺纹孔，所述第二箔片安装座上半身长方体的前、后端面各开设关于中截面对称的侧面开口的第二圆形盲孔和第三圆形盲孔，所述第二箔片安装座下半身长方体的前端面中心处开设圆形通孔，所述第三箔片安装座上半身长方体的前端面上开设侧面开口的第四圆形盲孔，所述第三箔片安装座下半身长方体的前端面中心处开设沉头通孔，所述侧面开口的第一圆形盲孔、第二圆形盲孔、第三圆形盲孔、第四圆形盲孔的形状和尺寸相同且开口都在同一侧、开口弦长的圆心角α均小于180°；

所述第一箔片包括橫截面为圆形的第一箔片关节、第一支撑箔、第一工作箔、第一箔片铅重锤，所述第一箔片铅重锤焊接在所述第一工作箔的下表面靠近自由端处；所述第二箔片包括橫截面为圆形的第二箔片关节、第二支撑箔、第二工作箔、第二箔片铅重锤，所述第二箔片铅重锤焊接在所述第二工作箔的下表面靠近自由端处；所述第一箔片通过所述第一箔片关节与所述第一圆形盲孔和所述第二圆形盲孔间隙配合卡持在所述第一箔片安装座和所述第二箔片安装座上，所述第二箔片通过所述第二箔片关节与所述第三圆形盲孔和所述第四圆形盲孔间隙配合卡持在所述第二箔片安装座和所述第三箔片安装座上，通过所述内六角螺钉实现所述第一箔片安装座、第二箔片安装座、第三箔片安装座的紧固；安装成一体的第一箔片、第二箔片、第一箔片安装座、第二箔片安装座和第三箔片安装座插入所述环本体上的倒T形槽内，并可通过所述紧定螺钉实现所述第一箔片安装座、第二箔片安装座和第三箔片安装座的径向自由度的固定；所述第一磁控形状记忆合金块的顶部支撑着所述第一支撑箔的下表面，所述第二磁控形状记忆合金块的顶部支撑着所述第二支撑箔的下表面；所述第一箔片、第二箔片沿环本体轴向方向的投影为扇形状；所述第一箔片关节到所述第一工作箔的周向方向与气流的周向方向一致。

作为优选，所述第一工作箔、第二工作箔自由端的上表面高于所述密封坝所在的平面。

作为优选，所述第一磁控形状记忆合金块受磁场作用高度增高1-10μm，所述第二磁控形状记忆合金块受磁场作用高度降低1-10μm。

作为优选，密封处于运行状态时受所述第一磁控形状记忆合金和所述第二磁控形状记忆合金块的变形作用，所述第一箔片和所述第二箔片上下交错振动，其振动频率为10-500Hz。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种挤压与动压效应协同作用的箔片端面气膜密封结构，可有效增大气膜动态刚度、提高密封的动态稳定性，具有抗扰动能力强、气膜动态刚度可控、泄漏小、可靠性高、自适应能力强的特点，可较好适应轴向窜量大、具有冲击振动、变工况等苛刻的工作环境。

附图说明

图1是本发明结构的三维局部爆炸示意图；

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是本发明结构的装配体俯视图；

图5是本发明图4中A-A剖面图；

图6是本发明结构的环本体的轴测图；

图7是本发明结构的第一箔片安装座的轴测图；

图8是本发明结构的第一箔片安装座的正视图；

图9是本发明结构的第二箔片安装座的轴测图；

图10是本发明结构的第三箔片安装座的轴测图；

图11是本发明结构的第一箔片的正视图；

图12是本发明结构的第二箔片的正视图；

图13是本发明结构的第一磁控形状记忆合金块在磁场作用下的变形示意图；

图14是本发明结构的第二磁控形状记忆合金块在磁场作用下的变形示意图。

图中：1-环本体、11-密封坝、12-第一矩形槽、13-第二矩形槽、14-倒T形槽、15-螺纹通孔、2-第一箔片、21-第一箔片关节、22-第一支撑箔、23-第一工作箔、24-第一箔片铅重锤、3-第二箔片、31-第二箔片关节、32-第二支撑箔、33-第二工作箔、34-第二箔片铅重锤、4-第一箔片安装座、41-第一圆形盲孔、42-螺纹孔、5-第二箔片安装座、51-第二圆形盲孔、52-第三圆形盲孔、53-圆形通孔、6-第三箔片安装座、61-第四圆形盲孔、62-沉头通孔、7-内六角螺钉、8-紧定螺钉、9-第一磁控形状记忆合金块、10-第二磁控形状记忆合金块。

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14所示，本发明一种挤压与动压效应协同作用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)、第一箔片(2)、第二箔片(3)、第一箔片安装座(4)、第二箔片安装座(5)、第三箔片安装座(6)、内六角螺钉(7)、紧定螺钉(8)、第一磁控形状记忆合金块(9)、第二磁控形状记忆合金块(10)；

所述环本体(1)外侧低下、形成圆环凹面，所述环本体(1)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)，所述环本体(1)的外圆周壁面上均匀开设若干沿径向方向的倒T形槽(14)，所述倒T形槽(14)嵌入所述圆环台阶的外圆周壁面内，所述倒T形槽(14)底面上靠近环本体(1)外径侧沿轴向加工螺纹通孔(15)；所述倒T形槽(14)在所述圆环凹面上形成径向沟槽，在所述圆环凹面上的各所述径向沟槽的同一侧且靠近所述径向沟槽的某一径向方向上并排开设第一矩形槽(12)和第二矩形槽(13)，所述圆环凹面上的每个第一矩形槽(12)中分别放入第一磁控形状记忆合金块(9)，每个第二矩形槽(13)中分别放入第二磁控形状记忆合金块(10)；

所述第一箔片安装座(4)、第二箔片安装座(5)、第三箔片安装座(6)的横截面均为倒T形并均可通过间隙配合插入所述倒T形槽(14)中，所述第一箔片安装座(4)上半身长方体的后端面上开设侧面开口的第一圆形盲孔(41)，所述第一箔片安装座(4)下半身长方体的后端面中心处开设螺纹孔(42)，所述第二箔片安装座(5)上半身长方体的前、后端面各开设关于中截面对称的侧面开口的第二圆形盲孔(51)和第三圆形盲孔(52)，所述第二箔片安装座(5)下半身长方体的前端面中心处开设圆形通孔(53)，所述第三箔片安装座(6)上半身长方体的前端面上开设侧面开口的第四圆形盲孔(61)，所述第三箔片安装座(6)下半身长方体的前端面中心处开设沉头通孔(62)，所述侧面开口的第一圆形盲孔(41)、第二圆形盲孔(51)、第三圆形盲孔(52)、第四圆形盲孔(61)的形状和尺寸相同且开口都在同一侧、开口弦长的圆心角α均小于180°；

所述第一箔片(2)包括橫截面为圆形的第一箔片关节(21)、第一支撑箔(22)、第一工作箔(23)、第一箔片铅重锤(24)，所述第一箔片铅重锤(24)焊接在所述第一工作箔(23)的下表面靠近自由端处；所述第二箔片(3)包括橫截面为圆形的第二箔片关节(31)、第二支撑箔(32)、第二工作箔(33)、第二箔片铅重锤(34)，所述第二箔片铅重锤(34)焊接在所述第二工作箔(33)的下表面靠近自由端处；所述第一箔片(2)通过所述第一箔片关节(21)与所述第一圆形盲孔(41)和所述第二圆形盲孔(51)间隙配合卡持在所述第一箔片安装座(4)和所述第二箔片安装座(5)上，所述第二箔片(3)通过所述第二箔片关节(31)与所述第三圆形盲孔(52)和所述第四圆形盲孔(61)间隙配合卡持在所述第二箔片安装座(5)和所述第三箔片安装座(6)上，通过所述内六角螺钉(7)实现所述第一箔片安装座(4) 、第二箔片安装座(5)、第三箔片安装座(6)的紧固；安装成一体的第一箔片(2)、第二箔片(3)、第一箔片安装座(4)、第二箔片安装座(5)和第三箔片安装座(6)插入所述环本体(1)上的倒T形槽(14)内，并可通过所述紧定螺钉(8)实现所述第一箔片安装座(4)、第二箔片安装座(5)和第三箔片安装座(6)的径向自由度的固定；所述第一磁控形状记忆合金块(9)的顶部支撑着所述第一支撑箔(22)的下表面，所述第二磁控形状记忆合金块(10)的顶部支撑着所述第二支撑箔(32)的下表面；所述第一箔片(2)、第二箔片(3)沿环本体轴向方向的投影为扇形状；所述第一箔片关节(21)到所述第一工作箔(23)的周向方向与气流的周向方向一致。

具体的，所述第一工作箔(23)、第二工作箔(33)自由端的上表面高于所述密封坝(11)所在的平面。

具体的，所述第一磁控形状记忆合金块(9)受磁场作用高度增高1-10μm，所述第二磁控形状记忆合金块(10)受磁场作用高度降低1-10μm。

具体的，密封处于运行状态时受所述第一磁控形状记忆合金(9)和所述第二磁控形状记忆合金块(10)的变形作用，所述第一箔片(2)和所述第二箔片(3)上下交错振动，其振动频率为10-500Hz。

本发明的工作过程：

本发明一种挤压与动压效应协同作用的箔片端面气膜密封在工作过程中，由于第一工作箔23和第二工作箔33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。同时，第一支撑箔22和第二支撑箔32下表面分别由第一磁控形状记忆合金块9和第二磁控形状记忆合金块10支撑，在外界磁场作用下，第一磁控形状记忆合金块9高度增高、第二磁控形状记忆合金块10高度降低，通过控制外界磁场的发生频率和发生强度，可实现第一箔片2和第二箔片3上下交错振动的振幅和振动的频率，从而控制挤压膜效应的强度。通过周向气流高速流入楔形间隙形成的气体动压效应以及第一箔片2和第二箔片3交错高频振动形成的气体挤压效应的协同作用，从而有效增大气膜动态刚度，提高密封的动态稳定性。另外，第一箔片2和第二箔片3下表面接近自由端处分别焊接第一箔片铅重锤24和第二箔片铅重锤34，可有效减小第一箔片2和第二箔片3发生有害颤振的几率，进一步提高箔片端面气膜密封的动态运行稳定性和可靠性。

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 (4)

1.一种挤压与动压效应协同作用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)、第一箔片(2)、第二箔片(3)、第一箔片安装座(4)、第二箔片安装座(5)、第三箔片安装座(6)、内六角螺钉(7)、紧定螺钉(8)、第一磁控形状记忆合金块(9)、第二磁控形状记忆合金块(10)；所述环本体(1)外侧低下、形成圆环凹面，所述环本体(1)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)，所述环本体(1)的外圆周壁面上均匀开设若干沿径向方向的倒T形槽(14)，所述倒T形槽(14)嵌入所述圆环台阶的外圆周壁面内，所述倒T形槽(14)底面上靠近环本体(1)外径侧沿轴向加工螺纹通孔(15)；所述倒T形槽(14)在所述圆环凹面上形成径向沟槽，在所述圆环凹面上的各所述径向沟槽的同一侧且靠近所述径向沟槽的某一径向方向上并排开设第一矩形槽(12)和第二矩形槽(13)，所述圆环凹面上的每个第一矩形槽(12)中分别放入第一磁控形状记忆合金块(9)，每个第二矩形槽(13)中分别放入第二磁控形状记忆合金块(10)；所述第一箔片安装座(4)、第二箔片安装座(5)、第三箔片安装座(6)的横截面均为倒T形并均可通过间隙配合插入所述倒T形槽(14)中，所述第一箔片安装座(4)上半身长方体的后端面上开设侧面开口的第一圆形盲孔(41)，所述第一箔片安装座(4)下半身长方体的后端面中心处开设螺纹孔(42)，所述第二箔片安装座(5)上半身长方体的前、后端面各开设关于中截面对称的侧面开口的第二圆形盲孔(51)和第三圆形盲孔(52)，所述第二箔片安装座(5)下半身长方体的前端面中心处开设圆形通孔(53)，所述第三箔片安装座(6)上半身长方体的前端面上开设侧面开口的第四圆形盲孔(61)，所述第三箔片安装座(6)下半身长方体的前端面中心处开设沉头通孔(62)，所述侧面开口的第一圆形盲孔(41)、第二圆形盲孔(51)、第三圆形盲孔(52)、第四圆形盲孔(61)的形状和尺寸相同且开口都在同一侧、开口弦长的圆心角α均小于180°；所述第一箔片(2)包括橫截面为圆形的第一箔片关节(21)、第一支撑箔(22)、第一工作箔(23)、第一箔片铅重锤(24)，所述第一箔片铅重锤(24)焊接在所述第一工作箔(23)的下表面靠近自由端处；所述第二箔片(3)包括橫截面为圆形的第二箔片关节(31)、第二支撑箔(32)、第二工作箔(33)、第二箔片铅重锤(34)，所述第二箔片铅重锤(34)焊接在所述第二工作箔(33)的下表面靠近自由端处；所述第一箔片(2)通过所述第一箔片关节(21)与所述第一圆形盲孔(41)和所述第二圆形盲孔(51)间隙配合卡持在所述第一箔片安装座(4)和所述第二箔片安装座(5)上，所述第二箔片(3)通过所述第二箔片关节(31)与所述第三圆形盲孔(52)和所述第四圆形盲孔(61)间隙配合卡持在所述第二箔片安装座(5)和所述第三箔片安装座(6)上，通过所述内六角螺钉(7)实现所述第一箔片安装座(4) 、第二箔片安装座(5)、第三箔片安装座(6)的紧固；安装成一体的第一箔片(2)、第二箔片(3)、第一箔片安装座(4)、第二箔片安装座(5)和第三箔片安装座(6)插入所述环本体(1)上的倒T形槽(14)内，并可通过所述紧定螺钉(8)实现所述第一箔片安装座(4)、第二箔片安装座(5)和第三箔片安装座(6)的径向自由度的固定；所述第一磁控形状记忆合金块(9)的顶部支撑着所述第一支撑箔(22)的下表面，所述第二磁控形状记忆合金块(10)的顶部支撑着所述第二支撑箔(32)的下表面；所述第一箔片(2)、第二箔片(3)沿环本体轴向方向的投影为扇形状；所述第一箔片关节(21)到所述第一工作箔(23)的周向方向与气流的周向方向一致。

2.如权利要求1所述的挤压与动压效应协同作用的箔片端面气膜密封结构，其特征在于：所述第一工作箔(23)、第二工作箔(33)自由端的上表面高于所述密封坝(11)所在的平面。

3.如权利要求2所述的挤压与动压效应协同作用的箔片端面气膜密封结构，其特征在于：所述第一磁控形状记忆合金块(9)受磁场作用高度增高1-10μm，所述第二磁控形状记忆合金块(10)受磁场作用高度降低1-10μm。

4.如权利要求3所述的挤压与动压效应协同作用的箔片端面气膜密封结构，其特征在于：密封处于运行状态时受所述第一磁控形状记忆合金(9)和所述第二磁控形状记忆合金块(10)的变形作用，所述第一箔片(2)和所述第二箔片(3)上下交错振动，其振动频率为10-500Hz。