CN109538765A - 一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，包括传动转子、涡轮叶片转子、密封环、轴向定位环；其中，涡轮叶片转子的一端套装在传动转子内，密封环套装在涡轮叶片转子的中部，涡轮叶片与轴向定位环之间留有泄露间隙；密封环的内壁周向上开设有若干迷宫密封齿，相邻两个迷宫密封齿之间为迷宫空腔，迷宫空腔靠近泄露间隙的一端为密封压力入口，另一端为密封压力出口；密封环套装在涡轮叶片转子的部分周向上开设有若干凹槽。本发明通过位于转子表面的凹槽，改变轴向泄露气体介质的速度方向，在密封空腔内引起方向相反的漩涡，加剧流体动能的内耗散，进而提升密封的轴向降压效果，减小轴向流体泄露，改善密封性能。

Description

一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置

技术领域

本发明属于泵密封领域，具体涉及一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置。

背景技术

迷宫密封是工业上一种常用的密封方式，被广泛的应用在压缩机、汽轮机、燃气轮机、鼓风机等旋转机械的轴端和级间密封中，具有适应性强、工作稳定、寿命长、结构相对简单且易于维护等特点，在高温、高压以及高旋转频率的设计场合上都可以应用。为了适应不同的工作环境，迷宫密封的尺寸和结构也有所不同。

迷宫密封的工作原理是带有压力的流体在通过迷宫密封结构的间隙过程中，一部分压力能转变为动能，并且在摩擦力的作用下耗散为热能：在进入密封空腔后，部分动能经过内摩擦损耗转换为热能，部分动能转化为势能，并且由于缩扩阻力的作用而进一步耗散。迷宫密封就是这一系列结构的组合，通过这一系列齿与空腔的交替作用，流体本身的压力势能不断下降，最终达到降低轴向压力、减小泄露的目的。

在理想的条件下，气体在迷宫密封内部流动的过程中动能全部转化为热能耗散掉，这就会使得气体完全被密封，达到零泄漏。但是在实际情况下，密封腔室内部的气体不能通过能量的转换完全耗散掉，总有一部分气体拥有残留下的动能，通过密封齿间隙继续向下一个腔室流动，这种想象被称作“透气效应”，直通式的迷宫密封由于空腔内部耗散小，且齿端间隙轴向方向上完全贯穿，要比其他形式的密封的透气效应更强。为减小直通式迷宫密封的泄漏量，提高密封效果，有人想到在空腔内部增加阶梯、小型齿等，加剧流体的内耗散，所以出现了阶梯式及错齿式等各种复杂的迷宫密封，结构趋于复杂化，虽能够显著改善密封效果，但是复杂型迷宫密封大大提高了加工及装配难度，像错齿式迷宫密封等还必须采用组合装配，复杂的密封结构对于一些设备本身结构简单，密封要求不是很苛刻的设备并不适用，针对这种情况，经过研究发现，并不需要增加阻隔的密封齿才能提高密封效果，通过在转子表面加工出一定尺寸的凹槽就能达到扰动流体的目的，特定参数的凹槽能够使迷宫空腔内部内摩擦加剧，利用流体的粘性效应，就可以显著降低泄露，提升密封效果。尤其适用于一些成品设备的性能改良，也不需要更换转子设备及其他部件，只需要在转子表面按设计要求加工出特定的凹槽，再配合密封环，即可达到良好的密封效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，该装置通过位于转子表面的凹槽，改变轴向泄露气体介质的速度方向，在密封空腔内引起方向相反的漩涡，加剧流体动能的内耗散，进而提升密封的轴向降压效果，减小轴向流体泄露，改善密封性能。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，包括传动转子、涡轮叶片转子、密封环、轴向定位环和压缩泵；其中，

传动转子、涡轮叶片转子和密封环均设置在基座内，涡轮叶片转子的一端套装在传动转子内，且涡轮叶片转子的轴肩与传动转子的端面之间套装有轴向定位套筒，涡轮叶片转子的另一端套装有涡轮叶片，密封环套装在涡轮叶片转子的中部，其一个端面紧固在基座上，另一个端面上依次设置有轴向定位环和压缩泵入口，以压缩泵入口为中心的周向上开设有压缩泵出口，涡轮叶片位于压缩泵入口内，且涡轮叶片与轴向定位环之间留有泄露间隙；

密封环的内壁周向上开设有若干迷宫密封齿，相邻两个迷宫密封齿之间为迷宫空腔，迷宫空腔靠近泄露间隙的一端为密封压力入口，另一端为密封压力出口；密封环套装在涡轮叶片转子的部分周向上开设有若干凹槽。

本发明进一步的改进在于，涡轮叶片转子的一端通过螺纹连接套装在传动转子内。

本发明进一步的改进在于，密封环一个端面通过密封固定螺钉紧固在基座上。

本发明进一步的改进在于，设L₀为密封压力入口至第一密封齿的轴向距离，此距离满足条件L₀>0.3P，出口段L₁为末位密封齿距离边缘的距离，满足条件L₁≥0.2P，其中P为相邻两密封齿间距离。

本发明进一步的改进在于，密封压力入口处设置有迷宫入口台阶，迷宫入口台阶高度h_i满足条件：h_i>2C，密封齿端宽度B满足：B≥4C，其中C为密封齿端间隙。

本发明进一步的改进在于，迷宫密封齿上游一侧与密封腔底部成角度α，角度满足要求：60°≤α≤80°，迷宫密封齿下游一侧与密封腔底部成角度β，角度β满足要求：β≥(180°-α)+10°。

本发明进一步的改进在于，传动转子上的凹槽轴向左侧边缘与迷宫密封齿)右侧对齐，位于传动转子上的凹槽深度h_g满足h_g≥3C，凹槽宽度W满足W＝(0.15～0.35)P，其中C为密封齿端间隙。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，参照图4，位于转子表面的凹槽能够改变流体介质的流动方向，将贴近转子表面的轴向速度转换为与轴向成一定角度的流动速度，在空腔内部形成顺时针和逆时针两种方向的旋涡，加剧了流体内部的摩擦，即降低了泄露流体的压力能，能够在降低密封齿间压力的同时，减小通过密封的介质泄漏量，提升密封性能；参照图6，凹槽式迷宫密封具有更大的斜率绝对值，即能够显著提高密封降低轴向泄露压力的作用，可以减小泄漏量达18.3％以上。

附图说明

图1为本发明一种低泄露量的凹槽式直通式迷宫密封装置的总体装配图。

图2为图1中密封间隙放大图。

图3为密封关键结构参数示意图。

图4为直通式与凹槽型密封结构流场仿真对比图，其中，图4(a)为无凹槽迷宫密封流场仿真，图4(b)为有凹槽迷宫密封流场仿真。

图5为密封结构流动方向示意图，其中，图5(a)为无凹槽迷宫密封流体流动方向示意图，图5(b)为有凹槽迷宫密封流体流动方向示意图。

图6为本发明压降效果对比图。

图中：1是传动转子，2是涡轮叶片转子，3是轴向定位套筒，4是密封固定螺钉，5是密封环，6是压缩泵入口，7是压缩泵出口，8是轴向定位环，9是密封压力入口，10是密封压力出口，11是泄露间隙，12是迷宫入口台阶，13是迷宫空腔，14是迷宫密封齿，15是齿端间隙，16是凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1和图2所示，本发明提供的一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，包括连接在传动转子1上的涡轮叶片转子2、密封固定螺钉4、密封环5、轴向定位环8，迷宫入口台阶12、迷宫密封齿14、位于转子上的凹槽16；

如图1所示，涡轮叶片转子2通过旋转将泵送的流体(气体或液体)从压缩泵入口6(压力低)吸入，从压缩泵出口7(压力高)送出，涡轮叶片转子2具有一定的转速，与轴向定位环8存在相对运动，故存在一定的间隙，高压流体介质会从泄露间隙11流向密封压力入口9，进而发生轴向泄露。

如图2和图3所示，密封的流体由泄露间隙11流出，进入密封压力入口9，L₀为压力入口至第一密封齿的轴向距离，此距离应当满足条件L₀>0.3P，其中P为密封两齿间距离；密封压力入口9处存在迷宫入口台阶12，以减小流体流动方向直对齿端间隙15所带来的透气效应，台阶高度h_i满足条件：h_i>2C，齿端宽度B满足：B≥4C，其中C为密封齿端间隙；当流体介质经过齿端间隙15，压力能转化为动能，流体轴向速度急剧升高，当通过齿端间隙15后，流道迅速变宽，转子表面周向上开设有若干凹槽16，凹槽16轴向位置与迷宫密封齿14后侧对齐，迷宫密封齿14上游一侧(图3中左侧面)与密封腔底部成角度α，角度满足要求：60°≤α≤80°，迷宫密封齿14下游一侧(图3中右侧面)与密封腔底部成角度β，角度β满足要求：β≥(180°-α)+10°；

参照图4(b)，由于密封齿14后侧倾斜角度β必定是钝角，且大于100°，所以在流道迅速变宽后，先在凹槽形成很小的漩涡，漩涡使得流线偏下，随后撞击至凹槽后沿，流体速度进而偏上，在空腔形成左右两侧的逆、顺时针漩涡，图4为通过CFD仿真得到的流线图；由于流体在腔室内部形成涡流，使得速度降低，流体的动能转换为热能进行耗散，逐级的耗散将降低逐级的流体压力(参照图6)；位于转子上的凹槽16深度h_g满足h_g≥3C，凹槽宽度W满足W＝(0.15～0.35)P；出口段L₁为末位密封齿距离边缘的距离，满足条件L₁≥0.2P；

参照图4(a)，没有凹槽的密封结构，其空腔内部流动只存在一个逆时针方向的漩涡，逆时针方向的漩涡导致贴近转子壁面的流体速度方向与轴向泄露方向相同，透气效应较强，则泄漏量较大，降低压降效果也较差；参照图4(b)，存在凹槽会引起流体速度方向改变，在空腔内部产生顺时针和逆时针两个漩涡，由于流体存在一定的粘性，不同向的漩涡会加剧空腔内部的能量损耗，降低了总体的动能及压力能，同时贴近转子表面的流体速度方向与轴向泄露方向相反，降低了轴向的泄漏量；参照图5为密封结构流向示意图。

本发明的工作过程如下：

涡轮叶片转子2通过旋转将泵送的流体(气体或液体)从压缩泵入口6(压力低)吸入，从压缩泵出口7(压力高)送出，涡轮叶片转子2与轴向定位环8之间存在泄露间隙11，高压流体介质会从泄露间隙11流向密封压力入口9，进而发生轴向泄露。需要密封的流体进入密封压力入口9，当流体介质经过齿端间隙15，压力能转化为动能，流体轴向速度急剧升高，当通过齿端间隙15后，流道迅速变宽，先在凹槽形成很小的漩涡，漩涡使得流线偏下，随后撞击至凹槽后沿，流体速度进而偏上，在空腔形成左右两侧的逆、顺时针漩涡，流体在腔室内部形成涡流，使得速度降低，流体的动能经过内摩擦转换为热能进行耗散，逐级的耗散将降低逐级的流体压力，总体能量损失加剧，流体压力随轴向位置下降速度比传统迷宫密封更快，泄漏量更低，参照流体仿真得到的图6可见本发明(图6中凹槽式)曲线斜率绝对值更大，即降压效果更好，同时通过计算可得泄漏量降低18.3％以上。

Claims (7)

1.一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，其特征在于，包括传动转子(1)、涡轮叶片转子(2)、密封环(5)、轴向定位环(8)和压缩泵；其中，

传动转子(1)、涡轮叶片转子(2)和密封环(5)均设置在基座内，涡轮叶片转子(2)的一端套装在传动转子(1)内，且涡轮叶片转子(2)的轴肩与传动转子(1)的端面之间套装有轴向定位套筒(3)，涡轮叶片转子(2)的另一端套装有涡轮叶片，密封环(5)套装在涡轮叶片转子(2)的中部，其一个端面紧固在基座上，另一个端面上依次设置有轴向定位环(8)和压缩泵入口(6)，以压缩泵入口(6)为中心的周向上开设有压缩泵出口(7)，涡轮叶片位于压缩泵入口(6)内，且涡轮叶片与轴向定位环(8)之间留有泄露间隙(11)；

密封环(5)的内壁周向上开设有若干迷宫密封齿(14)，相邻两个迷宫密封齿(14)之间为迷宫空腔(15)，迷宫空腔(15)靠近泄露间隙(11)的一端为密封压力入口(9)，另一端为密封压力出口(10)；密封环(5)套装在涡轮叶片转子(2)的部分周向上开设有若干凹槽(16)。

2.根据权利要求1所述的一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，其特征在于，涡轮叶片转子(2)的一端通过螺纹连接套装在传动转子(1)内。

3.根据权利要求1所述的一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，其特征在于，密封环(5)一个端面通过密封固定螺钉(4)紧固在基座上。

4.根据权利要求1所述的一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，其特征在于，设L₀为密封压力入口(9)至第一密封齿的轴向距离，此距离满足条件L₀>0.3P，出口段L₁为末位密封齿距离边缘的距离，满足条件L₁≥0.2P，其中P为相邻两密封齿间距离。

5.根据权利要求1所述的一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，其特征在于，密封压力入口(9)处设置有迷宫入口台阶(12)，迷宫入口台阶(12)高度h_i满足条件：h_i>2C，密封齿端宽度B满足：B≥4C，其中C为密封齿端间隙。

6.根据权利要求1所述的一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，其特征在于，迷宫密封齿(14)上游一侧与密封腔底部成角度α，角度满足要求：60°≤α≤80°，迷宫密封齿下游一侧与密封腔底部成角度β，角度β满足要求：β≥(180°-α)+10°。

7.根据权利要求1所述的一种带有凹槽的低泄露量直通式迷宫密封装置，其特征在于，传动转子(1)上的凹槽(16)轴向左侧边缘与迷宫密封齿(14)右侧对齐，位于传动转子(1)上的凹槽深度h_g满足h_g≥3C，凹槽宽度W满足W＝(0.15～0.35)P，其中C为密封齿端间隙。