CN110332016A - 一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构，包括在密封静子部件(1)内壁的周向上开设的若干球凹孔腔(3)、周向倾斜孔腔(5)或轴向倾斜孔腔(6)，该密封静子部件(1)与密封旋转部件(4)配合使用，使得腔室内湍流涡旋结构发生变化，涡旋强度增加，提高了湍流耗散作用；同时增大了孔腔间的壁面厚度，增强密封承压性能。本发明的球凹孔密封，增强了孔腔内涡流强度，提高了密封封严性；在相同孔隙率下，增大了孔腔间壁厚，密封承压性能得到提升。本发明的轴向或周向斜孔密封，增强了孔腔内的涡流强度，限制了密封间隙内周向旋流的发展，密封转子动力特性得到改善。

Description

一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构

技术领域

本发明属于叶轮机械技术领域，具体涉及一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构。

背景技术

在发电行业的蒸汽轮机、燃气轮机以及石油化工压缩机、泵等叶轮机械中，旋转密封装置都有广泛的应用。作为叶轮机械的重要组成部件之一，旋转密封装置通常安装在轴端、叶顶间隙等动静部件间隙处，通过控制间隙处由高压端向低压端的工质泄漏流来提高叶轮机械效率。另外，叶轮机械中的密封装置，在控制泄漏流的同时，还会与工质流体相互作用产生流体激振力，影响转子轴承系统的稳定性。因此，现代先进密封技术必须兼顾优良的封严性能以及较好的稳定性。

先进密封技术的应用，对于提高叶轮机械效率、增强转子-轴承系统稳定性具有重要意义。目前，叶轮机械中常用的旋转密封装置有：迷宫密封、蜂窝密封、孔型密封、袋型密封和刷式密封。其中孔型密封，作为一种非接触式阻尼密封技术，具有良好的封严性和稳定性，而且制造工艺简单、成本低，结构可控性好、耐磨，因此被广泛应用于叶轮机械中。

现代工业技术的发展对叶轮机械提出了越来越高的技术经济性要求，更高温度、更高压力以及更高转速的运行工况也对机组安全可靠性提出更高要求。因此，开展高性能的孔型密封结构设计研究，对叶轮机械技术领域的发展具有重要的工业意义。

典型的孔型密封由光滑的旋转部件，以及布满径向圆柱孔型腔室的静子部件组成。密封原理是，静子部件上孔腔与旋转部件形成一系列的膨胀间隙与耗散孔腔，当泄漏工质流经膨胀间隙时，压力能转换成速度能。这部分动能在泄漏工质进入下游孔型腔室时，经过腔室内形成的湍流涡旋与腔壁摩擦阻力作用而逐渐被耗散为热能，泄漏工质动能与压力能因此逐级降低进而达到密封效果。孔型腔室中的湍流涡旋强度，决定了密封封严性能的强弱，因此，通过改良孔型腔室的几何结构，能够增强腔室里涡旋强度，增强封严性能。

典型的孔型密封为了提高封严性能，静子部件内壁会布置尽可能多的孔腔，造成了静子部件上孔腔间壁厚较小，密封承压能力大大降低，极大地限制了其在高压液态工质环境中的应用。因此，开展兼顾高封严性能、高承压能力的密封技术，具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明针对叶轮机械中对孔型密封降低泄漏量、增加稳定性、提高承压能力等要求，以典型圆柱孔型密封结构为基础，提供了一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构。其中，球凹孔密封能够在保证密封封严性能同时，增大静子件孔腔间的壁厚，提高孔型密封承压能力。而斜孔型密封，能够有效遏制密封周向旋流的发展，提高转子稳定性。

本发明采用以下技术方案来实现的：

一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构，包括在密封静子部件内壁的周向上开设的若干球凹孔腔、周向倾斜孔腔或轴向倾斜孔腔，该密封静子部件与密封旋转部件配合使用，使得腔室内湍流涡旋结构发生变化，涡旋强度增加，提高了湍流耗散作用；同时增大了孔腔间的壁面厚度，增强密封承压性能。

本发明进一步的改进在于，在静子部件内壁开设的球凹孔腔，进口正对密封旋转部件中心，或者沿轴向/周向倾斜预设角度。

本发明进一步的改进在于，球凹孔腔能够布置在密封旋转部件表面，形成密封静子部件上的耗散腔室，或者布置在密封静子部件内壁，形成密封静子部件上的耗散腔室。

本发明进一步的改进在于，球凹孔腔的深度取值范围是0-r之间，r为球凹体半径。

本发明进一步的改进在于，不同轴向或周向位置，能够布置不同深度的球凹孔腔，形成变孔深球凹孔腔结构。

本发明进一步的改进在于，孔腔形状为圆柱形或椭圆柱。

本发明进一步的改进在于，球凹孔腔的倾斜角度沿周向构成周向斜孔密封，球凹孔腔的倾斜角度沿轴向构成轴向倾斜密封，其中心轴线与径向成预设倾斜角度；球凹孔腔的倾斜角度同时沿轴向和轴向，构成复合斜孔密封，即倾斜的耗散腔室。

本发明进一步的改进在于，倾斜周向或轴向倾斜孔腔的中心轴线与径向构成的周向倾斜孔腔的周向倾斜角度和周向倾斜孔腔的轴向倾斜角度在0-arctan(H/D)之间，H代表圆柱孔深，D代表圆柱孔直径。

本发明进一步的改进在于，不同轴向或周向位置，能够布置不同倾斜角度的周向倾斜孔腔或轴向倾斜孔腔，形成变倾角轴向倾斜孔腔。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在密封静子部件布置球凹型孔腔，构成球凹型孔型密封，可在与典型孔型密封保持相同孔隙率下增大孔腔间的壁厚，进而增大密封强度，同时数值计算结果表示几乎不改变密封封严性能。

本发明在密封静子面布置倾斜角度与密封转子转动方向相同的倾倾斜孔腔，间隙内工质流体由于转子摩擦作用，因此周向会产生一定的旋流速度。当间隙内工质流体进入周向倾斜布置的孔腔后经涡流耗散作用后流出，流出的流体会形成与转速相反的射流进而降低间隙内流体的周向速度，对密封内的周向旋流发展产生抑制作用，进而提升了密封稳定性。

附图说明

图1为典型孔型密封静子件三维结构图；

图2为典型孔型密封垂直于轴向的二维剖面图；

图3为球凹型孔型密封静子件三维结构图；

图4为球凹型孔型密封垂直于轴向的二维剖面图；

图5为球凹型孔型密封的球凹型孔腔位置示意图；

图6为周向倾斜孔型密封静子件三维结构图；

图7为周向倾斜孔型密封垂直于轴向的二维剖面图；

图8为周向倾斜孔型密封的孔腔位置示意图；

图9为轴向倾斜孔型密封静子件三维结构图；

图10为轴向倾斜孔型密封子午面的二维剖面图；

图11为孔腔沿轴向逐渐增大的球凹孔密封三维结构图。

图12为倾斜角度沿轴向逐渐增大的轴向倾斜孔密封三维结构图。

图13为周向倾斜孔型密封的孔腔结构示意图。

图14为相同边界条件下，孔型密封、球凹孔密封、迷宫密封、周向斜孔密封泄漏量对比图。

图15为相同边界条件下，孔型密封、周向斜孔密封间隙内旋流速度沿轴向位置的分布曲线。

附图标记说明：

1为密封静子部件；2为径向圆柱孔腔；3为球凹孔腔；4为密封旋转部件；5为周向倾斜孔腔；6为轴向倾斜孔腔；7为变孔深球凹孔腔，孔腔深度随轴向位置呈特定分布规律；8为变倾角轴向倾斜孔腔，倾斜角随轴向位置呈特定分布规律；9为径向圆柱孔腔子午面；10为轴向倾斜孔腔子午面；11为周向倾斜孔腔的周向倾斜角度；12为周向倾斜孔腔的轴向倾斜角度；13为旋转部件中心轴线。

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。

本发明的两种异型孔型密封具体结构参见附图1～13：

参见图1、3、6，本发明的异型孔密封静子部件上的孔腔采用铣刀或电火花在铝金属材料上加工径向圆柱孔腔2、球凹孔腔3、周向倾斜孔腔5或轴向倾斜孔腔6。密封静子部件1上孔腔采用均匀等距、错排的排列方式。

参见图2，典型的孔型密封为密封静子部件1上布置圆柱孔腔室，圆柱孔中心轴线指向旋转部件中心轴线13，且周向布置均匀。

参见图4、5，本发明的球凹孔密封为密封静子部件1布置球凹孔腔3，球面中心轴线指向旋转部件中心轴线13，球凹孔腔3周向布置均匀。相对径向圆柱孔腔2，球凹孔腔3的体积更小，孔腔间壁厚较大。

参见图6、7、8，本发明的周向斜孔密封为密封静子部件1布置周向倾斜孔腔5，孔腔中心轴线与静子部件径向成周向倾斜孔腔的周向倾斜角度11，且倾斜角度与旋转部件转动方向一致。

参见图9、10、13，本发明的轴向斜孔密封为密封静子部件1布置轴向倾斜孔腔6，孔腔中心轴线与静子部件径向成周向倾斜孔腔的轴向倾斜角度12，且倾斜角度与间隙内工质流动方向一致。

参见图11，本发明的变孔深球凹孔密封为密封静子部件1布置变孔深球凹孔腔7，且球凹孔腔3深度与孔腔轴向位置呈特定分布规律。

参见图12、13，本发明的轴向变倾角倾斜孔密封为静子部件布置变倾角轴向倾斜孔腔8，且周向倾斜孔腔的轴向倾斜角度12与孔腔轴向位置呈预定分布规律。

本发明的技术原理如下：

本发明提出了一种球凹孔密封结构。该结构为一种静子部件布置球凹孔腔的阻尼密封结构，用于套装在旋转部件上，孔腔进口正对旋转部件中心轴线。密封间隙内的工质流体在流经孔腔时，会有一部分深入到球凹孔腔里，并且形成湍流涡旋，将流体的动能耗散成内能。球凹孔腔虽然由于孔腔体积较小，形成的湍流涡旋尺寸降低，但是同时也能增大流体深入孔腔的偏转角，使更多流体进入孔腔进行耗散作用，因此球凹型孔腔，对密封封严性能影响不大。另外根据以往研究表明，孔型密封封严能力与其静子部件孔隙率(孔面积与静子总面积之比)成正比。在承压要求较高的工作环境中，典型的孔型密封为避免局部壁厚太小而导致强度不足问题，会适当降低孔隙率，导致其封严性能下降。而本发明提出的球凹孔密封相对于典型孔型密封孔腔体积更小，进而相同孔隙率下强度更高。数值模拟结果已证明，相同孔隙率下，球凹孔密封结构强度明显优于圆柱孔孔型密封，并且密封泄漏量变化很小，可以忽略不计。图14给出了相同边界条件下，球凹孔密封与孔型密封泄漏量对比图，数值计算结果证实球凹孔密封提高密封承压能力同时，对密封封严性能影响不大。

研究表明，密封内的气流激振力是由于旋转动态偏心，造成密封内工质压力周向分布不均匀而产生的，而垂直于旋转部件偏心方向的合力，是诱发转子失稳的主要原因。因此，限制密封装置中周向旋流的发展进而减小气流激振力的周向分量，是提高密封装置稳定性的有效途径。本发明的斜孔密封，结构如图6所示，孔腔朝转子转动方向倾斜一定角度，增大了密封间隙内流体进入孔腔的射流偏转角，进而增强了孔腔对流体的耗散作用。同时，孔腔内流体经过涡旋耗散作用后流出孔腔时，会形成与转速相反方向的射流，这股射流与密封间隙内流体相互掺混，使得间隙内流体的周向旋流发展得到抑制，因此有效降低了气流激振力的周向分量，提高转子稳定性。图15给出了相同边界条件下，周向斜孔密封与孔型密封间隙内的旋流大小，数值计算结果表明，斜圆柱孔腔能降低密封间隙内周向旋流约30％，因此，密封稳定性得到提高。图14给出了相同边界条件下，周向孔密封与孔型密封泄漏量对比，数值计算结果表明，相比于孔型密封，倾斜角为30°的周向斜孔密封能降低泄漏量约15％，密封封严性能提高。

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 (9)

1.一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构，其特征在于，包括在密封静子部件(1)内壁的周向上开设的若干球凹孔腔(3)、周向倾斜孔腔(5)或轴向倾斜孔腔(6)，该密封静子部件(1)与密封旋转部件(4)配合使用，使得腔室内湍流涡旋结构发生变化，涡旋强度增加，提高了湍流耗散作用；同时增大了孔腔间的壁面厚度，增强密封承压性能。

2.根据权利要求1所述的一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构，其特征在于，在静子部件(1)内壁开设的球凹孔腔(3)，进口正对密封旋转部件(4)中心，或者沿轴向/周向倾斜预设角度。

3.根据权利要求1所述的一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构，其特征在于，球凹孔腔(3)能够布置在密封旋转部件(4)表面，形成密封静子部件(1)上的耗散腔室，或者布置在密封静子部件(1)内壁，形成密封静子部件(1)上的耗散腔室。

4.根据权利要求1所述的一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构，其特征在于，球凹孔腔(3)的深度取值范围是0-r之间，r为球凹体半径。

5.根据权利要求1所述的一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构，其特征在于，不同轴向或周向位置，能够布置不同深度的球凹孔腔(3)，形成变孔深球凹孔腔(7)结构。

6.根据权利要求1所述的一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构，其特征在于，孔腔形状为圆柱形或椭圆柱。

7.根据权利要求1所述的一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构，其特征在于，球凹孔腔(3)的倾斜角度沿周向构成周向斜孔密封(5)，球凹孔腔(3)的倾斜角度沿轴向构成轴向倾斜密封(6)，其中心轴线与径向成预设倾斜角度；球凹孔腔(3)的倾斜角度同时沿轴向和轴向，构成复合斜孔密封，即倾斜的耗散腔室。

8.根据权利要求7所述的一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构，其特征在于，倾斜周向或轴向倾斜孔腔的中心轴线与径向构成的周向倾斜孔腔的周向倾斜角度(11)和周向倾斜孔腔的轴向倾斜角度(12)在0-arctan(H/D)之间，H代表圆柱孔深，D代表圆柱孔直径。

9.根据权利要求1所述的一种能够增强密封性能的新型孔型密封结构，其特征在于，不同轴向或周向位置，能够布置不同倾斜角度的周向倾斜孔腔(5)或轴向倾斜孔腔(6)，形成变倾角轴向倾斜孔腔(8)。