CN111457094A - 具有分形特性的矩形槽共振阻尼密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有分形特性的矩形槽共振阻尼密封结构，包括：密封齿、周向挡板及固定在气缸内表面上的外壳体，所述密封齿和不同长度的挡板在外壳体内表面构成多种矩形凹槽，多种矩形凹槽组成多种腔室，且多种矩形凹槽的形状和位置组合具有自相似性，即具有分形特征。每个矩形凹槽内流体均会在转子涡动时受到压缩或者膨胀，从而在矩形凹槽内形成了较大动态压力，当腔室流体共振频率与转子涡动频率相等或相近时，产生共振，进而形成较大共振阻尼，增强转子系统的稳定性。分形密封挡板的交错结构使得密封静子内表面的粗糙度增加，加强了工质在间隙中的分流次数，可增加工质的流动阻力、减少工质泄漏。

Description

具有分形特性的矩形槽共振阻尼密封结构
技术领域
本发明涉及一种共振阻尼密封装置，尤其是一种能够有效地抑制透平机械流体激振问题，减少工质泄漏的矩形槽共振阻尼密封装置。
背景技术
密封装置广泛应用于航空发动机、汽轮机、燃气轮机、泵及压缩机等透平机械中，是防止流体泄漏、保证设备安全运行的关键部件。透平机械密封装置在抑制流体泄漏的同时，周向环形间隙内还会产生流体激振力，该激振特性将改变转子系统稳定性，是转子系统失稳的重要因素。此外，透平机械转子和静子之间的工质泄漏会降低机组的工作效率，随着机组向着大容量、高参数方向发展以及现代社会对大型设备节能减排要求的不断提高，抑制密封腔中的流体激振、减小工质泄漏显得尤为重要。
为解决透平机械密封装置引起的转子涡动失稳问题，目前主要有两种方法：一是采用“反旋流”技术，即在密封进口安装防旋板(具有一定周向角的导流板)，减小密封内周向旋流速度，甚至使旋流速度反向；另一种方法是采用阻尼密封结构。Von Pragenau于1982年首次提出了阻尼密封的概念，其设计思路是通过改变密封静子面的结构，使其具有较大的粗糙度，达到改变其转子动力特性的目的。这类密封的一个共同特点是具有“网纹状的静子面”，其较大的粗糙度能够有效地削弱密封内的周向旋流，减小交叉流体激振力，进而增强转子系统的稳定性。目前先进阻尼密封技术包括袋型阻尼密封、蜂窝密封和孔型密封。Child和Vance总结了不同种类旋转密封泄漏特性和转子动力特性的优缺点，并指出随着透平机械向大功率、高转速和高压力方向的发展，转子涡动失稳的可能性增大，采用旋转阻尼密封代替传统的迷宫密封是抑制转子失稳最有效方法。
本发明将具有自相似性的分形几何应用到密封内表面“网纹”结构及形状的设计，以使密封静子面粗糙度有规律的增大，进一步达到削弱密封内周向旋流，减小流体激振力，增强转子系统稳定性的目的。
发明内容
本发明提出一种具有分形特性的矩形槽共振阻尼密封结构，该结构静子内表面的“网纹”形状具有分形特征，以使密封静子面粗糙度有规律的增大，进一步达到削弱密封内周向旋流，减小流体激振力，增强转子系统稳定性的目的。
本发明的技术方案是：一种具有分形特性的矩形槽共振阻尼密封结构，包括：密封齿、周向挡板及固定在气缸内表面上的外壳体，所述密封齿和不同长度的挡板在外壳体内表面构成多种矩形凹槽，多种矩形凹槽组成多种腔室，且多种矩形凹槽的形状和位置组合具有自相似性，即具有分形特征。
进一步，所述不同长度的挡板沿外壳体内壁表面交错布置形成分形密封周向交错型挡板，分形密封周向交错型挡板将密封内壁分割成大小不一而形状相似的小凹槽，分形密封周向交错型挡板将阻隔流体的周向流动，流体激振力降低。
进一步，在转子涡动时，每个矩形凹槽内的流体均受到压缩或者膨胀，从而在矩形凹槽内形成动态压力。
进一步，当腔室流体共振频率与转子涡动频率相等或相近时，所述矩形凹槽产生共振，进而形成共振阻尼，增强转子系统的稳定性。
本发明的有益效果是：
本发明的交错型周向挡板将密封内壁分割成了大小不一，但形状相似的矩形凹槽，该矩形凹槽具有分形特性。主要作用：①分形密封静子内表面沿周向布置的挡板可阻隔流体周向流动，减小流体激振力；②每个矩形凹槽内流体均会在转子涡动时受到压缩或者膨胀，从而在矩形凹槽内形成了较大动态压力，当腔室流体共振频率与转子涡动频率相等或相近时，产生共振，进而形成较大共振阻尼；③由于矩形凹槽具有分形特性，即形状、大小均有规律地变大或变小，使每个矩形凹槽均具有不同的固有频率，从而可适用于具有多频涡动的转子振动抑制。
因此，该分形密封能够提供足够的共振阻尼，可有效抑制转子振动，使得转子系统稳定性得到增强。
分形密封挡板的交错结构使得密封静子内表面的粗糙度增加，加强了工质在间隙中的分流次数，可增加工质的流动阻力、减少工质泄漏。
附图说明
图1是本发明的具有分形特性的矩形槽共振阻尼密封三维结构示意图；
图2是密封静子内表面展开后的二维示意图；
图3是单个矩形凹槽密封腔示意图；
图4是转子-密封相互作用示意图；
图1，2，4中，1是气流进口，2是密封齿，3是第一类腔室，4是第二类腔室，5是第三类腔室，6是周向挡板，7是气流出口，8是外壳体，9是转子，10是弹簧；
图3中，V为单个矩形凹槽密封腔的体积，S为间隙处截面积，L为轴向长度。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1，2所示，一种具有分形特性的矩形槽密封结构，包括：密封齿2，周向挡板6及固定在气缸内表面上的外壳体8。密封齿2和长短不一的挡板6在外壳体内表面构成了三种类型的矩形凹槽，分别为第一类腔室3、第二类腔室4、第三类腔室5，并且这些凹槽的形状和位置组合有自相似性，即具有分形的特征，且进行了一次分形。通过盒子计数法算得本发明给出的示例密封内表面的分形维数D＝1.2096，表示为：
1＝Nr·rD或
Figure BDA0002445082010000031
式中，D为分形维数；r为网格尺度；Nr为盒子总数。
不同长度的挡板沿外壳体内壁表面交错布置形成分形密封周向交错型挡板，分形密封周向交错型挡板将密封内壁分割成大小不一而形状相似的小凹槽，分形密封周向交错型挡板将阻隔流体的周向流动，流体激振力降低。
在转子涡动时，每个矩形凹槽内的流体均受到压缩或者膨胀，从而在矩形凹槽内形成动态压力。当腔室流体共振频率与转子涡动频率相等或相近时，所述矩形凹槽产生共振，进而形成共振阻尼，增强转子系统的稳定性。
如图1所示，气流从进口处1进入具有分形特性的矩形槽密封，先后会进入第一类腔室3→第二类腔室4→第一类腔室3→第三类腔室5→第一类腔室3→第二类腔室4→第一类腔室3，最终会从出口处7流出，在这个过程中，分形密封周向交错型的挡板6会阻隔流体的周向流动，转子9振动会使流体在孤立的各类矩形腔室V内受到压缩或者膨胀，会在腔室里形成很大的动态压力，如图3所示，单个矩形凹槽密封腔室的固有频率为：
Figure BDA0002445082010000041
其中：C为当地的声速，ρ0为工质密度，n表征与分形维数相关腔室类型数量。
如图4所示，在转子9涡动时，各密封腔室类似“弹簧10”，可以通过非接触为其提供相当大的阻尼，进而起到了很好的减振的效果。
当转子9涡动频率与各个密封腔室固有频率fi相近或相等时，将会产生共振，共振频率会进一步将动态压力放大，由于动态压力与转子9振动速度方向相反，从而在该密封段的转子9上产生了较大的阻尼力，而剩下一部分气流会沿着密封泄漏方向在其他腔室内继续该种过程，进而产生更多的阻尼，即，当外部频率与共振腔室的固有频率接近或者相等时，引起共振，吸收和消耗大量能量，从而能够提供较大的有效阻尼，增强转子9系统的稳定性。并且分形密封挡板的交错结构使得密封静子内表面的粗糙度增加，加强了工质在间隙中的分流次数，增加了工质的流动阻力，减少了工质的泄漏。

Claims (4)

1.一种具有分形特性的矩形槽共振阻尼密封结构，包括：密封齿、周向挡板及固定在气缸内表面上的外壳体，其特征在于：所述密封齿和不同长度的挡板在外壳体内表面构成多种矩形凹槽，多种矩形凹槽组成多种腔室，且多种矩形凹槽的形状和位置组合具有自相似性，即具有分形特征。
2.根据权利要求1所述的具有分形特性的矩形槽共振阻尼密封结构，其特征在于：所述不同长度的挡板沿外壳体内壁表面交错布置形成分形密封周向交错型挡板，分形密封周向交错型挡板将密封内壁分割成大小不一而形状相似的小凹槽，分形密封周向交错型挡板将阻隔流体的周向流动，流体激振力降低。
3.根据权利要求1所述的具有分形特性的矩形槽共振阻尼密封结构，其特征在于：在转子涡动时，每个矩形凹槽内的流体均受到压缩或者膨胀，从而在矩形凹槽内形成动态压力。
4.根据权利要求3所述的具有分形特性的矩形槽共振阻尼密封结构，其特征在于：当腔室流体共振频率与转子涡动频率相等或相近时，所述矩形凹槽产生共振，进而形成共振阻尼，增强转子系统的稳定性。
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