CN111577901A - 迷宫和螺旋组合式密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种迷宫和螺旋组合式密封装置，包括转轴、轴套、迷宫密封篦齿、螺旋篦齿凸台、螺旋密封篦齿；所述转轴位于轴套内，所述转轴和轴套之间具有径向间隙，间隙内的流体由于轴向压力梯度产生泄漏流；所述转轴上设有密封段，所述迷宫密封篦齿和螺旋篦齿凸台沿轴向交替排布于转轴的密封段上；每个螺旋篦齿凸台上设有多个螺旋密封篦齿。本发明采用非接触的方式，能同时利用迷宫密封与螺旋密封作用，充分抑制转、静子之间的有害泄漏流。装置整体结构简单、使用寿命长，在转子动、静状态都能起到良好的密封作用，且在转子运动状态能大幅减少泄漏流流量，理想的设计状态下能使泄漏流流量为零。

Description

迷宫和螺旋组合式密封装置

技术领域

本发明涉及一种迷宫和螺旋组合式密封装置，属于机械密封技术领域。

背景技术

很多机械装置由于转、静部件之间相对运动需要留有间隙，在轴向压差的作用下，会产生间隙内轴向的流体泄漏，这种泄漏通常是不需要且有害的。以航空发动机为例，相关的文献研究表明：约0.5％的泄漏量即可造成转子总压比降低1.5％，效率减少1％；冷空气的泄漏量增加10％，将导致单位耗油率增加0.5％；高压涡轮泄漏量减少1％，则推力可增加0.8％，耗油率降低0.5％。由此可见，采用密封措施对泄漏流进行高效抑制是提高相关机械装置性能的有效手段之一。

按照密封件是否与运动部件接触，密封装置通常可分为接触式和非接触式。一般而言，接触式密封装置密封性好，但由于会产生磨损，仅适合于低速、短寿命场合。在高速、长寿命情形，比如航空发动机的多级压气机中，通常需要采用非接触式密封。非接触式密封一般可分为迷宫密封、螺旋密封和离心密封。其中，螺旋密封和离心密封都借助机械运转给流体以动力，也称动力密封。迷宫密封和动力密封(以螺旋密封为例)各有优缺点。迷宫密封结构简单，靠流路的突缩、突扩增加流阻，具体而言，依靠摩擦效应、尖齿节流效应及齿腔耗散效应抑制泄漏流，其优势是在运动部件静止时也具有封严效果，但其缺点是由于齿顶间隙会产生透气效应，因而不能实现完全封严。对于螺旋密封而言，其在运动部件运动时，能对流体进行动压反输，将流体泵送至所需一侧，其优势是可以实现设计状态的“零泄漏”，但其劣势是在运动部件静止时，流体容易沿篦齿间的螺旋通道泄漏，密封效果较差。

发明内容

本发明的目的是在保证密封装置密封效果的前提下，提高非接触式密封装置在旋转部件不同转动工况下的适应性。提出了一种迷宫密封和螺旋密封组合的密封方式，综合了两种密封方式的优点，规避了两者的缺点，从而在转动部件静止及旋转状态下都能起到良好的密封效果。

本发明的技术方案：迷宫和螺旋组合式密封装置，包括转轴、轴套、迷宫密封篦齿、螺旋篦齿凸台、螺旋密封篦齿；所述转轴位于轴套内，所述转轴和轴套之间具有径向间隙，间隙内的流体由于轴向压力梯度产生泄漏流；所述转轴上设有密封段，所述迷宫密封篦齿和螺旋篦齿凸台沿轴向交替排布于转轴的密封段上；每个螺旋篦齿凸台上设有多个螺旋密封篦齿。当转轴不旋转时，螺旋密封篦齿的密封效果较差，密封主要依靠迷宫密封篦齿的摩擦效应、尖齿节流效应及齿腔耗散效应达成；当转轴旋转时，迷宫密封篦齿仍能保持良好的密封效果，但齿尖间隙内会由于透气效应产生泄漏，这时，在凸台顶部并占据部分凸台高度的螺旋密封篦齿能通过产生与泄漏流方向相反的泵送流，抵消齿尖间隙附近的泄漏现象，理想情况下能达到“零泄漏”的效果。因此，该装置在不同转动工况下都能有效抑制转、静部件之间的泄漏流，以达到封严的目的。

进一步地，所述密封段内迷宫密封篦齿(用A表示)、螺旋篦齿凸台(用B表示)的数目分别为M和N，构成(N+M-1)个齿腔，其中，M和N为正整数，(M+N)的选取范围为3～15，通过优化排列方式，迷宫密封篦齿和螺旋篦齿凸台采取1对1、1对多、多对1或多对多的交替排布方式，如A-B-A、A-A-B-A-A、A-B-B-B-A、B-B-A-B-B等。篦齿和齿腔分别通过尖齿节流效应和齿腔耗散效应抑制泄漏。

进一步地，所述迷宫密封篦齿的横截面宽度从根部到顶部沿径向逐渐变窄，篦齿齿高为H，篦齿齿顶间隙为t，齿腔宽度为w，篦齿隙高比t/H为0.02～0.10；齿腔宽高比w/H为0.5～2.0。(H+t)为转轴与轴套间的径向间隙，由密封对象决定；出于密封起见，t应在考虑加工误差、结构振动、离心载荷、热变形的前提下尽可能地小。

进一步地，所述螺旋篦齿凸台的横截面宽度从根部到顶部沿径向逐渐变窄，螺旋篦齿凸台的顶部宽度为s，螺旋篦齿凸台顶部宽度与齿腔宽度比s/w为0.5～2.0。

进一步地，每个螺旋篦齿凸台上具有P个螺旋密封篦齿，P的取值范围为2～5；结合转轴的转动，螺旋密封篦齿能产生与泄漏流方向相反的泵送流，以抵消泄漏现象；装置中螺旋密封篦齿的总数为N×P，包含迷宫密封篦齿和螺旋密封篦齿在内的篦齿总数为(N×P+M)。

进一步地，所述螺旋密封篦齿具有螺旋角θ，螺旋密封篦齿的旋向固定，其与转轴旋转方向相结合，驱动齿间流体运动的方向与泄漏流方向相反，θ的取值范围为15°～75°。具体而言，如图2所示，流体受螺旋密封篦齿作用力的轴向分量与泄露流方向相反。在理想的设计工况下，θ的选取应能使螺旋密封篦齿的泵送流最大程度上抵消泄漏流。

进一步地，所述螺旋密封篦齿的齿高h为迷宫密封篦齿齿高H的一部分，h/H的取值范围为0.1～0.5。这是由于在迷宫密封篦齿的密封作用下，泄漏流通常由于透气效应集中在轴套与齿顶之间的间隙t中，螺旋密封篦齿仅需要针对这部分泄漏流进行抑制，因而其齿高不需要具有全齿高H。

本发明所达到的有益效果：本发明的迷宫和螺旋组合式密封装置，能够综合两种密封方式的优点，规避两者的缺点，通过将迷宫密封和螺旋密封方式进行有效组合，能够更好地抑制机械转、静部件之间由间隙和压差导致的流体泄漏。作为一种非接触式密封装置，在转动部件静止或转动状态下，都能起到良好的密封效果，在设计工况下甚至能实现“零泄漏”的效果。装置整体结构简单、可靠性高、使用寿命长、工程实用性强，尤其适合于高速与高压差部件使用。

附图说明

附图1是置于多级压气机中的迷宫和螺旋组合式密封装置示意图；

附图2是本发明的主视图；

附图3是本发明的三维视图；

附图4是本发明的俯视图。

其中，各主要附图标记的含义为：1.压气机转子叶片(低压)，2.压气机静子叶片，3.压气机转子叶片(高压)，4.压气机转子轮毂及转轴，5.压气机静子轴套，6.密封段，7.压气机主流方向，8.泄漏流方向，9.迷宫密封篦齿，10.螺旋密封凸台，11.螺旋密封篦齿，12.压气机转子旋转方向，13.篦齿间流体受螺旋篦齿作用力的方向。w.齿腔宽度，s.螺旋密封凸台宽度，t.齿顶间隙，H.迷宫密封篦齿高度，h.螺旋密封篦齿高度，θ.螺旋密封篦齿的螺旋角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至图4所示，迷宫和螺旋组合式密封装置，包括压气机转子轮毂及转轴4、压气机静子轴套5、迷宫密封篦齿9、螺旋篦齿凸台10、螺旋密封篦齿11；压气机转子转轴位于压气机静子轴套5内，压气机转子转轴和压气机静子轴套5之间具有径向间隙，间隙内的流体由于轴向压力梯度产生泄漏流；压气机转子转轴上设有密封段6，迷宫密封篦齿9和螺旋篦齿凸台10沿轴向交替排布于转轴的密封段6上；每个螺旋篦齿凸台10上设有多个螺旋密封篦齿11。当转轴不旋转时，螺旋密封篦齿11的密封效果较差，密封主要依靠迷宫密封篦齿9的摩擦效应、尖齿节流效应及齿腔耗散效应达成；当转轴旋转时，迷宫密封篦齿9仍能保持良好的密封效果，但齿尖间隙内会由于透气效应产生泄漏，这时，在凸台顶部并占据部分凸台高度的螺旋密封篦齿11能通过产生与泄漏流方向相反的泵送流，抵消齿尖间隙附近的泄漏现象，理想情况下能达到“零泄漏”的效果。因此，该装置在不同转动工况下都能有效抑制转、静部件之间的泄漏流，以达到封严的目的。

密封段6内迷宫密封篦齿9(用A表示)、螺旋篦齿凸台10(用B表示)的数目分别为M和N，构成(N+M-1)个齿腔，其中，M和N为正整数，(M+N)的选取范围为3～15，通过优化排列方式，迷宫密封篦齿9和螺旋篦齿凸台10采取1对1、1对多、多对1或多对多的交替排布方式，如A-B-A、A-A-B-A-A、A-B-B-B-A、B-B-A-B-B等。篦齿和齿腔分别通过尖齿节流效应和齿腔耗散效应抑制泄漏。

迷宫密封篦齿9的横截面宽度从根部到顶部沿径向逐渐变窄，篦齿齿高为H，篦齿齿顶间隙为t，齿腔宽度为w，篦齿隙高比t/H为0.02～0.10；齿腔宽高比w/H为0.5～2.0。(H+t)为转轴与轴套间的径向间隙，由密封对象决定；出于密封起见，t应在考虑加工误差、结构振动、离心载荷、热变形的前提下尽可能地小。

螺旋篦齿凸台10的横截面宽度从根部到顶部沿径向逐渐变窄，螺旋篦齿凸台10的顶部宽度为s，螺旋篦齿凸台10顶部宽度与齿腔宽度比s/w为0.5～2.0。

每个螺旋篦齿凸台10上具有P个螺旋密封篦齿11，P的取值范围为2～5；结合转轴的转动，螺旋密封篦齿11能产生与泄漏流方向相反的泵送流，以抵消泄漏现象；装置中螺旋密封篦齿11的总数为N×P，包含迷宫密封篦齿9和螺旋密封篦齿11在内的篦齿总数为(N×P+M)。

螺旋密封篦齿11具有螺旋角θ，螺旋密封篦齿11的旋向固定，其与转轴旋转方向相结合，驱动齿间流体运动的方向与泄漏流方向相反，θ的取值范围为15°～75°。具体而言，如图2所示，流体受螺旋密封篦齿作用力的轴向分量与泄露流方向相反。在理想的设计工况下，θ的选取应能使螺旋密封篦齿11的泵送流最大程度上抵消泄漏流。

螺旋密封篦齿11的齿高h为迷宫密封篦齿齿高H的一部分，h/H的取值范围为0.1～0.5。这是由于在迷宫密封篦齿9的密封作用下，泄漏流通常由于透气效应集中在轴套与齿顶之间的间隙t中，螺旋密封篦齿11仅需要针对这部分泄漏流进行抑制，因而其齿高不需要具有全齿高H。

在图1所示的多级压气机中，气流沿压气机转子叶片(低压)1、压气机静子叶片2、压气机转子叶片(高压)3流动(沿箭头7)，不断增压。由于压气机静子轴套5和压气机转子轮毂及转轴4之间需要留有相对运动的间隙，在压气机轴向压力梯度的作用下，产生了沿箭头8所示的泄漏流。这种泄漏流通常导致机械能损失，需要尽可能避免或抑制，迷宫和螺旋组合式密封装置正是起到抑制泄漏流的作用。迷宫密封篦齿9安置在转轴的密封段6中，通过尖齿节流效应和齿腔耗散效应抑制泄漏，但由于透气效应，齿尖间隙处仍会产生少量的泄漏流。螺旋篦齿凸台10与迷宫密封篦齿9以某种排列方式交错布置，螺旋篦齿凸台10上具有多个螺旋密封篦齿11，在转轴旋转(方向为箭头12)的帮助下，位于齿尖间隙附近的螺旋密封篦齿11能对流体产生泵送作用，泵送方向为箭头13，泵送流的轴向分量与泄漏流方向8相反，能和泄漏流形成抵消，因而可以更好的抑制泄漏流的发生。此外，在转轴不进行旋转的工况下，螺旋密封篦齿密封效果较差，迷宫密封篦齿仍具有良好的密封效果，因此迷宫和螺旋组合式密封装置综合了两种密封方式的优点，规避了两者的缺点，具有很好的工程实用性。

实施例：

针对某发动机1.5级压气机(具有转子-静子-转子形式，如图1所示)，设计了迷宫和螺旋组合式密封装置，需要密封的间隙为5mm。迷宫和螺旋组合式密封装置的结构形式如图2至图4所示。其中：迷宫密封篦齿数目M＝2，螺旋篦齿凸台数目N＝1，它们的沿轴向的排布方式为迷宫密封篦齿-螺旋篦齿凸台-迷宫密封篦齿；齿腔数目为2；迷宫密封篦齿齿高H＝4.6mm，篦齿齿顶间隙t＝0.4mm，齿腔宽度w＝4mm；螺旋篦齿凸台的顶部宽度s＝4mm，每个螺旋篦齿凸台上具有的螺旋密封篦齿个数P＝3；螺旋密封篦齿的螺旋角θ＝30°，螺旋密封篦齿的齿高h＝2mm。

实验研究表明，当密封装置两端压比约为1.06时，采用纯迷宫密封篦齿(几何参数：M＝3，H＝4.6mm，t＝0.4mm，w＝4mm)的泄漏系数约为0.01，随着转轴转速提高，泄漏系数变化不大。纯螺旋密封篦齿在转轴静止状态下，其泄漏系数远高于纯迷宫式，但随着转轴转速的提高，泄漏系数逐渐接近于0(即无泄漏状态)。迷宫和螺旋组合式密封装置在转轴静止时，其泄漏系数和纯迷宫式接近，但随着转轴转速的提高，泄漏系数逐渐接近于0。因此，迷宫和螺旋组合式密封装置在转轴静止和旋转状态下，表现出相比纯迷宫式和纯螺旋式更优的密封特性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.迷宫和螺旋组合式密封装置，其特征是，包括转轴、轴套、迷宫密封篦齿、螺旋篦齿凸台、螺旋密封篦齿；所述转轴位于轴套内，所述转轴和轴套之间具有径向间隙，间隙内的流体由于轴向压力梯度产生泄漏流；所述转轴上设有密封段，所述迷宫密封篦齿和螺旋篦齿凸台沿轴向交替排布于转轴的密封段上；每个螺旋篦齿凸台上设有多个螺旋密封篦齿。

2.根据权利要求1所述的迷宫和螺旋组合式密封装置，其特征是，所述密封段内迷宫密封篦齿、螺旋篦齿凸台的数目分别为M和N，构成(N+M-1)个齿腔，其中，M和N为正整数，(M+N)的选取范围为3～15，通过优化排列方式，迷宫密封篦齿和螺旋篦齿凸台采取1对1、1对多、多对1或多对多的交替排布方式。

3.根据权利要求1所述的迷宫和螺旋组合式密封装置，其特征是，所述迷宫密封篦齿的横截面宽度从根部到顶部沿径向逐渐变窄，篦齿齿高为H，篦齿齿顶间隙为t，齿腔宽度为w，篦齿隙高比t/H为0.02～0.10；齿腔宽高比w/H为0.5～2.0。

4.根据权利要求3所述的迷宫和螺旋组合式密封装置，其特征是，所述螺旋篦齿凸台的横截面宽度从根部到顶部沿径向逐渐变窄，螺旋篦齿凸台的顶部宽度为s，螺旋篦齿凸台顶部宽度与齿腔宽度比s/w为0.5～2.0。

5.根据权利要求2所述的迷宫和螺旋组合式密封装置，其特征是，每个螺旋篦齿凸台上具有P个螺旋密封篦齿，P的取值范围为2～5；装置中螺旋密封篦齿的总数为N×P，包含迷宫密封篦齿和螺旋密封篦齿在内的篦齿总数为(N×P+M)。

6.根据权利要求1所述的迷宫和螺旋组合式密封装置，其特征是，所述螺旋密封篦齿具有螺旋角θ，螺旋密封篦齿的旋向固定，其与转轴旋转方向相结合，驱动齿间流体运动的方向与泄漏流方向相反，θ的取值范围为15°～75°。

7.根据权利要求3所述的迷宫和螺旋组合式密封装置，其特征是，所述螺旋密封篦齿的齿高h为迷宫密封篦齿齿高H的一部分，h/H的取值范围为0.1～0.5。

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