CN112065916A - 一种多腔室独立气囊柔性支承孔型阻尼密封 - Google Patents

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Abstract

一种多腔室独立气囊柔性支承孔型阻尼密封，包括由内而外依次套合的密封内衬、柔性气囊、和密封外壳，密封内衬、柔性气囊、和密封外壳均呈圆柱形筒体且轴心线共线；所述密封内衬的内壁均布有阻尼孔，密封内衬的外壁为光滑面且紧贴柔性气囊；所述柔性气囊包括多个金属薄膜气囊单元，多个金属薄膜气囊单元沿轴向和周向均布并通过连接部互相连接组成一个整体；每一个薄膜气囊单元的外表面均设有独立控制的气阀；所述密封外壳设有与气阀一一对应的通孔，气阀穿过所述通孔与外部气管路相连。本发明可以根据工况的变化自适应调控各部分密封结构刚度与阻尼，有效解决密封齿在机组运行过程中极端工况时被转子磨损而使汽封间隙变大的问题。

Description

一种多腔室独立气囊柔性支承孔型阻尼密封
技术领域
本发明涉及旋转透平机械密封技术，尤其涉及一种多腔室独立气囊柔性支承孔型阻尼密封。
背景技术
目前，随着我国对能源利用效率要求的日益提高，汽轮机、燃气轮机等叶轮机械向着高效、稳定、大功率方向的发展，传统密封间隙流体激振的危害日益突出。降低密封间隙的泄漏量，抑制密封间隙的流体激振，确保机组运行的稳定性，已成为现代叶轮机械发展的关键技术之一。分析流体激振力的成因可知，当转子运转时与密封腔周向间隙不均匀时，转子周围形成不均匀的压力分布，分布压力合力对转子形成与位移垂直的切向分量会造成迷宫密封的汽流激振。目前旋转机械所用的密封结构一般为迷宫密封或蜂窝密封，材质均为刚性体，一旦碰磨就会造成永久性的磨损。并且，磨损的程度随着转子与静子间隙的增大而增大。产生碰撞磨损后的不均匀间隙不仅会增大泄漏量而且还会加剧密封间隙的汽流激振现象，严重时还会导致密封结构的整体失效，为机组的安全运行埋下隐患。针对以上问题，相关学者提出了可调式密封如专利CN 107559199 A，通过弹簧来调整转子与静子之间的密封间隙。转子与静子之间的间隙较大时，弹簧伸出以减小间隙。转子与静子之间的间隙小时，弹簧压缩以保持较小的间隙。然而，由于可调式密封属于接触式密封，摩擦时容易造成的密封磨损。并且，在高温、密封的介质不理想等情况下，弹簧容易结垢、锈蚀，从而导致弹性失效，进而影响其使用。
其次，机组在运行周期内会经历多个高负荷工况，转轴会在不同时刻呈现大偏摆，周向偏心，微震动等情况。在转轴不同形式的失稳情况下所对应的密封结构刚度要求也相应不同。例如当转轴沿径向某一方向大幅度震动时，相应的密封结构在该方向刚度应较小，阻尼较大，而其它方向的密封结构仍应保持较高的刚度，以保持整体密封结构的稳定性。目前，柔性密封如刷式密封可以改善刚性密封在此方面的缺点。然而，普通的柔性密封则由于其不能在高温条件下使用，使用也受到一定限制。总之，现有的刚性密封和柔性密封都无法满足我们对密封件低泄漏、动力学特性优异且自适应强的要求。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种动力特性优良、自适应性强的多腔室独立气囊柔性支承孔型阻尼密封。
本发明采用的技术方案是：一种多腔室独立气囊柔性支承孔型阻尼密封，包括由内而外依次套合的密封内衬、柔性气囊、和密封外壳，密封内衬、柔性气囊、和密封外壳均呈圆柱形筒体且轴心线在同一条直线上，以靠近轴心线一侧为内侧，反之为外侧；
所述密封内衬的内壁均布有阻尼孔，阻尼孔未贯穿密封内衬，密封内衬的外壁为光滑面且紧贴柔性气囊；
所述柔性气囊包括多个金属薄膜气囊单元，多个金属薄膜气囊单元沿轴向和周向均布并通过连接部互相连接组成一个整体；每一个薄膜气囊单元的外表面均设有独立控制的气阀；所述密封外壳设有与气阀一一对应的通孔，气阀穿过所述通孔与外部气管路相连；
所述密封外壳的一端开口向内延伸出环形沿边，环形沿边的内边缘向密封外壳的中心翻折形成环形卡边，密封内衬、柔性气囊的一端卡嵌在环形卡边和密封外壳之间；密封外壳的另一端开口安装有环状的密封端盖，密封端盖与密封外壳通过螺栓连接。
进一步，所述密封端盖的内璧环在靠近密封外壳的一侧开设有第一密封沟槽，第一密封沟槽内放置有第一密封条；密封外壳的环形卡边上设有第二环形密封沟槽，第二环形密封沟槽内放置有第二密封条。
进一步，所述金属薄膜气囊单元沿轴向布置2-5个，沿周向布置4-8个。
进一步，所述阻尼孔4-1的孔型为六边形孔、圆孔、三角形孔或长条形。
本发明的有益效果是：
(1)此结构可以根据工况的变化自适应调控各部分密封结构刚度与阻尼，并且由于每个气囊单元各自独立设置，因此每一部分密封结构都可以独立受控并形成刚度和阻尼沿轴向和周向方向不均匀的密封结构。与传统弹性元件为弹簧的自适应密封结构相比具有更好的动态响应能力，抗冲击振动能力以及更长的使用寿命等。
(2)引入金属薄膜气囊作为弹簧元件，密封装置在大负荷、大震动后密封装置转轴和密封内衬中心线有不对中，密封间隙偏斜的情况时，还可以通过调节各气囊内的压力校正密封间隙形状。此外，气囊单元气阀与机组外气路相连接，可实现远程自主操控，对某些不易安装检修的机械部位具有一定的适应性。该组合结构简单且兼顾刚性和柔性密封的优点，自适应性强，是一种综合性能良好密封性、抗碰磨性优异的全新密封技术。
附图说明
图1是本发明的三维剖视图。
图2是内衬的三维结构图。
图3是金属薄膜气囊的三维结构图。
图4是密封外壳的三维结构图。
图5是密封端盖的三维结构图。
附图标记说明：1、密封外壳；1-1、通孔；1-2、第二环形密封沟槽；1-3、密封外壳螺纹孔；2、第二密封条；3、柔性气囊；3-1、连接部；3-2、金属薄膜气囊单元；3-3、气阀；4、密封内衬；4-1、阻尼孔；5、外壳端盖；5-1、外壳端盖螺纹孔；5-2、第一密封沟槽；6、第一密封条。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照附图，一种多腔室独立气囊柔性支承孔型阻尼密封，包括由内而外依次套合的密封内衬4、柔性气囊3、和密封外壳1，密封内衬4、柔性气囊3、和密封外壳1均呈圆柱形筒体且轴心线在同一条直线上，以靠近轴心线一侧为内侧，反之为外侧；
所述密封内衬4的内壁均布有阻尼孔4-1，阻尼孔4-1未贯穿密封内衬4，阻尼孔4-1的孔型为六边形孔、圆孔、三角形孔或长条形。密封内衬4的外壁为光滑面且紧贴柔性气囊3；
所述柔性气囊3包括多个金属薄膜气囊单元3-2，金属薄膜气囊单元3-2沿轴向布置2到5个，沿周向布置4到8个，多个金属薄膜气囊单元3-2沿轴向和周向均布并通过连接部3-1互相连接组成一个整体；每一个薄膜气囊单元的外表面均设有独立控制的气阀3-3；所述密封外壳1设有与气阀3-3一一对应的通孔1-1，气阀3-3穿过所述通孔1-1与外部气管路相连。
所述密封外壳1的一端开口向内延伸出环形沿边，环形沿边的内边缘向密封外壳1的中心翻折形成环形卡边，密封内衬4、柔性气囊3的一端卡嵌在环形卡边和密封外壳1之间；密封外壳1的另一端开口安装有环状的密封端盖5，密封端盖5用于与密封外壳1装配的装配面上沿周向设有若干外壳端盖螺纹孔5-1，密封外壳1上设有与外壳端盖螺纹孔5-1一一对应的密封外壳螺纹孔1-3；
所述密封端盖5的内璧环在靠近密封外壳1的一侧开设有第一密封沟槽5-2，第一密封沟槽5-2内放置有第一密封条6；密封端盖5与密封外壳1通过螺栓连接，并压实第一密封条6。密封外壳1的环形卡边上设有第二环形密封沟槽1-2，第二环形密封沟槽1-2内放置有第二密封条2。
这种结构本质是一种组合集装式柱面密封，引入多腔室金属薄膜柔性气囊包裹刚性密封内衬，各金属薄膜气囊单元单独控制，气阀从密封外壳穿出与外气路连接。密封内衬两端与密封外壳和外壳端盖各形成一个用于安装密封垫片的第二密封沟槽、第一密封沟槽，软质的第一密封条、第二密封条放置在对应的密封沟槽内密封以防进出口汽窜入密封结构内。该密封结构安装时，先将柔性气囊放入密封外壳内，再将密封内衬紧贴气囊外部滑入密封外壳内部，同时放入第二密封条，随后放置第一密封条后压紧密封端盖完成装配后整体沿透平机组转轴或轴套推入轴端密封位置，之后固定在透平机器的定子部分即可。
机组稳定运行时，增大气囊压力使气囊鼓起，此时密封结构整体刚度较大，稳定性强。反之，当机组转轴沿某方向震动偏摆严重时，相应的气囊单元在该方向的气囊压力减小，缓冲作用增大。此时该方向密封结构刚度较小，阻尼较大，而其它方向的密封结构仍应保持较高的刚度，在防止密封结构在该方向发生碰磨的同时，保持整体密封结构的相对稳定性。此外，密封装置在大负荷、大震动后密封装置转轴和密封内衬中心线有不对中，密封间隙偏斜的情况时，还可以通过调节各气囊内的压力值，使得密封内衬归位以此校正密封间隙形状。同时，当转轴为有规律的震动或偏摆时，可调节周向或轴向气囊单元，将密封结构构成轴向或周向刚度阻尼不均匀且适应震动所需的密封结构。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种多腔室独立气囊柔性支承孔型阻尼密封，其特征在于：包括由内而外依次套合的密封内衬(4)、柔性气囊(3)、和密封外壳(1)，密封内衬(4)、柔性气囊(3)、和密封外壳(1)均呈圆柱形筒体且轴心线在同一条直线上，以靠近轴心线一侧为内侧，反之为外侧；
所述密封内衬(4)的内壁均布有阻尼孔(4-1)，阻尼孔(4-1)未贯穿密封内衬(4)，密封内衬(4)的外壁为光滑面且紧贴柔性气囊(3)；
所述柔性气囊(3)包括多个金属薄膜气囊单元(3-2)，多个金属薄膜气囊单元(3-2)沿轴向和周向均布并通过连接部(3-1)互相连接组成一个整体；每一个薄膜气囊单元的外表面均设有独立控制的气阀(3-3)；所述密封外壳(1)设有与气阀(3-3)一一对应的通孔(1-1)，气阀(3-3)穿过所述通孔(1-1)与外部气管路相连；
所述密封外壳(1)的一端开口向内延伸出环形沿边，环形沿边的内边缘向密封外壳(1)的中心翻折形成环形卡边，密封内衬(4)、柔性气囊(3)的一端卡嵌在环形卡边和密封外壳(1)之间；密封外壳(1)的另一端开口安装有环状的密封端盖(5)，密封端盖(5)与密封外壳(1)通过螺栓连接。
2.如权利要求1所述的一种多腔室独立气囊柔性支承孔型阻尼密封，其特征在于：所述密封端盖(5)的内璧环在靠近密封外壳(1)的一侧开设有第一密封沟槽(5-2)，第一密封沟槽(5-2)内放置有第一密封条(6)；密封外壳(1)的环形卡边上设有第二环形密封沟槽(1-2)，第二环形密封沟槽(1-2)内放置有第二密封条(2)。
3.如权利要求1所述的一种多腔室独立气囊柔性支承孔型阻尼密封，其特征在于：所述金属薄膜气囊单元沿轴向布置2-5个，沿周向布置4-8个。
4.如权利要求1所述的一种多腔室独立气囊柔性支承孔型阻尼密封，其特征在于：所述阻尼孔(4-1)的孔型为六边形孔、圆孔、三角形孔或长条形。
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