CN112984114B - 一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，包括静止进气管和空心轴类部件，沿低温介质进气方向，所述静止进气管插入所述空心轴类部件内部，两者之间存在密封间隙，所述静止进气管与空心轴类部件之间设置有用于阻止低温介质泄漏和倒吸的旋转密封结构。本密封装置显著提高了通向密封间隙低温介质的阻力，解决具有较大压力的低温介质通过时带来的泄漏问题，反向密封齿克服了高压力低温介质的倒吸问题，使得旋转机械效率损失减小，运行效率提高。

Description

一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置

技术领域

本发明涉及超导机械领域，具体为一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置。

背景技术

在旋转机械的空心轴类零件中通入有压流体，用于解决旋转机械的冷却问题，但常常伴随着有压流体的泄漏，因此使用低温介质传输装置来连接静止与旋转部件，以减小动静间隙。低温介质传输装置将静止制冷装置产生的冷却介质传输至转子内部，也将冷却过后的介质传输至制冷设备中进行再冷却。在此过程中，低温介质传输装置可以避免循环过程中冷却介质从转动间隙处泄漏，提升冷却效率和旋转机械的运行效率。

在超导机械中，由于其动静耦合结构的特殊性，不可避免地会产生静止部件与转子之间的转动间隙，转动间隙使流体介质受到压差作用后从高压处流向低压处从而造成泄漏，降低循环回路的制冷效果。为了减少介质的泄漏，必须减小转动间隙。但转动间隙过小会导致加工安装难度急剧增加，使得旋转机械在运行过程中容易发生磨损。因此，通过低温介质传输装置将静止设备与转子连接起来，不仅可以有效地减少转动间隙处的介质泄漏，而且确保了相关设备的安全运行。

现有的低温介质传输装置有较大的缺陷，为了保证满足系统要求的内部泄漏率，必须保证非接触式密封间隙尽可能的小。密封间隙加工精度高以及传输装置的内嵌式结构导致装配困难非常大，在实施过程中，容易对装置形成损坏，返工率报废率较高；如果加大密封间隙，内部泄漏量会迅速增加，从而大大降低制冷效率。这样对实现超导机械工程化的目标造成了极大的阻碍。

专利CN109340379A公开了一种超导旋转机械的低温氦气传输密封结构，包括静止进气管、旋转进气管和回气管，所述静止进气管插入旋转进气管内并间隔设置，沿低温氦气进气方向，所述静止进气管的出口端为直径逐渐缩小的锥形，所述静止进气管与旋转进气管之间设置用于阻止低温氦气泄漏的蜂窝密封结构。这种密封结构首先采用了第一级密封-后台阶结构后大大降低了通向泄漏间隙低温氦气的压力，然后通过第二级蜂窝密封结构实现了泄露间隙处的低漏率，两级密封结构均易于加工制造，但该密封结构主要是通过节流进行密封，在密封性能上仍具有可以提升的空间。此外，该结构无法防止低温介质在高压下的倒吸问题。本发明提出的密封凸环结构可以借助低温介质自身的对冲进行消能，提高低温介质通过密封间隙的阻力，有效提升密封性能。另外，正反向串联布置的旋转密封结构，既能实现低泄漏，又能防止低温介质在高压下的倒吸问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，包括静止进气管和空心轴类部件，沿低温介质进气方向，所述静止进气管插入所述空心轴类部件内部，两者之间存在密封间隙，所述静止进气管与空心轴类部件之间设置有用于阻止低温介质泄漏和倒吸的旋转密封结构。

进一步地，所述旋转密封结构包括固定于所述静止进气管外表面的静止密封部，以及固定于所述空心轴类部件内表面的旋转密封部；

所述静止密封部与旋转密封部相配合，二者之间形成间隙通道；

所述静止密封部与旋转密封部上在它们相对的表面设有若干截面呈倾斜锯齿形的凸环结构；

所述间隙通道的中间为主干通道，主干通道两侧由所述凸环结构形成多个相连的螺旋通道区域。

所述间隙通道的中间为主干通道，即直通流道，主干通道两侧形成多个螺旋通道区域(形成分叉和射流区)，螺旋通道区域呈周向等间距布置，相互贯通，螺旋通道区域与主干通道中的流体形成对冲区，大大提高低温介质通过密封间隙的阻力，保证绝大部分低温介质直接通入出气管，减小泄漏。

进一步地，所述凸环结构等间距布置在所述静止密封部与旋转密封部表面，所述凸环结构之间形成截面呈锯齿形的环形凹腔。

进一步地，所述环形凹腔内设有环形堵块。

进一步地，所述环形堵块的截面形状呈流线型。

进一步地，所述静止密封部与旋转密封部上的凸环结构的截面锯齿形状同方向设置或者反方向设置。

进一步地，沿低温介质进气方向，所述静止密封部与旋转密封部上的凸环结构的截面锯齿形状均呈正方向设置。

进一步地，沿低温介质进气方向，所述静止密封部与旋转密封部上的凸环结构的截面锯齿形状均呈反方向设置。

进一步地，沿低温介质进气方向，所述静止密封部与旋转密封部上的凸环结构的截面锯齿形状呈一正一反方向设置，这种正反向串联布置，既能防止低温介质在高压下的倒吸问题，又可实现低泄漏。

进一步地，所述静止密封部与旋转密封部之间的间隙在0.5-1mm。

本发明密封结构由双向密封齿组成，正向密封齿显著提高了通向密封间隙低温介质的阻力，解决了具有较大压力的低温介质通过时带来的泄漏问题，反向密封齿克服了高压力低温介质的倒吸问题，使得旋转机械效率损失减小，运行效率提高。通过设计优化并由数值验证得到了低泄漏与无倒吸的最优密封结构，即正反向串联的旋转密封结构，此结构既能防止低温介质在高压下的倒吸问题，又可实现低泄漏。

与现有技术相比，本发明在保证不改变现有超导机械低温介质传输密封拓扑结构的前提下，通过流体动力学中的流体分叉与射流现象，实现被动流量控制机制，提出了旋转密封结构。本发明结构易于实现且可以在现有的密封装置上进行改造。

附图说明

图1为本发明的结构侧视图(正向)；

图2为本发明的结构侧视图(反向)；

图3为本发明的结构侧视图(正反串联)；

图4为本发明的三维视图；

图5为本发明的旋转密封结构仿真图；

图中：静止进气管1；空心轴类部件2；正向旋转密封结构3-1；反向旋转密封结构3-2；正反串联旋转密封结构3-3。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1-4所示，一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，包括静止进气管1、空心轴类部件2，沿低温介质进气方向，静止进气管1插入空心轴类部件2内部，两者之间存在密封间隙，静止进气管与空心轴类部件之间设置有用于阻止低温介质泄漏和倒吸的旋转密封结构。

旋转密封结构包括固定于静止进气管外表面的静止密封部，以及固定于空心轴类部件内表面的旋转密封部；静止密封部与旋转密封部相配合，二者之间形成间隙通道；静止密封部与旋转密封部上在它们相对的表面设有若干截面呈倾斜锯齿形的凸环结构；间隙通道的中间为主干通道，主干通道两侧由凸环结构形成多个相连的螺旋通道区域。凸环结构等间距布置在静止密封部与旋转密封部表面，凸环结构之间形成截面呈锯齿形的环形凹腔，环形凹腔内设有环形堵块，环形堵块的截面形状呈流线型。

如图1-3，旋转密封结构的设置包括以下三种：正向旋转密封结构3-1、反向旋转密封结构3-2、正反串联旋转密封结构3-3。低温介质从低温制冷机通过静止进气管1进入空心轴类部件2通入超导机械内部，对超导机械进行冷却。在静止进气管1与空心轴类部件2中的密封间隙处通过旋转密封结构对进气进行阻隔，防止进气泄漏。

旋转密封结构形成的类似多个螺旋(分叉和射流区)与主干(直通流道)通道的组合，呈环形布满静止进气管的圆周外壁与空心轴类部件的内壁，并组成贯通的圆环状。通过计算分析得到合适的结构尺寸，控制流体形成对冲区的大小，使得螺旋和主干通道的压力分布有利于降低低温介质的泄漏，在通向密封间隙的途中，会形成阻力作用，从而实现增强密封效果的作用。此外，通过调整密封结构的方向，形成多级多方向串联结构，防止低温介质在高压下的倒吸问题，得出低泄漏与无倒吸的最优密封结构。

本发明中，分叉和射流冲击机制与旋转密封结构能保证不改变现有超导机械低温介质传输装置拓扑结构、现有结构内部泄漏率的前提下，大大降低低温介质的泄漏，克服低温介质的倒吸问题，图5为本发明的旋转密封结构仿真图，通过对比发现，现有结构密封间隙0.5mm的与本发明要求间隙0.7mm的密封泄漏量近似。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，包括静止进气管和空心轴类部件，沿低温介质进气方向，所述静止进气管插入所述空心轴类部件内部，两者之间存在密封间隙，其特征在于，所述静止进气管与空心轴类部件之间设置有用于阻止低温介质泄漏和倒吸的旋转密封结构；

所述旋转密封结构包括固定于所述静止进气管外表面的静止密封部，以及固定于所述空心轴类部件内表面的旋转密封部；

所述静止密封部与旋转密封部相配合，二者之间形成间隙通道；

所述静止密封部与旋转密封部上在它们相对的表面设有若干截面呈倾斜锯齿形的凸环结构；

所述间隙通道的中间为主干通道，主干通道两侧由所述凸环结构形成多个相连的螺旋通道区域。

2.根据权利要求1所述的一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，其特征在于，所述凸环结构等间距布置在所述静止密封部与旋转密封部表面，所述凸环结构之间形成截面呈锯齿形的环形凹腔。

3.根据权利要求2所述的一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，其特征在于，所述环形凹腔内设有环形堵块。

4.根据权利要求3所述的一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，其特征在于，所述环形堵块的截面形状呈流线型。

5.根据权利要求1所述的一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，其特征在于，所述静止密封部与旋转密封部上的凸环结构的截面锯齿形状同方向设置或者反方向设置。

6.根据权利要求5所述的一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，其特征在于，沿低温介质进气方向，所述静止密封部与旋转密封部上的凸环结构的截面锯齿形状均呈正方向设置。

7.根据权利要求5所述的一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，其特征在于，沿低温介质进气方向，所述静止密封部与旋转密封部上的凸环结构的截面锯齿形状均呈反方向设置。

8.根据权利要求5所述的一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，其特征在于，沿低温介质进气方向，所述静止密封部与旋转密封部上的凸环结构的截面锯齿形状呈一正一反方向设置。

9.根据权利要求1所述的一种空心轴类零件的超导机械的低温介质旋转密封装置，其特征在于，所述静止密封部与旋转密封部之间的间隙在0.5-1mm。

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