CN113154047A - 基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，在迷宫密封的静子部件的迷宫齿的双侧或单侧沿密封腔室的圆周方向间隔布置齿顶小翼，齿顶小翼布置于迷宫齿的齿顶处，即，齿顶小翼的底部与静子部件之间应具有间隙。在密封腔室内，按一定规则、形状、方向排布的齿顶小翼可阻碍齿顶附近的高速周向旋流流动，产生剧烈涡流流动，起到减小周向流动速度，甚至使周向旋流速度反向的作用，进而提高转子系统的稳定性；同时在齿顶小翼处因剧烈涡流强化了湍流扰动，可以增强密封腔室内的涡流扰动，强化密封腔室内的动能耗散，降低泄漏量。

Description

基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封及其加工方法
技术领域
本发明属于旋转机械技术领域，特别涉及一种基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封及其加工方法。
背景技术
旋转密封是叶轮机械中的重要组件，其主要作用是减小动静部件之间微小间隙中由于压差产生的泄漏流动，同时也会在间隙中产生较大的气流激振力，对转子系统的稳定性起到显著影响。常用的旋转密封结构有传统迷宫密封、蜂窝、孔型、袋型等阻尼密封和接触式的刷式密封，迷宫密封由于结构简单、制造成本低、安装方便、对热和压力变化具有较大容差等优点，而被广泛应用于蒸汽透平、燃气透平、泵和压气机等叶轮机械中。
虽然迷宫密封良好的密封性能能够满足控制泄漏流动的要求，但是大量实验和数值研究表明，迷宫密封具有较差的转子动力特性，不利于转子系统的稳定性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，通过降低迷宫密封腔室内周向旋流速度，减小不利于转子系统稳定性的交叉刚度，改善迷宫密封转子动力特性，提高轴系转子稳定性，同时能够增强腔室内的涡流扰动，强化腔室内的动能耗散作用，从而降低泄漏量，优化叶轮机械转子系统稳定性和提高机组运行安全效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，在迷宫密封的静子部件1的迷宫齿3的单侧或者双侧沿密封腔室的圆周方向间隔布置齿顶小翼5，所述齿顶小翼5布置于迷宫齿3的齿顶4处以阻碍齿顶4附近的高速周向旋流流动并强化湍流扰动。
所述齿顶小翼5的底部与静子部件1之间具有间隙，齿顶小翼5的径向高度为密封腔室径向深度的1/5～1/3。
所述齿顶小翼5的轴向长度为密封腔室轴向长度的5％～20％。
所述齿顶小翼5的顶部不超过迷宫齿3的齿顶4边沿，并尽可能地靠近密封间隙6。
所述齿顶小翼5在圆周方向均匀或非均匀间隔排列。
所述齿顶小翼5在迷宫齿3的双侧布置时，同一迷宫齿3两侧的齿顶小翼5交错排布，在近转子壁面的周向流道上形成错齿流道。
所述齿顶小翼5在周向上倾斜或弯曲布置，偏斜方向与转子部件2的转动方向相反，与迷宫齿3壁面所呈偏斜角度为30°～90°。
所述齿顶小翼5的周向展开形状为斜角、C型、J型或L型。
所述迷宫齿3为错齿、斜齿或阶梯齿。
本发明基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封的加工方法，通过车削的方式，直接在静子部件1上粗加工出矩形截面的环形槽，在矩形槽的基础上再根据迷宫齿3的形状车削出最终的迷宫齿3和齿顶小翼5；或者，单独采用车削或3D打印工艺加工出成品的迷宫齿3和齿顶小翼5后，镶嵌在静子部件1的壳内表面。
与现有技术相比，本发明能够通过减小甚至反向腔室内周向流动流动来降低周向流动速度，同时产生涡流扰动，增强动能耗散来降低泄漏量，从而改善迷宫密封转子动力特性，提高转子系统稳定性和透平机组运行效率。
附图说明
图1是本发明的具有齿顶小翼的自止旋密封结构的三维结构图。
图2是图1中虚线框位置的局部周期性弧段的三维结构图。
图3是本发明中齿顶小翼在密封齿上的排布位置和形状的周向二维视图。
图4是本发明中齿顶小翼倾斜或弯曲方向和多种设计形状的周向二维视图，(a)、(b)、(c)、(d)分别为斜角型、C型、J型、L型形状。
图5是具有齿顶小翼的自止旋高低齿迷宫密封子午面二维剖面图。
图6是具有齿顶小翼的自止旋阶梯式迷宫密封子午面二维剖面图。
图7是具有加长齿顶小翼的自止旋密封结构的三维结构图。
图8是具有加长齿顶小翼的自止旋密封的局部周期性弧段的三维结构图。
图9是传统直齿平面直通式迷宫密封的子午面二维剖面图。
图10是具有齿顶小翼的自止旋密封结构的子午面二维剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明建立在对迷宫密封转子动力特性的如下研究基础上：
迷宫密封一般具有负的有效阻尼和较大的不利于转子系统稳定的交叉刚度，而较大的交叉刚度是由迷宫密封环形腔室内强烈的周向旋流产生的。由于迷宫密封的环形腔室周向连续，流体在高速旋转的转子面粘性摩擦力作用下产生了周向旋流速度，转速越大旋流越强烈。因此，迷宫密封在高转速下更易引起叶轮机械转子系统失稳。
如图1、图2、图3所示，本发明为一种基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，在迷宫密封的静子部件1的迷宫齿3的双侧(亦可单侧)沿密封腔室的圆周方向间隔布置齿顶小翼5，齿顶小翼5布置于迷宫齿3的齿顶4处，即，齿顶小翼5的底部与静子部件1之间应具有间隙。在密封腔室内，按一定规则、形状、方向排布的齿顶小翼5可阻碍齿顶附近的高速周向旋流流动，产生剧烈涡流流动，起到减小周向流动速度，甚至使周向旋流速度反向的作用，进而提高转子系统的稳定性；同时在齿顶小翼5处因剧烈涡流强化了湍流扰动，可以增强密封腔室内的涡流扰动，强化密封腔室内的动能耗散，降低泄漏量。
具体而言，本发明中，齿顶小翼5须布置在迷宫齿3的齿顶4附近，顶部不超过迷宫齿3的齿顶4边沿，并尽可能地靠近密封间隙6，齿顶4处的周向旋流速度达到密封腔室内最大，小翼结构5在此处可达到最好的止旋效果。
本发明中，齿顶小翼5沿圆周方向可以等弧度排列，也可以非等弧度按照特定规律排列。
本发明可以通过车削的方式，直接在静子部件1上粗加工出矩形截面的环形槽，在矩形槽的基础上再根据迷宫齿3的形状车削出最终的迷宫齿3和齿顶小翼5；也可以单独采用车削或3D打印工艺加工出成品的迷宫齿3和齿顶小翼5后，镶嵌在静子部件1的壳内表面。
在同一迷宫密封腔室内，齿顶小翼5在迷宫齿3的双侧布置时，同一迷宫齿3两侧的齿顶小翼5宜交错排布，从而在近转子壁面的周向流道上形成错齿流道，增大周向的流动阻力。
在参数上，齿顶小翼5的径向高度一般为径向高度为密封腔室径向深度的1/5～1/3，齿顶小翼5的轴向长度一般为密封腔室轴向长度的5％～20％，易于车削加工。
本发明中，齿顶小翼5在周向上宜倾斜或弯曲布置，其在周向展开视图中的形状可以为斜角、C型、J型、L型等多种可同样起到削弱周向旋流连续流动、形成涡流扰动的结构形状，如图4中(a)、(b)、(c)、(d)所示。齿顶小翼5的偏斜方向与转子部件2的转动方向相反(即与周向旋流方向相反)，与迷宫齿3壁面所呈偏斜夹角7一般宜为30°～90°，图中还示出了产生的涡流8。
参考图5和图6，本发明的齿顶小翼5不仅适用于一般的直齿直通式迷宫密封，也可以应用于错齿、斜齿、阶梯式等多种迷宫密封结构中，亦可根据具体尺寸拓展用于环形凹槽密封等其它环形密封结构上。
参见图7、图8，如果加工条件允许，可以适当增加齿顶小翼5的轴向长度，增强整个密封腔室内止旋效果，对周向旋流的抑制效果更好，同时在周向形成更复杂的周向错齿腔室，增强密封腔内的涡流扰动和动能耗散，更利于降低泄漏量。
参考图9和图10，本发明的技术原理如下：
由于迷宫密封的密封腔室是周向连续的环形腔，流体在高速旋转的转子面粘性摩擦力作用下产生了显著的周向旋流，不利于转子系统稳定性。在单个迷宫腔室内，沿着径向距离的增大，周向旋流速度呈指数级减小，因此抑制周向旋流的最有效的方式需要满足：
①尽量减小密封腔室的径向高度。
②防旋装置尽量布置在靠近转子部件2的壁面处以及迷宫齿3的齿顶4处(齿顶间隙6)满足这两个条件。
本发明齿顶小翼5布置于迷宫密封静子部件1的密封齿3的齿顶4处，沿周向等弧度或按特定规律间隔布置，邻排的齿顶小翼5错排布置。所有齿顶小翼5均采用倾斜或弯曲布置，偏斜方向与周向旋流方向相反。由此，当转子部件2高速转动时，环形腔内沿周向产生强烈旋流，由于密封齿3的齿顶处的径向间隙6极小，由上述理论可知，此处的周向旋流速度在密封腔室内达到最大。高速旋流在齿顶小翼结构处形成剧烈涡流8，起到减小周向流动速度，甚至使周向速度反向的作用；同时因涡流8产生的湍流扰动，增加了动能耗散，起到减小泄漏量的作用。因此，本发明可以有效降低迷宫密封环形腔室内周向旋流速度，改善迷宫密封转子动力特性，提高轴系转子稳定性；同时可以降低密封泄漏量。

Claims (10)

1.一种基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，其特征在于，在迷宫密封的静子部件(1)的迷宫齿(3)的单侧或者双侧沿密封腔室的圆周方向间隔布置齿顶小翼(5)，所述齿顶小翼(5)布置于迷宫齿(3)的齿顶(4)处以阻碍齿顶(4)附近的高速周向旋流流动并强化湍流扰动。
2.根据权利要求1所述基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，其特征在于，所述齿顶小翼(5)的底部与静子部件(1)之间具有间隙，齿顶小翼(5)的径向高度为密封腔室径向深度的1/5～1/3。
3.根据权利要求1或2所述基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，其特征在于，所述齿顶小翼(5)的轴向长度为密封腔室轴向长度的5％～20％。
4.根据权利要求1或2所述基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，其特征在于，所述齿顶小翼(5)的顶部不超过迷宫齿(3)的齿顶(4)边沿，并尽可能地靠近密封间隙(6)。
5.根据权利要求1所述基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，其特征在于，所述齿顶小翼(5)在圆周方向均匀或非均匀间隔排列。
6.根据权利要求1或5所述基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，其特征在于，所述齿顶小翼(5)在迷宫齿(3)的双侧布置时，同一迷宫齿(3)两侧的齿顶小翼(5)交错排布，在近转子壁面的周向流道上形成错齿流道。
7.根据权利要求1所述基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，其特征在于，所述齿顶小翼(5)在周向上倾斜或弯曲布置，偏斜方向与转子部件(2)的转动方向相反，与迷宫齿(3)壁面所呈偏斜角度为30°～90°。
8.根据权利要求1或7所述基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，其特征在于，所述齿顶小翼(5)的周向展开形状为斜角、C型、J型或L型。
9.根据权利要求1所述基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封，其特征在于，所述迷宫齿(3)为错齿、斜齿或阶梯齿。
10.权利要求1所述基于齿顶小翼结构的自止旋迷宫密封的加工方法，其特征在于，通过车削的方式，直接在静子部件(1)上粗加工出矩形截面的环形槽，在矩形槽的基础上再根据迷宫齿(3)的形状车削出最终的迷宫齿(3)和齿顶小翼(5)；或者，单独采用车削或3D打印工艺加工出成品的迷宫齿(3)和齿顶小翼(5)后，镶嵌在静子部件(1)的壳内表面。
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