CN113266431B - 向心透平叶尖间隙超声波密封结构 - Google Patents

向心透平叶尖间隙超声波密封结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于向心透平密封技术领域，公开一种向心透平叶尖间隙超声波密封结构，包括叶轮、机匣、密封齿、声透镜、声电晶片带和背衬；叶轮包括轮盘和叶片；密封齿安装在叶片叶尖位置；紧贴机匣靠近叶片的一侧设置背衬，紧贴背衬设置声电晶片带，紧贴声电晶片带设置声透镜；叶片叶尖位置与声透镜之间形成叶尖间隙。本发明结构装配方便，成本低，能够减小叶轮叶尖间隙的泄露，提高透平效率。

Description

向心透平叶尖间隙超声波密封结构
技术领域
本发明属于向心透平密封技术领域，特别涉及一种向心透平叶尖间隙超声波密封结构。
背景技术
向心透平按照是否存在轮盖分为三种，分别为：闭式叶轮、半开式叶轮以及开式叶轮。
闭式叶轮将整个叶栅通道在垂直于流体方向封闭，实现了零泄露的目标，但是因为结构上的改变，导致闭式叶轮转速不能太高，这样就限制了其效率与功率的进一步提高。
半开式和开式叶轮由于不存在轮盖，叶轮转速可以提的很高，透平装置体积也可以做得很小，但是由于缺少轮盖，由叶轮叶尖间隙的泄露则无法避免。
向心透平叶尖泄露的产生，是由于叶片吸力面和压力面上存在压差，导致叶尖间隙处出现了压力梯度。在压力梯度的作用下，向心透平叶尖处的工质就会由压力面侧的通道，经过叶尖间隙，流向吸力面侧的通道。叶轮叶尖间隙的泄露会逐渐降低透平效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种向心透平叶尖间隙超声波密封结构，以减小叶轮叶尖间隙的泄露，提高透平效率。本发明利用密封齿和超声波共同实现加强密封效果的作用；密封齿能够减缓叶尖间隙中流体沿子午方向的流动，而超声波能够使气体在密封齿内形成漩涡，增强密封齿内流体的动能耗散。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
向心透平叶尖间隙超声波密封结构，包括叶轮、机匣、密封齿、声透镜、声电晶片带和背衬；
叶轮包括轮盘和叶片；
密封齿安装在叶片叶尖位置；
紧贴机匣靠近叶片的一侧设置背衬，紧贴背衬设置声电晶片带，紧贴声电晶片带设置声透镜；叶片叶尖位置与声透镜之间形成叶尖间隙。
本发明进一步的改进在于：声电晶片带包含若干连续排列的声电晶片。
本发明进一步的改进在于：声电晶片为矩形声电晶片。
本发明进一步的改进在于：声电晶片产生的超声波频率范围为40kHz至200kHz。
本发明进一步的改进在于：声电晶片的厚度为超声波在声电晶片内传播时的0.5-1.5倍波长。
本发明进一步的改进在于：声电晶片选用矩形PZT压电陶瓷片。
本发明进一步的改进在于：工作状态时，声透镜与密封齿保持非接触；声透镜与密封齿之间形成密封间隙，密封间隙≤0.1mm。
本发明进一步的改进在于：密封齿的梳齿节距为2mm至6mm；密封齿的梳齿相对高度为40％至60％；密封齿的密封齿厚度为0.5mm至2mm。
本发明进一步的改进在于：密封齿采用矩形或者三角形的截面形状。
本发明进一步的改进在于：密封齿布置在叶片叶尖位置子午方向10％到90％的范围内。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
梳齿密封利用密封齿和转子间形成的节流空间使流体的动能耗散为热能达到密封效果，其结构简单，成本低廉；当介质中有强声波传播时，往往会出现一种非周期的流动，这种现象称为声流，将超声波的声流效应应用在密封技术领域，在密封装置中生成涡旋，进而将密封间隙的流体动能在粘滞阻力的作用下耗散，实现减小密封装置泄露的目的；本发明有机的将梳齿密封和超声波聚能密封有机的结合，有机配合，进一步提高了密封效果，减小叶轮叶尖间隙的泄露，提高透平效率。
本发明涉及的向心透平叶尖间隙密封结构构成简单，装配方便，成本较低，能有效地增强密封效果，提高机向心透平的运行效率。
本发明涉及的密封结构，采用梳齿密封和超声波聚能两种手段，能很好地抑制向心透平叶尖泄露。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为向心透平叶尖间隙超声波密封结构的示意图。
图2为密封齿的放大示意图；
图3为子午长度的示意图；
图4为声电晶片带结构的示意图。
图5为采用矩形梳齿的密封结构示意图。
图6为采用三角形梳齿的密封结构示意图。
其中，1.1轮盘，1.2叶片，2机匣，3密封齿，4声透镜，5声电晶片带，6背衬，7声电晶片。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
请参阅图1所示，本发明提供了一种向心透平叶尖间隙超声波密封结构，包括叶轮、机匣2、密封齿3、声透镜4、声电晶片带5和背衬6。
叶轮包括轮盘1.1和叶片1.2；密封齿3安装在叶片1.2的叶尖位置；紧贴机匣2靠近叶片1.2的一侧设置背衬6，紧贴背衬6设置声电晶片带5，紧贴声电晶片带4设置声透镜4；叶片1.2叶尖位置与声透镜4之间形成叶尖间隙。声电晶片带5由若干声电晶片7排列组成，声透镜4用于将声电晶片带5产生的声波聚焦。
本发明中超声波密封原理为，声波能使具有粘性的流体中产生声流，并以旋涡的形式表现出来。这种由声能转化为流体动能的现象，其转换效果与声波的频率有关。声波作用在流体上的等效体积力，与声波的频率呈反比。即声波频率越高，波长越短，声流现象越明显，利用超声波密封的效果就越好。考虑到声波需要在密封结构内传播，各个声电晶片7与背衬6的结构与材料需要与声波的频率匹配；进一步提高声波频率会使总收益的边际效应减小。所以，综合考虑，声电晶片7发出的超声波频率为40kHz至200kHz。
请参阅图2所示，密封齿3对密封效果具有较显著影响的参数主要是：
1)梳齿节距S，即相邻梳齿之间的距离。梳齿节距越小，密封效果越好，但是对结构强度与加工制造提出比较高的要求。本发明所涉及的密封齿3的梳齿节距范围是2mm至6mm。
2)梳齿相对高度，即密封齿3高度占叶轮的叶尖间隙的比例。梳齿相对高度越大，密封效果越好，但是需要考虑叶轮旋转时叶片的形变并保证动静部件不干涉，梳齿的相对高度在40％至60％。
3)密封齿厚度H，对三角形密封齿，取与叶片1.2连接处的厚度作为其密封齿厚度。密封齿过厚，会大大减小声流产生的空间；密封齿过薄，就需要提高超声波密封的效果。密封齿厚度一般根据梳齿节距以及对叶轮强度要求综合选值。密封齿厚度的范围在0.5mm至2mm之间。
请参阅图3所示，密封齿3布置在叶片叶尖位置子午方向10％到90％的范围内。本发明所涉及的子午长度，其定义为：叶片前缘11到叶片尾缘12的距离。
工作状态时，声透镜4与密封齿3保持非接触；声透镜4与密封齿3之间形成的间隙厚度≤0.1mm。
实施例1：
请参阅图4和图5所示，本实施例中用于向心透平叶尖间隙的密封，背衬6由钨粉与环氧树脂充分混合后热压成型，钨粉的粒径5μm，体积分数15％；声电晶片7选用矩形PZT压电陶瓷片，声电晶片7超声波频率选择在60kHz±5kHz，声电晶片7的厚度为超声波在声电晶片7内传播时的1/2波长。密封齿3由若干矩形密封齿的形式，布置在叶片1.2的叶尖位置，布置范围在沿子午长度20％-80％，如图5所示。
声电晶片带5产生的超声波经过背衬6的吸收与反射，使得大部分声能量透射进声透镜4，并由声透镜4的聚焦作用，向叶轮所在方向聚焦，并使密封齿3的密封间隔内的流体形成较强的旋涡，耗散流体动能，提高结构的密封性能。
实施例2：
请参阅图4和图5所示，本实施例中用于向心透平叶尖间隙的密封，背衬5由铝粉与环氧树脂充分混合后热压成型，铝粉的粒径20μm，体积分数25％；声电晶片7选用矩形PZT压电陶瓷片，声电晶片7超声波频率选择在150kHz±5kHz，声电晶片7的厚度为超声波在声电晶片7内传播时的3/2波长。密封齿3由若干三角形密封齿的形式，布置在叶片1.2的叶尖位置，布置范围在沿子午长度10％-90％，如图5所示。
声电晶片带5产生的超声波经过背衬6的吸收与反射，使得大部分声能量透射进声透镜4，并由声透镜4的聚焦作用，向叶轮所在方向聚焦，并使密封齿3的密封间隔内的流体形成较强的旋涡，耗散流体动能，提高结构的密封性能。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (7)

1.向心透平叶尖间隙超声波密封结构，其特征在于，包括叶轮、机匣(2)、密封齿(3)、声透镜(4)、声电晶片带(5)和背衬(6)；
叶轮包括轮盘(1.1)和叶片(1.2)；
密封齿(3)安装在叶片(1.2)叶尖位置；
紧贴机匣(2)靠近叶片(1.2)的一侧设置背衬(6)，紧贴背衬(6)设置声电晶片带(5)，紧贴声电晶片带(5)设置声透镜(4)；叶片(1.2)叶尖位置与声透镜(4)之间形成叶尖间隙；
声电晶片带(5)包含若干连续排列的声电晶片(7)；
声电晶片(7)的厚度为超声波在声电晶片(7)内传播时的0.5-1.5倍波长；
密封齿(3)的梳齿节距为2mm至6mm；密封齿(3)的梳齿相对高度为40％至60％；密封齿(3)的密封齿厚度为0.5mm至2mm。
2.根据权利要求1所述的向心透平叶尖间隙超声波密封结构，其特征在于，声电晶片(7)为矩形声电晶片。
3.根据权利要求1所述的向心透平叶尖间隙超声波密封结构，其特征在于，声电晶片(7)产生的超声波频率范围为40kHz至200kHz。
4.根据权利要求1所述的向心透平叶尖间隙超声波密封结构，其特征在于，声电晶片(7)选用矩形PZT压电陶瓷片。
5.根据权利要求1所述的向心透平叶尖间隙超声波密封结构，其特征在于，工作状态时，声透镜(4)与密封齿(3)保持非接触；声透镜(4)与密封齿(3)之间形成的间隙厚度≤0.1mm。
6.根据权利要求1所述的向心透平叶尖间隙超声波密封结构，其特征在于，密封齿(3)采用矩形或者三角形的截面形状。
7.根据权利要求1所述的向心透平叶尖间隙超声波密封结构，其特征在于，密封齿(3)布置在叶片叶尖位置子午方向10％到90％的范围内。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0536575B1 (de) * 1991-10-08 1995-04-05 Asea Brown Boveri Ag Deckband für axialdurchströmte Turbine
ES2341897T3 (es) * 2007-06-25 2010-06-29 Siemens Aktiengesellschaft Disposicion de turbina y procedimiento de enfriamiento de un aro de refuerzo ubicado en la planta de un alabe de turbina.
CN101173613A (zh) * 2007-10-16 2008-05-07 西安交通大学 向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构
CN104153824B (zh) * 2014-07-25 2016-05-04 江苏金通灵流体机械科技股份有限公司 透平多级气封结构
CN108843794B (zh) * 2018-06-21 2021-02-09 西安交通大学 一种阵列式超声波动密封装置及方法
CN109209520B (zh) * 2018-09-13 2023-08-04 中国科学院工程热物理研究所 一种向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构

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