CN113606344A - 一种基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封 - Google Patents

Abstract

一种基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，包括密封静子和密封转子，在密封静子壁面上位于密封齿之间设置有若干组防旋板结构，每组防旋板结构均沿周向均匀分布并在子午面上向逆旋转方向进行偏转使气流通过防旋板结构的导流沿反旋转方向流向下游。同时可改变紧邻防旋板结构的上游密封齿和/或下游密封齿的密封间隙，以此来扩大齿间射流的径向高度。进口预旋与转子转动在密封内产生的周向旋流对交叉刚度产生与转动同向的切向气流激振力具有很大的促进作用，会导致转子失稳。本发明可达到削弱密封腔室内部周向旋流以及降低交叉刚度，增强密封稳定性的目的。本发明能够很好地满足迷宫密封转子动力特性的要求，进而提高透平运行稳定性。

Description

一种基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封

技术领域

本发明属于叶轮机械技术领域，特别涉及一种基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封。

背景技术

迷宫密封是安装在透平机械中转子与静子件之间，在高压差下控制泄漏量的结构。迷宫密封由于其结构简单、加工制造成本低、容易维护更换等优势而在透平机械中广泛应用。然而迷宫密封更加容易因为转子涡动产生的非定常气流激振力而引起转子稳定性不足。由于进口预旋与转子转动的影响，迷宫密封内部产生的周向旋流对密封交叉刚度产生与转动同向的切向气流激振力具有很大的促进作用，从而会导致转子失稳。而目前为止仅采用密封进口防旋板来削弱由进口预旋带来的周向旋流。当进口气流平均周向速度低于转子线速度时在转子粘性拖曳作用下，气流周向速度会沿着流动方向逐渐升高，进而导致转子的稳定性降低。因此，开展更优转子动力特性的迷宫密封结构设计具有重要的工业意义。

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间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，通过有效减少密封中气流的周向速度实现增稳抑振，增加叶轮机械运行稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，包括密封静子和密封转子，在密封静子壁面上位于密封齿之间设置有若干组防旋板结构，使气流通过防旋板结构的导流沿反旋转方向流向下游，每组防旋板结构均沿周向均匀分布。

在本发明的一个实施例中，所述防旋板结构与密封转子的间隙的距离为D，不与防旋板结构紧邻的密封齿的密封间隙一的距离为D₁，D＝D₁。

在本发明的一个实施例中，所述密封静子壁面上设置有环形的静子凸台，所述防旋板结构设置在静子凸台端面。

在本发明的一个实施例中，紧邻防旋板结构的上游密封齿的密封间隙二的距离为D₂，紧邻防旋板结构的下游密封齿的密封间隙三的距离为D₃，凸台与密封转子壁面的间隙距离为D₄，则D₂和D₃中的至少一个大于等于D₄。

在本发明的一个实施例中，所述密封转子壁面上设置有环形的转子凸台，转子凸台与防旋板结构正对。

在本发明的一个实施例中，紧邻防旋板结构的上游密封齿的密封间隙二的距离为D₂，紧邻防旋板结构的下游密封齿的密封间隙三的距离为D₃，防旋板结构与密封转子壁面或转子凸台端面的间隙的距离为D，不与防旋板结构紧邻的密封齿的密封间隙一的距离为D₁，则D₁＝D₂＝D₃＝D。

在本发明的一个实施例中，所述密封齿之间沿周向有多组防旋板，布置在同一相邻密封齿之间，或分别布置在不同的相邻密封齿之间。

在本发明的一个实施例中，之间布置有防旋板结构的相邻密封齿的间距为L₁，之间未布置防旋板结构的相邻密封齿的间距为L₂，L₁＝2L₂。

在本发明的一个实施例中，所述防旋板结构采用反旋流防旋板结构、流线型防旋板结构或V型防旋板结构。

在本发明的一个实施例中，所述反旋流防旋板结构、流线型防旋板结构或V型防旋板结构的尾部切线与子午面的夹角向逆旋转方向倾斜0°-90°。

密封气流激振的产生原因是由于密封转子偏心使得密封腔室内压力周向分布不均，然后产生垂直于涡动位移的切向气流激振力，当切向气流激振力与转子涡动方向相同时，激振气流将会拖动转子向前运动进而可能诱发转子失稳。

与转子旋转方向相同的气流周向速度会产生不稳定的正交叉刚度，而在密封进口布置防旋板结构能够削弱气流周向发展从而降低交叉刚度，甚至可能直接将不稳定的正交叉刚度降低到稳定的负交叉刚度。正交叉刚度表征着交叉刚度产生的切向气流激振力与转子涡动方向相同，那么降低交叉刚度的大小则表明气流激振力抑制转子向前涡动的能力增强。

转子面粘性力周向拖动气流而使气流的周向速度不断增加，因此在密封段内引入防旋板结构可使其产生与转子旋转方向相反的周向气流来进行削弱从而增强密封转子稳定性。

附图说明

图1是典型的直通式迷宫密封二维剖面结构。

图2是典型的高低齿迷宫密封二维剖面结构。

图3是本发明的凸台在密封静子上的直通式迷宫密封二维剖面结构，D₂＝D₄。

图4是本发明的凸台在密封静子上的直通式迷宫密封二维剖面结构，D₃＝D₄。

图5是本发明的凸台在密封静子上的直通式迷宫密封二维剖面结构，D₂＝D₃＝D₄。

图6是本发明高低齿迷宫密封二维剖面结构，不设静子凸台。

图7是本发明高低齿迷宫密封二维剖面结构，设置静子凸台。

图8是本发明的沿轴向有多个齿间防旋板结构的高低齿迷宫密封二维剖面结构。

图9是本发明反旋流防旋板结构、流线型防旋板结构、V型防旋板结构沿周向的二维图。

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。

如图1所示，典型的直通式迷宫密封包括密封静子1和密封转子2，密封齿设置于密封静子1的壁面，沿流动方向，可有多道密封齿，并与密封转子2壁面之间有密封间隙一8，密封间隙一8的距离为D₁。

如图2所示，典型的高低齿迷宫密封是在直通式迷宫密封的基础上，在密封转子2壁面上沿周向设置了一道或者多道转子凸台4，在设置转子凸台4时，所有密封齿的长度应维持与其它密封齿的长度一致，维持为密封间隙一8。

如图3、图4和图5，本发明在图1结构基础之上的改进之处在于，在密封静子1壁面上设置防旋板结构5，且防旋板结构5应该位于密封齿之间，即，防旋板结构5前后均有密封齿。沿周向，防旋板结构5数量可为多组，每一组均沿周向均匀分布。防旋板结构5可使气流经导流后，以反转子旋转方向流向下游。

实际工程中，可在现有密封静子1的壁面上去掉一个密封齿，并在去掉位置处增设防旋板结构5。

在本发明的一个实施例中，防旋板结构5与密封转子2的间隙9的距离为D，不与防旋板结构5紧邻的密封齿的密封间隙一8的距离为D₁，D＝D₁，避免防旋板与转子发生碰撞。

在本发明的一个实施例中，密封静子1壁面上设置有静子凸台3，防旋板结构5设置在静子凸台3端面。静子凸台3根据去掉的密封齿位置沿轴向对称安装，其沿轴向长度小于两个密封齿间距，高度小于密封腔室深度，子午面截面可以是矩形或者类矩形。通过静子凸台3，可使防旋板结构5的通流面积减小，进而削弱防旋板区域的回流。在本发明的一个实施例中，紧邻防旋板结构5的上游密封齿6的密封间隙二10的距离为D₂，紧邻防旋板结构5的下游密封齿7的密封间隙三11的距离为D₃，凸台3与密封转子2壁面的间隙距离为D₄，则D₂和D₃中的至少一个大于等于D₄。即，可仅有一个密封齿改变密封间隙，也可两个密封齿同时改变密封间隙，以此来扩大齿间射流的径向高度。

在本发明的一个实施例中，之间布置有防旋板结构5的相邻密封齿的轴向间距为L₁，之间未布置防旋板结构5的相邻密封齿的轴向间距为L₂，L₁＝2L₂。

具体实施而言，静子凸台3、防旋板结构5、上游密封齿6、下游密封齿7可以通过独立加工完成然后装配进原迷宫密封结构，也可以直接整体加工完成。也可以防旋板结构5独立加工完成，且静子凸台3、上游密封齿6、下游密封齿7整体加工完成。或者静子凸台3、防旋板结构5整体加工完成，且上游密封齿6、下游密封齿7独立加工完成。

如图6，本发明在图2结构基础之上的改进之处在于，去掉在密封静子1壁面上与转子凸台4端面正对的密封短齿并设置防旋板结构5，且防旋板结构5沿轴向长度应短于转子面凸台4长度。沿周向，其数量可为多组，每一组均沿周向均匀分布。每一组可有40个甚至更多的防旋板结构5。

防旋板结构5与密封转子2壁面的间隙9的距离为D，则D₁＝D₂＝D₃＝D，即不需要改变所有密封齿的密封间隙。

如图7，本发明在图6结构基础之上的改进之处在于，在密封静子1壁面上设置有静子凸台3，并在静子凸台3端面设置防旋板结构5，且防旋板结构5沿轴向长度应短于转子面凸台4长度，并与转子凸台4端面正对，沿周向，其数量可为多组，每一组均沿周向均匀分布。

防旋板结构5与转子凸台4端面的间隙9的距离为D，则D₁＝D₂＝D₃＝D，即不需要改变所有密封齿的密封间隙。

如图8，在本发明的一个实施例中，密封齿之间沿周向有多组防旋板，均布置在齿间距为L₁的相邻密封齿之间，或分别布置在多个齿间距为L₁的相邻密封齿之间。

如图9所示，防旋板结构5可采用反旋流防旋板结构13、流线型防旋板结构14或V型防旋板结构15；或类反旋流防旋板结构、流线型防旋板结构或V型防旋板结构。反旋流防旋板结构13、流线型防旋板结构14或V型防旋板结构15的尾部逆旋转方向偏转，即尾部切线与子午面的夹角12向逆旋转方向倾斜0°-90°。该尾部在子午面向逆旋转方向倾斜的设计方式不仅限于本发明，也可应用于典型的直通式迷宫密封防旋板结构和典型的高低齿迷宫密封防旋板结构。

本发明的原理如下：

本发明的新型迷宫密封结构是在传统直通式迷宫密封的基础上，在密封腔室的密封静子1的壁面布置环形的静子凸台3，压缩防旋板流道内的径向空间使气流在防旋板流道内不产生回流；并且在静子凸台3靠近密封转子2一侧布置防旋板结构5，使气流通过防旋板的导流沿反旋转方向流向下游；同时由于防旋板结构5需与密封转子2保持与密封齿同样的密封间隙一8来避免与转子发生碰摩，因此改变防旋板结构5的上游密封齿6和/或下游密封齿7的密封间隙。由此来抬升防旋板结构5前后密封齿的间隙射流径向高度，使防旋板结构对射流进行充分的导流；在传统高低齿迷宫密封的基础上，在转子凸台4对应的静子壁面上安装防旋板结构5，或在对应的静子壁面上安装静子凸台3，然后安装防旋板结构5。由于转子凸台4阻挡了上游密封齿的射流，气流将沿着径向流向防旋板，使防旋板的导流能力大大增强。这样布置的密封结构可对经过防旋板结构5的气流向反旋转方向进行有效导流，从而达到削弱密封腔室内部周向旋流以及降低交叉刚度，进而增强密封稳定性的目的。

Claims (10)

1.一种基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，包括密封静子(1)和密封转子(2)，其特征在于，在密封静子(1)壁面上位于密封齿之间设置有若干组防旋板结构(5)，每组防旋板结构(5)均沿周向均匀分布。

2.根据权利要求1所述基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，其特征在于，所述防旋板结构(5)与密封转子(2)的间隙(9)的距离为D，不与防旋板结构(5)紧邻的密封齿的密封间隙一(8)的距离为D₁，D＝D₁。

3.根据权利要求1所述基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，其特征在于，所述密封静子(1)壁面上设置有环形的静子凸台(3)，所述防旋板结构(5)设置在静子凸台(3)端面。

4.根据权利要求3所述基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，其特征在于，紧邻防旋板结构(5)的上游密封齿(6)的密封间隙二(10)的距离为D₂，紧邻防旋板结构(5)的下游密封齿(7)的密封间隙三(11)的距离为D₃，凸台(3)与密封转子(2)壁面的间隙距离为D₄，则D₂和D₃中的至少一个大于等于D₄。

5.根据权利要求1或3所述基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，其特征在于，所述密封转子(2)壁面上设置有环形的转子凸台(4)，转子凸台(4)与防旋板结构(5)正对。

6.根据权利要求5所述基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，其特征在于，紧邻防旋板结构(5)的上游密封齿(6)的密封间隙二(10)的距离为D₂，紧邻防旋板结构(5)的下游密封齿(7)的密封间隙三(11)的距离为D₃，防旋板结构(5)与密封转子(2)壁面或转子凸台(4)端面的间隙(9)的距离为D，不与防旋板结构(5)紧邻的密封齿的密封间隙一(8)的距离为D₁，则D₁＝D₂＝D₃＝D。

7.根据权利要求1所述基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，其特征在于，所述密封齿之间沿周向有多组防旋板，均布置在同一相邻密封齿之间，或分别布置在不同的相邻密封齿之间。

8.根据权利要求1或7所述基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，其特征在于，之间布置有防旋板结构(5)的相邻密封齿的间距为L₁，之间未布置防旋板结构(5)的相邻密封齿的间距为L₂，L₁＝2L₂。

9.根据权利要求1所述基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，其特征在于，所述防旋板结构(5)采用反旋流防旋板结构(13)、流线型防旋板结构(14)或V型防旋板结构(15)。

10.根据权利要求9所述基于齿间防旋板优化转子动力特性的迷宫密封，其特征在于，所述反旋流防旋板结构(13)、流线型防旋板结构(14)或V型防旋板结构(15)的尾部切线与子午面的夹角(12)向逆旋转方向倾斜0°-90°。

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