CN113775763B - 一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封 - Google Patents

Abstract

一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封，包括圆柱状的密封外壳，密封外壳的内壁安装有阻尼密封层，密封外壳的端部装有外壳端盖；阻尼密封层的内侧装有环形内衬，环形内衬的外侧依次安装有孔深调节层、气囊层；环形内衬构成的圆周密封环面与光滑转轴具有相同轴心；环形内衬上设有多个镂空阻尼孔，孔深调节层上设有多个孔深调节塞子，孔深调节塞子的内侧插入镂空阻尼孔；孔深调节塞子的外侧连通气囊层的高压气源，孔深调节塞子的内侧可与镂空阻尼孔在内侧口部齐平，使阻尼密封层的内表面形成光滑面气膜；孔深调节塞子与气囊层的内侧之间设有弹性密封条。本发明根据运行工况的变化调节密封间隙的大小、孔深，降低漏损，提高机组效率。

Description

一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封

技术领域

本发明涉及旋转透平机械密封技术，适用于各种燃气轮机、汽轮机、压缩机等大型透平机械的轴端及级间密封装置，属于柱面非接触流体密封技术领域。

背景技术

非接触式柱面密封主要用于密封气体介质，广泛应用在汽轮机，燃气轮机，离心式压缩机，鼓风机等旋转机械中的级间密封、轴端密封和叶顶密封，或其他动密封的前置密封中^【1】。密封的泄漏量与节流间隙的大小成正比，因此从密封性能考虑，节流间隙应设计的尽可能小些。随着泄漏量的增大，会直接影响整体机组的效果，从而导致大量的能源浪费。但是，如果将节流间隙设计的很小，对于汽轮机，燃气轮机等转轴较长的设备，其在启动和停止转动的过程中，转轴的转速在变化的过程中需要通过一个以上的临界转速，在临界转速附近，转轴的振动会急剧增大，由此会使得柱面密封与转轴发生摩擦甚至碰撞，导致节流齿隙变大，甚至有可能会因蜂窝密封的磨损过大而让密封结构丧失密封效果。因此，对于那些在启动和停止转动的过程中转轴跳动较大的设备，人们不得不将密封的密封间隙设计的比较大，由此导致设备在运行过程中的能源浪费较大。对于大型汽轮机，间隙每增大一毫米，会使泄漏量增大20％，级间效率下降百分之一^【2】。针对此技术背景，亟待出现一种密封间隙随工况可调节式的柱面密封。

目前，主要的非接触柱面气膜密封主要包括光滑面密封、迷宫密封、蜂窝密封、孔型阻尼密封等。针对不同的工况和不同的密封间隙大小各类密封分别有其固有的优缺点^【3】。光滑面柱面密封对比与开槽的迷宫密封和开孔的蜂窝、孔型阻尼密封在小间隙如0-0.2mm范围内泄漏量较小^【4】。反之，在较大的间隙如大于0.2mm时，蜂窝、孔型阻尼密封的阻漏特性优于光滑面孔型阻尼密封^【5】。因此，针对密封间隙可变的柱面气膜密封应搭配有不同密封面结构的柱面气膜密封。

总之，现有的密封无法满足透平机械既根据不同工况可调控间隙，又根据间隙的不同搭配不同密封面结构的技术要求，针对上述问题，根据孔型阻尼密封在大间隙时控漏效果好，在小间隙时光滑面孔型阻尼密封控漏效果好的特点，提出一种孔深可变的分瓣式气囊支承孔型阻尼密封，可适用于各种燃气轮机、汽轮机、压缩机等透平机械的轴端密封装置。

发明内容：

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封。

本发明是一种可根据工况的实时变化调节密封间隙及配套密封面结构，进而降低设备在运行过程中的能源消耗，提高轴端密封的密封性和使用寿命的孔深可变的分瓣式气囊支承孔型阻尼密封装置。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封，包括圆柱状的密封外壳2，密封外壳2的内壁安装有阻尼密封层，以靠近密封外壳2中心轴线的方向为内，密封外壳2的端部装有用于密封阻尼密封层的外壳端盖6，其特征在于：

所述的阻尼密封层的内侧装有环形内衬，环形内衬的外侧依次安装有孔深调节层、气囊层；环形内衬构成的圆周密封环面与光滑转轴具有相同轴心；

环形内衬上设有多个镂空阻尼孔7-1，孔深调节层上设有多个孔深调节塞子4，孔深调节塞子4的内侧插入镂空阻尼孔7-1，能沿镂空阻尼孔7-1的中心轴线方向伸缩；

孔深调节塞子4采用弹性材料制成，孔深调节塞子4的外侧连通气囊层的高压气源，孔深调节塞子4的内侧在内部充气到高压状态时与镂空阻尼孔7-1在内侧口部齐平，使阻尼密封层的内表面形成光滑面气膜；

孔深调节塞子4与气囊层的内侧之间设有弹性密封条1，弹性密封条1围绕孔深调节塞子4连通气囊层的部位；

气囊层的气管穿过密封外壳2上的通孔连接外部气源。

优选地，环形内衬有若干密封内衬块7拼接而成，金属弹性压条8放置到密封内衬块7两侧的弹性条安装槽7-2中，若干密封内衬块7与若干金属弹性压条8首尾相连组成完整的环形内衬；

气囊层由多个金属薄膜气囊3拼接而成，金属薄膜气囊3逐一对应每块密封内衬块7设置，靠近转轴的金属薄膜气囊下侧3-2紧贴密封内衬块7，远离转轴的金属薄膜气囊上侧3-1设置有气囊单元气阀3-3，气囊单元气阀3-3穿过密封外壳气阀通孔2-3与外部气源相连；所述密封内衬块7与对应的金属薄膜气囊3各自沿圆周布置并连结成圆周环，之后整体放置于密封外壳2中，所述密封外壳2上设有与金属薄膜气囊单元气阀3-3相同位置和个数的密封外壳气阀通孔2-3，各气囊单元气阀3-3穿过密封外壳气阀通孔2-3与外部气源连通。

优选地，所述的密封内衬块7及对应的金属薄膜气囊3沿周向呈分瓣式成对布置，成对个数为3～9个。

优选地，所述相邻两排镂空阻尼孔7-1为交错排列或者平行排列。

优选地，所述气阀3-3穿过通孔2-3与外部气源相连，所述外部气源的压力可以不同。

本发明的工作原理是：

本发明提供一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封，这种结构本质是一种组合集装式柱面密封。引入多腔室柔性金属薄膜气囊包裹刚性密封内衬，各气囊单元单独控制，气阀从密封外壳穿出与外气路连接。所述孔深调节塞子由弹性材质组成，调节塞子一端塞入内衬块上的镂空圆孔中，塞子气阀的一端与金属薄膜气囊相连。密封内衬之间用弹性橡胶条相连，组成完整一圈的密封内衬。该密封结构安装时，先将若干个孔深调节塞子的气阀与金属薄膜气囊相连，再将弹性体密封条放在孔深调节塞子主体和金属薄膜气囊之间，防止密封气体从内衬上阻尼孔中泄漏出去。最后将上述结构整体放置于密封内衬中的镂空阻尼孔中，再将密封内衬紧贴气囊外部滑入密封外壳内部，随后用端盖销钉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，增大金属薄膜气囊内的压力使气囊鼓起，膨胀的金属气囊压迫整圈的密封内衬使得密封间隙减小。同时，气体由金属薄膜进入孔深调节塞子中，弹性材质制成的塞子高度沿径向伸长，相当于孔型阻尼密封孔深减小，控制好充气量的气压和塞子的弹性，使得间隙变小时孔型阻尼密封变为光滑面气膜密封。在需要的间隙较小时，光滑面密封对比与开孔和开槽密封阻漏特性较为优良。同理，当机组转轴启停时或者运行过程中震动和偏摆较大时，可以减小气囊内的压力值，此时密封间隙增大，相应的光滑面密封也变为为孔型阻尼密封。此时孔型阻尼密封相比于光滑面密封具有较好的密封性能，可进一步减小机组的漏气损失。

本发明的优点和有益效果是：

本发明具有以下效果：

(1)此结构可以根据工况的变化调控密封结构和转轴之间的密封间隙大小，并且根据密封间隙不同自适应调控孔型阻尼密封的孔深，实现不同工况时密封间隙和对应匹配的最优密封结构的综合自适应调节。

(2)本发明引入金属薄膜气囊作为弹簧元件，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是本发明的三维结构剖视图。

图2是本发明的孔型阻尼密封内衬的三维结构图。

图3是本发明的金属薄膜气囊的三维结构图。

图4是本发明的孔深调节塞子的三维结构图。

图5是本发明的密封端盖的三维结构图。

图6是为本发明的密封外壳的三维结构图。

上述1-6图中部件编号如下：弹性体密封条1、密封外壳2、密封外壳连接孔2-1、密封外壳销钉孔2-2、密封外壳气阀通孔2-3、金属薄膜气囊3、金属薄膜气囊上侧3-1、金属薄膜气囊下侧3-2、气囊单元气阀3-3、孔深调节塞子4、调节塞子气阀一端4-1、调节塞子一端4-2、端盖销钉5、外壳端盖6、外壳端盖销钉孔6-1、密封内衬块7、镂空阻尼孔7-1、弹性条安装槽7-2、金属弹性压条8。

具体实施方式：

结合附图对本发明的技术方案进一步详述：

一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封，主要包括弹性体密封条1、密封外壳2、金属薄膜气囊3、孔深调节塞子4、端盖销钉5、外壳端盖6、密封内衬块7及金属弹性压条8。其特征在于：密封内衬块7上分布有若干规则的镂空阻尼孔7-1，金属弹性压条8放置到密封内衬块7两侧的弹性条安装槽7-2中，若干密封内衬块7与若干金属弹性压条8首尾相连组成完整的环形内衬，环形内衬构成的圆周密封环面与光滑转轴具有相同轴心。所述孔深调节塞子4由弹性材质制成，其一端4-2塞入内衬块上的镂空阻尼孔7-1中，另一端4-1与金属薄膜气囊3相连。所述孔深调节塞子4和金属薄膜气囊3之间放置有弹性体密封条1，防止气体从孔深调节塞子4与密封内衬块7之间窜走。所述金属薄膜气囊3沿圆周向分成多块，对应每块密封内衬块7设置，靠近转轴的金属薄膜气囊下侧3-2紧贴密封内衬块，远离转轴的金属薄膜气囊上侧3-1设置有气囊单元气阀3-3，该气阀穿过密封外壳气阀通孔2-3与外部气源相连。所述密封内衬块与对应的金属薄膜气囊各自沿圆周布置并连结成圆周环，之后整体放置于密封外壳2中，所述密封外壳上设有与金属薄膜气囊单元气阀3-3相同位置和个数的密封外壳气阀通孔2-3，各气囊单元气阀3-3穿过密封外壳气阀通孔2-3与外部气管路相连通。所述外壳端盖6的外周面分布有端盖销钉孔6-1，所述端盖销钉5穿过密封外壳销钉孔2-2插入端盖销钉孔6-1，并压紧密封外壳2和外壳端盖6，因此构成了完整的阻尼密封。本发明可以根据实际机器运行要求和机组运行工况的变化，调节金属薄膜气囊3及其对应的密封内衬块7及金属弹性压条8的个数，调节密封间隙的大小和孔深的高度，使该阻尼密封具有一定自适应性能，有效降低机组的漏气损失，提高机组效率。

所述的密封内衬块7及对应的金属薄膜气囊3沿周向呈分瓣式成对布置，成对个数为3～9个。

所述相邻两排镂空阻尼孔7-1为交错排列或者平行排列。

所述气阀3-3穿过密封外壳气阀通孔2-3与外部气源相连，所述外部气源的压力可以不同。

本发明可以根据机组运行工况的变化调节密封间隙的大小、孔深的高度以及密封内衬块和金属薄膜气囊的分瓣数量，使密封结构针对不同工况时都具有一定的自适应，可有效降低机组的漏气损失，提高机组效率。

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想到的同等技术手段。

Claims (5)

1.一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封，包括圆柱状的密封外壳(2)，密封外壳(2)的内壁安装有阻尼密封层，以靠近密封外壳(2)中心轴线的方向为内，密封外壳(2)的端部装有用于密封阻尼密封层的外壳端盖(6)，其特征在于：

所述的阻尼密封层的内侧装有环形内衬，环形内衬的外侧依次安装有孔深调节层、气囊层；环形内衬构成的圆周密封环面与光滑转轴具有相同轴心；

环形内衬上设有多个镂空阻尼孔(7-1)，孔深调节层上设有多个孔深调节塞子(4)，孔深调节塞子(4)的内侧插入镂空阻尼孔(7-1)，能沿镂空阻尼孔(7-1)的中心轴线方向伸缩；

孔深调节塞子(4)采用弹性材料制成，孔深调节塞子(4)的外侧连通气囊层的高压气源，孔深调节塞子(4)的内侧在内部充气到高压状态时与镂空阻尼孔(7-1)在内侧口部齐平，使阻尼密封层的内表面形成光滑面气膜；

孔深调节塞子(4)与气囊层的内侧之间设有弹性密封条(1)，弹性密封条(1)围绕孔深调节塞子(4)连通气囊层的部位；

气囊层的气管穿过密封外壳(2)上的通孔连接外部气源；

所述环形内衬有若干密封内衬块(7)拼接而成，金属弹性压条(8)放置到密封内衬块(7)两侧的弹性条安装槽(7-2)中，若干密封内衬块(7)与若干金属弹性压条(8)首尾相连组成完整的环形内衬；

气囊层由多个金属薄膜气囊(3)拼接而成，金属薄膜气囊(3)逐一对应每块密封内衬块(7)设置，靠近转轴的金属薄膜气囊下侧(3-2)紧贴密封内衬块(7)，远离转轴的金属薄膜气囊上侧(3-1)设置有气囊单元气阀(3-3)，气囊单元气阀(3-3)穿过密封外壳气阀通孔(2-3)与外部气源相连；所述密封内衬块(7)与对应的金属薄膜气囊(3)各自沿圆周布置并连结成圆周环，之后整体放置于密封外壳(2)中，所述密封外壳(2)上设有与金属薄膜气囊单元气阀(3-3)相同位置和个数的密封外壳气阀通孔(2-3)，各气囊单元气阀(3-3)穿过密封外壳气阀通孔(2-3)与外部气源连通。

2.根据权利要求1所述的一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封，其特征在于：所述的密封内衬块(7)及对应的金属薄膜气囊(3)沿周向呈分瓣式成对布置，成对个数为3～9个。

3.根据权利要求1所述的一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封，其特征在于：相邻两排镂空阻尼孔(7-1)为交错排列或者平行排列。

4.根据权利要求1所述的一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封，其特征在于：所述气阀(3-3)穿过密封外壳气阀通孔(2-3)与外部气源相连，所述外部气源的压力不同。

5.根据权利要求1所述的一种孔深可变分瓣式气囊支承孔型阻尼密封，其特征在于：孔深调节塞子(4)呈中空的酒瓶形状，孔深调节塞子(4)的颈部朝外连通气囊层的高压气源，孔深调节塞子(4)的底部朝内插入镂空阻尼孔(7-1)，孔深调节塞子(4)的肩部与金属薄膜气囊(3)设置弹性体密封条(1)。