CN1221068A - 转子和定子之间的无接触密封的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提出一种在转子和定子之间构成的分离缝隙的无接触密封的改进方法,用这种方法可提高有关部件的使用寿命。此外,提出一种实施这种方法的装置。根据本发明,这个目的是这样实现的,即工作流体的具有不同圆周速度的流动层在节流过程后分成具有较高圆周速度的第一分流和具有较低圆周速度的第二分流,第一分流只产生偏转,只有第二分流产生涡流,并最后与偏转的第一分流平行流入该第一分流中。为此,节流点的对接面设计成工作流体的分配器。涡流室连接在分流器上并在上游作为下一个密封件的输入通道设置。

Description

转子和定子之间的无接触密封的方法和装置
本发明涉及一种在转子和定子之间构成的一个分离缝隙的无接触密封的方法和一种实施该方法的装置，以防止一种工作流体流经该分离缝隙。
在叶轮机械制造中，为了密封高转速转动的部件，经常采用迷宫式密封，亦即无接触的密封。众所周知，各种各样的迷宫式密封，其工作原理大多基于使通过迷宫式密封的流体-质量流减到最小。为此，这种迷宫式密封一般在转子和定子之间构成的待密封的分离缝隙设置许多结构类似的并在工作流体的流动方向内前后放置的密封件。每个密封件至少由一个节流点和一个连接在下游的涡流室组成，这个节流点和涡流室或多或少鲜明地表征了各种不同的迷宫式密封。通过密封件排列成行，可任意增大流动阻力，并由此而可使通过密封的流体量保持很小。
从教科书《无接触密封》(K·特鲁诺夫斯基著，德国工程师协会有限责任公司出版社，杜塞尔多夫1987年，第4版，ISBN3-18-400490-2,244/245页，图4-58和4-59)中查出的迷宫式密封，其对应于节流点的面具有一种特殊的流体力学结构。所以这些对接面具有连接着的空心凸起面或弯曲下凹的锥形扩展段。这样既可以长到下一个节流点的流程，又可避免流线呈直线穿过缝隙，从而最终可进一步减少通过密封的流体-质量流。
在已知的迷宫式密封中，由于要构成的流动边界层在旋转和固定部件之间流体流经的分离缝隙中产生高的摩擦功率，这就导致了分离缝隙中的工作流体的加热，从而导致分离缝隙周围的部件的加热。这样，材料温度相对急剧升高，从而缩短有关部件的使用寿命。此外，流经分离缝隙的工作流体的偏转和涡流形成在节流点导致工作流体以高的动量和热交换重新混合。在节流点下游，工作流体必须在旋转部件上重新在圆周方向加速，从而使这个范围内的摩擦功率和发热进一步增加。
本发明力图避免全部这些缺点。其目的是，提出一种在转子和定子之间构成的分离缝隙的无接触密封的改进方法，用这种方法可提高有关部件的使用寿命。此外，提出一种实施这种方法的装置。
本发明的这个目的是这样实现的：按权利要求1前序部分所述的一种方法中，工作流体的流动层在节流过程以后分成具有较高圆周速度的第一分流和具有较低圆周速度的第二分流。随后，第一分流只产生偏转，只有第二分流产生涡流并最后平行于已偏转的第一分流流入该第一分流中。为此，工作流体在节流点下游冲击的对接面被设计成这种工作流体的分流器。涡流室在与主流方向相反的方向连接在分流器上。而下一个密封件的输入通道或主流方向的排出通道紧接在分流器上。此外，涡流室具有的内表面比连接在该涡流室上的分离缝隙的内表面大。
通过分流，亦即通过把定子固定壁上形成的具有较低圆周速度的流动层和转子旋转壁上形成的具有较高圆周速度的流动层分成两个分流可减小摩擦功率，以及可减小流动层之间的动量和热交换。具有较低圆周速度的第二分流被分流器削入涡流室中，并在该处产生涡流。这样达到的压力降可增加迷宫式密封的密封效果。在涡流室中，第二分流的工作流体将摩擦热的一部分散发到定子周围的壁上。与此相反，具有较高圆周速度的第一分流则通过分流器只产生偏转，所以第一分流几乎可无扰动地流过分离缝隙。这样除了减小摩擦功率外，还减少了转子转动壁上的热传递。
用本发明的方法及其装置在一个相当于先有技术的密封效果的情况下，一方面可达到产生摩擦功率最小和在转子中热流最小的目的，或另一方面在转子的热负荷相当的情况下可达到密封效果的改进。
通过至少两个密封件的前后布置，按这个顺序至少进行两次，即：在工作流体中形成具有不同圆周速度的流体层、接着工作流体的节流过程、流体随即分成两个具有不同圆周速度的分流，接着第一分流偏转和只有第二分流产生涡流，以及其平行流入偏转的第一分流中。这样就可进一步改进分离缝隙的密封。
分流器由定子的至少两个接合面组成是特别有优点的，这两个接合面具有一个凸起的并伸入分离缝隙内的接触边。这样就保证了分流器的相当简单的和价廉的结构。
此外，涡流室相对于工作流体的主流方向的角度α设计成45°±20°，是特别适宜的。由此在节流点的下游形成分离缝隙的横截面的突然扩展，从而促成圆周速度低的第二分流的涡流形成。这样可达到改进密封件的密封效果。
输入通道以及输出通道具有一个间隙宽度和节流点具有一个净宽，其中间隙宽度设计成始终大于节流点的净宽。这样密封件的密封效果与分离缝隙的间隙宽度的改变相对无关。
最后，这种密封件设置在一种叶轮机械中，而且节流点与叶轮机械的机器轴线形成轴向、径向或对角线，从而有利于本发明的解决方案适用于相当大的应用范围。
在本发明的一种结构型式中，转子设计成离心压缩机的压缩机叶轮，而定子则设计成离心压缩机在机器侧封闭压缩机叶轮的一块隔板。密封件设置在压缩机叶轮的一个后壁以及隔板之间，而节流点则平行于离心压缩机的机器轴设置。由于离心压缩机后壁上高达500米/秒左右的圆周速度，所以该装置对相应部件的使用寿命或对密封产生的正面影响是特别大的。
下面结合在附图中涡轮增压器的离心压缩机的压缩机叶轮后壁上设置的迷宫式密封来说明本发明的一个实施例。其中：
图1表示先有技术的离心压缩机的一部分纵截面；
图2表示两个前后设置的本发明密封件的原理图；
图3表示用本发明迷宫式密封的图1离心压缩机的一段放大图；
图4表示与机器轴成对角线设置的节流点的图3示图。
图中只示出了便于理解本发明的主要部件，没有示出例如通过迷宫式密封的工作流体的输出管道、涡轮机侧和涡轮增压器的支座。工作介质的流动方向用箭头表示。
在图1中只部分示出的先有技术的废气涡轮增压器由一个离心压缩机1和一台在图中未示出的废气涡轮机组成，它们通过一根支承在一个轴承箱2中的轴3相互连接。废气涡轮增压器的离心压缩机1具有一根位于轴3中的机器轴4，该离心压缩机配有一个压缩机外壳5，在该外壳中一个作为压缩机叶轮构成的转子6可旋转地与轴3连接。压缩机叶轮6具有一个装配多个工作叶片7的轮毂8。在轮毂8和压缩机外壳5之间构成一个流体通道9。在工作叶片7下游，在该流体通道9上连接一个径向布置的配有叶片的扩压器10，该扩压器则通往离心压缩机1的一个未示出的螺旋中。
在轮毂8中，构成一个支承轴2的一端11的中心通孔12。在涡轮机侧，轮毂8具有一个后壁13以及轴端11的一个固定套筒14，其中该轴端与固定套筒14用螺纹相互连接。当然不用通孔13也可选用另一种适当的压缩机叶轮-轴连接。同样也可用无叶片的扩压器。
轴承箱2和压缩机外壳5借助于一个作为隔板构成的定子15相互隔开，该定子还支承压缩机叶轮6的轮毂8的固定套筒14。在运行中，旋转的压缩机叶轮6的后壁13和固定隔板15之间构成一个主要朝机器轴4径向布置的分离缝隙16。后者装有一个做成梳形曲径的迷宫式密封17，该密封17密封分离缝隙16，阻止离心压缩机1的工作流体18流经该分离缝隙。在迷宫式密封17的下游，分离缝隙16与一个中间空隙19连通，该中间空隙则与一根图中未示的输出管连通。
在用适当长度的这种迷宫式密封17时，可达到只有工作流体18的预先确定的很小的质量流通过密封流入这个中间空隙19中。这种工作流体18最后经连接在该中间空隙19上的输出管排出。
与此相反，在本发明的解决方案中，迷宫式密封17由多个在流经该迷宫式密封17的工作流体18的主流方向20内前后设置的密封件21组成，每个密封件都配置一个节流点22、一个涡流室23和一个位于隔板15上的对接面24，工作流体18在节流点22下游冲击到该对接面24上。对接面24作为工作流体18的分流器构成，它由隔板15的两个弯曲的接合面25、26组成，两个接合面分别设置在一个不同的半径上，并具有一个共同的凸起的并伸入分离缝隙16中的接触边27。
为了分流器24的精确定位，必须确定节流点22下游工作流体18的冲击点，其中，不同的成型的密封件相互具有不同的冲击点。为此，需要进行相应的流体试验，当然，也可用流体力学的计算方法。
涡流室23连接在分流器24上，更精确地说连接在它的设置在较大半径的第二接合面26上，而且本身设置在一个比该第二接合面较大的半径上。此外，涡流室23具有一个比连接在其上的分离缝隙16的内表面大的内表面28，并以一个大约45°的角度α相对于工作流体18的主流方向20设置(图2)。涡流室作成圆形的，但也可具有另一种适当的形状，例如图3所示的主要成矩形的形状。涡流室23相对于主流方向20调节的角度α可在两个方向相差20°。当然也可有更大的偏差，但效果减小。同样两个接合面25、26也可作成直线的(图3)。
在每个密封件21的上游，分离缝隙16构成一个大致径向定向的输入通道29，而在最后一个密封件21的下游则构成一个同样大致径向定向的输出通道30。输入通道29和输出通道30直接连接在设置在较小半径上的第一接合面25上。
节流点22做成轴向间隙，所以输入通道29分别进行轴向偏转。为此，每个节流点22都在压缩机叶轮6的后壁13上构成一个轴向定向的旋转的凸缘31，该凸缘与隔板15的一个大致平行定向的固定的密封指32相对应。其中密封指32的宽度比旋转凸缘31的宽度小得多，这样就保证了在全部运行情况中凸缘31的足够的覆盖量。当然，不用密封指32，也可用另的适当元件例如密封条或刷式密封(图中未示出)。输入通道29或输出通道30具有一个间隙宽度33，而节流点22则具有一个净宽34，其中，间隙宽度33总是设计得大于净宽34。
在涡轮增压器运行时，压缩机叶轮6吸住作为工作流体18的外界空气，这些空气通过流体通道9以及扩压器10进入螺旋线，在该处被压缩，并最后用于与涡轮增压器连接的图中未示出的内燃机的增压。在从流体通道9到扩压器10的距离中，外界空气18也到达分离缝隙16并经输入通道29进入迷宫式密封17，即首先到达它的第一密封件21。
一方面由于压缩机叶轮6的旋转后壁13的影响和另一方面由于固定隔板15的影响，在流经分离缝隙16的外界空气18中形成了具有相当大的圆周速度的流动层35以及具有相当小的圆周速度的流动层36。流动层35、36分别集中在对于它们的形成起决定性作用的分离缝隙16的壁13、15上。
由于分离缝隙16的间隙宽度33大于节流点22的净宽34，所以紧贴在壁13、15上的分界层不被压缩，因而只产生小的摩擦功率，且不利的发热也保持很小。此外，密封件21的密封效果与分离缝隙16的间隙宽度33的改变相对无关。
在节流点22的范围内，外界空气18在轴向内偏转以及加速并在节流点22下游冲击到设置在隔板15上的分流器24上。其中，不同圆周速度的流动层35、36分成具有相应不同圆周速度的两股单独的分流35’、36’。设置在隔板15的一个较小半径上的第一接合面25使具有较大圆周速度的第一分流35’直接偏转进入下一个密封件21的输入通道29中或输出通道30中。与此相反，设置在一个较大半径上的第二接合面26则削去具有较低圆周速度的第二分流36’进入涡流室23。在该处，第二分流36’首先产生涡流随即平行于第一分流35’流入输入通道29或输出通道30中。由于后壁13的旋转运动，使下游的工作流体18的汇合的流动重新形成不同圆周速度的两个流动层35、36，这两个流动层一起继续流向第二密封件21。
根据迷宫式密封17的结构，亦即根据密封件21的数目重新重复上述的过程。在最后的一个密封件21的下游，两个分流35’、36’流入中间空隙19中，并从该处借助于输出管道最后排到大气。
当然，本发明的装置也可用于其他的叶轮机械，例如燃气轮机、汽轮机或制冷机的离心压缩机中。也可用别的工作流体18。这时分离缝隙16也平行于机器轴4设置，所以，节流点22设计成径向间隙(图中未示)。在相对于机器轴4径向和平行设置这个分离缝隙16时，节流点22都可与相应叶轮机械的机器轴4成对角线设置(图4)。其中，重要的工艺步骤分别与上述的过程相似。

Claims (9)

1．转子和定子之间构成的分离缝隙的无接触的密封方法防止工作流体流经该分离缝隙，在这种密封方法中，工作流体(18)在分离缝隙(16)中首先节流，随即偏转并形成涡流，其中还在节流过程之前在工作流体(18)内形成具有不同圆周速度的流动层(35、36)，其特征在于，工作流体(18)的流动层(35、36)在节流过程后分成具有高圆周速度的第一分流(35’)以及具有低圆周速度的第二分流(36’)，第一分流(35’)只产生偏转，只有第二分流(36’)才形成涡流，并最后平行于已偏转的第一分流(35’)流入该第一分流中。
2．按权利要求1的方法，其特征在于，工作流体(18)的节流过程，其随后分成两个具有不同圆周速度的分流(35’,36’)和紧接着第一分流(35’)的偏转和只有第二分流(36’)的涡流形成，及其平行流入已偏转的第一分流(35’)中，这个顺序至少相继进行两次。
3．转子和定子之间构成的分离缝隙的无接触密封的装置，防止在主流方向的一种工作流体流经该分离缝隙，在这种装置中，分离缝隙(16)内至少设置一个密封件(21)，该密封由一个节流点(22)、一个位于定子(15)上的对接面(24)以及一个涡流室(23)组成，在节流点(22)下游，工作流体(18)冲击到该对接面(24)上，在每个密封件(21)的上游，分离缝隙(16)都设计成一个输入通道(29)，而在最后一个密封件(21)的下游则设计成一个输出通道(30)，其特征在于，对接面(24)设计成工作流体(18)的分流器，涡流室(23)设置在主流方向(20)相反的方向内，并设置了下一个密封件(21)的输入通道(29)或紧接分流器(24)设置了在主流方向(20)的输出通道(30)。
4．按权利要求3的装置，其特征在于，分流器(24)由定子(15)的至少两个接合面(25、26)组成，这两个接合面具有一个凸起的并伸入分离缝隙(16)中的接触边(27)。
5．按权利要求4的装置，其特征在于，涡流室(23)的内表面(28)大于与该涡流室连接的分离缝隙(13)的内表面。
6．按权利要求5的装置，其特征在于，涡流室(23)相对于工作流体(18)的主流方向(20)的角度α设计成45°±20°。
7．按权利要求3的装置，其特征在于，输入通道(29)以及输出通道(30)具有一个间隙宽度(33)，和节流点(22)具有一个净宽(34)，其中，间隙宽度(33)设计成大于节流点(22)的净宽(34)。
8．按权利要求3至7任一项的装置，其特征在于，密封件(21)设置在一种具有一根机器轴(4)的叶轮机器中，节流点22与该机器轴(4)形成轴向、径向或对角线。
9．按权利要求8的装置，其特征在于，转子(6)设计成离心压缩机(1)的压缩机叶轮，定子(15)设计成离心压缩机(1)在机器侧封闭该压缩机叶轮(6)的隔板，密封件(21)设置在压缩机叶轮(6)的一个后壁(13)和隔板(15)之间，以及节流点(22)平行于离心压缩机(1)的机器轴(4)设置。
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