[發(fā)明專利]一種自止旋收斂型旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710132590.7
• 申請日: 2017-03-07
• 公開（公告）號(hào): CN106949245B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李志剛;李軍
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): F16J15/44
• 分類號(hào): F16J15/44;F16J15/447
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司61200
• 代理人: 閔岳峰

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)，特別涉及一種葉輪機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)使用的具有控制泄漏、抑振增穩(wěn)作用的自止旋收斂型旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

葉輪機(jī)械中轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間的工質(zhì)泄漏是其主要的損失來源之一，旋轉(zhuǎn)密封能夠控制通過動(dòng)靜間隙從高壓區(qū)向低壓區(qū)的泄漏流動(dòng)，有效地減小泄漏量和泄漏流動(dòng)對主流的影響，對葉輪機(jī)械運(yùn)行效率具有顯著地影響。目前常用的旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)有迷宮密封、蜂窩密封、孔型密封、袋型阻尼密封和刷式密封。

雖然旋轉(zhuǎn)密封能夠減小動(dòng)靜間隙泄漏量、提高透平機(jī)械運(yùn)行效率，但旋轉(zhuǎn)密封在控制工質(zhì)泄漏流動(dòng)的同時(shí)，由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的偏心渦動(dòng)和密封內(nèi)非定常泄漏流動(dòng)，還會(huì)產(chǎn)生非常重要的氣流激振力，從而影響著透平機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前對于透平機(jī)械中的氣流激振力來源，比較公認(rèn)的有三個(gè)方面：密封氣流激振力、葉頂間隙激振力和作用在轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)氣流力。而密封氣流激振力誘發(fā)的自激振動(dòng)是導(dǎo)致透平機(jī)械軸系失穩(wěn)的重要因素。由于密封內(nèi)氣流激振力誘發(fā)的自激振動(dòng)為轉(zhuǎn)子的正向進(jìn)動(dòng)，不能用動(dòng)平衡的方法消除，面對密封氣流激振引起的透平機(jī)械轉(zhuǎn)子失穩(wěn)問題，目前研究工作者主要通過研制和更換先進(jìn)的阻尼軸承結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)阻尼密封結(jié)構(gòu)、調(diào)整動(dòng)靜間隙、安裝進(jìn)口止渦裝置(如進(jìn)口防旋板)等措施來解決。

研究表明：旋轉(zhuǎn)密封內(nèi)的氣流激振力對軸系穩(wěn)定性的影響與密封的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性(有效剛度和有效阻尼)有關(guān)，這一氣流激振力可能抑制轉(zhuǎn)子振動(dòng)，也可能誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，而旋轉(zhuǎn)密封進(jìn)口和腔室內(nèi)的周向旋流、以及密封進(jìn)出口間隙比對密封轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性具有顯著影響。

由于葉柵通道的導(dǎo)流，以及軸、輪盤等旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)，工質(zhì)在密封進(jìn)口和腔室內(nèi)具有很大的周向旋流速度，正向旋流(與密封旋轉(zhuǎn)面旋轉(zhuǎn)速度同向)能夠顯著增大密封交叉剛度，減小密封有效阻尼；而反向旋流(與密封旋轉(zhuǎn)面旋轉(zhuǎn)速度反向)能夠改變密封交叉剛度的符號(hào)，增大密封有效阻尼。減小密封進(jìn)口和腔室內(nèi)的正向旋流或增大反向旋流能夠顯著地提高旋轉(zhuǎn)密封的有效阻尼，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

密封進(jìn)出口間隙比是指密封進(jìn)口間隙泄漏面積與出口間隙泄漏面積之比。研究表明：收斂型密封間隙(進(jìn)出口間隙比<1)能夠增大密封正有效剛度，但會(huì)使有效阻尼減小；發(fā)散型密封間隙(進(jìn)出口間隙比>1)增大密封有效阻尼，但會(huì)產(chǎn)生負(fù)的有效剛度。而轉(zhuǎn)子-密封系統(tǒng)的穩(wěn)定性不但與密封有效阻尼有關(guān)，還受有效剛度的影響。

目前工程應(yīng)用中通過采用具有發(fā)散型密封間隙的蜂窩密封、孔型密封和袋型密封等阻尼密封代替?zhèn)鹘y(tǒng)迷宮密封，并在密封進(jìn)口安裝防旋板或止旋射流器的方法，有效地減小轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值，但往往達(dá)不到完全消除轉(zhuǎn)子振動(dòng)失穩(wěn)的目的。這主要是由于發(fā)散形密封間隙會(huì)產(chǎn)生負(fù)的有效剛度，引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速降低；進(jìn)口防旋板和止旋射流器雖能夠減小密封進(jìn)口旋流速度，但對密封轉(zhuǎn)子面旋轉(zhuǎn)引起的密封腔室旋流抑振作用有限(特別是對于大型葉輪機(jī)械的軸端長密封而言)，并不能從根本上改善旋轉(zhuǎn)密封轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性，解決轉(zhuǎn)子振動(dòng)失穩(wěn)問題。同時(shí)，發(fā)散型的密封間隙使密封泄漏量增大，降低了密封的封嚴(yán)性能；密封進(jìn)口止旋射流器需單獨(dú)的高壓氣源和通道，使密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增大了制造成本。

因此，研發(fā)能夠有效減小密封進(jìn)口以及密封腔室內(nèi)正向旋流速度，同時(shí)具有較大的有效剛度和有效阻尼的新型旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)對改善密封轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性、提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于針對葉輪機(jī)械對減小動(dòng)靜間隙泄漏量、提高運(yùn)行效率，以及增大旋轉(zhuǎn)密封有效剛度和有效阻尼、提高軸系穩(wěn)定性的要求，提供了一種具有止旋腔室、止旋射流孔、收斂型密封間隙和收斂型腔室深度的自止旋收斂型旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)，使其能夠有效地增大密封有效剛度和有效阻尼，同時(shí)保證較好的密封封嚴(yán)性能，從而解決葉輪機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)失穩(wěn)問題，提高葉輪機(jī)械運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種自止旋收斂型旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)，該旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)包括由內(nèi)至外依次設(shè)置在旋轉(zhuǎn)部件周向上的靜子內(nèi)環(huán)和靜子外環(huán)；其中，

靜子外環(huán)的內(nèi)表面上加工有若干密封齒結(jié)構(gòu)；

靜子外環(huán)上的密封齒結(jié)構(gòu)與靜子內(nèi)環(huán)的外表面之間存在徑向間隙，且徑向間隙的寬度大于靜子內(nèi)環(huán)與旋轉(zhuǎn)部件之間存在的密封間隙的寬度；

靜子外環(huán)的內(nèi)表面與靜子內(nèi)環(huán)的外表面之間形成的環(huán)形腔室被密封齒結(jié)構(gòu)分割為若干高壓止旋腔；

高壓止旋腔與旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)的高壓端相連，每個(gè)高壓止旋腔內(nèi)的壓力通過密封齒結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)、位置、形狀和徑向間隙調(diào)節(jié)；