專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于軸密封技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種透平機(jī)械的主軸密封裝置，尤其是一種具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)密封是現(xiàn)代透平機(jī)械中的關(guān)鍵部件，先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)可顯著提高透平機(jī)械的工作效率和可靠性。在透平機(jī)械中，靜子部件與轉(zhuǎn)子部件之間的工質(zhì)泄漏是其主要損失源之一。因此，減小泄漏量是提高透平機(jī)械效率的一個(gè)有效途徑，是現(xiàn)在和未來(lái)透平機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)主要目標(biāo)。旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計(jì)研究中的首要目標(biāo)是控制工質(zhì)通過(guò)動(dòng)靜間隙從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域，有效地減小泄漏量以及泄漏流對(duì)主流的影響。透平機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的密 封在防止流體泄漏的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生重要的流體激振力，從而影響轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計(jì)研究中的另一個(gè)重要目標(biāo)是提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的阻尼，保證和增強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。在一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，軸承阻尼能夠有效的減小同步渦動(dòng)的振幅，從而抑制轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。但在高速旋轉(zhuǎn)透平機(jī)械中，特別是大功率汽輪機(jī)和高壓壓氣機(jī)中，即使軸承處具有很大的阻尼，轉(zhuǎn)子依然容易發(fā)生失穩(wěn)。這是因?yàn)檩S承往往位于轉(zhuǎn)子的兩端，此處的響應(yīng)振幅很小，有效阻尼不能得到充分發(fā)展，所以軸承對(duì)振動(dòng)的控制不太明顯，不可能吸收所有的振動(dòng)(提供足夠的阻尼)。不同于軸承結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)常常安裝在軸的較大的響應(yīng)振幅處，使得密封結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性影響較大。由于密封系統(tǒng)的交叉剛度系數(shù)一般較大，所以極易造成密封工作在穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間。隨著透平機(jī)械向高參數(shù)(高溫度、高壓力、高轉(zhuǎn)速)方向發(fā)展，傳統(tǒng)的迷宮密封雖然能有效的控制泄漏流動(dòng)，但由于其不理想的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性(低阻尼)常常引起透平機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)。為提高透平機(jī)械的運(yùn)行穩(wěn)定性，阻尼密封廣泛應(yīng)用于透平機(jī)械的主軸密封中，取代傳統(tǒng)的迷宮密封。阻尼密封靜子面通常具有較大的粗糙度，能有效地減小密封腔室中流體的周向速度，顯著提高透平機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在密封件處的阻尼，使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。目前常用的阻尼密封有蜂窩阻尼密封、孔型阻尼密封、袋型阻尼密封等。透平機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的阻尼密封通常具有直通型的結(jié)構(gòu)，為防止與轉(zhuǎn)子面間的碰磨，其具有較大的密封間隙，不能有效的抑制透平機(jī)械軸系中的軸向泄漏流動(dòng)。因此，阻尼密封的密封性能還有很大的改善空間。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向振動(dòng)時(shí)，阻尼密封的直通型結(jié)構(gòu)使密封靜子件與轉(zhuǎn)子間發(fā)生大面積的碰磨，從而對(duì)密封件和轉(zhuǎn)子造成損壞。與三種阻尼密封(蜂窩阻尼密封、孔型阻尼密封、袋型阻尼密封)相比，迷宮密封的密封齒頂厚度可以做得很小，減小了密封靜子件與轉(zhuǎn)子間的碰磨面積，能夠減小碰磨對(duì)轉(zhuǎn)子的損壞。同時(shí)迷宮密封具有較小的密封間隙，因此具有較好的泄漏特性，特別是在軸系中普遍使用的高低齒迷宮密封，可有效的抑制軸向的泄漏流動(dòng)，同時(shí)減少碰磨對(duì)軸的損壞。但是，相比于阻尼密封，迷宮密封的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性很差(其產(chǎn)生的阻尼很小，但交叉剛度很大)，易造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的失穩(wěn)，特別對(duì)具有高壓比和高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。因此，隨著透平機(jī)械向高參數(shù)(高溫度、高壓力、高轉(zhuǎn)速)方向發(fā)展，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)需要這樣一種密封件，其既能夠有效的抑制泄漏流動(dòng)，具有低泄漏的特性，并且能為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供足夠的阻尼，有效抑制轉(zhuǎn)子振動(dòng)，具有高阻尼的特性，同時(shí)還能減小碰磨對(duì)密封件和轉(zhuǎn)子的損壞。本發(fā)明通過(guò)將一種高低齒迷宮密封與三種阻尼密封進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)組合，形成一種具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置，該密封裝置采用低泄漏和高阻尼特性的迷宮阻尼密封結(jié)構(gòu)，使其既能有效的控制轉(zhuǎn)軸與密封靜子件間的泄漏流動(dòng)，還能夠提供足夠的阻尼，提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)減小轉(zhuǎn)子振動(dòng)引起的碰磨對(duì)密封件和轉(zhuǎn)子的損壞。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)解決的這種具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置，包括一具有階梯面的轉(zhuǎn)軸以 及與轉(zhuǎn)軸配合的密封靜子，所述轉(zhuǎn)軸上有沿軸向交替排列的大直徑的凸臺(tái)和小直徑的溝槽；所述密封靜子是由N段弧形的靜止件組成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，密封靜子在與所述轉(zhuǎn)軸配合面設(shè)置有若干密封長(zhǎng)齒、密封短齒和阻尼件，每?jī)蓚€(gè)相鄰密封長(zhǎng)齒間布置有兩個(gè)密封短齒，二者沿軸向交替排列，密封長(zhǎng)齒安裝在正對(duì)溝槽的位置上，齒頂深入溝槽內(nèi)，與溝槽底面形成徑向密封間隙；密封短齒安裝在正對(duì)凸臺(tái)的位置上，齒頂與凸臺(tái)表面形成徑向密封間隙；密封長(zhǎng)齒與相鄰的密封短齒形成環(huán)形的迷宮腔室；相鄰的兩個(gè)密封短齒之間形成環(huán)形的迷宮腔室；所述阻尼件安裝在相鄰的兩個(gè)密封短齒之間的環(huán)形迷宮腔室中，正對(duì)凸臺(tái)，與凸臺(tái)表面形成徑向密封間隙。上述阻尼件具有比密封短齒小的徑向深度，阻尼件為蜂窩型阻尼件、孔型阻尼件或袋型阻尼件。進(jìn)一步，當(dāng)所述阻尼件為蜂窩型阻尼件或孔型阻尼件時(shí)，阻尼件采用非耐磨材料。最優(yōu)的，該阻尼件采用鋁材質(zhì)。進(jìn)一步，相鄰的兩個(gè)密封短齒間的軸向間隔小于轉(zhuǎn)軸凸臺(tái)的軸向長(zhǎng)度，且阻尼件正對(duì)所述凸臺(tái)。上述N 為 2，4，6 或 8。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明的總體設(shè)計(jì)思路是利用阻尼密封的高阻尼特性和高低齒迷宮密封的低泄漏特性，在傳統(tǒng)高低齒迷宮密封結(jié)構(gòu)中加入蜂窩密封、孔型密封和袋型密封等阻尼密封結(jié)構(gòu)，形成迷宮阻尼密封，使其具有低泄漏和高阻尼的特性。在阻尼密結(jié)構(gòu)的上游和下游設(shè)置與阻尼密封結(jié)構(gòu)緊密相連的密封短齒，密封短齒可防止阻尼密封結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨，同時(shí)避免阻尼密封結(jié)構(gòu)在軸向承受較大的壓差，對(duì)阻尼密封結(jié)構(gòu)具有保護(hù)作用?？梢?jiàn)，本發(fā)明迷宮阻尼密封綜合了高低齒迷宮密封低泄漏特性和阻尼密封的高阻尼特性，既可以達(dá)到限制泄漏流動(dòng)的目的，又能提供有效的阻尼，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明具有低泄漏、高阻尼的特性，同時(shí)還消除了阻尼密封件(蜂窩結(jié)構(gòu)和孔型結(jié)構(gòu))與轉(zhuǎn)子碰磨對(duì)轉(zhuǎn)子和密封件造成損壞的可能性，不但能進(jìn)一步提高透平機(jī)械的能量轉(zhuǎn)換效率和其運(yùn)行穩(wěn)定性，還能延長(zhǎng)密封件的使用壽命。


圖I是本發(fā)明的具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖2是圖I中阻尼密封件3 (蜂窩式密封)的周向展開(kāi)結(jié)構(gòu)圖；圖3是圖I中阻尼密封件3 (孔型密封)的周向展開(kāi)結(jié)構(gòu)圖；圖4是圖I中阻尼密封件3 (袋型密封)的A-A剖視圖。
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述參見(jiàn)圖1，圖中給出了本發(fā)明的具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置的結(jié)構(gòu)圖。包括一具有階梯面的轉(zhuǎn)軸I以及與轉(zhuǎn)軸I配合的密封靜子2，轉(zhuǎn)軸I是一個(gè)階梯軸，包括多段相鄰的具有大直徑的凸臺(tái)4和小直徑的溝槽5，這些凸臺(tái)4和溝槽5沿軸向交替排列。密封靜子2是由N (N=2，4，6，8)段弧形的靜止件組成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。密封靜子2上安裝有兩種密封齒密封長(zhǎng)齒6和密封短齒7。每?jī)蓚€(gè)相鄰長(zhǎng)齒6間布置有兩個(gè)短齒7，二者沿軸向交替排列。密封長(zhǎng)齒6安裝在正對(duì)轉(zhuǎn)軸溝槽5的位置上，齒頂深入溝槽內(nèi)，與溝槽底面形成徑向密封間隙。密封短齒7安裝在正對(duì)轉(zhuǎn)軸凸臺(tái)4的位置上，齒頂與凸臺(tái)表面形成徑向密封間隙。密封長(zhǎng)齒6與相鄰的密封短齒7形成了環(huán)形的迷宮腔室。相鄰的兩個(gè)密封短齒7之間形成了環(huán)形的迷宮腔室。實(shí)驗(yàn)證明相比于直通型的迷宮密封結(jié)構(gòu)，具有溝槽和凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的高低齒迷宮密封能夠更有效的減小密封泄漏流量。阻尼件3安裝在相鄰的兩個(gè)密封短齒7之間的環(huán)形迷宮腔室中，正對(duì)轉(zhuǎn)軸凸臺(tái)4，與凸臺(tái)表面形成徑向密封間隙。阻尼件3具有比密封短齒7較小的徑向深度，其包括蜂窩型阻尼件(如圖2)、孔型阻尼件(如圖3)和袋型阻尼件(如圖4)。實(shí)驗(yàn)證明相比于迷宮密封結(jié)構(gòu)，阻尼密封能為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供更大的有效阻尼，保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定。相鄰的兩個(gè)密封短齒7間的軸向間隔小于轉(zhuǎn)軸凸臺(tái)4的軸向長(zhǎng)度，且阻尼件3的設(shè)計(jì)位置是轉(zhuǎn)軸凸臺(tái)4的中心位置。這一設(shè)計(jì)可保證在轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向偏移時(shí)，密封短齒仍位于轉(zhuǎn)軸凸臺(tái)4之上，保證密封短齒7的有效密封性，及阻尼件3的有效阻尼特性。阻尼件3具有比密封短齒7較小的徑向深度，較大的徑向密封間隙。這一設(shè)計(jì)可保證轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向振動(dòng)時(shí)，密封短齒7齒頂接觸轉(zhuǎn)子面，而避免阻尼件3與轉(zhuǎn)軸凸臺(tái)4表面發(fā)生接觸，減小密封件與轉(zhuǎn)子面的碰磨面積，防止碰磨對(duì)阻尼件3和轉(zhuǎn)軸I的損壞。同時(shí)，這一設(shè)計(jì)還可保證在密封進(jìn)出口存在較大壓差時(shí)，密封短齒7能夠分擔(dān)較大的軸向壓差，避免較大的軸向壓差造成阻尼件3的變形和損壞。由于有了密封短齒7的保護(hù)，在制造蜂窩結(jié)構(gòu)和孔型結(jié)構(gòu)的阻尼件3時(shí)，可不必采用成本較高的耐磨合金材料，而選用成本較低的非耐磨材料，如鋁等，進(jìn)而降低制造成本。參見(jiàn)圖2，蜂窩型阻尼件3的周向展開(kāi)結(jié)構(gòu)圖。這一阻尼件安裝在密封靜子2上的兩個(gè)密封短齒7之間的環(huán)形迷宮腔室中，與轉(zhuǎn)軸凸臺(tái)4表面形成徑向密封間隙。參見(jiàn)圖3，孔型阻尼件3的周向展開(kāi)結(jié)構(gòu)圖。這一阻尼件安裝在密封靜子2上的兩個(gè)密封短齒7之間的環(huán)形腔室中，與轉(zhuǎn)軸凸臺(tái)4表面形成徑向密封間隙。參見(jiàn)圖4，圖I中袋型阻尼件3沿A-A線的剖視圖。圖I中密封短齒7之間的環(huán)形迷宮腔室被N (N=S)個(gè)周向擋板8分割為N個(gè)等弧度的袋型腔室。實(shí)驗(yàn)表明蜂窩型、孔型和袋型阻尼件3均能夠有效的減小環(huán)形迷宮腔室中的周向旋流，增大密封裝置的有效阻尼。
權(quán)利要求
1.一種具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置，其特征在于，包括一具有階梯面的轉(zhuǎn)軸(I)以及與轉(zhuǎn)軸(I)配合的密封靜子(2)，所述轉(zhuǎn)軸(I)上有沿軸向交替排列的大直徑的凸臺(tái)(4)和小直徑的溝槽(5);所述密封靜子(2)是由N段弧形的靜止件組成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，密封靜子(2)在與所述轉(zhuǎn)軸(I)配合面設(shè)置有若干密封長(zhǎng)齒(6)、密封短齒(7)和阻尼件(3 )，每?jī)蓚€(gè)相鄰密封長(zhǎng)齒(6 )間布置有兩個(gè)密封短齒(7 )，二者沿軸向交替排列，密封長(zhǎng)齒(6)安裝在正對(duì)溝槽(5)的位置上，齒頂深入溝槽(5)內(nèi)，與溝槽(5)底面形成徑向密封間隙；密封短齒( 7)安裝在正對(duì)凸臺(tái)(4)的位置上，齒頂與凸臺(tái)(4)表面形成徑向密封間隙；密封長(zhǎng)齒(6)與相鄰的密封短齒(7)形成環(huán)形的迷宮腔室；相鄰的兩個(gè)密封短齒(7)之間形成環(huán)形的迷宮腔室；所述阻尼件(3)安裝在相鄰的兩個(gè)密封短齒(7)之間的環(huán)形迷宮腔室中，正對(duì)凸臺(tái)(4)，與凸臺(tái)(4)表面形成徑向密封間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置，其特征在于，所述阻尼件(3)具有比密封短齒(7)小的徑向深度，阻尼件(3)為蜂窩型阻尼件、孔型阻尼件或袋型阻尼件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置，其特征在于，當(dāng)所述阻尼件(3)為蜂窩型阻尼件或孔型阻尼件時(shí)，阻尼件(3)采用非耐磨材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置，其特征在于，所述阻尼件(3)采用鋁材質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置，其特征在于，相鄰的兩個(gè)密封短齒(7)間的軸向間隔小于轉(zhuǎn)軸凸臺(tái)(4)的軸向長(zhǎng)度，且阻尼件(3)正對(duì)所述凸臺(tái)(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置，其特征在于，所述N為2，4，6或8。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有低泄漏和高阻尼性能的迷宮阻尼密封裝置，該密封裝置包括具有多個(gè)軸向交替排列的凸臺(tái)和溝槽的轉(zhuǎn)軸，固定于密封靜子環(huán)上的密封長(zhǎng)齒、密封短齒和阻尼件。阻尼件包括三種蜂窩結(jié)構(gòu)、孔型結(jié)構(gòu)和袋型結(jié)構(gòu)。本迷宮阻尼密封裝置具有低泄漏、高阻尼的特性，同時(shí)還消除了阻尼密封件(蜂窩結(jié)構(gòu)和孔型結(jié)構(gòu))與轉(zhuǎn)子碰磨對(duì)轉(zhuǎn)子和密封件造成損壞的可能性，不但能進(jìn)一步提高透平機(jī)械的能量轉(zhuǎn)換效率和其運(yùn)行穩(wěn)定性，還能延長(zhǎng)密封件的使用壽命。
文檔編號(hào)F04D29/08GK102953771SQ201210468668
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者李志剛, 李軍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)