專利名稱:一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械動靜間隙的螺旋密封結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本申請屬于非接觸密封技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械動靜間隙的螺旋密封結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù):
非接觸密封技術(shù)應(yīng)用于控制旋轉(zhuǎn)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件的介質(zhì)泄漏。為保證旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全穩(wěn)定運(yùn)行,旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件應(yīng)保持足夠的間隙,因此選擇非接觸密封控制間隙泄漏流。對于可壓縮流體,密封介質(zhì)經(jīng)過螺旋密封齒頂間隙,節(jié)流加速,在螺旋密封齒后的密封腔室內(nèi),流體的動能轉(zhuǎn)化為熱能,工質(zhì)經(jīng)過密封腔,壓力逐漸降低,以控制流體泄漏。泵在葉輪出口與導(dǎo)葉動靜間隙以及葉輪入口輪蓋處與進(jìn)口導(dǎo)流管間動靜間隙常采用平滑動靜環(huán)小間隙密封,此種密封內(nèi)部介質(zhì)的耗散作用不明顯,控制泄漏效果差,而本申請密封結(jié)構(gòu)的螺旋密封槽對密封內(nèi)流體產(chǎn)生泵送壓頭,泵送壓頭與密封介質(zhì)壓力相反, 阻止密封介質(zhì)的泄漏;通過設(shè)置螺旋密封齒結(jié)構(gòu),以增加介質(zhì)流動通道的復(fù)雜性,強(qiáng)化流體動能向熱能轉(zhuǎn)化過程,以控制泄漏量;更重要的是泵的間隙密封尤其是核主泵的間隙密封, 應(yīng)該考慮到倒流這種極端工況,大部分的密封沒有控制倒流的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),本申請密封結(jié)構(gòu)能夠有效控制泵內(nèi)反向的泄漏流。
發(fā)明內(nèi)容
本申請要解決的技術(shù)問題是提供一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械動靜間隙的螺旋密封結(jié)構(gòu),能夠有效控制不可壓縮流體的泄漏,保證在大流量的工質(zhì)下穩(wěn)定運(yùn)行,即使是在倒流極端工況下也能保持泄漏量的穩(wěn)定,使用壽命長。本申請采用的技術(shù)方案是一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械動靜間隙的螺旋密封結(jié)構(gòu),旋轉(zhuǎn)機(jī)械靜止部件上裝有密封環(huán), 密封環(huán)內(nèi)表面設(shè)置螺旋密封齒,螺旋密封齒按轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相反方向圓周方向環(huán)繞爬升于密封環(huán)內(nèi)表面;螺旋密封齒迎風(fēng)面、背風(fēng)面和頂面均采用凹曲面,螺旋密封齒頂前后緣形成兩尖角端。螺旋密封齒的螺旋角可以為5° 45°夾角,螺旋密封齒之間的密封槽長寬比可以為0. 5 2。由于介質(zhì)的粘性力作用,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動流體旋轉(zhuǎn),工質(zhì)進(jìn)入螺旋密封槽,形成與泄漏流相反方向的流動,這部分流體的壓頭減小了泄漏流的壓頭,阻礙了泄漏流的流動。密封的螺旋結(jié)構(gòu)可以阻止兩方向來流的泄漏量,在倒流的極端工況下,如果葉輪反轉(zhuǎn),即旋轉(zhuǎn)部件反轉(zhuǎn),形成逆向流體抑制泄漏流,隨著轉(zhuǎn)速的變大,這種阻力會越加明顯, 螺旋升角和螺旋密封齒軸向距離以及螺旋結(jié)構(gòu)長度的合理設(shè)置有利于增益泄漏流阻力。泄漏流在螺旋密封槽內(nèi)流動成螺旋軌跡,泄漏流周向速度分量大,這就增加了泄漏流在密封腔內(nèi)的停留時間,泄漏流流動路徑比普通迷宮密封長,從而增加了沿程損失,工質(zhì)在螺旋流動中產(chǎn)生更多能量耗散,動能轉(zhuǎn)化為熱能,壓力逐漸降低。螺旋密封齒前緣尖角會產(chǎn)生明顯的節(jié)流效應(yīng),在螺旋密封齒頂凹曲面內(nèi)形成高速湍流,此流體經(jīng)后緣尖角再次被節(jié)流,經(jīng)兩次節(jié)流形成比普通密封更高湍動能流體,在進(jìn)入腔室中能量耗散,更多動能轉(zhuǎn)化為熱能,消耗更多壓力能。螺旋密封齒頂?shù)陌济嫘纬尚′鰷u泄漏流軸向流動的阻力;迎風(fēng)面的凹曲面有利于引部分齒前流體沿齒壁上行,引入滯止區(qū)或上層腔室,使其在齒前或齒腔內(nèi)停留更多的時間,以減小泄漏。密封腔室迎風(fēng)和背風(fēng)凹面有利于泄漏流周向螺旋流動形態(tài)的形成,有利于能量耗散,降低泄漏流壓頭。螺旋密封齒的螺旋環(huán)數(shù)越多螺旋密封的泵送壓頭越大,泵送效應(yīng)越明顯,更有利于控制泄漏流。密封結(jié)構(gòu)的螺旋密封齒在空間有限的情況下,合理設(shè)置螺旋密封齒長寬比,以適應(yīng)高壓、高速流體,防止螺旋密封齒齒根斷裂,增加其使用壽命,延長檢修周期,保證安全性。本申請的有益效果如下(1)本申請密封結(jié)構(gòu)有良好的控制泄漏效果。非接觸式密封泄漏量很大程度上取決于密封間隙的大小,在保證設(shè)備安全運(yùn)行的前提下,密封間隙可以設(shè)置到最小。葉輪旋轉(zhuǎn)部件帶動部分介質(zhì)沿螺旋密封腔室逆向流動,產(chǎn)生與泄漏流相反方向的泵送壓頭,阻止泄漏流。此種形式控制不可壓縮流體泄漏能力優(yōu)于依靠渦旋耗散動能的迷宮密封。經(jīng)數(shù)值模擬研究不可壓縮介質(zhì)密封,本申請密封比相同間隙的普通直齒密封減小25%的泄漏量。(2)螺旋密封齒雙尖角節(jié)流會產(chǎn)生明顯的節(jié)流效應(yīng),形成比普通密封更高湍動能流體,在進(jìn)入腔室中能量耗散,更多動能轉(zhuǎn)化為熱能,消耗更多壓力能。腔室結(jié)構(gòu)不宜過于復(fù)雜,流體需要大容積的耗散空間,以渦旋的形式動能轉(zhuǎn)化為熱能??紤]到制造難度和加工成本,本申請?jiān)O(shè)計(jì)簡單,使流體有足夠空間能量耗散。(3)泄漏流在螺旋密封槽內(nèi)流動成螺旋軌跡,泄漏流周向速度分量大,這就增加了泄漏流在密封腔內(nèi)的停留時間,從而增加了沿程損失,工質(zhì)在螺旋流動中產(chǎn)生更多能量耗散,壓力逐漸降低。(4)本申請螺旋密封齒結(jié)構(gòu)可以阻止兩方向來流的泄漏量,在倒流的極端工況下, 如果葉輪反轉(zhuǎn),即旋轉(zhuǎn)部件反轉(zhuǎn),形成逆向流體抑制泄漏流,起到了穩(wěn)定倒流泄漏流的作用。 (5)弧形迎風(fēng)面弓I部分齒前流體沿齒壁上行,弓I入滯止區(qū)或上層腔室,使介質(zhì)在齒前或齒腔內(nèi)停留更多的時間,以減小泄漏。(6)為了適應(yīng)高壓、高速流體,本申請采用加固齒根的方法,防止螺旋密封齒齒根斷裂,增加使用壽命,延長檢修周期,保證安全性。(7)經(jīng)數(shù)值模擬,在17 ISMpa水壓工況下,本申請密封腔內(nèi)部最低壓力高于飽和壓力,密封腔室內(nèi)不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。
圖1(a)是本申請密封三維結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 (b)是本申請螺旋密封齒結(jié)構(gòu)二維示意圖。圖2是密封環(huán)整體示意圖。圖中1密封環(huán);2螺旋密封齒;3密封槽。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案以核主泵為實(shí)施例詳細(xì)敘述本申請。本申請密封是由兩個半圓形密封環(huán)組成,可安裝在核主泵的葉輪出口與導(dǎo)葉動靜間隙和葉輪入口輪蓋處與進(jìn)口導(dǎo)流管動靜間隙處,或者安裝于熱屏與轉(zhuǎn)軸的間隙處。密封環(huán)背弧沿著固定部件的槽道安裝,周向環(huán)繞方向相反于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。本申請密封結(jié)構(gòu)主要由密封環(huán)1、螺旋密封齒2組成。密封環(huán)內(nèi)圈可以設(shè)置多環(huán)螺旋密封齒,圖1所示,設(shè)置了 6環(huán)螺旋密封齒,螺旋密封齒之間形成密封腔室。流體經(jīng)密封雙尖齒節(jié)流加速,壓力降低,高速流體在密封空腔中動能轉(zhuǎn)化成熱能, 此壓力不能恢復(fù)到上一級的壓力值,所以流體壓力逐級降低,流體泄漏量減小。葉輪旋轉(zhuǎn)部件帶動部分介質(zhì)沿螺旋密封腔室逆向流動,螺旋槽對充滿在密封間隙的流體產(chǎn)生泵送壓頭,這一泵送壓頭與被密封的介質(zhì)壓力相反,阻止密封介質(zhì)的泄漏。在核主泵葉輪出口與導(dǎo)葉處存在動靜間隙,在葉輪入口輪蓋處與進(jìn)口導(dǎo)流管間也存在動靜間隙,核主泵正常運(yùn)行時,有部分經(jīng)葉輪出口的高壓流體沿此間隙外泄,并重新回流至泵入口,干擾主流場流動,同時減小有效通流面積,降低了泵的流動效率和性能;熱屏與轉(zhuǎn)軸之間存在間隙,高溫高壓流體沿此間隙泄漏,下級部件易受其影響,造成運(yùn)行不穩(wěn)定甚至損壞。為了保障核主泵各部件安全運(yùn)行,應(yīng)盡量減小這些泄漏,本申請結(jié)構(gòu)密封設(shè)置在上述動靜間隙處。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械動靜間隙的螺旋密封結(jié)構(gòu),其特征在于,旋轉(zhuǎn)機(jī)械靜止部件上裝有密封環(huán)(1),其內(nèi)表面設(shè)置螺旋密封齒O),螺旋密封齒( 按轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相反方向圓周方向環(huán)繞爬升于密封環(huán)內(nèi)表面;螺旋密封齒( 迎風(fēng)面、背風(fēng)面和頂面均采用凹曲面,螺旋密封齒( 頂前后緣形成兩尖角端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封結(jié)構(gòu),其特征在于,螺旋密封齒O)的螺旋角成5° 45°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封結(jié)構(gòu),其特征在于,所述的螺旋密封齒(2)之間的密封槽 (3)長寬比為0. 5 2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機(jī)械動靜間隙的螺旋密封結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械靜止部件上裝有密封環(huán),密封環(huán)內(nèi)表面設(shè)置螺旋密封齒,密封齒按轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相反方向圓周方向環(huán)繞爬升于密封環(huán)內(nèi)表面;密封齒迎風(fēng)面、背風(fēng)面和頂面均采用凹曲面,密封齒頂前后緣形成兩尖角端;本發(fā)明用于控制高溫高壓流體沿動靜間隙泄漏,避免大流量泄漏影響下一級部件的穩(wěn)定運(yùn)行和安全運(yùn)作。本發(fā)明在核主泵高壓高溫高速大流量工質(zhì)條件使用,可在倒流極端工況下暫時穩(wěn)定控制泄漏量,安全、耐用、節(jié)流效果好。
文檔編號F16J15/447GK102162529SQ20111009155
公開日2011年8月24日 申請日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者劉艷, 張盟, 王曉放 申請人:大連理工大學(xué)