一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构

摘要

本发明公开了一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构，该迷宫密封结构核心在于密封齿采用内凹圆弧进行设计，而内凹圆弧是通过喉部截面高度、内凹圆弧与齿顶的垂直过渡距离以及齿顶宽度进行确定的。这种迷宫密封结构的内凹型密封齿与密封转子构成的流动通道能够增强密封有效阻尼的频率相关性，降低有效阻尼项穿越频率，从而提高密封安全稳定运行的频率范围，达到增强密封转子稳定性的目的。此外，本发明的内凹型密封齿设计不涉及密封间隙变化，因此，密封良好的封严性能仍然可以通过控制密封间隙得到保证。数值研究表明，本发明的具有内凹型密封齿的迷宫密封结构经过合理的参数设计后可以使得密封有效阻尼项穿越频率降低6.4％以上。

权利要求

1.一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构，其特征在于，该迷宫密封结构包括等间距设置在密封静子(2)的若干内凹型密封齿(3)，内凹型密封齿(3)与密封转子(1)构成的流动通道能够改变不同涡动频率下气流作用在密封转子上的激振力响应，每个内凹型密封齿(3)的截面外轮廓包括平行设置的齿顶直线段和齿根直线段，且内凹型密封齿(3)的齿顶宽度(5)小于齿根宽度(4)，齿顶直线段和齿根直线段的两端均通过对称设置的垂直过渡直线段、内凹圆弧(16)和切线段(18)相连，切线段(18)与对应的内凹圆弧所在圆(17)相切，其中垂直过渡直线段的长度，即内凹圆弧与齿顶的垂直过渡距离(7)为0.05mm-0.1mm。

2.根据权利要求1所述的一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构，其特征在于，内凹型密封齿(3)的齿顶宽度(5)小于齿根宽度(4)的一半。

3.根据权利要求1所述的一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构，其特征在于，内凹圆弧(16)的圆心(14)位于喉部截面等高线(11)上。

4.根据权利要求3所述的一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构，其特征在于，内凹圆弧(16)的圆心(14)位于喉部截面与垂直过渡直线段的端点连线(12)的中垂线(13)上，即圆心(14)为喉部截面等高线(11)和中垂线(13)的交点。

5.根据权利要求1所述的一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构，其特征在于，内凹型密封齿(3)的喉部截面以下圆弧所对应的圆弧角度(15)小于或等于90°。

6.根据权利要求1所述的一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构，其特征在于，该内凹型密封齿(3)应用于直通式迷宫密封、向前阶梯式迷宫密封、向后阶梯式迷宫密封以及交错式迷宫密封的密封静子(2)上。

说明书

一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构

技术领域

[0001] 本发明属于叶轮机械技术领域，尤其涉及一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构。

背景技术

[0002] 在蒸汽轮机、燃气轮机、泵和压气机等叶轮机械中，旋转密封安装在旋转部件和静止部件之间，主要承担着控制通过动静间隙从高压区向低压区的泄漏流动的作用。目前常用的旋转密封结构有迷宫密封、蜂窝密封、孔型密封、袋型阻尼密封和刷式密封，而迷宫密封由于其可靠的封严性能、相对较低的制造成本、安装方便以及安装时允许旋转部件和静止部件不严格对中等优点而在透平机械通流动静间隙控制中得到广泛应用。

[0003] 研究结果表明，迷宫密封具有很好的封严性能，然而高压高转速下密封腔室内产生的非定常气流激振力容易诱发转子失稳，进而限制了迷宫密封在工业运用中的进一步发展。目前，工程中针对迷宫密封引起转子失稳的问题，主要有两种方式解决：一是将迷宫密封更换为转子稳定性性能更加优良的阻尼密封，如蜂窝密封、孔型密封、袋型阻尼密封；二是在密封进口处安装一种能够抑制腔室气流周向流动的防旋板结构或者引入能够产生与腔室内气流周向流动方向相反流动的射流槽来增强转子稳定性。然而这些解决迷宫密封转子失稳问题方法所要求的结构设计相对复杂，已经掩盖了迷宫密封制造安装简单的优点，因此，如果存在一种新型迷宫密封结构能够兼顾密封泄漏量和转子稳定性的要求，并且保留迷宫密封制造安装简单方便的优点，那么将势必推广迷宫密封在工程实际中的应用范围，具有重要的工程意义。

发明内容

[0004] 本发明针对叶轮机械中已经得到大量工业应用的迷宫密封增强转子稳定性的要求，提出一种新型迷宫密封结构，尤其是一种具有能够提高密封转子稳定性的内凹型密封齿的迷宫密封结构。研究表明，这种内凹型密封齿能够改变不同涡动频率下气流作用在密封转子上的激振力响应，增强密封有效阻尼的频率相关性，降低密封有效阻尼项穿越频率，从而提高密封安全稳定运行的频率范围，达到增加密封转子稳定性的目的。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

[0006] 一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构，该迷宫密封结构包括等间距设置在密封静子的若干内凹型密封齿，内凹型密封齿与密封转子构成的流动通道能够改变不同涡动频率下气流作用在密封转子上的激振力响应，每个内凹型密封齿的截面外轮廓包括平行设置的齿顶直线段和齿根直线段，且内凹型密封齿的齿顶宽度小于齿根宽度，齿顶直线段和齿根直线段的两端均通过对称设置的垂直过渡直线段、内凹圆弧和切线段相连，切线段与对应的内凹圆弧所在圆相切。

[0007] 本发明进一步的改进在于，内凹型密封齿的齿顶宽度小于齿根宽度的一半。

[0008] 本发明进一步的改进在于，垂直过渡直线段的长度，即内凹圆弧与齿顶的垂直过渡距离为0.05mm-0.1mm。

[0009] 本发明进一步的改进在于，内凹圆弧的圆心位于喉部截面等高线上。

[0010] 本发明进一步的改进在于，内凹圆弧的圆心位于喉部截面与垂直过渡直线段的端点连线的中垂线上，即圆心为喉部截面等高线和中垂线的交点。

[0011] 本发明进一步的改进在于，内凹型密封齿的喉部截面以下圆弧所对应的圆弧角度小于或等于90°。

[0012] 本发明进一步的改进在于，该内凹型密封齿应用于直通式迷宫密封、向前阶梯式迷宫密封、向后阶梯式迷宫密封以及交错式迷宫密封的密封静子上。

[0013] 本发明具有以下有益的技术效果：

[0014] 本发明提供的能够提高转子稳定性的迷宫密封结构，核心在于密封齿采用具有一定半径的圆弧进行内凹设计的。这种内凹型密封齿与转子壁面构成的流动通道能够改变不同涡动频率下气流作用在密封转子上的激振力响应，增强密封有效阻尼的频率相关性，降低密封有效阻尼项穿越频率，从而提高密封安全稳定运行的频率范围，达到增加密封转子稳定性的目的。另一方面，本发明的内凹型密封齿不涉及密封间隙，因此，密封良好的封严性能仍然可以通过控制密封间隙得到保证。综合考虑，本发明的具有内凹型密封齿的迷宫密封结构能够兼顾密封泄漏量和转子稳定性的要求，并且保留迷宫密封制造安装简单方便的优点，势必将推广迷宫密封在工程实际中的应用范围，具有重要的工程意义。

附图说明

[0015] 图1是设计的内凹型密封齿迷宫密封二维剖面结构；

[0016] 图2是内凹型密封齿的局部放大图；

[0017] 图3是带有内凹型密封齿的向前阶梯式迷宫密封的二维剖面结构

[0018] 图4是带有内凹型密封齿的向后阶梯式密封的二维剖面结构；

[0019] 图5是带有内凹型密封齿的交错式迷宫密封二维剖面结构。

[0020] 图中：1为密封转子；2为密封静子；3为内凹型密封齿；4为齿根宽度；5为齿顶宽度；6为密封间隙；7为内凹圆弧与齿顶的垂直过渡距离；8为喉部截面；9为喉部截面高度；10为喉部截面宽度；11为喉部截面等高线；12为喉部截面与垂直过渡直线段的端点连线；13为中垂线；14为圆心；15为喉部截面以下圆弧所对应的圆弧角度；16为内凹圆弧；17为内凹圆弧所在圆；18为切线段；19为喉部截面端点；20为垂直过渡直线段端点；21为圆弧切点。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图对本发明进行详细描述。

[0022] 参见图1，本发明提供的一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构，其核心在于内凹型密封齿3采用具有一定半径的内凹圆弧16进行内凹设计完成的，包括等间距设置在密封静子2的若干内凹型密封齿3，内凹型密封齿3与密封转子1构成的流动通道能够改变不同涡动频率下气流作用在密封转子上的激振力响应，每个内凹型密封齿3的截面外轮廓包括平行设置的齿顶直线段和齿根直线段，且齿顶宽度5小于齿根宽度4，齿顶直线段和齿根直线段的两端均通过对称设置的垂直过渡直线段、内凹圆弧16和切线段18相连，切线段18与对应的内凹圆弧所在圆17相切。

[0023] 参见图2，所述内凹型密封齿3的内凹圆弧与齿顶的垂直过渡距离7在设计时应尽可能的小，从而能够忽略对密封气流流动的影响，本发明中选为0.05mm-0.1mm。

[0024] 参加图2，根据数学关系可以知道，当两圆外离时，通过两圆圆心的直线距离最短。因此，所述内凹型密封齿3的内凹圆弧16的圆心14位于喉部截面等高线11上。

[0025] 参见图2，所述内凹型密封齿3的喉部截面宽度10需要通过强度计算分析获得。

[0026] 参见图2，所述内凹型密封齿3的内凹圆弧16是基于喉部截面高度9、内凹圆弧与齿顶的垂直过渡距离7以及齿顶宽度5进行确定的。根据数学关系可以知道，通过喉部截面端点19和垂直过渡直线段端点20的内凹圆弧16的圆心14应位于喉部截面与垂直过渡直线段的端点连线12的中垂线13上。另一方面，圆心14同样位于喉部截面等高线11上。因此，喉部截面等高线11和中垂线13的交点就是圆心14。然后基于圆心14和喉部截面端点19和垂直过渡直线段端点20便可以作出内凹圆弧所在圆17。然后作过齿根端点作与内凹圆弧所在圆17相切的切线段18，得到圆弧切点21的位置。垂直过渡直线段端点20与圆弧切点21之间的圆弧就是内凹圆弧16。

[0027] 参见图2，所述内凹型密封齿3的齿顶宽度5小于齿根宽度4的一半。

[0028] 参见图2，所述内凹型密封齿3的喉部截面以下圆弧所对应的圆弧角度15小于或等于90°。

[0029] 参见图1、图2，所述内凹型密封齿3的结构设计与密封间隙6互不影响，因此，所述具有内凹型密封齿的迷宫密封优越的封严性能仍然可通过控制密封间隙6得到保证。

[0030] 参见图3至图5，所述内凹型密封齿3不仅可应用于直通式迷宫密封，也可用于向前阶梯式迷宫密封、向后阶梯式迷宫密封、交错式迷宫密封等密封的密封静子2上。

[0031] 本发明的技术原理如下：

[0032] 本发明提供的能够提高转子稳定性的迷宫密封结构，核心在于其密封齿3采用具有一定半径的内凹圆弧16进行设计，而内凹圆弧16是基于喉部截面高度9、内凹圆弧与齿顶的垂直过渡距离7以及齿顶宽度5进行确定的。这种内凹型密封齿3与密封转子1构成的流动通道能够改变不同涡动频率下气流作用在密封转子上的激振力响应，增强密封有效阻尼的频率相关性，降低密封有效阻尼项穿越频率，从而提高密封安全稳定运行的频率范围，达到增加密封转子稳定性的目的。另一方面，本发明的内凹型密封齿3结构设计不涉及到密封间隙6，因此，密封良好的封严性能仍然可以通过控制密封间隙6得到保证。综合考虑，本发明的具有内凹型密封齿3的迷宫密封结构能够兼顾密封泄漏量和转子稳定性的要求，并且保留迷宫密封制造安装简单方便的优点，势必将推广迷宫密封在工程实际中的应用范围，具有重要的工程意义。数值研究表明，本发明的具有内凹型密封齿3的迷宫密封结构经过合理的参数设计后可以使得密封有效阻尼项穿越频率降低6.4％以上。