用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮-密封结构

摘要

本发明公开了一种用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮‑密封结构，包括静叶、动叶、壳体、轮背、轮盖、密封转子和密封静子；其中，若干静叶固定于壳体内壁上，并均匀分布在叶轮周边，若干动叶均匀布置在轮背正面；轮盖与静叶紧密贴合，形成静叶流道；轮盖与动叶间隙配合，形成动叶流道；轮盖前端延伸段构成出汽腔室；密封转子布置于轮背背面，密封静子固定于壳体上，密封转子与密封静子共同形成一体式叶轮‑密封结构；在密封转子与密封静子之间以及轮背与密封静子和壳体之间共同形成泄露间隙。本发明具有磨损影响小、耐高温高压的优点，是一种结构简单、安全性和经济性高、可平衡轴向推力的叶轮‑密封一体式结构，具有广阔的应用前景。

权利要求

1.用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮-密封结构，其特征在于，包括静叶(1)、动叶(2)、壳体(3)、轮背(4)、轮盖(5)、密封转子(8)和密封静子(10)；其中，若干静叶(1)固定于壳体(3)内壁上，并均匀分布在叶轮周边，若干动叶(2)均匀布置在轮背(4)正面；轮盖(5)与静叶(1)紧密贴合，形成静叶流道；轮盖(5)与动叶(2)间隙配合，形成动叶流道；轮盖(5)前端延伸段构成出汽腔室(6)；密封转子(8)布置于轮背(4)背面，密封静子(10)固定于壳体(3)内壁上，密封转子(8)与密封静子(10)无间隙配合，共同形成一体式叶轮-密封结构；在密封转子(8)与密封静子(10)之间以及轮背(4)与密封静子(10)和壳体(3)之间共同形成泄露间隙(7)；

密封转子(8)采用轴向锥形凸台结构，密封转子(8)与轮背(4)连接处的根部直径和轮背(4)外径之比为0.2～0.8，密封转子(8)的顶部直径与根部直径之比为0.3～0.7，密封转子(8)的轴向长度与轮背(4)外径之比为0.3～0.7；

密封转子(8)表面布置有密封齿(9)，密封齿(9)的布置个数为4～15个，密封齿(9)的齿厚与齿高之比在0.1～2之间；

密封静子(10)采用可更换结构，通过定位销(11)固定于壳体(3)上，密封静子(10)采用阶梯式结构，阶梯数与密封齿(9)的个数相对应，相邻阶梯的高度差为密封齿(9)齿高的0.1～0.5，密封静子(10)采用耐高温石墨材料制成。

2.根据权利要求1所述的用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮-密封结构，其特征在于，密封齿(9)包括高低齿、斜平齿、侧齿及纵树形结构。

3.根据权利要求1所述的用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮-密封结构，其特征在于，定位销(11)数量为2～8个。

说明书

用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮-密封结构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种叶轮机械密封结构，特别涉及一种用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮-密封结构。

背景技术

[0002] 与轴流式叶轮机械相比，径流式叶轮机械具有结构紧凑、制造工艺简单、造价低廉，以及在流量较小时的设计条件下仍可获得较高效率等优点。因此，随着工程技术的迅速发展，径流式叶轮机械被广泛运用于中、小功率的动力装置。迷宫式密封是一种传统的密封方式，由于其具有结构简单、成本较低等诸多优点，现在仍然是叶轮机械广泛应用的密封方式。

[0003] 通常径流式叶轮机械具有尺寸小、转速高的特点，在某些应用场景中其设计转速甚至高达每分钟十几万转。在高转速的条件下，普通轴端密封装置已经不能满足密封性和安全性的需求。理论上为了减小漏气损失，会尽量减小密封齿与转子表面的径向间隙，但在机组启动和停机通通过临界转速时时，转子的振动幅度加大，特别是转子中部的振幅最大，当转子的振动幅度超过密封间隙值，就会与密封齿发生碰磨。碰磨将使密封齿尖端磨损、变形甚至失去密封作用，碰磨瞬间在密封齿和转轴接触处将产生大量热量，使转子表面局部过热，有可能造成转轴弯曲的严重事故。特别的，当叶轮机械内的工质温度和压力很高时，静子与转子发生胀差，密封齿相对于凸台的位置发生变化。同时，较大的轴向投影面积将会产生巨大的轴向推力载荷，进而产生轴向窜动。这将使得漏气量增加，甚至破坏轴端密封，整个动力装置的密封性和安全性受到严重影响。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮-密封结构，其具有磨损影响小、耐高温高压的优点，是一种结构简单、安全性和经济性高、可平衡轴向推力的叶轮-密封一体式结构，具有广阔的应用前景。

[0005] 本发明采用如下技术方案来实现的：

[0006] 用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮-密封结构，包括静叶、动叶、壳体、轮背、轮盖、密封转子和密封静子；其中，

[0007] 若干静叶固定于壳体内壁上，并均匀分布在叶轮周边，若干动叶均匀布置在轮背正面；轮盖与静叶紧密贴合，形成静叶流道；轮盖与动叶间隙配合，形成动叶流道；轮盖前端延伸段构成出汽腔室；密封转子布置于轮背背面，密封静子固定于壳体内壁上，密封转子与密封静子无间隙配合，共同形成一体式叶轮-密封结构；在密封转子与密封静子之间以及轮背与密封静子和壳体之间共同形成泄露间隙。

[0008] 本发明进一步的改进在于，密封转子采用轴向锥形凸台结构，密封转子与轮背连接处的根部直径和轮背外径之比为0.2～0.8，密封转子的顶部直径与根部直径之比为0.3～0.7，密封转子的轴向长度与轮背外径之比为0.3～0.7。

[0009] 本发明进一步的改进在于，密封转子表面布置有密封齿，密封齿的布置个数为4～15个，密封齿的齿厚与齿高之比在0.1～2之间。

[0010] 本发明进一步的改进在于，密封齿包括高低齿、斜平齿、侧齿及纵树形结构。

[0011] 本发明进一步的改进在于，密封静子采用可更换结构，通过定位销固定于壳体上，密封静子采用阶梯式结构，阶梯数与密封齿的个数相对应，相邻阶梯的高度差为密封齿齿高的0.1～0.5。

[0012] 本发明进一步的改进在于，密封静子采用耐高温石墨材料制成。

[0013] 本发明进一步的改进在于，定位销数量为2～8个。

[0014] 本发明具有如下有益的技术效果：

[0015] 1、本发明设计合理，结构简单，成本较低，安装方便、可靠性较好、适应于恶劣的工作环境，解决了径流式叶轮机械密封结构的安全性和密封性的难题；

[0016] 2、密封静子与密封转子之间采用“零间隙、磨损影响小”设计结构，允许密封转子在转动中对密封静子进行磨损，从而使密封中形成的泄露截面最小化，使叶轮动静部分的泄露间隙成为自适应的高阻尼、低流量系数的流动通道，有效降低了漏气损失，密封性能优于普通的轴端密封；

[0017] 3、当机组启动和停机通过临界转速时、运行故障或长时间运行产生密封磨损时，只需简单地更换廉价的密封静子，密封转子不受影响，经济性高。同时，与传统密封结构相比，由于密封静子采用石墨材料，相对轴系材料硬度较低，消除了轴系振动时与密封结构碰磨产生的安全性问题。

[0018] 4、密封结构位于叶轮背面，减小了叶轮背面受力的轴向投影面积，通过设计密封尺寸使得叶轮背面与叶轮正面受力相当，有效平衡了叶轮的轴向推力，提高了运行的安全可靠性，也更有利于轴承的选型；

[0019] 5、叶轮背部的密封凸台结构大大增加了叶轮轮毂的轴向尺寸，提高了叶轮工作时的强度和安全性，可以使径流式叶轮机械在更加恶劣的高温高压环境下正常运行。

[0020] 6、本发明这种叶轮-密封结构具有较好的加工一体性，加工容易，更具可实施性。

附图说明

[0021] 图1为本发明用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮-密封结构的轴向剖视图；

[0022] 图2为本发明密封转子与密封静子之间的“零间隙、磨损影响小”设计结构示意图；

[0023] 图3为本发明静叶和一体式叶轮-密封结构三维示意图；

[0024] 附图标记说明：

[0025] 1、静叶，2、动叶，3、壳体，4、轮背，5、轮盖，6、出汽腔室，7、泄露间隙，8、密封转子，9、密封齿，10、密封静子，11、定位销。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0027] 如图1至图3所示，本发明提供的用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮-密封结构，包括静叶1、动叶2、壳体3、轮背4、轮盖5、出汽腔室6、泄露间隙7、密封转子8、密封齿9、密封静子10和定位销11。其中，若干静叶1固定于壳体3内壁上，并均匀分布在叶轮周边，若干动叶2均匀布置在轮背4正面。轮盖5与静叶1紧密贴合，形成静叶流道；轮盖5与动叶2间隙配合，形成动叶流道；轮盖5前端延伸段构成圆柱体出汽腔室6。密封转子8布置于轮背
4背面，密封静子10固定于壳体3内壁上，密封转子8与密封静子10共同形成一体式叶轮-密封结构；在密封转子8与密封静子10之间以及轮背4与密封静子10和壳体3之间共同形成泄露间隙7。

[0028] 密封转子8采用轴向锥形凸台结构，密封转子8与轮背4连接处的根部直径和轮背4外径之比为0.2～0.8，密封转子8的顶部直径与根部直径之比为0.3～0.7，密封转子8的轴向长度与轮背4外径之比为0.3～0.7。密封转子8表面布置有密封齿9，密封齿9包括高低齿、斜平齿、侧齿及纵树形等多种结构形式，密封齿9的布置个数为4～15个，密封齿9的齿厚与齿高之比在0.1～2之间。密封静子10采用可更换结构，通过定位销11固定于壳体3上，定位销11数量为2～8个，密封静子10采用阶梯式结构，阶梯数与密封齿9的个数相对应，相邻阶梯的高度差为密封齿9齿高的0.1～0.5，采用耐高温石墨材料制成，从而保证密封静子10在工作时的强度和耐磨能力。轮背4与壳体3间隙配合，密封转子8与密封静子10之间采用“零间隙、磨损影响小”的设计结构，密封转子8上的密封齿9与密封静子10的凸台相配合，在叶轮机械高速旋转时，允许密封转子8上的密封齿9在转动中对密封静子10的凸台进行磨损，从而产生自适应间隙，在密封转子8和密封静子10之间形成许多依次排列的环形孔口和环形气室，使得密封转子8和密封静子10之间的泄露截面最小化，与轮背4与壳体3间的泄露截面共同组成叶轮动静部分之间一个自适应的高阻尼、低流量系数的泄露间隙7流动通道，密封性能相较于普通轴端密封更为可靠。

[0029] 以向心透平为例，本发明的原理和过程主要为：

[0030] 运行时，高温高压工质经过静叶流道初步膨胀，降低了一部分压力和温度，转化为具有一定气流角度的高速流动工质。静叶1出口大部分工质沿着主流道进入动叶流道，在动叶流道内充分膨胀，带动动叶2、轮背4和密封转子8旋转做功，在动叶2出口达到设定的低温和低压，随后由出汽腔室6排出工质。静叶1出口小部分工质流入泄露间隙7，该部分泄露工质将直接影响透平的发电效率和运行可靠性，理论上为了减小漏气损失，会尽量减小密封齿9齿尖的径向间隙。为了减小泄露间隙7内的工质流量，密封转子8上的密封齿9与密封静子10的凸台相配合，构成“零间隙、磨损影响小”的叶轮-密封一体式设计结构，允许密封齿9在转动中对密封静子10的凸台进行磨损，在密封转子8和密封静子10之间形成许多依次排列的泄露截面最小化的环形孔口和环形气室。工质经过第一个密封齿9与密封静子10之间的间隙时，通流面积急剧减小，流速増大，工质的压力能转化成动能，形成射流。随后射流进入相邻两密封齿9之间的腔室内形成漩涡，使工质的动能部分转化为热能，降低了工质的流动速度。这样工质经过第一个密封齿9齿尖间隙后，压强降低，这一过程可近似看作节流过程，工质的比焓保持不变。工质经过后面各密封齿9齿尖间隙的热力过程与经过第一密封齿9齿尖间隙时一样，只是焓降越来越大，密封齿9齿尖处的速度也相应地増加。本发明“零间隙、磨损影响小”的叶轮-密封一体式结构使得叶轮动静部分的泄露间隙7成为自适应的高阻尼、低流量系数的流动通道，有效降低了漏气损失，密封性能优于普通的轴端密封。

[0031] 在机组启动和停机通过临界转速时，转子的振动幅度加大，当振动幅度超过密封间隙值，普通的轴端密封就会与密封齿发生碰磨。碰磨将使密封齿尖端磨损、变形甚至失去密封作用，碰磨瞬间在密封齿和转轴接触处将产生大量热量，使转子表面局部过热，有可能造成转轴弯曲的严重事故。而本发明中当机组启动和停机通过临界转速时、运行故障或长时间运行产生密封磨损时，由于密封静子10采用石墨材料制成，相对轴系材料硬度较低，消除了轴系振动时与密封结构碰磨产生的安全性问题。同时，只需简单地更换廉价的密封静子10，密封转子8不受影响，可靠性和经济性大幅提升。除此之外，轮背4背面的密封转子8锥形凸台结构起到了加强筋的作用，提高了叶轮工作时的强度和安全性，可以使径流式叶轮机械在更加恶劣的高温高压环境下正常运行。与此同时，本发明这种叶轮-密封一体式结构可以通过设计密封转子8的尺寸改变轮背4的轴向受力投影面积，使得轮背4背面受力与轮背4正面和动叶2的总受力相当，达到平衡叶轮轴向推力的特殊效果，提高了运行的安全可靠性，也更有利于轴承的选型。本发明这种叶轮-密封一体式结构的加工工艺简单，无需额外配制轴端密封装置，在加工时采用锻件的毛坯形式或者熔模铸造的方式，可以将密封转子8、轮背4和动叶2一同制造。与传统的轴端密封结构相比，该“零间隙、磨损影响小”的叶轮-密封一体式结构对于进一步提升径流式叶轮机械的效率、安全可靠性和经济性具有重要意义。