自适应动压气膜复合叶尖密封装置及其密封方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械密封领域，具体涉及一种自适应动压气膜复合叶尖密封装置及其密封方法，适用于透平机械、压缩机等叶轮机械，特别适用于工作在高压差、高转速、高温环境下的叶轮机械。
【背景技术】
[0002]叶轮机械(蒸汽/燃气透平、航空发动机、压缩机等)动叶与缸壁之间存在相对运动，为避免摩擦，两者之间必须留有一定间隙。介质在叶片通道内流动时，从压力面到吸力面的压差促使一部分流体流进叶顶间隙，形成泄漏流。射流涡、工质在叶顶和端壁壁面处的摩擦以及混合使得工质熵增大，造成工质作功能力降低。泄漏流在沿着叶片吸力面的角落处形成干涉主流流动的泄漏涡，引起下游的不稳定性，增大叶片换热的复杂性以及气动损失。泄漏流和泄漏涡还会产生流体激振力，对叶轮机械的安全运行产生很大危害。
[0003]为了减小泄漏流的危害，人们在传统叶尖梳齿密封基础上提出了很多新的密封型式，如:蜂窝、刷式、柔片、指尖密封等，并取得了一定的效果，尽管如此，这些密封型式普遍存在低泄漏量和高耐磨性之间的矛盾，无法满足叶轮机械在越来越复杂的工作环境下，对气动性能和密封部件性能、寿命的苛刻要求。随着透平、发动机技术的发展，叶尖密封的工作环境越来越恶劣，呈现“三高”的典型特征，即:高压差、高转速和高温环境。例如，汽轮机高压区介质压力达到24 MPa?28 MPa，叶尖处相对滑移速度达到300 m/s以上，这对密封的性能提出了极高要求。改进优化叶尖密封或提出新叶尖密封方法进一步抑制泄漏流，是推动叶轮机械发展的重要手段。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适应动压气膜复合叶尖密封装置及其密封方法。
[0005]技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种自适应动压气膜复合叶尖密封装置，包括转轴、设在转轴上的动叶、设在动叶上的动环、设在动环下方的围带、气缸以及设在气缸内的静环；所述静环通过弹簧固定在气缸内壁，静环下方设有一密封圈与气缸内壁实现气膜密封，静环与动环之间为间隙配合。
[0006]进一步地，所述静环与动环间隙配合的端面上包括一组螺旋槽、与螺旋槽相间布置的密封台以及密封坝。气膜密封静环开设有螺旋形凹槽与密封台和密封坝配合，用于提高气膜刚度及静环跟随性。
[0007]进一步地，所述密封圈为O型密封圈。
[0008]进一步地，所述动环为梳齿密封齿。
[0009]本发明提供的一种自适应动压气膜复合叶尖密封方法，利用围带上动环的端面与静环配合实现自适应气膜密封，工作状态，转轴向一个方向膨胀，弹簧被压缩，动环和静环之间形成自适应气膜气膜密封与梳齿密封同时抑制泄漏流；启动和关闭状态，梳齿密封抑制泄漏流，气膜密封不起作用。
[0010]自适应动压气膜复合叶尖密封方法，包括气膜密封和梳齿密封两部分，结构包括:围带上的梳齿密封齿，与密封齿配合的静环，设在气缸与静环的柔性弹簧及O型密封圈。利用围带上梳齿密封齿的端面与静环配合实现自适应气膜密封。工作状态，气膜密封与梳齿密封同时抑制泄漏流；启动和关闭状态，梳齿密封抑制泄漏流，气膜密封不起作用。
[0011]气膜密封组件在梳齿密封两端对称安装，工作时转轴向一个方向膨胀，则对应侧的气膜密封起作用。当出现异常情况，如甩负荷、水击等情况，转轴向另一个方向膨胀，则对应侧的气膜密封起作用。冷态时，动叶位于气缸中部，气膜密封动静环之间预设间隙，不存在摩擦及开启力。
[0012]有益效果:本发明相对于现有技术而言，具备以下优点:
(I)转速越高、压差越大，气膜越容易形成，特别适用于高压差、高转速、高温环境下的叶轮机械。
[0013](2)叶尖间隙具有自适应跟踪轴向扰动变化能力，气膜间隙只有常规梳齿密封间隙的5%?10%左右，泄漏量小，能够提高叶轮机械的效率及稳定性。
[0014](3)同时复合了梳齿密封和气膜密封的功能。机组启、停机阶段，可以依靠梳齿密封起作用；机组正常运行阶段，气膜密封和梳齿密封同时起作用，气膜密封作用更突出。
【附图说明】
[0015]图1是本发明自适应动压气膜复合叶尖密封结构图。
[0016]图2是本发明静环气膜面展开结构图。
[0017]其中:I是气缸，2是梳齿密封齿(动环)，3是静环，4是弹費，5是O型密封圈，6是围带，7是动叶，8是转轴，9是螺旋槽，10是密封台，11是密封坝。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0019]如图1和图2所示，自适应动压气膜复合叶尖密封结构包括:转轴8和动叶7，围带6上设有动环(梳齿密封齿)2，静环3与动环2的端面配合形成气膜，气缸I与静环3设有弹簧4和O型密封圈5，静环3开设有螺旋槽9、密封台10和密封坝11。
[0020]冷态下，动叶7位于气缸I中部，弹簧4处于自由状态，两端密封动静环之间预设有一定间隙。采取这种设计，密封工作时无需开启力。启动初期，转速较低，轴向间隙较小，动静环之间的间隙较大，主要依靠中间梳齿密封齿2来实现常规密封。启动后，假设热态下转轴8相对气缸I向左侧膨胀，弹簧4被压缩，因为左侧动环2和静环3之间的间隙变小，流体动压效应随端面间隙的减小而迅速增大，左侧端部气膜密封开始起作用。气膜顶升力和弹簧力达到平衡后，左侧密封环达到平衡工作点。高压气流经左侧端部气膜密封后喷射进入中间密封腔，在腔内膨胀耗散，经右侧梳齿密封齿2节流后，由右侧端部密封气膜间隙射出。此状态下，左侧端部气膜和中间梳齿密封同时发挥作用。停机过程中，转轴8相对气缸I向右侧膨胀，左侧端部气膜密封逐步失效，依靠中间梳齿2来密封。异常工况下，如发生甩负荷、水击等事故，转轴8轴向位移可能会出现较大负偏差，此时可以依靠中间梳齿密封和右侧端部气膜来密封。
[0021]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.自适应动压气膜复合叶尖密封装置，其特征在于:包括转轴、设在转轴上的动叶、设在动叶上的动环、设在动环下方的围带、气缸以及设在气缸内的静环；所述静环通过弹簧固定在气缸内壁，静环下方设有一密封圈与气缸内壁实现气膜密封，静环与动环之间为间隙配合。
2.根据权利要求1所述的自适应动压气膜复合叶尖密封装置，其特征在于:所述静环与动环间隙配合的端面上包括一组螺旋槽、与螺旋槽相间布置的密封台以及密封坝。
3.根据权利要求1所述的自适应动压气膜复合叶尖密封装置，其特征在于:所述密封圈为O型密封圈。
4.根据权利要求1所述的自适应动压气膜复合叶尖密封装置，其特征在于:所述动环为梳齿密封齿。
5.一种基于权利要求1所述的自适应动压气膜复合叶尖密封方法，其特征在于:利用围带上动环的端面与静环配合实现自适应气膜密封，工作状态，转轴向一个方向膨胀，弹簧被压缩，动环和静环之间形成自适应气膜气膜密封与梳齿密封同时抑制泄漏流；启动和关闭状态，梳齿密封抑制泄漏流，气膜密封不起作用。
【专利摘要】本发明公开了一种自适应动压气膜复合叶尖密封装置，包括转轴、设在转轴上的动叶、设在动叶上的围带、设在围带上的动环（梳齿密封齿）、气缸以及设在气缸内的静环；所述静环通过弹簧固定在气缸内壁，静环下方设有一密封圈与气缸内壁实现气膜密封，静环与动环之间为间隙配合。本发明转速越高、压差越大，气膜越容易形成，特别适用于高压差、高转速、高温环境下的叶轮机械，叶尖间隙具有自适应跟踪轴向扰动变化能力，气膜间隙只有常规梳齿密封间隙的5%～10%左右，泄漏量小，能够提高叶轮机械的效率及稳定性。
【IPC分类】F01D11-08, F04D29-08
【公开号】CN104819015
【申请号】CN201510157913
【发明人】许万军, 杨建刚, 李新阳
【申请人】东南大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月3日