一种带刷式密封条的迷宫密封结构的制作方法

本发明属于旋转机械密封技术领域，具体涉及一种在周向装配具有止旋和抑振作用的带刷式密封条的迷宫密封结构。

背景技术

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，控制通过动静间隙从高压区向低压区的泄漏流动，对叶轮机械运行效率具有显著地影响。现有技术中，迷宫密封结构简单、成本低廉、便于工程应用，是叶轮机械领域最常见的密封形式。

旋转密封在控制泄漏流动的同时，还会产生非定常流体激振力，影响转子系统的稳定性。图1a和图1b给出了一种传统直通型迷宫密封结构，迷宫密封的环形腔室是周向连续的，流体在高速旋转的转子面粘性摩擦力作用下产生周向旋流速度，转速越大旋流越强烈。因此，迷宫密封在高转速下易引起叶轮机械转子系统失稳。目前工程中常通过更换先进的旋转阻尼密封件、调整密封动静间隙、安装止旋装置改善来流条件等措施来解决。

如图1c所示，工程应用中可在传统迷宫密封周向加传统周向挡板的方法减小气流周向速度，进而减小转子振动幅值，但为防止与转子碰磨，所有静子件与转子径向间隙较大，并不能很好地消除转子面附近由于转子高速旋转带来的周向旋流速度。

此外，刷式密封泄漏量仅为迷宫密封的1/5～1/10。刷式密封已经应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮机械领域。

因此，研发能够有效减小密封腔室内正向旋流速度的新型迷宫密封对改善密封转子动力特性、提高转子稳定性具有重要的工程应用价值。

技术实现要素：

本发明针对叶轮机械转子系统对降低泄漏量、改善密封转子动力特性和提高转子稳定性的要求，提供了一种带刷式密封条的迷宫密封结构，使其能够有效地减小密封腔室正向旋流速度、增大旋转密封的有效阻尼，并降低密封泄漏量，从而提高转子系统稳定性和密封封严性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种带刷式密封条的迷宫密封结构，该迷宫密封结构包括去除刷式密封条后的迷宫密封和刷式密封条，去除刷式密封条后的迷宫密封用于套装在转子的周向上，且与转子支架留有迷宫齿与转子径向间隙，去除刷式密封条后的迷宫密封包括密封体以及设置在密封体内侧的迷宫齿，刷式密封条沿轴向装配于去除刷式密封条后的迷宫密封内侧开设的刷式密封槽内，并沿轴向贯穿密封体，且若干刷式密封条沿去除刷式密封条后的迷宫密封周向等弧度布置，形成带刷式密封条的迷宫密封。

本发明进一步的改进在于，刷式密封条的条数为4、6或8。

本发明进一步的改进在于，单条刷式密封条包括刷丝束、前挡板和后挡板，前挡板位于转子转动方向上游，后挡板位于转子转动方向下游，刷丝束由前挡板和后挡板固定，刷丝束的刷丝采用直径为0.05～0.15mm的耐高温钴基合金丝。

本发明进一步的改进在于，刷丝束与转子之间设有一小于刷式密封条后挡板与转子径向间隙的刷丝束与转子径向间隙或者刷丝束与转子径向干涉量。

本发明进一步的改进在于，刷丝束与转子径向间隙或者刷丝束与转子径向干涉量均小于0.2mm。

本发明进一步的改进在于，刷式密封条前挡板与转子径向间隙大于刷式密封条后挡板与转子径向间隙，刷式密封条后挡板与转子径向间隙不大于传统周向挡板与转子之间的径向间隙，且和迷宫齿与转子径向间隙一致。

本发明进一步的改进在于，刷式密封条的后挡板上开设有环形减压槽。

本发明进一步的改进在于，刷式密封条轴向宽度与迷宫密封轴向宽度一致。

本发明进一步的改进在于，刷式密封条采用紧固螺栓沿轴向固定于迷宫密封的刷式密封槽内。

本发明进一步的改进在于，刷式密封槽与转子径向的夹角为刷式密封槽与转子径向夹角，取值范围为30°～60°，刷式密封条与转子径向的夹角为刷式密封条与转子径向夹角，取值范围为30°～60°，且满足刷式密封槽与转子径向夹角等于刷式密封条与转子径向夹角。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明将刷式密封条沿轴向装配于去除刷式密封条后的迷宫密封内侧的刷式密封槽，并沿轴向贯穿密封体，且沿去除刷式密封条后的迷宫密封周向等弧度布置刷式密封条，条数为4,6,8等。这样刷式密封条作为周向挡板阻碍流体周向流动，相比传统非接触阻尼密封与转子间隙较大的特点，刷丝束与转子间隙很小或者直接接触并有一定干涉量，可更有效减小沿轴向整个密封腔室内流体正向旋流速度，达到改善旋转密封转子动力特性、增强转子稳定性的目的。

进一步，单条刷式密封条前挡板位于转子转动方向上游，后挡板位于转子转动方向下游，刷丝束由前挡板和后挡板固定，刷丝束与转子之间设有一小于刷式密封条后挡板与转子径向间隙的刷丝束与转子径向间隙或者刷丝束与转子径向干涉量。且刷丝束与转子径向间隙或者刷丝束与转子径向干涉量均小于0.2mm。当转子旋转引起的转子壁面附近周向流动的气流流经刷丝束时，刷丝束对气流产生明显的阻碍作用，使得气流周向速度减弱，密封转子动特性得到改善。

进一步，刷式密封条前挡板与转子径向间隙大于刷式密封条后挡板与转子径向间隙，这样的结构可在刷丝束中产生明显的径向气流，径向气流使得刷丝与转子保持良好贴合或者保持较小间隙，以维持对气流的周向阻力。同时刷式密封条的后挡板与转子径向间隙不大于传统周向挡板与转子之间的径向间隙，优选设计成和迷宫齿与转子径向间隙一致，这样的设计可以进一步增大在后挡板高度以上区域对周向流动气流的阻力，进一步改善密封转子动特性。

进一步，单条刷式密封条的后挡板存在环形减压槽，可降低刷丝束的迟滞效应，使得刷式束能够在转子偏心移动时，很好地跟随转子径向移动，从而保证刷丝与转子保持良好贴合或者保持较小间隙，以维持对气流的周向阻力。

进一步，单条刷式密封条采用紧固螺栓沿轴向固定于去除刷式密封条后的迷宫密封的刷式密封槽内，可使得刷式密封条和去除刷式密封条后的迷宫密封单独加工，便于批量生产，同时当刷式密封条的刷丝束出现磨损需要更换时，也可便捷更换。

进一步，刷式密封条与转子径向夹角为30°～60°，可使得刷丝束在转子发生径向偏移时产生弹性退让，避免刷丝过度磨损。

此外，刷式密封泄漏量仅为迷宫密封的1/5～1/10，因此本发明一种带刷式密封条的迷宫密封相比原设计迷宫密封泄漏量更小。

附图说明

图1a是现有技术中的传统迷宫密封径向截面示意图；

图1b是现有技术中的传统迷宫密封三维结构图；

图1c是现有技术中的带传统周向挡板的迷宫密封三维结构图；

图2是本发明带刷式密封条的迷宫密封三维结构图；

图3是本发明去除带刷式密封条后的迷宫密封三维结构图；

图4是图3沿a-a线剖视图的局部放大图；

图5是本发明去除带刷式密封条后的迷宫密封轴向截面示意图；

图6是本发明带刷式密封条的迷宫密封轴向截面示意图，其中，图6(b)为图6(a)的局部放大图；

图7是本发明刷式密封条和迷宫密封装配示意图(轴向)；

图8是本发明刷式密封条轴向截面结构示意图；

图9是图8的b向视图；

图10是本发明刷式密封条的刷丝束和转子相对位置图其中，图10(a)为有径向间隙，图10(b)为有径向干涉量。

其中：1为传统迷宫密封；1a为带传统周向挡板的迷宫密封；2为迷宫齿；2a为迷宫齿与转子径向间隙；2b为传统周向挡板；3为转子；4为密封体；5为带刷式密封条后的迷宫密封；6为刷式密封条；7为刷式密封槽；8为去除带刷式密封条后的迷宫密封；9a迷宫密封装配螺纹孔；9b为刷式密封条装配螺纹孔；10a为刷式密封槽与转子径向夹角；10b为刷式密封条与转子径向夹角；11为前挡板；12为后挡板；13为刷丝束；14为转子径向；15为环形减压槽；16a为迷宫密封轴向宽度；16b为刷式密封条轴向宽度；17为紧固螺栓；18a为刷丝束顶部切向；18b为转子各位置切向；19a为刷丝束与转子径向间隙；19b为刷丝束与转子径向干涉量；20为刷式密封条后挡板与转子径向间隙；21为刷式密封条前挡板与转子径向间隙；22为前挡板顶部切向；23为后挡板顶部切向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。以下实施仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。

本发明的具体结构参见附图2～10：

参见图2，本发明提供的一种带刷式密封条的迷宫密封结构，该迷宫密封结构包括去除刷式密封条后的迷宫密封8和刷式密封条6，去除刷式密封条后的迷宫密封8用于套装在转子3的周向上，且与转子3支架留有间隙2a，去除刷式密封条后的迷宫密封8包括密封体4以及设置在密封体4内侧的迷宫齿2，本发明将刷式密封条6沿轴向安装于去除刷式密封条后的迷宫密封8的刷式密封槽7，得到带刷式密封条后的迷宫密封5；迷宫密封轴向宽度16a根据实际设计。

参见图3、图4、图5，本发明中的去除刷式密封条后的迷宫密封8是在传统迷宫密封1周向上等弧度加工轴向贯通的刷式密封槽7，刷式密封槽7的个数为4,6,8等。

参见图3和图4，每条刷式密封槽7上开设有迷宫密封装配螺纹孔9a，每条刷式密封槽7上迷宫密封装配螺纹孔9a沿轴向数量为3,6,9等。

参见图5，刷式密封槽7与转子径向14夹角为刷式密封槽与转子径向夹角10a，取值范围为30°～60°。

参见图6、图7，本发明中带刷式密封条后的迷宫密封5周向安装有刷式密封条6，刷式密封条6的数量与去除刷式密封条后的迷宫密封8上的刷式密封槽7数量一致，本发明中的刷式密封条6与去除刷式密封条后的迷宫密封8通过紧固螺栓17固定。

参见图6，刷式密封条6与转子径向14的夹角为刷式密封条与转子径向夹角10b，取值范围为30°～60°，且与图5中的刷式密封槽与转子径向夹角10a一致。

参见图8，本发明中刷式密封条6由前挡板11和后挡板12及刷丝束13构成，前挡板11位于转子3转动方向上游，后挡板12位于转子3转动方向下游，刷丝束13由前挡板11和后挡板12固定，刷丝束13中的刷丝采用0.05～0.15mm耐高温钴基合金，后挡板12上开设有环形减压槽15。

参见图9，本发明中刷式密封条6为长条状，沿轴向布置有刷式密封条装配螺纹孔9b，且刷式密封条装配螺纹孔9b的数量与图3中刷式密封槽7上的迷宫密封装配螺纹孔9a的数量和孔径一致。

参见图9，刷式密封条轴向宽度16b与图2中迷宫密封轴向宽度16a一致。

参加图10a、图10b，刷丝束13与转子3存在刷丝束与转子径向间隙19a或者存在刷丝束与转子径向干涉量19b，刷丝束与转子径向间隙19a的取值小于迷宫齿与转子径向间隙2a，也小于传统周向挡板2b与转子3之间的径向间隙，刷丝束与转子径向间隙19a和刷丝束与转子径向干涉量19b取值范围为0～0.2mm。

参加图10(a)、图10(b)，后挡板12和前挡板11与转子3分别有刷式密封条后挡板与转子径向间隙20和刷式密封条前挡板与转子径向间隙21，刷式密封条前挡板与转子径向间隙21比刷式密封条后挡板与转子径向间隙20略大，刷式密封条后挡板与转子径向间隙20不大于图1c中传统周向挡板2b与转子3之间的径向间隙，作为优选，可设计成和迷宫齿与转子径向间隙2a一致。

本发明的技术原理如下：

参见图1，在叶轮机械中，由于转子3的旋转，以及进入传统迷宫密封1的进口气流具有与转子3旋转方向相同的周向预旋速度，密封腔室内存在与转子3旋转方向相同的周向速度。研究表明：密封腔室内的周向气流会增大密封的交叉刚度，减小有效阻尼，使转子发生振动失稳；通过减小密封密封腔室内正向旋流速度可增大旋转密封的有效阻尼，增强转子系统的稳定性。针对传统周向挡板与转子3径向间隙较大的弊端，本发明采用刷式密封条6作为周向挡板，刷丝束13与转子3间隙很小或者直接接触并有一定干涉量，可有效减小密封腔室内流体正向旋流速度，达到改善旋转密封转子动力特性、增强转子稳定性的目的。同时，前挡板11比后挡板12略高，产生的径向气流能够使得刷丝与转子保持良好贴合或者保持较小间隙，以维持对气流的周向阻力；刷式密封条后挡板上的环形减压槽15可降低刷丝束13的迟滞效应，使得刷式束13能够在转子3偏心移动时，很好地跟随转子3径向移动，从而保证刷丝与转子保持良好贴合或者保持较小间隙，以维持对气流的周向阻力。

此外，刷式密封泄漏量仅为迷宫密封的1/5～1/10，因此所述一种带刷式密封条的迷宫密封相比原设计迷宫密封泄漏量更小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明技术原理前提下，可做若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。