密封装置及方法与流程

本公开涉及流体机械、能源动力装备和发电系统领域，尤其涉及一种密封装置及方法。

背景技术：

透平机械(turbomachinery)是具有叶片的旋转式流体机械的统称。透平机械的共同特点是装有叶片的转子作高速旋转运动，流体(气体或液体)流经叶片之间通道时，叶片与流体之间产生力的相互作用，借以实现能量转化。按能量转化方向的不同，透平机械分为原动机和从动机。原动机将流体的能量(热能、势能或动能)转化为机械能，通过主轴带动发电机或其他从动机。原动机有汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机和风力机等。从动机由电动机或其他原动机拖动，将机械能转换为流体的能量，即提高流体的压力。从动机有通风机、透平压缩机、离心泵和轴流泵等。从动机和原动机在原理和结构上基本相同，只是工作过程相反。

透平机械的密封设计是设计中非常重要的部分。篦齿密封是普遍使用的一种密封结构。现有的篦齿密封结构一般采用直通型篦齿密封或者普通错齿型密封，会影响轴的刚度以及破坏机械整体的稳定性。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开的目的在于提供一种密封装置及方法，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一方面，提供了一种密封装置，包括：机匣，其内表面上分别设置有至少一层第一阶梯，每层第一阶梯上各有一个第一篦齿；以及轴，沿所述机匣方向放置，其外表面上分别设置有至少一层第二阶梯，每层第二阶梯上各有一个第二篦齿，所述第一篦齿与所述第二篦齿交错分布，且第一篦齿与第二篦齿不接触。

在本公开的一些实施例中，所述第一阶梯与所述第二阶梯的层数相同。

在本公开的一些实施例中，机匣内表面与第二篦齿齿顶对应的位置涂覆有涂层。

在本公开的一些实施例中，所述涂层的材料包括银铜合金、nicral和/或镍石墨。

在本公开的一些实施例中，距离流体入口最远的第一篦齿和第二篦齿之间设置有一个或者多个引射部，通过引射部将流体引射到外部并回收。

在本公开的一些实施例中，各第一篦齿的形状相同，且与各第二篦齿的形状相同。

基于同一构思，本公开还提供了一种密封方法，包括：在机匣的内表面上分别设置至少一层第一阶梯，每层第一阶梯上各有一个第一篦齿；在轴的外表面分别设置至少一层第二阶梯，每层第二阶梯上各有一个第二篦齿；以及将轴沿着机匣的方向放置在机匣中，所述第一篦齿与所述第二篦齿交错分布，且第一篦齿与第二篦齿不接触。

在本公开的一些实施例中，在机匣内表面与第二篦齿齿顶对应的位置涂覆涂层。

在本公开的一些实施例中，距离流体入口最远的第一篦齿和第二篦齿之间设置有一个或者多个引射部，通过引射部将流体引射到外部并回收。

(三)有益效果

本公开的密封装置及方法相较于现有技术，至少具有以下优点其中之一：

(1)本公开提供的密封装置，可以应用于高压高转速流体机械领域，可以实现较好的密封效果且不影响机匣的一体化设计，同时又方便轴和机匣的装配。

(2)本公开是一种通用化设计，可用于各种透平机械，具有广泛的应用前景，符合设计规范，加工工艺和装配易于实现。

附图说明

图1为现有技术的直通型篦齿密封装置的剖面示意图；

图2为现有技术的普通错齿型密封装置的剖面示意图；

图3为本公开实施例的密封装置的剖面示意图；

图4为本公开实施例一具体实施例的密封装置的剖面示意图；

图5为本公开实施例的密封方法的步骤流程示意图。

具体实施方式

图1为现有技术的直通型篦齿密封装置的剖面示意图，如图1所示，在直通型篦齿密封装置中，轴或机匣的表面加工有篦齿结构，利用流体在篦齿齿顶的涡旋消耗流体能量，实现密封效果。虽然其装配方便，但是由于直通型篦齿密封装置一般需要设置多个篦齿，相应的会导致密封段变长，影响轴的刚度，不利于高速转子设计。图2为现有技术的普通错齿型密封装置的剖面示意图，如图2所示，该普通错齿型密封装置中，轴和机匣上都加工有篦齿结构，虽然其密封效果在直通型篦齿密封装置的基础上进一步加强，但这种密封装置在装配时，需要将机匣剖开，因此机匣应设计为分体式才能够实现装配，破坏了机匣一体性进而影响系统的稳定性。由此可见，现有技术的密封装置无法同时具有优良的密封效果和方便装配的结构。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开实施例的一方面，提供了一种密封装置，图3为本公开实施例的密封装置的剖面示意图，如图3所示，该密封装置包括轴和机匣。其中，机匣，其内表面上分别设置有至少一层第一阶梯，每层第一阶梯上各有一个第一篦齿；以及

轴，沿所述机匣方向放置，其外表面上分别设置有至少一层第二阶梯，每层第二阶梯上各有一个第二篦齿，所述第一篦齿与所述第二篦齿交错分布，且第一篦齿与第二篦齿不接触。

一般来说，第一阶梯和第二阶梯的数目相同，也就是说，第一篦齿和第二篦齿的数目相同。根据本公开的一种实施例，为了简便大规模化加工生产，第一篦齿和第二篦齿的形状相同，且它们的排列也是有相同的周期性的，在其他实施例中，第一篦齿和第二篦齿的形状可以不同，其排列也可以不具有周期性，只要保证第一篦齿与第二篦齿交错分布，且第一篦齿和第二篦齿互不接触即可。另外，第一阶梯和第二阶梯的长度没有限制，可以根据结构需要设计成任意长度，为了装配时更简单，第一阶梯和第二阶梯一般选择相同长度。

为了使得本公开的密封性能更佳，在有些实施例中可以在机匣内表面与第二篦齿齿顶对应的位置涂覆涂层，因此各齿顶和与其相对的表面之间的距离更小，密封性更好。其中，涂层的材料可以为银铜合金、nicral和镍石墨。为了防止流体的泄露等问题，还可以在距离叶轮(流体入口)最远的第一篦齿和第二篦齿之间设置一个或者多个引射部，引射部的形状不作要求，可以为圆形孔或者其他形状，可以根据实际需求进行设置。

明显的，与图1所示的直通型篦齿密封装置相比，本公开即图3所示的密封装置阶梯结构在保持方便装配的前提下能够强化密封，在有限长度内提供更好的密封效果。

与图2所示的普通错齿型密封装置相比，图3所示的密封装置具有阶梯结构，能够进一步强化密封，同时不影响机匣的一体化设计，而且装配更为方便。

图4为本公开实施例一具体实施例的密封装置的剖面示意图，如图4所示，以该密封装置的上半部分(机匣1的上内表面与轴2的上外表面之间的部分)为例进行说明，其下半部分(机匣1的下内表面与轴2的下外表面之间的部分)与上半部分对应设置，此处不再赘述。本发明实施例的密封装置的上半部分，包括：机匣1，其内表面上分别设置有篦齿11、12、13，且三个篦齿分别位于三个第一阶梯上，每个第一阶梯各有一个篦齿。也就是说，篦齿11为第一层第一阶梯上的第一篦齿，篦齿12为第二层第一阶梯上的第一篦齿，篦齿13为第三层第一阶梯上的第一篦齿。其上半部分还包括轴2，其外表面上分别设置有篦齿21、22、23，且三个篦齿分别位于三个第二阶梯上，每个第二阶梯各有一个篦齿，即篦齿21为第一层第二阶梯上的第二篦齿，篦齿22为第二层第二阶梯上的第二篦齿，篦齿23为第三层第二阶梯上的第二篦齿。机匣上篦齿与轴上篦齿交错分布，篦齿11和篦齿21、篦齿12和篦齿22、篦齿13和篦齿23相配合形成错齿结构。由此可见，机匣1与轴2的阶梯的层数相同且为3，因此构成了三层阶梯的交错篦齿结构。

根据本发明的一种实施例，可以在机匣内表面与第二篦齿21、22和23的齿顶对应的位置涂覆涂层，因此各齿顶和与其相对的机匣内表面之间的距离更小，密封性更好。

距离叶轮3(流体入口)最远的第一篦齿13和第二篦齿23之间的部分设置有一个或者多个引射部4(例如引射孔，其形状不作限制，可以根据实际需求进行设置)，以将流体引射到外部并回收。

本公开实施例的另一方面，还提供了一种密封方法，图4为本公开实施例的密封方法的步骤流程示意图，如图4所示，该密封方法包括：

步骤s1、在机匣的相对的内表面上分别设置至少一层第一阶梯，每层第一阶梯上各有一个第一篦齿；

具体地，可以通过车床等对机匣内表面实施切削或者铣削等工艺，从而得到内表面具有阶梯篦齿结构的机匣。

步骤s2、在轴的相对的外表面分别设置至少一层第二阶梯，每层第二阶梯上各有一个第二篦齿；

同样，可以通过车床等对轴实施切削或者铣削等工艺，在轴的外表面进行处理，得到外表面具有阶梯篦齿结构的轴。

其中，第一阶梯和第二阶梯的数量没有限制，可以根据实际密封需求设计成任意数量，另外，阶梯长度没有限制，可以根据结构需要设计成任意长度。

步骤s3、将轴沿着机匣的方向放置在机匣中，所述第一篦齿与所述第二篦齿交错分布，且第一篦齿与第二篦齿不接触；

将外表面有篦齿结构的轴沿着机匣方向，从流体的入口方向(叶轮所在侧)向流体泄露方向推动，放置在内表面有篦齿结构的机匣中。装配时自动形成错齿结构：第一篦齿与第二篦齿上下交错分布，且第一篦齿与第二篦齿不接触。采用此种阶梯型错齿结构，既可以实现错齿结构的优秀密封效果，同时机匣也可以使用一体式加工，装配也更方便。

同样地，为了使得本公开的密封性能更佳，可以在机匣内表面与第二篦齿齿顶对应的位置涂覆涂层，因此各齿顶和与其相对的机匣内表面之间的距离更小，密封性更好。其中，涂层的材料可以为银铜合金、nicral和镍石墨。为了防止流体的泄露，还可以在距离叶轮最远的第一篦齿(最靠近流体出口)和第二篦齿之间设置一个或者多个引射部，引射部的形状不作要求，可以为圆形孔或者其他形状，可以根据实际需求进行设置。

通过本公开的密封方法得到的密封装置，基于错齿型迷宫密封的基本结构，利用阶梯型错齿结构，使密封流体在错齿空间内形成涡旋，将流体因间隙节流获得的动能耗散掉。由于压气机机匣采用一体式加工，对于普通错齿迷宫密封装置来说无法装配，故采取阶梯轴结构，以实现错齿型密封的装配。且流体在轴向的篦齿处以及径向的阶梯间隙处产生明显的节流效应，静压下降，并在错齿空间内形成涡旋流动，使总压下降，进而达到更佳的密封效果。

除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。