一种利用气体压差作用实现浮动的自同心密封件及其安装方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用气体压差作用实现浮动的自同心密封件及其安装方法，属于 旋转机械密封领域。
【背景技术】
[0002] 迷宫密封不受旋转速度、温度和压差限制，因此广泛应用于压气机、汽轮机、燃气 轮机、航空发动机等透平设备。但是迷宫密封也有自身难以克服的缺陷，一般需预留足够大 的间隙，以尽量避免因转子偏心、过临界转速等可能造成的碰磨；即便如此，迷宫密封也常 常因为瞬态的碰磨而导致间隙永久性扩大。
[0003] 传统的浮动密封主要依靠转子高速转动形成的液膜浮力保持与转子的非接触状 态，可用以密封气体和液体(主要指粘度较高的液体，如油类）。但是密封气体时，浮动密封 件中应充满润滑油（如发电机轴端用于密封氢气的密封瓦），以利于密封和润滑，因此需额 外增加一套油路系统。
[0004] 传统浮动密封的主要应用局限在于其一般不适用于高温气体的密封;在某些特殊 场合，虽然通过选取特殊材料(如石墨），允许与转子直接接触而不需要辅助密封油，但也有 较为严苛的适用线速度和温度的限制。由于气体的粘度较小，形成动压气膜需要极高的转 速或线速度，因此即使应用于高温气体的密封，浮动密封与转子表面一般也处于干摩擦状 态，不利于其长久保持稳定的密封性能。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种利用气体压差作用实现浮 动的自同心密封件及其安装方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种利用气体压差作用实现浮动的 自同心密封件，包括主密封环、周向隔片、减摩滚珠和滚珠保持环;主密封环为迷宫密封结 构，具有至少两道密封齿，密封齿与转子之间形成的密封间隙不完全相等，且低压侧密封间 隙不大于高压侧密封间隙；周向隔片把主密封环的密封齿沿周向分成6~60等份，使迷宫密 封腔呈袋式结构，形成多个齿腔;滚珠保持环与主密封环配合，在低压侧形成容纳减摩滚珠 的圆周轨道，减摩滚珠尽量填满圆周轨道。上述主密封环沿周向具有多个径向割缝，割缝宽 度稍大于周向隔片厚度，周向隔片沿径向插入其中，且周向隔片高度不小于低压侧最后一 个密封齿高度。
[0007] 优选的，所述主密封环密封齿的数量为2~10道，所有密封齿均同心，且低压侧最 后一个密封齿内径比转子外径大两倍左右的转子振动幅值，高压侧第一个密封齿内径比转 子外径大3~5倍转子振动幅值。
[0008] 优选的，所述主密封环割缝宽度为1~10mm，且割缝宽度比周向隔片厚度大0.02~ 0.2_，并采用钎焊技术完全填充配合间隙，从而使周向隔片与主密封环连接成一个整体。
[0009] 优选的，所述周向隔片高出低压侧最后一个密封齿0.02~0.1mm，以保证密封件短 暂不满足浮动条件时，转子表面仅与周向隔片接触，而不磨损密封齿，从而保证即使短暂碰 磨，密封特性也不发生改变。
[0010]优选的，所述周向隔片采用具有自润滑特性且硬度较低的材料制成，优选石墨和 C/C复合材料(C/C复合材料是指以炭纤维或其织物为增强相，以化学气相渗透的热解炭或 液相浸渍一炭化的树脂炭、沥青炭为基体组成的一种纯炭多相结构）。
[0011]优选的，所述减摩滚珠采用具有自润滑特性且硬度较高的材料制成，优选氮化硅 陶瓷和氧化锆陶瓷。
[0012]优选的，所述主密封环和滚珠保持环一般采用金属材料制作，但为了减轻本发明 密封件的总重量，以增强密封件的浮动响应特性，也可以采用满足工况要求的特殊材料，如 石墨、C/C复合材料、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷等。
[0013] 优选的，所述减摩滚珠凸出主密封环和滚珠保持环低压侧的侧面，优选凸出0.2~ Imm0
[0014] 本发明密封件套装在转子上，且在静子上设有容纳密封件的密封座，密封座的内 径大于密封件的外径，且平均径向配合间隙大于平均密封间隙，以避免限制密封件的自由 浮动。上述减摩滚珠凸出的部分与密封座接触，使主密封环和滚珠保持环低压侧保持与密 封座的非接触状态，即轴向压差作用下若干减摩滚珠支撑着整个密封件。
[0015] 优选的，所述密封件的高压侧还设有密封盖，密封盖套装在转子上并与密封座固 定，共同形成相对封闭的容纳密封件的空腔。为了保证密封件浮动的灵活性，上述容纳密封 件的环形空腔的轴向宽度大于密封件的轴向宽度。
[0016] -种利用气体压差作用实现浮动的自同心密封件的安装方法，安装时保证密封盖 与密封座贴合面的间隙尽量小，必要时采用辅助密封手段，避免高压气体从上述贴合面处 泄漏。为了尽量减少高压气体直接泄漏至低压侧，密封盖与密封件的配合面之间设置辅助 密封环，优选的，辅助密封环为内开口的C型密封环。
[0017] 上述辅助密封环的内侧连通高压侧，外侧连通低压侧，在压差作用下具有自胀紧 特性，从而实现良好的辅助密封效果。由于减摩滚珠凸出主密封环和滚珠保持环低压侧的 侧面，因此密封件背部实际上完全连通低压侧，密封件背部静压近似等于低压侧静压。
[0018] 为了尽量减小压差作用下的轴向推力，以减小浮动的阻力，增强密封件的浮动响 应特性，上述辅助密封环在实现基本密封功能的前提下，内径应尽量小。
[0019] 为了防止密封件周向转动，在密封件与密封座或密封盖之间设置防转销，具体结 构不限制，仅需保证不限制密封件的径向浮动即可。
[0020] 申请人经研究发现，采用上述技术方案，一旦密封件前后压差建立，密封件与转子 存在自动同心的趋势;压差足够大时，密封件处于完全浮动状态;压差越大，密封件与转子 的偏心量越小，密封间隙沿周向越均匀。
[0021] 本发明密封件浮动的机理为：当密封件相对转子偏心时，局部密封间隙小的部位， 高压侧密封齿与低压侧密封齿的密封间隙比值显著变大，密封件内环相应相位的齿腔静压 随之上升，而局部密封间隙大的部位恰恰相反。偏心状态下，密封件内环各齿腔的静压不再 均衡，而密封件背部静压却始终等于低压侧静压，因此，密封件径向上会产生一个与转子偏 心方向一致的平衡力，从而减小偏心量，实现浮动，使密封件与转子保持非接触状态。
[0022] 本发明未提及的技术均参照现有技术。
[0023] 本发明利用气体压差作用实现浮动的自同心密封件集成了传统迷宫密封和浮动 密封的优点，而摒弃了两者的缺点，可广泛应用于高压风机、压气机、蒸汽轮机、燃气轮机、 飞机发动机等透平机械，一般原先采用传统迷宫密封且密封件前后压差足够大时，均能通 过更换本发明密封件进行升级，提高设备运行的安全性和经济性。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明实施例1主密封环沿轴向的视图。
[0025] 图2是图1的A-A断面图。
[0026] 图3是本发明实施例1的滚珠保持环沿轴向的视图。
[0027] 图4是图3的B-B断面图。