一种弹性齿导流汽封装置制备方法及弹性齿导流汽封装置

本发明涉及环形气体密封，特别涉及一种弹性齿导流汽封装置制备方法及弹性齿导流汽封装置。

背景技术：

1、迷宫式密封广泛应用于各种类型的流体流动机械，如蒸汽轮机、燃气轮机和压缩机。迷宫式密封能够减少两个非接触元件之间的工作介质泄漏。迷宫式密封对高功率发电机的效率有特别的影响。

2、汽轮机在启停机时会产生较大震动，为防止汽轮机启停时汽封齿与转子轴产生磕碰，摩擦等故障常采用较大的密封间隙，这不可避免地使漏气量增加。对于现有的汽封，依靠增加节流次数来减少漏气量也受密封间隙制约已经无法有效进一步减小汽封泄漏。

3、目前已经提出了一些结构用于调整密封间隙的汽封，但加工和维修成本有所增加。例如布莱登汽封，通过弹簧改变汽封圈大小解决过临界震动大对汽封间隙造成永久增大的问题，能适应机组负荷的变化自动调整密封间隙。但对水质要求较高，但长期运行可能造成弹簧结垢，或弹簧产生疲劳失效而无法长期保持灵敏的自调整效果，使用后期需要频繁维护，整体寿命较低。

4、在控制成本的大前提下，通过改善汽封结构来减少泄漏以及延长汽封寿命是行业一直关注的重点。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种弹性齿导流汽封装置制备方法及弹性齿导流汽封装置。通过在汽封主体和主轴之间设有弹性汽封齿，相邻两个弹性汽封齿之间设有翼型导流块，翼型导流块由导流块支柱与汽封主体相连，引导汽封腔内回旋气流与主汽流对冲碰撞，在弹性汽封齿前端产生高压对冲区，推动弹性汽封齿变形从而减少密封间隙，进而减少漏气量。同时引入气流对冲增加了密封阻尼，提高密封效果。

2、具体地，本发明提供一种弹性齿导流汽封装置制备方法，其包括以下步骤：

3、s1、确定气封装置的多个结构参数，其包括以下子步骤：

4、s11、确定轴端汽封高压侧压力p、低压侧压力p以及初始密封间隙d；

5、s12、测量汽轮机启动时与停机时最大振幅a，包括转子振动振幅与轴承振动振幅，转子振动振幅与轴承振动振幅相加最大值即为a值；

6、s13、确定弹性汽封齿径向变形量ε，所述弹性汽封齿径向变形量ε表达式为：

7、

8、其中，d为密封间隙，a为最大振幅；

9、s14、确定汽封主体与转子之间距离h与汽封主体宽度l；

10、s15、确定翼型导流块圆弧半径

11、s16、确定节流单元数与节流耗散区宽度w1，节流单元数n由公式的结果向下取整获得，节流耗散区宽度

12、s2、计算流道上端开口距离以及流道下端开口距离，初步确定翼型导流块位置，其包括以下子步骤：

13、s21、基于连续性方程初步计算确定翼型块位置，使hv1＝iv2，l1v1＝l2v3；

14、式中，h为汽封主体到转子距离，i为密封间隙，l1为流道上端开口距离，l2为流道下端开口距离，v1为汽封腔内平均流速，v2为汽封齿端射流速度，v3为流道末端引导气流速度；

15、s22、使对冲区两股气流速度大小相等，即v2＝v3，得

16、s23、使计算

17、s3、确定弹性汽封齿结构参数，具体包括以下子步骤：

18、s31、确定密封间隙变化：分别计算节流压降影响下弹性齿引起密封间隙变化ε1以及导流对冲影响下在弹性齿前端产生高压对冲区并使弹性齿引起密封间隙变化ε2，计算公式如下：

19、

20、

21、其中，r1为节流压降冲影响下变形后齿的半径，r2为导流对冲影响下变形后齿的半径，θ1为弹性汽封齿角度变化，θ2为导流对冲影响下弹性汽封齿转角变化；

22、s32、计算弹性汽封齿的厚度δ：

23、

24、其中，k为弹性汽封齿弹性系数；

25、s33、建立初始弹性齿导流汽封模型，对步骤s2得到的弹性汽封齿厚度进行优化；

26、s4、基于初步确定翼型导流块位置确定最终的翼型导流块位置，具体包括以下子步骤：

27、s41、提取汽封变形稳定后的主漏气流速v2与导气流速v3，并计算对冲强度系数b，

28、s42、若b的数值处于阈值范围内，则进行下一步，否则调整流道下端开口距离l2后重新执行步骤s41进行迭代，直至找到满足条件解，进行下一步；

29、s43、基于步骤s42确定的满足条件解确定最终的翼型导流块位置；

30、s5、基于上述计算结果制作弹性汽封齿与翼型导流块；

31、s6、镶嵌弹性汽封齿，安装翼型导流块，相邻两个弹性汽封齿之间安装翼型导流块，翼型导流块由导流块支柱与汽封主体相连，引导汽封腔内回旋气流与主汽流对冲碰撞，并在弹性汽封齿前端产生高压对冲区。

32、优选地，步骤s42中若0.95<b<1.05，则满足设计要求，进行下一步；若0.95>b，则将流道下端开口距离l2增加0.1mm，并重新执行步骤s41进行迭代，直至找到满足条件解，进行下一步；若1.05<b，则将流道下端开口距离l2减小0.1mm，并重新执行步骤s41进行迭代，直至找到满足条件解，进行下一步。

33、优选地，步骤s33具体包括以下子步骤：

34、s331、使用有限元软件，对汽封工作状态进行流固耦合模拟；

35、s332、分析与修正弹性汽封齿的密封间隙调整量；

36、s333、提取汽封整体的压力场变化情况，与弹性汽封齿数值模拟径向变形量ε3；

37、s334、将弹性汽封齿数值模拟径向变形量ε3与设计弹性汽封齿径向变形量ε对比；

38、s335、若ε3与ε差值即变形量符合差值阈值，则为满足条件解，进行下一步；若变形量不满足弹性汽封齿的要求，则调整弹性汽封齿厚度δ，并重新执行骤s331，进行迭代，直至找到满足条件解；

39、s336、重复进行s331到步骤s335，确定其他弹性汽封齿厚度。

40、优选地，s335中若ε3与ε差值小于0.01mm则为满足条件解，进行下一步；若变形量不满足弹性汽封齿的要求，且ε3>ε，则将弹性汽封齿厚度δ增加0.01mm并重新执行步骤s331，进行迭代，直至找到满足条件解；若变形量不满足弹性汽封齿的要求，且ε3<ε，则将弹性汽封齿厚度δ减小0.01mm并重新执行骤s331，进行迭代，直至找到满足条件解。

41、优选地，l2小于0.2mm时扩大2倍进行修正，以防止粘性力导致的流速降低。

42、优选地，弹性汽封齿角度变化θ1和导流对冲影响下弹性汽封齿转角变化θ2的计算公式如下：

43、

44、

45、其中，q为节流压降产生的载荷，f为齿端x方向受力。优选地，齿端x方向受力f的计算公式如下：

46、f＝jρdv2

47、其中，j为马赫数修正系数，射流速度大于声速时j取2.5，小于声速时j取1，ρ为密封介质密度，v为对冲区前端流速。

48、优选地，对冲区前端流速v通过以下公式进行计算：

49、

50、本发明另一方面还提供一种由上述制备方法制备的弹性齿导流汽封装置，其包括汽封主体、翼型导流块、弹性汽封齿和导流块支柱，

51、所述汽封主体和主轴之间设有弹性汽封齿，所述弹性汽封齿沿着所述汽封主体的轴向均匀分布，相邻两个弹性汽封齿之间设有翼型导流块，所述翼型导流块由所述导流块支柱固定在所述汽封主体上，弹性汽封齿前端具有高压对冲区，在高压对冲区与节流压降共同作用下使弹性汽封齿变形从而改变密封间隙。

52、优选地，所述翼型导流块与弹性汽封齿之间形成一个开口上大下小的弧形导流道，弧形导流道根据不同工况改变结构特征参数使引导流与主漏气流流速近似相等，达到最佳的对冲能量耗散状态；弹性汽封齿均匀分布在汽封主体上，并与转子构成节流密封，当汽轮机开始工作运行时，汽封高压侧的压力未达到预设值，弹性汽封齿型变量较小，汽封圈整体半径较大，避免因汽轮机转子的震动与偏心导致的碰撞与剐蹭；当汽轮机转子稳定工作后，压力逐渐升高至设定值，弹性汽封齿在压力与导流对冲影响下弯曲弧度减少，使汽封圈整体半径减小，提供较小的密封间隙，大幅减少泄流量。

53、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

54、(1)本发明引导汽封腔内回旋气流与主汽流对冲碰撞，在弹性汽封齿前端产生高压对冲区，在高压对冲区与节流压降共同作用下使弹性汽封齿变形从而改变密封间隙。在翼型导流块与弹性汽封齿之间形成一个开口上大下小的弧形导流道，弧形导流道根据不同工况改变结构特征参数使引导流与主漏气流流速近似相等，达到最佳的对冲能量耗散状态；弹性汽封齿均匀分布在汽封主体上，并与转子构成节流密封，在汽轮机开始工作运行时，能够有效避免因汽轮机转子的震动与偏心导致的碰撞与剐蹭，延长使用寿命；当汽轮机转子稳定工作后，弹性汽封齿在压力与导流对冲影响下弯曲弧度减少，使泄流量大幅减少，提高汽轮机工作效率，同时翼型导流块的导流对冲作用进一步增加密封阻尼。

55、(2)本发明通过使用弹性汽封齿在汽轮机启停机震动较大时增加汽封密封间隙，保证汽轮机转子安全。通过将原有汽封齿改为使用弹性汽封齿，平稳工作时减小密封间隙，减少了整体漏气量。

56、(3)本发明提供的弹性齿导流汽封，实现调整密封间隙的同时避免了弹簧的使用，对水质要求较低，不会产生结垢或弹簧产生疲劳失效而保持灵敏的自调整效果，维护成本低且使用寿命长。本发明采用翼型块在汽封腔内部进行导流，引导气体与主漏气对冲增加密封阻尼，且能有效推动弹性汽封齿进行有效的密封间隙调节。

57、(4)本发明的制造方法简单可靠，选取的结构参数能够确保弹性汽封齿变形调节准确，保证汽轮机安全前提下，实现最小密封间隙调节，满足弹性气封的需求，能够在多种场合进行应用。

58、(5)本发明采用有限元软件进行流固耦合模拟，分析弹性汽封齿的受力与形变情况，确保弹性汽封齿变形调节准确，实现最小密封间隙调节。同时利用有限元分析软件对汽封内部流场模拟仿真，使得对冲区流速接近，获得更高的密封阻尼，减少了轴向漏气量。