一種利用氣體壓差作用實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)的自同心密封件及其安裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用氣體壓差作用實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)的自同心密封件及其安裝方法，屬于 旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 迷宮密封不受旋轉(zhuǎn)速度、溫度和壓差限制，因此廣泛應(yīng)用于壓氣機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)?輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等透平設(shè)備。但是迷宮密封也有自身難以克服的缺陷，一般需預(yù)留足夠大 的間隙，以盡量避免因轉(zhuǎn)子偏心、過(guò)臨界轉(zhuǎn)速等可能造成的碰磨；即便如此，迷宮密封也常 常因?yàn)樗矐B(tài)的碰磨而導(dǎo)致間隙永久性擴(kuò)大。
[0003] 傳統(tǒng)的浮動(dòng)密封主要依靠轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)形成的液膜浮力保持與轉(zhuǎn)子的非接觸狀 態(tài)，可用以密封氣體和液體(主要指粘度較高的液體，如油類）。但是密封氣體時(shí)，浮動(dòng)密封 件中應(yīng)充滿潤(rùn)滑油（如發(fā)電機(jī)軸端用于密封氫氣的密封瓦），以利于密封和潤(rùn)滑，因此需額 外增加一套油路系統(tǒng)。
[0004] 傳統(tǒng)浮動(dòng)密封的主要應(yīng)用局限在于其一般不適用于高溫氣體的密封;在某些特殊 場(chǎng)合，雖然通過(guò)選取特殊材料(如石墨），允許與轉(zhuǎn)子直接接觸而不需要輔助密封油，但也有 較為嚴(yán)苛的適用線速度和溫度的限制。由于氣體的粘度較小，形成動(dòng)壓氣膜需要極高的轉(zhuǎn) 速或線速度，因此即使應(yīng)用于高溫氣體的密封，浮動(dòng)密封與轉(zhuǎn)子表面一般也處于干摩擦狀 態(tài)，不利于其長(zhǎng)久保持穩(wěn)定的密封性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種利用氣體壓差作用實(shí)現(xiàn)浮 動(dòng)的自同心密封件及其安裝方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種利用氣體壓差作用實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)的 自同心密封件，包括主密封環(huán)、周向隔片、減摩滾珠和滾珠保持環(huán);主密封環(huán)為迷宮密封結(jié) 構(gòu)，具有至少兩道密封齒，密封齒與轉(zhuǎn)子之間形成的密封間隙不完全相等，且低壓側(cè)密封間 隙不大于高壓側(cè)密封間隙；周向隔片把主密封環(huán)的密封齒沿周向分成6~60等份，使迷宮密 封腔呈袋式結(jié)構(gòu)，形成多個(gè)齒腔;滾珠保持環(huán)與主密封環(huán)配合，在低壓側(cè)形成容納減摩滾珠 的圓周軌道，減摩滾珠盡量填滿圓周軌道。上述主密封環(huán)沿周向具有多個(gè)徑向割縫，割縫寬 度稍大于周向隔片厚度，周向隔片沿徑向插入其中，且周向隔片高度不小于低壓側(cè)最后一 個(gè)密封齒高度。
[0007] 優(yōu)選的，所述主密封環(huán)密封齒的數(shù)量為2~10道，所有密封齒均同心，且低壓側(cè)最 后一個(gè)密封齒內(nèi)徑比轉(zhuǎn)子外徑大兩倍左右的轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值，高壓側(cè)第一個(gè)密封齒內(nèi)徑比轉(zhuǎn) 子外徑大3~5倍轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值。
[0008] 優(yōu)選的，所述主密封環(huán)割縫寬度為1~10mm，且割縫寬度比周向隔片厚度大0.02~ 0.2_，并采用釬焊技術(shù)完全填充配合間隙，從而使周向隔片與主密封環(huán)連接成一個(gè)整體。
[0009] 優(yōu)選的，所述周向隔片高出低壓側(cè)最后一個(gè)密封齒0.02~0.1mm，以保證密封件短 暫不滿足浮動(dòng)條件時(shí)，轉(zhuǎn)子表面僅與周向隔片接觸，而不磨損密封齒，從而保證即使短暫碰 磨，密封特性也不發(fā)生改變。
[0010]優(yōu)選的，所述周向隔片采用具有自潤(rùn)滑特性且硬度較低的材料制成，優(yōu)選石墨和 C/C復(fù)合材料(C/C復(fù)合材料是指以炭纖維或其織物為增強(qiáng)相，以化學(xué)氣相滲透的熱解炭或 液相浸漬一炭化的樹脂炭、瀝青炭為基體組成的一種純炭多相結(jié)構(gòu)）。
[0011]優(yōu)選的，所述減摩滾珠采用具有自潤(rùn)滑特性且硬度較高的材料制成，優(yōu)選氮化硅 陶瓷和氧化鋯陶瓷。
[0012]優(yōu)選的，所述主密封環(huán)和滾珠保持環(huán)一般采用金屬材料制作，但為了減輕本發(fā)明 密封件的總重量，以增強(qiáng)密封件的浮動(dòng)響應(yīng)特性，也可以采用滿足工況要求的特殊材料，如 石墨、C/C復(fù)合材料、氮化硅陶瓷、氧化鋯陶瓷等。
[0013] 優(yōu)選的，所述減摩滾珠凸出主密封環(huán)和滾珠保持環(huán)低壓側(cè)的側(cè)面，優(yōu)選凸出0.2~ Imm0
[0014] 本發(fā)明密封件套裝在轉(zhuǎn)子上，且在靜子上設(shè)有容納密封件的密封座，密封座的內(nèi) 徑大于密封件的外徑，且平均徑向配合間隙大于平均密封間隙，以避免限制密封件的自由 浮動(dòng)。上述減摩滾珠凸出的部分與密封座接觸，使主密封環(huán)和滾珠保持環(huán)低壓側(cè)保持與密 封座的非接觸狀態(tài)，即軸向壓差作用下若干減摩滾珠支撐著整個(gè)密封件。
[0015] 優(yōu)選的，所述密封件的高壓側(cè)還設(shè)有密封蓋，密封蓋套裝在轉(zhuǎn)子上并與密封座固 定，共同形成相對(duì)封閉的容納密封件的空腔。為了保證密封件浮動(dòng)的靈活性，上述容納密封 件的環(huán)形空腔的軸向?qū)挾却笥诿芊饧妮S向?qū)挾取?br>[0016] -種利用氣體壓差作用實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)的自同心密封件的安裝方法，安裝時(shí)保證密封蓋 與密封座貼合面的間隙盡量小，必要時(shí)采用輔助密封手段，避免高壓氣體從上述貼合面處 泄漏。為了盡量減少高壓氣體直接泄漏至低壓側(cè)，密封蓋與密封件的配合面之間設(shè)置輔助 密封環(huán)，優(yōu)選的，輔助密封環(huán)為內(nèi)開口的C型密封環(huán)。
[0017] 上述輔助密封環(huán)的內(nèi)側(cè)連通高壓側(cè)，外側(cè)連通低壓側(cè)，在壓差作用下具有自脹緊 特性，從而實(shí)現(xiàn)良好的輔助密封效果。由于減摩滾珠凸出主密封環(huán)和滾珠保持環(huán)低壓側(cè)的 側(cè)面，因此密封件背部實(shí)際上完全連通低壓側(cè)，密封件背部靜壓近似等于低壓側(cè)靜壓。
[0018] 為了盡量減小壓差作用下的軸向推力，以減小浮動(dòng)的阻力，增強(qiáng)密封件的浮動(dòng)響 應(yīng)特性，上述輔助密封環(huán)在實(shí)現(xiàn)基本密封功能的前提下，內(nèi)徑應(yīng)盡量小。
[0019] 為了防止密封件周向轉(zhuǎn)動(dòng)，在密封件與密封座或密封蓋之間設(shè)置防轉(zhuǎn)銷，具體結(jié) 構(gòu)不限制，僅需保證不限制密封件的徑向浮動(dòng)即可。
[0020] 申請(qǐng)人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用上述技術(shù)方案，一旦密封件前后壓差建立，密封件與轉(zhuǎn)子 存在自動(dòng)同心的趨勢(shì);壓差足夠大時(shí)，密封件處于完全浮動(dòng)狀態(tài);壓差越大，密封件與轉(zhuǎn)子 的偏心量越小，密封間隙沿周向越均勻。
[0021] 本發(fā)明密封件浮動(dòng)的機(jī)理為：當(dāng)密封件相對(duì)轉(zhuǎn)子偏心時(shí)，局部密封間隙小的部位， 高壓側(cè)密封齒與低壓側(cè)密封齒的密封間隙比值顯著變大，密封件內(nèi)環(huán)相應(yīng)相位的齒腔靜壓 隨之上升，而局部密封間隙大的部位恰恰相反。偏心狀態(tài)下，密封件內(nèi)環(huán)各齒腔的靜壓不再 均衡，而密封件背部靜壓卻始終等于低壓側(cè)靜壓，因此，密封件徑向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子偏 心方向一致的平衡力，從而減小偏心量，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)，使密封件與轉(zhuǎn)子保持非接觸狀態(tài)。
[0022] 本發(fā)明未提及的技術(shù)均參照現(xiàn)有技術(shù)。
[0023] 本發(fā)明利用氣體壓差作用實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)的自同心密封件集成了傳統(tǒng)迷宮密封和浮動(dòng) 密封的優(yōu)點(diǎn)，而摒棄了兩者的缺點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于高壓風(fēng)機(jī)、壓氣機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等透平機(jī)械，一般原先采用傳統(tǒng)迷宮密封且密封件前后壓差足夠大時(shí)，均能通 過(guò)更換本發(fā)明密封件進(jìn)行升級(jí)，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例1主密封環(huán)沿軸向的視圖。
[0025] 圖2是圖1的A-A斷面圖。
[0026] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的滾珠保持環(huán)沿軸向的視圖。
[0027] 圖4是圖3的B-B斷面圖。