一种波箔型箔片端面气膜密封结构的制作方法
一种波箔型箔片端面气膜密封结构的制作方法
【专利说明】
(-)
技术领域
[0001]本发明涉及机械端面密封结构设计技术领域，具体涉及一种波箔型箔片端面气膜密封结构，特别适用于各种高速旋转机械转轴的轴端密封装置。
(二)
【背景技术】
[0002]端面气膜密封又称干气密封，是一种新型的机械密封形式，目前干气密封以其低泄漏、低功耗、长寿命等显著的性能优势在旋转机械的轴端密封上获得广泛应用，如压缩机、泵、反应釜及风机等轴端密封。随着石化行业与航天航空的快速发展，要求干气密封向高参数(如高速、高温、高压等)发展，且具有更高的稳定性和可靠性以及更长的使用寿命。然而在高转速或变工况条件下，普通干气密封很容易发生失稳，在高介质温度工况下，干气密封端面变形严重，易导致干气密封端面动压槽磨损而发生干摩擦，这些情况都容易造成干气密封的失效，严重甚至会导致整个机组发生不可修复的破坏，从而引发严重事故。
[0003]针对上述问题，研宄者们提出自适应可控机械密封的概念，然而目前国内这方面的研宄主要集中在根据膜厚、端面温度等反馈信号，通过一定的执行机构调整控制端面膜厚、密封相态及端面比压等上，而对从结构方面来提高机械密封的自适应能力的研宄甚少。
[0004]箔片结构作为一种自适应结构早在1928年就出现在径向轴承的设计中，由于箔片轴承具有动态稳定性高、耐高温、耐冲击振动且对转子同心度要求低等优点而快速发展并得到广泛应用，相对箔片径向轴承，箔片止推轴承出现较晚，直到20世纪70年代才陆续出现几种箔片止推轴承，包括螺旋槽型、管支承型、悬臂型、波箔型等，目前悬臂型与波箔型推力轴承应用最广，在航空燃气涡轮发动机、透平膨胀机、涡轮增压器、涡轮制冷器、高速离心泵、高速风机等高速旋转机械中均有应用，并产生了巨大的经济效益。
[0005]借鉴箔片推力轴承相关原理，在国外已提出动压型箔片端面密封的概念，并已出现相关报导，如美国专利US0207158 “Hydrodynamic foil face seal”，尽管该专利所设计的密封结构具有一定的自适应能力，能有效提高干气密封高速运行稳定性，但泄漏率很难控制，且要进一步提高干气密封应对变工况条件下的自适应能力还有待进一步研宄，这也极大的限制了箔片端面密封的推广应用。
(三)
【发明内容】
[0006]本发明要克服现有干气密封与现有箔片端面密封的缺陷或不足，提供一种高速动态稳定性好、泄漏率低，支承刚度大的波箔型箔片端面气膜密封结构。
[0007]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0008]一种波箔型箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；其特征在于:
[0009]所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是波箔型箔片端面，所述的波箔型箔片端面包括圆环状的环本体、平箔片、波箔片，环本体外侧低下、形成圆形凹面，环本体内侧高起、形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝；
[0010]若干个波箔片首尾相接地铺设在所述的密封坝与环本体的高压侧之间，所述的波箔片呈波浪状，每个波箔片的上面都盖有一个平箔片；所述的平箔片和波箔片都是一端固定，另一端自由，所述的平箔片和波箔片从固定端到自由端沿圆周方向被分割为若干小块，所述的平箔片和波箔片的固定端到自由端的圆周方向均与气流的周向方向一致；
[0011]所述平箔片固定端的上表面低于密封坝，所述平箔片自由端的上表面高出密封坝；
[0012]在所述的环本体上与所述的平箔片和波箔片的固定端对应的位置开有垂直于环本体端面的缝隙，所述的缝隙连通一个安装腔；所述的平箔片和波箔片的固定端的延伸段均插入所述的缝隙；钉紧螺钉通过定位块将所述的平箔片和波箔片的固定端的延伸段压紧在在所述的安装腔的顶部。
[0013]进一步，所述平箔块固定端上表面低于密封坝1.1?10 μπι，优化范围为3?8 μ m，所述平箔块自由端上表面高于密封坝0.1?10 μ m，优化范围为0.5?3.5 μ m。
[0014]本发明具有以下有益效果:
[0015]本发明提供的波箔型箔片端面气膜密封结构，采用了波箔片作为弹性支承，通过分割平箔片与所分割的波箔片对应形成一个个独立的作用单元，从而减小温度分布不匀引起的热变形，并使之具有更佳的自适应能力，通过控制波箔片上各波箔块的结构刚度，从而协调各独立作用单元的变形，同时平箔片和波箔片可适应气膜压力的变化做出相应的变形，一方面箔片的变形会影响膜压的重新分布，两者相互作用达到动态平衡，从而提高干气密封高速运转的动态稳定性；另一方面箔片的变形产生了箔片本身的弹性阻尼以及平箔与波箔之间、波箔与密封环之间的库伦摩擦阻尼，这些阻尼可有效吸收干气密封的涡动能量，并抑制流体膜产生自激振荡，进一步提高了干气密封运行稳定性。与传统的干气密封相比，波箔型箔片端面气膜密封具有更优越的可靠性、耐高温与抗高压能力，以及更长的使用寿命O
(四)
【附图说明】
[0016]图1为本发明波箔型箔片端面气膜密封结构示意图。
[0017]图2为本发明波箔型箔片端面气膜密封结构中密封环的示意图。
[0018]图3为本发明的平箔片的示意图。
[0019]图4为本发明的波箔片的示意图。
[0020]图5a、图5b为本发明的波箔片箔拱排布方式示意图。
[0021]图6为本发明的平箔片和波箔片安装方式示意图。
[0022]其中:
[0023]1-密封坝；2_平箔片；3_波箔片；4_定位块；5_密封环；6_紧钉螺钉；7_箔拱；8-平箔块；9_波箔块；10- “T”形槽。
(五)
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细 说明。
[0025]一种波箔型箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；
[0026]所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是波箔型箔片端面，所述的波箔型箔片端面包括圆环状的环本体5、平箔片2、波箔片3，环本体5的外侧低下、形成圆形凹面，环本体5的内侧高起、形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝I ;
[0027]若干个波箔片3首尾相接地铺设在所述的密封坝I与环本体5的高压侧之间，所述的波箔片3呈波浪状，每个波箔片3的上面都盖有一个平箔片2 ;所述的平箔片2和波箔片3都是一端固定，另一端自由，所述的平箔片2和波箔片3从固定端到自由端沿圆周方向被分割为若干小块，所述的平箔片2和波箔片3的固定端到自由端的圆周方向均与气流的周向方向一致；
[0028]所述平箔片2固定端的上表面低于密封坝1，所述平箔片2自由端的上表面高出密封坝平面I ;
[0029]在所述的环本体5上与所述的平箔片2和波箔片3的固定端对应的位置开有垂直于环本体端面的缝隙51，所述的缝隙51连通一个安装腔52 ;所述的平箔片2和波箔片3的固定端的延伸段均插入所述的缝隙51 ;钉紧螺钉6通过定位块4将所述的平箔片2和波箔片3的固定端的延伸段压紧在在所述的安装腔52的顶部。
[0030]所述平箔块2的固定端上表面低于密封坝I的数值是1.1?10 μπι，优化范围为3?8ym，所述平箔块2自由端上表面高于密封坝I的数值是0.1?10 μ m，优化范围为0.5 ?3.5 μ m0
[0031]所述平箔片2和波箔片3都是一端固定，另一端自由，且均从自由端至固定端沿径向分别对应分割为若干小块，即平箔块8和波箔块9，这种分割使得对应的平箔块和波箔块构成一个独立的作用单元，一方面可以减小因受热不均匀导致的热变形，另一方面可以提高箔片端面气膜密封的自适应性能，适应变工况条件。
[0032]平箔片2和波箔片3固定端到自由端的圆周方向与气流的周向方向一致，波箔块的箔拱高度沿固定端到自由端方向依次发生微米级的线性增高，平箔片固定端上表面低于密封坝表面1.1?10 μ m，优选范围为3?8 μ m ;平箔片自由端上表面高于密封坝表面
0.1?10 μ m，优选范围为0.5?3.5 μ m，这样可以使每个平箔片与另一个环的密封端面配合时形成预楔角，当密封未运转时，在闭合力(包括弹簧弹力和介质压力)作用下，波箔片发生微量变形，使密封端面闭合，从而保证密封性能，当密封运转时，在动压效应的作用下使密封端面开启，形成气体动压膜，并通过箔片的自适应变形协调压力的分布，使干气密封的运转达到动态平衡。
[0033]安装时，平箔片2和波箔片3的固定端的延伸段，以及定位块4均从密封环侧壁开的“T”形槽10插入，钉紧螺钉6从密封环背面处的螺纹孔拧入，从而压紧定位块4实现箔片的固定，这种安装方式可以方便更换发生磨损的箔片。
[0034]本说明书实施例所述内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
【主权项】
1.一种波箔型箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；其特征在于:所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是波箔型箔片端面，所述的波箔型箔片端面包括圆环状的环本体、平箔片、波箔片，环本体外侧低下、形成圆形凹面，环本体内侧高起、形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝； 若干个波箔片首尾相接地铺设在所述的密封坝外侧的圆形凹面上，所述的波箔片呈波浪状，每个波箔片的上面都盖有一个平箔片；所述的平箔片和波箔片都是一端固定，另一端自由，所述的平箔片和波箔片从固定端到自由端沿圆周方向被分割为若干小块，所述的平箔片和波箔片的固定端到自由端的圆周方向均与气流的周向方向一致； 所述平箔片固定端的上表面低于密封坝，所述平箔片自由端的上表面高出密封坝； 在所述的环本体上与所述的平箔片和波箔片的固定端对应的位置开有垂直于环本体端面的缝隙，所述的缝隙连通一个安装腔；所述的平箔片和波箔片的固定端的延伸段均插入所述的缝隙；紧钉螺钉通过定位块将所述的平箔片和波箔片的固定端的延伸段压紧在在所述的安装腔的顶部。2.如权利要求1所述的波箔型箔片端面气膜密封结构，其特征在于:所述平箔片固定端的上表面低于密封坝1.1?10 μπι，所述平箔片自由端的上表面高出密封坝0.1?10 μ m03.如权利要求2所述的波箔型箔片端面气膜密封结构，其特征在于:所述平箔片固定端的上表面低于密封坝3?8 μm，所述平箔片自由端的上表面高出密封坝0.5?3.5 μπι。
【专利摘要】一种波箔型箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是波箔型箔片端面，所述的波箔型箔片端面包括圆环状的环本体、平箔片、波箔片，环本体外侧低下、形成圆形凹面，环本体内侧高起、形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝；若干个波箔片首尾相接地铺设在所述的密封坝外侧的圆形凹面上，所述的波箔片呈波浪状，每个波箔片的上面都盖有一个平箔片；所述的平箔片和波箔片都是一端固定，另一端自由，所述的平箔片和波箔片从固定端到自由端沿圆周方向被分割为若干小块，所述的平箔片和波箔片的固定端到自由端的圆周方向均与气流的周向方向一致；所述平箔片固定端的上表面低于密封坝，所述平箔片自由端的上表面高出密封坝平面。
【IPC分类】F16J15/40
【公开号】CN104896101
【申请号】CN201510274623
【发明人】彭旭东, 陈源, 江锦波, 白少先, 李纪云
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月26日
【专利说明】
(-)
技术领域
[0001]本发明涉及机械端面密封结构设计技术领域，具体涉及一种波箔型箔片端面气膜密封结构，特别适用于各种高速旋转机械转轴的轴端密封装置。
(二)
【背景技术】
[0002]端面气膜密封又称干气密封，是一种新型的机械密封形式，目前干气密封以其低泄漏、低功耗、长寿命等显著的性能优势在旋转机械的轴端密封上获得广泛应用，如压缩机、泵、反应釜及风机等轴端密封。随着石化行业与航天航空的快速发展，要求干气密封向高参数(如高速、高温、高压等)发展，且具有更高的稳定性和可靠性以及更长的使用寿命。然而在高转速或变工况条件下，普通干气密封很容易发生失稳，在高介质温度工况下，干气密封端面变形严重，易导致干气密封端面动压槽磨损而发生干摩擦，这些情况都容易造成干气密封的失效，严重甚至会导致整个机组发生不可修复的破坏，从而引发严重事故。
[0003]针对上述问题，研宄者们提出自适应可控机械密封的概念，然而目前国内这方面的研宄主要集中在根据膜厚、端面温度等反馈信号，通过一定的执行机构调整控制端面膜厚、密封相态及端面比压等上，而对从结构方面来提高机械密封的自适应能力的研宄甚少。
[0004]箔片结构作为一种自适应结构早在1928年就出现在径向轴承的设计中，由于箔片轴承具有动态稳定性高、耐高温、耐冲击振动且对转子同心度要求低等优点而快速发展并得到广泛应用，相对箔片径向轴承，箔片止推轴承出现较晚，直到20世纪70年代才陆续出现几种箔片止推轴承，包括螺旋槽型、管支承型、悬臂型、波箔型等，目前悬臂型与波箔型推力轴承应用最广，在航空燃气涡轮发动机、透平膨胀机、涡轮增压器、涡轮制冷器、高速离心泵、高速风机等高速旋转机械中均有应用，并产生了巨大的经济效益。
[0005]借鉴箔片推力轴承相关原理，在国外已提出动压型箔片端面密封的概念，并已出现相关报导，如美国专利US0207158 “Hydrodynamic foil face seal”，尽管该专利所设计的密封结构具有一定的自适应能力，能有效提高干气密封高速运行稳定性，但泄漏率很难控制，且要进一步提高干气密封应对变工况条件下的自适应能力还有待进一步研宄，这也极大的限制了箔片端面密封的推广应用。
(三)
【发明内容】
[0006]本发明要克服现有干气密封与现有箔片端面密封的缺陷或不足，提供一种高速动态稳定性好、泄漏率低，支承刚度大的波箔型箔片端面气膜密封结构。
[0007]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0008]一种波箔型箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；其特征在于:
[0009]所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是波箔型箔片端面，所述的波箔型箔片端面包括圆环状的环本体、平箔片、波箔片，环本体外侧低下、形成圆形凹面，环本体内侧高起、形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝；
[0010]若干个波箔片首尾相接地铺设在所述的密封坝与环本体的高压侧之间，所述的波箔片呈波浪状，每个波箔片的上面都盖有一个平箔片；所述的平箔片和波箔片都是一端固定，另一端自由，所述的平箔片和波箔片从固定端到自由端沿圆周方向被分割为若干小块，所述的平箔片和波箔片的固定端到自由端的圆周方向均与气流的周向方向一致；
[0011]所述平箔片固定端的上表面低于密封坝，所述平箔片自由端的上表面高出密封坝；
[0012]在所述的环本体上与所述的平箔片和波箔片的固定端对应的位置开有垂直于环本体端面的缝隙，所述的缝隙连通一个安装腔；所述的平箔片和波箔片的固定端的延伸段均插入所述的缝隙；钉紧螺钉通过定位块将所述的平箔片和波箔片的固定端的延伸段压紧在在所述的安装腔的顶部。
[0013]进一步，所述平箔块固定端上表面低于密封坝1.1?10 μπι，优化范围为3?8 μ m，所述平箔块自由端上表面高于密封坝0.1?10 μ m，优化范围为0.5?3.5 μ m。
[0014]本发明具有以下有益效果:
[0015]本发明提供的波箔型箔片端面气膜密封结构，采用了波箔片作为弹性支承，通过分割平箔片与所分割的波箔片对应形成一个个独立的作用单元，从而减小温度分布不匀引起的热变形，并使之具有更佳的自适应能力，通过控制波箔片上各波箔块的结构刚度，从而协调各独立作用单元的变形，同时平箔片和波箔片可适应气膜压力的变化做出相应的变形，一方面箔片的变形会影响膜压的重新分布，两者相互作用达到动态平衡，从而提高干气密封高速运转的动态稳定性；另一方面箔片的变形产生了箔片本身的弹性阻尼以及平箔与波箔之间、波箔与密封环之间的库伦摩擦阻尼，这些阻尼可有效吸收干气密封的涡动能量，并抑制流体膜产生自激振荡，进一步提高了干气密封运行稳定性。与传统的干气密封相比，波箔型箔片端面气膜密封具有更优越的可靠性、耐高温与抗高压能力，以及更长的使用寿命O
(四)
【附图说明】
[0016]图1为本发明波箔型箔片端面气膜密封结构示意图。
[0017]图2为本发明波箔型箔片端面气膜密封结构中密封环的示意图。
[0018]图3为本发明的平箔片的示意图。
[0019]图4为本发明的波箔片的示意图。
[0020]图5a、图5b为本发明的波箔片箔拱排布方式示意图。
[0021]图6为本发明的平箔片和波箔片安装方式示意图。
[0022]其中:
[0023]1-密封坝；2_平箔片；3_波箔片；4_定位块；5_密封环；6_紧钉螺钉；7_箔拱；8-平箔块；9_波箔块；10- “T”形槽。
(五)
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细 说明。
[0025]一种波箔型箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；
[0026]所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是波箔型箔片端面，所述的波箔型箔片端面包括圆环状的环本体5、平箔片2、波箔片3，环本体5的外侧低下、形成圆形凹面，环本体5的内侧高起、形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝I ;
[0027]若干个波箔片3首尾相接地铺设在所述的密封坝I与环本体5的高压侧之间，所述的波箔片3呈波浪状，每个波箔片3的上面都盖有一个平箔片2 ;所述的平箔片2和波箔片3都是一端固定，另一端自由，所述的平箔片2和波箔片3从固定端到自由端沿圆周方向被分割为若干小块，所述的平箔片2和波箔片3的固定端到自由端的圆周方向均与气流的周向方向一致；
[0028]所述平箔片2固定端的上表面低于密封坝1，所述平箔片2自由端的上表面高出密封坝平面I ;
[0029]在所述的环本体5上与所述的平箔片2和波箔片3的固定端对应的位置开有垂直于环本体端面的缝隙51，所述的缝隙51连通一个安装腔52 ;所述的平箔片2和波箔片3的固定端的延伸段均插入所述的缝隙51 ;钉紧螺钉6通过定位块4将所述的平箔片2和波箔片3的固定端的延伸段压紧在在所述的安装腔52的顶部。
[0030]所述平箔块2的固定端上表面低于密封坝I的数值是1.1?10 μπι，优化范围为3?8ym，所述平箔块2自由端上表面高于密封坝I的数值是0.1?10 μ m，优化范围为0.5 ?3.5 μ m0
[0031]所述平箔片2和波箔片3都是一端固定，另一端自由，且均从自由端至固定端沿径向分别对应分割为若干小块，即平箔块8和波箔块9，这种分割使得对应的平箔块和波箔块构成一个独立的作用单元，一方面可以减小因受热不均匀导致的热变形，另一方面可以提高箔片端面气膜密封的自适应性能，适应变工况条件。
[0032]平箔片2和波箔片3固定端到自由端的圆周方向与气流的周向方向一致，波箔块的箔拱高度沿固定端到自由端方向依次发生微米级的线性增高，平箔片固定端上表面低于密封坝表面1.1?10 μ m，优选范围为3?8 μ m ;平箔片自由端上表面高于密封坝表面
0.1?10 μ m，优选范围为0.5?3.5 μ m，这样可以使每个平箔片与另一个环的密封端面配合时形成预楔角，当密封未运转时，在闭合力(包括弹簧弹力和介质压力)作用下，波箔片发生微量变形，使密封端面闭合，从而保证密封性能，当密封运转时，在动压效应的作用下使密封端面开启，形成气体动压膜，并通过箔片的自适应变形协调压力的分布，使干气密封的运转达到动态平衡。
[0033]安装时，平箔片2和波箔片3的固定端的延伸段，以及定位块4均从密封环侧壁开的“T”形槽10插入，钉紧螺钉6从密封环背面处的螺纹孔拧入，从而压紧定位块4实现箔片的固定，这种安装方式可以方便更换发生磨损的箔片。
[0034]本说明书实施例所述内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
【主权项】
1.一种波箔型箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；其特征在于:所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是波箔型箔片端面，所述的波箔型箔片端面包括圆环状的环本体、平箔片、波箔片，环本体外侧低下、形成圆形凹面，环本体内侧高起、形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝； 若干个波箔片首尾相接地铺设在所述的密封坝外侧的圆形凹面上，所述的波箔片呈波浪状，每个波箔片的上面都盖有一个平箔片；所述的平箔片和波箔片都是一端固定，另一端自由，所述的平箔片和波箔片从固定端到自由端沿圆周方向被分割为若干小块，所述的平箔片和波箔片的固定端到自由端的圆周方向均与气流的周向方向一致； 所述平箔片固定端的上表面低于密封坝，所述平箔片自由端的上表面高出密封坝； 在所述的环本体上与所述的平箔片和波箔片的固定端对应的位置开有垂直于环本体端面的缝隙，所述的缝隙连通一个安装腔；所述的平箔片和波箔片的固定端的延伸段均插入所述的缝隙；紧钉螺钉通过定位块将所述的平箔片和波箔片的固定端的延伸段压紧在在所述的安装腔的顶部。2.如权利要求1所述的波箔型箔片端面气膜密封结构，其特征在于:所述平箔片固定端的上表面低于密封坝1.1?10 μπι，所述平箔片自由端的上表面高出密封坝0.1?10 μ m03.如权利要求2所述的波箔型箔片端面气膜密封结构，其特征在于:所述平箔片固定端的上表面低于密封坝3?8 μm，所述平箔片自由端的上表面高出密封坝0.5?3.5 μπι。
【专利摘要】一种波箔型箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是波箔型箔片端面，所述的波箔型箔片端面包括圆环状的环本体、平箔片、波箔片，环本体外侧低下、形成圆形凹面，环本体内侧高起、形成圆环台阶，所述圆环台阶的上表面形成密封坝；若干个波箔片首尾相接地铺设在所述的密封坝外侧的圆形凹面上，所述的波箔片呈波浪状，每个波箔片的上面都盖有一个平箔片；所述的平箔片和波箔片都是一端固定，另一端自由，所述的平箔片和波箔片从固定端到自由端沿圆周方向被分割为若干小块，所述的平箔片和波箔片的固定端到自由端的圆周方向均与气流的周向方向一致；所述平箔片固定端的上表面低于密封坝，所述平箔片自由端的上表面高出密封坝平面。
【IPC分类】F16J15/40
【公开号】CN104896101
【申请号】CN201510274623
【发明人】彭旭东, 陈源, 江锦波, 白少先, 李纪云
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月26日
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