[发明专利]一种自止旋收敛型旋转密封结构

说明书

技术领域：

本发明涉及一种旋转密封结构，特别涉及一种叶轮机械转子系统使用的具有控制泄漏、抑振增稳作用的自止旋收敛型旋转密封结构。

背景技术：

叶轮机械中转动部件与静止部件之间的工质泄漏是其主要的损失来源之一，旋转密封能够控制通过动静间隙从高压区向低压区的泄漏流动，有效地减小泄漏量和泄漏流动对主流的影响，对叶轮机械运行效率具有显著地影响。目前常用的旋转密封结构有迷宫密封、蜂窝密封、孔型密封、袋型阻尼密封和刷式密封。

虽然旋转密封能够减小动静间隙泄漏量、提高透平机械运行效率，但旋转密封在控制工质泄漏流动的同时，由于转子系统的偏心涡动和密封内非定常泄漏流动，还会产生非常重要的气流激振力，从而影响着透平机械转子系统的稳定性。目前对于透平机械中的气流激振力来源，比较公认的有三个方面：密封气流激振力、叶顶间隙激振力和作用在转子上的静态气流力。而密封气流激振力诱发的自激振动是导致透平机械轴系失稳的重要因素。由于密封内气流激振力诱发的自激振动为转子的正向进动，不能用动平衡的方法消除，面对密封气流激振引起的透平机械转子失稳问题，目前研究工作者主要通过研制和更换先进的阻尼轴承结构和旋转阻尼密封结构、调整动静间隙、安装进口止涡装置(如进口防旋板)等措施来解决。

研究表明：旋转密封内的气流激振力对轴系稳定性的影响与密封的转子动力特性(有效刚度和有效阻尼)有关，这一气流激振力可能抑制转子振动，也可能诱发转子失稳，而旋转密封进口和腔室内的周向旋流、以及密封进出口间隙比对密封转子动力特性具有显著影响。

由于叶栅通道的导流，以及轴、轮盘等旋转部件的旋转，工质在密封进口和腔室内具有很大的周向旋流速度，正向旋流(与密封旋转面旋转速度同向)能够显著增大密封交叉刚度，减小密封有效阻尼；而反向旋流(与密封旋转面旋转速度反向)能够改变密封交叉刚度的符号，增大密封有效阻尼。减小密封进口和腔室内的正向旋流或增大反向旋流能够显著地提高旋转密封的有效阻尼，增强转子系统的稳定性。

密封进出口间隙比是指密封进口间隙泄漏面积与出口间隙泄漏面积之比。研究表明：收敛型密封间隙(进出口间隙比<1)能够增大密封正有效刚度，但会使有效阻尼减小；发散型密封间隙(进出口间隙比>1)增大密封有效阻尼，但会产生负的有效刚度。而转子-密封系统的稳定性不但与密封有效阻尼有关，还受有效刚度的影响。

目前工程应用中通过采用具有发散型密封间隙的蜂窝密封、孔型密封和袋型密封等阻尼密封代替传统迷宫密封，并在密封进口安装防旋板或止旋射流器的方法，有效地减小转子振动幅值，但往往达不到完全消除转子振动失稳的目的。这主要是由于发散形密封间隙会产生负的有效刚度，引起转子系统的临界转速降低；进口防旋板和止旋射流器虽能够减小密封进口旋流速度，但对密封转子面旋转引起的密封腔室旋流抑振作用有限(特别是对于大型叶轮机械的轴端长密封而言)，并不能从根本上改善旋转密封转子动力特性，解决转子振动失稳问题。同时，发散型的密封间隙使密封泄漏量增大，降低了密封的封严性能；密封进口止旋射流器需单独的高压气源和通道，使密封结构复杂，增大了制造成本。

因此，研发能够有效减小密封进口以及密封腔室内正向旋流速度，同时具有较大的有效刚度和有效阻尼的新型旋转密封结构对改善密封转子动力特性、提高转子稳定性具有重要的工程应用价值。

发明内容：

本发明的目的在于针对叶轮机械对减小动静间隙泄漏量、提高运行效率，以及增大旋转密封有效刚度和有效阻尼、提高轴系稳定性的要求，提供了一种具有止旋腔室、止旋射流孔、收敛型密封间隙和收敛型腔室深度的自止旋收敛型旋转密封结构，使其能够有效地增大密封有效刚度和有效阻尼，同时保证较好的密封封严性能，从而解决叶轮机械转子系统静态和动态失稳问题，提高叶轮机械运行效率和稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种自止旋收敛型旋转密封结构，该旋转密封结构包括由内至外依次设置在旋转部件周向上的静子内环和静子外环；其中，

静子外环的内表面上加工有若干密封齿结构；

静子外环上的密封齿结构与静子内环的外表面之间存在径向间隙，且径向间隙的宽度大于静子内环与旋转部件之间存在的密封间隙的宽度；

静子外环的内表面与静子内环的外表面之间形成的环形腔室被密封齿结构分割为若干高压止旋腔；

高压止旋腔与旋转密封结构的高压端相连，每个高压止旋腔内的压力通过密封齿结构的个数、位置、形状和径向间隙调节；