[发明专利]一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构

说明书

本发明公开了一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构，该迷宫密封结构核心在于密封齿采用内凹圆弧进行设计，而内凹圆弧是通过喉部截面高度、内凹圆弧与齿顶的垂直过渡距离以及齿顶宽度进行确定的。这种迷宫密封结构的内凹型密封齿与密封转子构成的流动通道能够增强密封有效阻尼的频率相关性，降低有效阻尼项穿越频率，从而提高密封安全稳定运行的频率范围，达到增强密封转子稳定性的目的。此外，本发明的内凹型密封齿设计不涉及密封间隙变化，因此，密封良好的封严性能仍然可以通过控制密封间隙得到保证。数值研究表明，本发明的具有内凹型密封齿的迷宫密封结构经过合理的参数设计后可以使得密封有效阻尼项穿越频率降低6.4％以上。

技术领域

本发明属于叶轮机械技术领域，尤其涉及一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构。

背景技术

在蒸汽轮机、燃气轮机、泵和压气机等叶轮机械中，旋转密封安装在旋转部件和静止部件之间，主要承担着控制通过动静间隙从高压区向低压区的泄漏流动的作用。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，而迷宫密封由于其可靠的封严性能、相对较低的制造成本、安装方便以及安装时允许旋转部件和静止部件不严格对中等优点而在透平机械通流动静间隙控制中得到广泛应用。

研究结果表明，迷宫密封具有很好的封严性能，然而高压高转速下密封腔室内产生的非定常气流激振力容易诱发转子失稳，进而限制了迷宫密封在工业运用中的进一步发展。目前，工程中针对迷宫密封引起转子失稳的问题，主要有两种方式解决：一是将迷宫密封更换为转子稳定性性能更加优良的阻尼密封，如蜂窝密封、孔型密封、袋型阻尼密封；二是在密封进口处安装一种能够抑制腔室气流周向流动的防旋板结构或者引入能够产生与腔室内气流周向流动方向相反流动的射流槽来增强转子稳定性。然而这些解决迷宫密封转子失稳问题方法所要求的结构设计相对复杂，已经掩盖了迷宫密封制造安装简单的优点，因此，如果存在一种新型迷宫密封结构能够兼顾密封泄漏量和转子稳定性的要求，并且保留迷宫密封制造安装简单方便的优点，那么将势必推广迷宫密封在工程实际中的应用范围，具有重要的工程意义。

发明内容

本发明针对叶轮机械中已经得到大量工业应用的迷宫密封增强转子稳定性的要求，提出一种新型迷宫密封结构，尤其是一种具有能够提高密封转子稳定性的内凹型密封齿的迷宫密封结构。研究表明，这种内凹型密封齿能够改变不同涡动频率下气流作用在密封转子上的激振力响应，增强密封有效阻尼的频率相关性，降低密封有效阻尼项穿越频率，从而提高密封安全稳定运行的频率范围，达到增加密封转子稳定性的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种具有内凹型密封齿的迷宫密封结构，该迷宫密封结构包括等间距设置在密封静子的若干内凹型密封齿，内凹型密封齿与密封转子构成的流动通道能够改变不同涡动频率下气流作用在密封转子上的激振力响应，每个内凹型密封齿的截面外轮廓包括平行设置的齿顶直线段和齿根直线段，且内凹型密封齿的齿顶宽度小于齿根宽度，齿顶直线段和齿根直线段的两端均通过对称设置的垂直过渡直线段、内凹圆弧和切线段相连，切线段与对应的内凹圆弧所在圆相切。

本发明进一步的改进在于，内凹型密封齿的齿顶宽度小于齿根宽度的一半。

本发明进一步的改进在于，垂直过渡直线段的长度，即内凹圆弧与齿顶的垂直过渡距离为0.05mm-0.1mm。

本发明进一步的改进在于，内凹圆弧的圆心位于喉部截面等高线上。

本发明进一步的改进在于，内凹圆弧的圆心位于喉部截面与垂直过渡直线段的端点连线的中垂线上，即圆心为喉部截面等高线和中垂线的交点。

本发明进一步的改进在于，内凹型密封齿的喉部截面以下圆弧所对应的圆弧角度小于或等于90°。

本发明进一步的改进在于，该内凹型密封齿应用于直通式迷宫密封、向前阶梯式迷宫密封、向后阶梯式迷宫密封以及交错式迷宫密封的密封静子上。