申请/专利权人：昆明理工大学

申请日：2018-12-03

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN109404059B

主分类号：F01D11/04

分类号：F01D11/04

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2019.03.26#实质审查的生效;2019.03.01#公开

摘要：本发明涉及一种端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，属于透平密封技术领域。本发明包括静子、弹簧、推静组件、柔性支承组件、动环、螺钉Ⅰ和轴套；所述轴套安装在转子上，所述动环通过螺钉Ⅰ设置在轴套上，所述推静组件通过弹簧安装在静子的内部，弹簧一端与静子连接、另一端与推静组件中的推环连接，所述柔性支承组件安装在静子的内凹槽中，所述静子安装在轴套的外面。本发明采用两级密封结构，封严性好，泄露量低；径向具有较高柔性和支承刚度，解决了转子高速旋转时的径向大位移所带来的机械密封失效的问题，同时具有轴向密封间隙和径向密封间隙自适应可调性。

主权项：1.一种端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：包括静子（1）、弹簧（2）、推静组件（3）、柔性支承组件（4）、动环（5）、螺钉Ⅰ（6）和轴套（7）；所述轴套（7）安装在转子（8）上，所述动环（5）通过螺钉Ⅰ（6）设置在轴套（7）上，所述推静组件（3）通过弹簧（2）安装在静子（1）的内部，弹簧（2）一端与静子（1）连接、另一端与推静组件（3）中的推环（31）连接，所述柔性支承组件（4）安装在静子（1）的内凹槽（11）中，所述静子（1）安装在轴套（7）的外面；所述推静组件（3）包括推环（31）、拉环（32）、静环（33）和螺钉Ⅱ（34），静环（33）上设置的挡边（332）与拉环（32）的拉台（321）配合安装，推环（31）的右端面与拉环（32）和静环（33）的左端面配合并通过螺钉Ⅱ（34）固定连接；所述柔性支承组件（4）包括浮环（41）和金属橡胶（42），所述浮环（41）外缘设置有U形槽（411），金属橡胶（42）安装在浮环（41）的U形槽（411）内，浮环（41）的材料为铜箔，金属橡胶（42）的材料为0Cr18Ni10Ti或1Cr18Ni9Ti，制成金属橡胶（42）的螺旋卷直径为0.0mm～1.2mm；所述静环（33）右边设置有密封面（331）、左边设置有挡边（332），静环（33）的材料为碳石墨；所述动环（5）设置有密封端面（51）、柱面动压槽（52）、端面动压槽（53）、凸台（54）、螺纹孔和密封柱面（56）；柱面动压槽（52）均匀分布在密封柱面（56）上，端面动压槽（53）均匀分布在密封端面（51）上；柱面动压槽（52）的深度为3~20μm，端面动压槽（53）的深度为5~10μm；柱面动压槽（52）的数量为22~28个，端面动压槽（53）的数量为12~24个；所述柔性支承组件（4）中的浮环（41）和动环（5）的密封柱面（56）的安装间隙为5~20μm；所述推静组件（3）中的静环（33）的密封面（331）与动环（5）的密封端面（51）的安装间隙为5~20μm。

全文数据：一种端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置技术领域本发明涉及一种端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，属于透平密封技术领域。背景技术干气密封是一种非接触式机械密封技术，在透平机械领域尤其是航空发动机中，通常需要利用机械密封对不同压力区域进行隔离密封。但在航空发动机所处的高界面滑速、高边界压差和高环境温度的“三高”工况下，转子会产生较大的径向跳动和轴向跳动，使得普通的端面气膜密封技术易使密封界面发生碰磨，接触的情况，从而使密封系统失效，密封失效则会严重影响航空发动机及透平机械的使用性能。目前，涉及的干气密封有：一种干气密封结构201110271071.1、离心干气密封201020106087.8、双端面干气密封装置200420061154.3、组合式气体密封装置200420060810.8等专利提供了气体密封装置，但这些干气密封系统都采用是端面形式的气膜密封装置，当转子处在高界面滑速、高边界压差和高环境温度工况时，密封系统因无法克服转子产生的大径向跳动而发生失效，严重影响透平机械的使用性能。发明内容本发明要解决的技术问题是为了克服背景技术的不足，提供一种端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，用以解决现有气膜密封无法解决“三高”工况下转子径向跳动和轴向跳动所引起的界面碰磨及密封失效等问题。本发明的技术方案是：一种端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，包括静子、弹簧、推静组件、柔性支承组件、动环、螺钉Ⅰ和轴套；所述轴套安装在转子上，所述动环通过螺钉Ⅰ设置在轴套上，所述推静组件通过弹簧安装在静子的内部，弹簧一端与静子连接、另一端与推静组件中的推环连接，所述柔性支承组件安装在静子的内凹槽中，所述静子安装在轴套的外面。所述静子上设置有凹槽、凸缘、弹簧安装孔；静子设有凹形槽，凹形槽底部两侧设置有弹簧安装孔，凹形槽上端设置有环形的内凹槽，凸缘位于静子内部中间。所述推静组件包括推环、拉环、静环和螺钉Ⅱ，静环上设置的挡边与拉环的拉台配合安装，推环的右端面与拉环和静环的左端面配合并通过螺钉Ⅱ固定连接。所述柔性支承组件包括浮环和金属橡胶，所述浮环外缘设置有U形槽，金属橡胶安装在浮环的U形槽内，浮环的材料为铜箔，金属橡胶的材料为0Cr18Ni10Ti或1Cr18Ni9Ti，制成金属橡胶的螺旋卷直径为0.0mm～1.2mm。所述静环右边设置有密封面、左边设置有挡边。静环的材料为碳石墨或陶瓷。所述拉环右侧设置有拉台、左侧设置有螺纹孔。所述弹簧在静子内壁均匀分布6～12个，压缩或者伸长的长度不大于3mm。所述动环设置有密封端面、柱面动压槽、端面动压槽、凸台、螺纹孔和密封柱面；柱面动压槽均匀分布在密封柱面上，端面动压槽均匀分布在密封端面上；柱面动压槽的深度为3～20μm，端面动压槽的深度为5～10μm；柱面动压槽的数量为22～28个，端面动压槽的数量为12～24个。所述柔性支承组件中的浮环和动环的密封柱面的安装间隙为5～20μm。所述推静组件中的静环的密封面与动环的密封端面的安装间隙为5～20μm。所述动环的材料为碳化钨和碳化硅。所述动环上设置的柱面动压槽的形式为螺旋槽、T型槽、矩形槽、梯形槽和无槽光滑圆柱面。所述动环上所设置的端面动压槽的形式为螺旋槽、T型槽、矩形槽、梯形槽和无槽光滑端面。所述动环上的任意一种形式的动压槽可以和任意一种形式的端面动压槽进行组合设置。本发明的有益效果是：1、径向兼具较高柔性和支承刚度，能吸收转子剧烈的振动和热力变形，解决了径向大振位移产生的密封失效问题；2、轴向密封间隙和径向密封间隙均具有自适应可调性；3、采用两级密封结构，封严性好，泄露量低；4、机械密封结构简单、方便拆卸、易于维护、使用寿命长。附图说明图1是本发明的安装示意图；图2是本发明的结构示意图；图3是本发明的推静组件结构示意图；图4是本发明的柔性支承组件结构示意图；图5是本发明的静子的结构示意图；图6是本发明的静环结构示意图；图7是本发明的拉环结构示意图；图8是本发明的浮环结构示意图；图9是本发明的动环结构示意图；图10是本发明的动环的另一视角结构示意图；图11是本发明的动环上的设置的端柱面动压槽的第一种可能的组合结构；图12是本发明的动环上的设置的端柱面动压槽的第二种可能的组合结构；图13是本发明的动环上的设置的端柱面动压槽的第三种可能的组合结构。图中：1-静子、11-凹槽、12-凸缘、13-弹簧安装孔、2-弹簧、3-推静组件、31-推环、32-拉环、321-拉台、322-螺纹孔、33-静环、331-密封面、332-挡边、34-螺钉Ⅱ、4-柔性支承组件、41-浮环、411-U形槽、42-金属橡胶、5-动环、51-密封端面、52-柱面动压槽、53-端面动压槽、54-凸台、55-螺纹孔、56-密封柱面、6-螺钉Ⅰ、7-轴套、8-转子。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。实施例1：如图1-13所示，一种端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，包括静子1、弹簧2、推静组件3、柔性支承组件4、动环5、螺钉Ⅰ6和轴套7；所述轴套7安装在转子8上，所述动环5通过螺钉Ⅰ6设置在轴套7上，所述推静组件3通过弹簧2安装在静子1的内部，弹簧2一端与静子1连接、另一端与推静组件3中的推环31连接，所述柔性支承组件4安装在静子1的内凹槽11中，所述静子1安装在轴套7的外面。进一步地，所述静子1上设置有凹槽11、凸缘12、弹簧安装孔13；静子1设有凹形槽，凹形槽底部两侧设置有弹簧安装孔13，凹形槽上端设置有环形的内凹槽11，凸缘12位于静子1内部中间。进一步地，所述推静组件3包括推环31、拉环32、静环33和螺钉Ⅱ34，静环33上设置的挡边332与拉环32的拉台321配合安装，推环31的右端面与拉环32和静环33的左端面配合并通过螺钉Ⅱ34固定连接。进一步地，所述柔性支承组件4包括浮环41和金属橡胶42，所述浮环41外缘设置有U形槽411，金属橡胶42安装在浮环41的U形槽411内，浮环41的材料为铜箔，金属橡胶42的材料为0Cr18Ni10Ti或1Cr18Ni9Ti，制成金属橡胶42的螺旋卷直径为0.0mm～1.2mm。进一步地，所述静环31右边设置有密封面331、左边设置有挡边332。工作时，密封面331与动环5的密封端面51相互作用，形成端面密封区域，静环31的材料为碳石墨或陶瓷。进一步地，所述拉环32右侧设置有拉台321、左侧设置有螺纹孔322。进一步地，所述弹簧2在静子1内壁均匀分布6～12个，压缩或者伸长的长度不大于3mm，工作时，起到轴向密封间隙的自适应调节作用。进一步地，所述动环5设置有密封端面51、柱面动压槽52、端面动压槽53、凸台54、螺纹孔55和密封柱面56；柱面动压槽52均匀分布在密封柱面56上，端面动压槽53均匀分布在密封端面51上；柱面动压槽52的深度为3～20μm，端面动压槽53的深度为5～10μm；柱面动压槽52的数量为22～28个，端面动压槽53的数量为12～24个。进一步地，所述柔性支承组件4中的浮环41和动环5的密封柱面56的安装间隙为5～20μm。进一步地，所述推静组件3中的静环33的密封面331与动环5的密封端面51的安装间隙为5～20μm。进一步地，所述动环5的材料为碳化钨和碳化硅。进一步地，所述动环5上设置的柱面动压槽52的形式为螺旋槽、T型槽、矩形槽、梯形槽和无槽光滑圆柱面。进一步地，所述动环5上所设置的端面动压槽53的形式为螺旋槽、T型槽、矩形槽、梯形槽和无槽光滑端面。进一步地，所述动环5上的任意一种形式的动压槽52可以和任意一种形式的端面动压槽53进行组合设置。本发明的工作原理是：轴套7安装在转子8上随转子8一起转动，动环5通过螺钉Ⅰ6设置在轴套7上，柔性支承组件4中的浮环41和动环5的密封柱面56的安装间隙为设置在5～20μm之间，柔性支承组件4中的金属橡胶42安装在浮环41的U形槽411内，推静组件3安装在静子1内部，通过弹簧2与静子1连接，推静组件3中的静环33的密封面331与动环5的密封端面51的安装间隙在5～20μm之间。转子8带动轴套7和动环5高速转动时，来自上游的气体流经动环5上的密封柱面56与浮环41之间的微间隙时，在柱面动压槽52所形成的的流体动压效应下，在微间隙间将形成高压柱面密封气膜，防止了气体从高压侧向低压侧泄露，此时在外部扰动下转子8产生的径向位移会使转子向一侧发生移动，由于微间隙间的高压柱面密封气膜具有较高的刚度，因此会使金属橡胶42发生形变以自动适应转子8的振动所产生的径向位移，从而保证了柱面气膜稳定的压力与刚度，防止了柱面气膜的密封失效。当从柔性支承组件4和动环5的左侧泄露出来的少量气体流经推静组件3和动环5之间的微间隙时，在密封端面51上的端面动压槽53所形成的的流体动压效应下，在微间隙间将形成高压端面密封气膜，防止了气体的二次泄露，弹簧2可以消除轴向微扰动，使得端面气膜厚度具有一定的自适应调节功能，保证的密封的可靠与稳定，降低了密封系统的整体泄漏量。以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

权利要求：1.一种端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：包括静子1、弹簧2、推静组件3、柔性支承组件4、动环5、螺钉Ⅰ6和轴套7；所述轴套7安装在转子8上，所述动环5通过螺钉Ⅰ6设置在轴套7上，所述推静组件3通过弹簧2安装在静子1的内部，弹簧2一端与静子1连接、另一端与推静组件3中的推环31连接，所述柔性支承组件4安装在静子1的内凹槽11中，所述静子1安装在轴套7的外面。2.根据权利要求1所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述静子1上设置有凹槽11、凸缘12、弹簧安装孔13；静子1设有凹形槽，凹形槽底部两侧设置有弹簧安装孔13，凹形槽上端设置有环形的内凹槽11，凸缘12位于静子1内部中间。3.根据权利要求1所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述推静组件3包括推环31、拉环32、静环33和螺钉Ⅱ34，静环33上设置的挡边332与拉环32的拉台321配合安装，推环31的右端面与拉环32和静环33的左端面配合并通过螺钉Ⅱ34固定连接。4.根据权利要求1所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述柔性支承组件4包括浮环41和金属橡胶42，所述浮环41外缘设置有U形槽411，金属橡胶42安装在浮环41的U形槽411内，浮环41的材料为铜箔，金属橡胶42的材料为0Cr18Ni10Ti或1Cr18Ni9Ti，制成金属橡胶42的螺旋卷直径为0.0mm～1.2mm。5.根据权利要求3所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述静环31右边设置有密封面331、左边设置有挡边332，静环31的材料为碳石墨或陶瓷。6.根据权利要求3所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述拉环32右侧设置有拉台321、左侧设置有螺纹孔322。7.根据权利要求1所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述弹簧2在静子1内壁均匀分布6～12个，压缩或者伸长的长度不大于3mm。8.根据权利要求1所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述动环5设置有密封端面51、柱面动压槽52、端面动压槽53、凸台54、螺纹孔55和密封柱面56；柱面动压槽52均匀分布在密封柱面56上，端面动压槽53均匀分布在密封端面51上；柱面动压槽52的深度为3～20μm，端面动压槽53的深度为5～10μm；柱面动压槽52的数量为22～28个，端面动压槽53的数量为12～24个。9.根据权利要求4所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述柔性支承组件4中的浮环41和动环5的密封柱面56的安装间隙为5～20μm。10.根据权利要求5所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述推静组件3中的静环33的密封面331与动环5的密封端面51的安装间隙为5～20μm。11.根据权利要求1或8所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述动环5的材料为碳化钨和碳化硅。12.根据权利要求8所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述动环5上设置的柱面动压槽52的形式为螺旋槽、T型槽、矩形槽、梯形槽和无槽光滑圆柱面。13.根据权利要求8所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述动环5上所设置的端面动压槽53的形式为螺旋槽、T型槽、矩形槽、梯形槽和无槽光滑端面。14.根据权利要求12或13所述的端柱面结合的双作用柔性支承干气密封装置，其特征在于：所述动环5上的任意一种形式的动压槽52可以和任意一种形式的端面动压槽53进行组合设置。

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