CN104912604B - 一种具有止旋抑振作用的防旋板结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有止旋抑振作用的防旋板结构，其在旋转密封的进口上游设置有静子环，所述静子环内表面半径沿轴向逐渐减小或先减小后增大；所述静子环内表面与导流片、旋转部件外表面构成轴向收缩或缩放的变截面环形流体通道使工质流经该通道时膨胀加速。本发明针对叶轮机械转子系统对减小密封进口旋流、改善密封转子动力特性和提高转子稳定性的要求，提出一种具有止旋抑振作用的防旋板结构，使其能够有效地减小密封进口正预旋速度、引导密封进口工质反向旋转，增大旋转密封的有效阻尼，从而解决转子振动失稳问题，提高转子系统稳定性。

Description

一种具有止旋抑振作用的防旋板结构

技术领域

本发明属于叶轮机械技术领域，涉及一种防旋板结构，尤其是一种叶轮机械旋转密封进口使用的具有止旋、导流和抑振作用的防旋板结构。

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，控制通过动静间隙从高压区向低压区的泄漏流动，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，根据安装位置的不同又被称为轴密封、级间密封、平衡密封、叶顶密封、叶轮进口密封和隔板密封等。旋转密封结构一般由密封静子部件和旋转部件两部分组成，二者间存在小的径向间隙。

旋转密封在控制泄漏流动的同时，还会产生非定常流体激振力，影响转子系统的稳定性。研究表明密封气流激振力诱发的自激振动是导致叶轮机械轴系失稳的重要因素，而由密封进口旋流引起的较大的交叉刚度是诱导转子加载失稳的关键动力学参数。面对密封气流激振引起转子失稳问题，目前工程中主要通过更换先进的旋转阻尼密封件、调整密封动静间隙、安装止旋装置改善来流条件等措施来解决。

工程应用中单独采用蜂窝密封、孔型密封和袋型密封等阻尼密封代替传统迷宫密封的方法能够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。研究表明：由于叶栅通道的导流，以及轴、轮盘等旋转部件的旋转，工质在密封进口具有很大的周向旋流速度，称为密封进口预旋；密封进口正预旋(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；而密封进口的负预旋(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。减小密封进口正预旋或增大负预旋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。目前在实验研究和工程应用中，通过在蜂窝密封和孔型密封进口安装防旋板止旋装置有效地减小了密封进口预旋速度，成功解决了多起高压氧气泵和离心压气机的转子亚同步振动失稳问题。防旋板结构是安装在密封进口的一系列与旋转轴成一定角度的导流片，能够阻滞和引导密封进口工质流动方向的一种止旋装置。图1给出了现有技术中一种具有传统进口防旋板结构的迷宫密封2。虽然传统防旋板3能够在一定程度上减小密封进口的旋流速度，但效果有限，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。

因此，能够有效消除密封进口正预旋速度、甚至使密封进口工质反向旋转的新型防旋板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

本发明针对叶轮机械转子系统对减小密封进口旋流、改善密封转子动力特性和提高转子稳定性的要求，提出一种具有止旋抑振作用的防旋板结构，使其能够有效地减小密封进口正预旋速度、引导密封进口工质反向旋转，增大旋转密封的有效阻尼，从而解决转子振动失稳问题，提高转子系统稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种具有止旋抑振作用的防旋板结构为：在旋转密封的进口上游设置有静子环，所述静子环内表面半径沿轴向逐渐减小或先减小后增大；所述静子环内表面与导流片、旋转部件外表面构成轴向收缩或缩放的变截面环形流体通道使工质流经该通道时膨胀加速。

进一步，上述旋转密封的密封形式为迷宫密封、蜂窝密封、孔型密封或者袋型阻尼密封。

进一步，上述静子环的静子环内表面的轴向型线为“直线收缩型”、“二次曲线收缩型”、“余弦曲线收缩型”或者“B样条曲线缩放型”。

进一步，上述静子环内表面与旋转部件的外表面形成的环形通道沿流动方向具有“收缩”或“缩放”型通流面积。

进一步，上述导流片与旋转部件的外表面之间存在径向间隙，所述径向间隙具有与旋转密封的密封间隙相近的值。

上述导流片是等厚度的薄片，两端具有倒圆；所述导流片型线由其中弧线决定，所述中弧线为“直线型”或“L型”。

上述导流片的中弧线与旋转部件的旋转轴存在0°～90°的偏转角。

上述导流片轴向长度小于静子环的内表面的轴向型线轴向长度；导流片的上游轴向长度小于或等于其下游轴向长度。

本发明具有以下有益效果：

本发明的具有止旋抑振作用的新型防旋板结构，可有效地减小旋转密封进口正预旋速度、增大负预旋速度，显著地增大旋转密封有效阻尼，改善密封转子动力特性，提高转子系统稳定性。本发明的防旋板结构对目前叶轮机械中应用的各类旋转密封结构具有普遍适用性。

附图说明

图1是现有技术中带有防旋板结构的迷宫密封；

图2是本发明的防旋板结构与旋转密封在多级离心压气机中的相对配合安装位置示意图；

图3是本发明的防旋板和孔型密封三维结构图；

图4是本发明的防旋板的子午面剖视图；

图5是本发明的防旋板静子环的子午面剖视图；

图6是本发明的防旋板静子环的子午面剖视图和内表面几种型线的生成方法；

图7是本发明的防旋板导流片沿A-A线剖视图和中弧线两种型线的生成方法；

其中：1为旋转部件；2为旋转密封；3为防旋板；4为叶轮；5为导流片；6为静子环内表面；7为静子环；8为旋转部件的外表面；9为径向间隙；10为静子环轴向长度；11为静子环径向高度；12为导流片的中弧线；13为导流片厚度；14为导流片轴向总长度；15为导流片轴向偏转角；16为上游轴向长度；17为下游轴向长度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的具体结构参见附图2～7：本发明具有止旋抑振作用的防旋板结构，其特征在于，在旋转密封2的进口上游设置有静子环7，所述静子环7内表面半径沿轴向逐渐减小或先减小后增大；所述静子环7内表面与导流片5、旋转部件1外表面构成轴向收缩或缩放的变截面环形流体通道使工质流经该通道时膨胀加速。

所述旋转密封2的密封形式为迷宫密封、蜂窝密封、孔型密封或者袋型阻尼密封。所述静子环7的静子环内表面6的轴向型线为“直线收缩型”、“二次曲线收缩型”、“余弦曲线收缩型”或者“B样条曲线缩放型”。所述静子环内表面6与旋转部件的外表面8形成的环形通道沿流动方向具有“收缩”或“缩放”型通流面积。所述导流片5与旋转部件的外表面8之间存在径向间隙9，所述径向间隙9具有与旋转密封2的密封间隙相近的值。所述导流片5是等厚度的薄片，两端具有倒圆；所述导流片5型线由其中弧线12决定，所述中弧线12为“直线型”或“L型”。所述导流片5的中弧线12与旋转部件1的旋转轴存在0°～90°的偏转角。所述导流片5轴向长度小于静子环的内表面6的轴向型线轴向长度10；“L型”导流片5的上游轴向长度16小于或等于其下游轴向长度17。

参见图2，图中4为叶轮，本发明的防旋板结构3为独立的部件，可直接安装在旋转密封2的进口上游，与旋转密封2同轴安装。本发明的防旋板结构3可改善旋转密封2的转子动力特性，增强转子系统稳定性，而不改变旋转密封2的结构。

参加图3，本发明的防旋板3的导流片5与旋转部件1的外表面8存在径向间隙9。径向间隙9的数值与旋转密封径向间隙相等或相近。

参见图3，本发明的防旋板结构3包括静子环7和导流片5。静子环7和导流片5采用独立加工后组装的加工方法。为便于安装，静子环7加工为等弧度的2-6块。

参见图4，静子环7的内表面6的半径沿轴向是变化的，即内表面6与旋转部件1的外表面8之间形成的环形通道的通流面积沿轴向是变化的。静子环7的内表面6与转子部件1的外表面8之间的环形通道面积沿流动方向具有“收缩”和“缩放”两种变化规律。

参见图5(a)和(b)，静子环7的内表面6的型线由两个参数轴向长度L10和径向高度H11，以及半径变化规律决定。轴向长度L10和径向高度H11的取值与防旋板和旋转密封的安装尺寸有关。

参见图6，图6中L和H为静子环7内表面6的型线的轴向长度10和径向高度11，R_in为内表面6上游进口处的半径，Z为内表面6的型线上坐标点的轴向坐标。静子环7的内表面6的型线根据半径变化规律的不同可分为：“直线收缩型”，“二次曲线收缩型”，“余弦曲线收缩型”和“B样条曲线缩放型”。五种“收缩型”型线可根据防旋板3和旋转密封2的具体安装尺寸和运行工况确定轴向长度L10和径向高度H11，然后根据图6中所示的计算公式获得。“B样条曲线缩放型”型线除需确定轴向长度L和径向高低H两个参数外，还需采用优化算法和数值模拟，通过对有限控制点坐标进行优化获得。

参见图7，本发明的防旋板3的导流片5具有两种型线：“直线型”和“L型”。导流片5采用等厚度的薄片，其两端加工倒圆。导流片5的型线由其中弧线12决定。“直线型”型线几何参数包括：中弧线与导流片轴向偏转角15、导流片轴向总长度14，导流片厚度13。“L型”型线包括：中弧线与轴线偏转角15a、15b，导流片轴向总长度14、“L型”导流片5的上游轴向长度16、“L型”导流片5的下游轴向长度17，导流片厚度13，偏转圆弧半径18。如图4和图6所示，导流片5的轴向总长度14略小于防旋板3的静子环内表面6型线的轴向长度10L₁<L。导流片轴向偏转角15、15a、15b的取值范围为0°～90°0°≤α,α₁,α₂<90°。偏转角15b的取值与旋转密封进口工质流体方向有关，导流片轴向偏转角15、15b应与进口气流偏转角相等。轴向长度16的值小于等于下游轴向长度17的值L₂<L₃。偏转圆弧半径18的值与偏转角15a、15b,以及导流片5的个数有关。导流片5的个数可取36,72，……等4的倍数，在静子环7上沿周向等弧度安装。导流片5的径向高度由静子环7的内表面6的半径、旋转部件1外表面8的半径和径向间隙9决定。

本发明的技术原理如下：

参见图2，在叶轮机械中，由于旋转部件1如转子、叶轮、轮盘等的旋转、以及叶栅通道的偏转等作用，进入旋转密封2的工质具有与旋转部件旋转方向相同的周向旋流速度，称为正进口预旋速度。研究表明：正进口预旋速度会增大旋转密封的交叉刚度，减小有效阻尼，使转子发生振动失稳；通过减小密封进口的正预旋速度、增大反向预旋速度可增大旋转密封的有效阻尼，增强转子系统的稳定性。本发明的防旋板结构3是通过阻滞密封进口工质流体的正向偏转，并引导工质反向偏转，从而减小正预旋速度、增大负预旋速度，达到改善旋转密封转子动力特性、增强转子稳定性的目的。

本发明的防旋板3通过控制内表面6的轴向型线，使静子环7的内表面6与旋转部件1的外表面8之间形成的环形通道在轴向具有类似“收缩喷管”或“缩放喷管”的通流面积变化规律。工质流经防旋板3时，压力减小，速度增大。同时由于导流片5与旋转部件1的旋转轴存在一定的偏转角15，具有阻滞工质正预旋速度、引导流体反向旋转的作用，工质在防旋板3中膨胀加速后，其轴向速度和反向旋转速度将显著增大，达到改善旋转密封转子动力特性的目的。

数值模拟结果已初步证明了本发明的防旋板结构3能够有效地控制旋转密封2进口的预旋速度，能够显著地提高密封的有效阻尼。

Claims (7)

1.一种防旋板结构，其特征在于，在旋转密封(2)的进口上游设置有静子环(7)，所述静子环(7)内表面半径沿轴向逐渐减小或先减小后增大；所述静子环(7)内表面与导流片(5)、旋转部件(1)外表面构成轴向收缩或缩放的变截面环形流体通道使工质流经该通道时膨胀加速；所述导流片(5)是等厚度的薄片，两端具有倒圆；所述导流片(5)型线由其中弧线(12)决定，所述中弧线(12)为“直线型”或“L型”。

2.根据权利要求1所述的防旋板结构，其特征在于，所述旋转密封(2)的密封形式为迷宫密封、蜂窝密封、孔型密封或者袋型阻尼密封。

3.根据权利要求1所述的防旋板结构，其特征在于，所述静子环(7)的静子环内表面(6)的轴向型线为“直线收缩型”、“二次曲线收缩型”、“余弦曲线收缩型”或者“B样条曲线缩放型”。

4.根据权利要求1或3所述的防旋板结构，其特征在于，所述静子环内表面(6)与旋转部件的外表面(8)形成的环形通道沿流动方向具有“收缩”或“缩放”型通流面积。

5.根据权利要求1所述的防旋板结构，其特征在于，所述导流片(5)与旋转部件的外表面(8)之间存在径向间隙(9)，所述径向间隙(9)具有与旋转密封(2)的密封间隙相近的值。

6.根据权利要求1所述的防旋板结构，其特征在于，所述导流片(5)的中弧线(12)与旋转部件(1)的旋转轴存在0°～90°的偏转角。

7.根据权利要求1或3所述的防旋板结构，其特征在于，所述导流片(5)轴向长度小于静子环的内表面(6)的轴向型线轴向长度(10)；导流片(5)的上游轴向长度(16)小于或等于其下游轴向长度(17)。