CN104913064A - 一种悬臂型箔片端面气膜密封结构 - Google Patents

Abstract

一种悬臂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为悬臂型箔片端面，所述悬臂型箔片端面包括圆环状的环本体、弹性材料制成的箔片、销钉，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；若干个箔片首尾相接地铺设在所述的密封坝外侧的圆环凹面上，所述箔片为沿圆周均匀分布的扇形状；所述箔片的一端与环本体固定，另一端自由，所述箔片的自由端悬空在前一个箔片的固定端的上方，自由端上表面与密封坝平面齐平且高于固定端上表面，所述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；所述的箔片从所述的自由端至固定端沿径向被分割成若干小块，其中内侧的小块宽于外侧的小块。本发明具有稳定性好、磨损小、寿命长、可靠性高、耐高温、高转速及自适应性强的特点。

Description

一种悬臂型箔片端面气膜密封结构

(一)技术领域

本发明涉及机械端面密封结构设计技术领域，具体涉及一种悬臂型箔片端面气膜密封结构，特别适用于各种高速旋转机械的轴端密封装置。

(二)背景技术

端面气膜密封作为一种新型的机械密封形式以其低泄漏、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、反应釜及风机等各种旋转机械。随着现代旋转机械的快速发展，要求机械密封向高参数(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，传统端面气膜密封很容易发生失稳，在高温工况下，密封端面变形严重，这些情况都容易造成密封的失效，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。

针对上述问题，研究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究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，而从结构方面来提高机械密封的自适应能力的研究甚少。

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结构设计中，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。

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，能有效提高密封高速运行稳定性，但泄漏率很难控制，且要进一步提高密封应对变工况条件下的自适应能力还有待进一步研究，同时该结构零件较多，加工工艺复杂，且对加工精度的要求较高，制造费用昂贵，这也极大的限制了箔片端面密封的推广应用。

(三)发明内容

针对传统端面气膜密封与现有箔片端面密封的缺陷或不足，本发明提供了一种高速动态稳定性好、泄漏率低、制造加工简单，加工精度要求相对较低的悬臂型箔片端面气膜密封结构。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种悬臂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为悬臂型箔片端面，所述悬臂型箔片端面包括圆环状的环本体、弹性材料制成的箔片、销钉，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；若干个箔片首尾相接地铺设在所述的密封坝外侧的圆环凹面上，所述箔片为沿圆周均匀分布的扇形状；所述箔片的一端与环本体固定，另一端自由，所述箔片的自由端悬空在前一个箔片2的固定端的上方，自由端上表面与密封坝平面齐平且高于固定端上表面，所述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；所述的箔片从所述的自由端至固定端沿径向被分割成若干小块，其中内侧的小块宽于外侧的小块。

进一步，所述箔片的固定端对应的环本体位置上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，所述箔片的固定端的延伸段均插入所述的缝隙、并通过销钉压紧在安装腔的壁面上。

进一步，所述箔片的自由端在密封介质压力作用下搭接在相邻箔片的固定端表面上。

进一步，所述箔片的自由端的下表面设置规则形状隆起的搭接头，所述搭接头的横截面是三角形，圆弧形。

本发明具有以下有益效果：

箔片上各个箔块分割宽度沿环本体的径向方向由内向外依次减小，这样分割使得各个箔块的受力面积沿径向由内向外也依次减小，因此可避免沿径向方向线速度差异导致的压力分布不匀，保证各个箔块受力一致，使密封运行更加稳定；当箔片与箔片相互搭接时，在搭接处设置隆起搭接头并保证接触处有平滑曲面过渡，这样一方面可保证搭接处良好接触，另一方面，当密封运转使箔片端面受到气体动压的作用发生变形时接触处更容易滑移，提高了箔片适应外界压力变化而发生变形的灵敏度。本发明与传统干气密封相比具有更好的稳定性、可靠性、耐高温与抗高压能力以及更长的使用寿命，同时与已有的箔片端面密封相比具有更简单的结构、更低的加工精度要求和更大的推广应用潜质。

(四)附图说明

图1为本发明悬臂型箔片端面气膜密封结构示意图。

图2为本发明悬臂型箔片端面气膜密封结构中环本体的示意图。

图3为本发明悬臂型箔片端面气膜密封结构中箔片示意图。

图4为本发明悬臂型箔片端面气膜密封结构中箔片形状、排布方式和接头形状的示意图。

上述图1-4中：1-密封坝；2-箔片；3-销钉；4-环本体；5-箔块；6-定位槽。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

参照图1-4所示，一种悬臂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为悬臂型箔片端面，所述悬臂型箔片端面包括圆环状的环本体4、箔片2、销钉3，环本体4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1；若干个箔片2首尾相接地铺设在密封坝1外侧的圆环凹面上；所述箔片2为沿圆周均匀分布的扇形状，从自由端至固定端沿径向被分割成若干小块5，其中内侧的小块5宽于外侧的小块5；所述箔片2的一端与环本体4固定、另一端自由，所述箔片2的自由端悬空在前一个箔片2的固定端的上方、自由端上表面与密封坝平面齐平且高于固定端上表面，所述箔片2的固定端到自由端的圆周方向均与气流的周向方向一致。

进一步，所述箔片2的固定端对应的位置开有垂直于环本体端面的缝隙61，所述的缝隙61连通一个安装腔62；所述箔片的固定端的延伸段均插入所述的缝隙61；所述固定端的延伸段通过销钉3压紧在安装腔62的壁面上。

进一步，所述箔片2的自由端在密封介质压力作用下搭接在相邻箔片的固定端表面上。

当箔片2的自由端悬空时，其自适应性能较好，但支承刚度较小，不适合高载荷工况；当箔片2自由端搭接到与其首尾相接的箔片上时，能有效提高支承刚度，可适应较高载荷工况。

进一步，所述箔片2的自由端的下表面设置隆起的搭接头51，所述搭接头51的横截面是三角形，圆弧形。

本发明将靠近环本体4的圆心的一侧定义为内侧，远离圆心的一侧是外侧。

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。

Claims (4)

1.一种悬臂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为悬臂型箔片端面，所述悬臂型箔片端面包括圆环状的环本体、弹性材料制成的箔片、销钉，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；若干个箔片首尾相接地铺设在所述的密封坝外侧的圆环凹面上，所述箔片为沿圆周均匀分布的扇形状；所述箔片的一端与环本体固定，另一端自由，所述箔片的自由端悬空在前一个箔片的固定端的上方，自由端上表面与密封坝平面齐平且高于固定端上表面，所述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；所述的箔片从所述的自由端至固定端沿径向被分割成若干小块，其中内侧的小块宽于外侧的小块。

2.如权利要求1所述的悬臂型箔片端面气膜密封结构，其特征在于：所述箔片的固定端对应的环本体位置上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，所述箔片的固定端的延伸段均插入所述的缝隙、并通过销钉压紧在安装腔的壁面上。

3.如权利要求1所述的悬臂型箔片端面气膜密封结构，其特征在于：所述箔片的自由端在密封介质压力作用下搭接在相邻箔片的固定端表面上。

4.如权利要求1所述的悬臂型箔片端面气膜密封结构，其特征在于：所述箔片的自由端的下表面设置规则形状隆起的搭接头，所述搭接头的横截面是三角形，圆弧形。