[发明专利]一种刷丝受约束的刷式密封

说明书

技术领域

本发明属于旋转机械密封领域，具体涉及一种刷丝受约束的刷式密封。

背景技术

在旋转机械中，常使用不同类型的密封装置对不同压力室进行密封，这些密封装置包括篦齿密封、刷式密封、指尖密封、石墨密封等。在大多场合下，常常篦齿密封和刷式密封二选其一，篦齿密封具有高可靠性和长寿命的优点，而刷式密封具有更好的密封性能。

刷式密封是现代先进透平机械发展的关键技术之一，已经应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮机械中。刷式密封的基本结构至少包括上游环、下游环和刷丝，且刷丝装夹在上游环和下游环之间。上述刷丝一般采用直径0.05～0.15mm的耐高温合金丝，刷丝束总厚度0.6～2mm，刷丝与转子径向呈15～60°倾角，倾角顺着转子旋向。刷式密封在转子瞬间大幅径向位移后仍可保持密封间隙不变，进而实现高效密封。

与传统篦齿密封相比，刷式密封在许多方面具有优势，然而也存在一些问题，导致其至今仍没能替代传统密封技术，需进一步研究改进。近年来，对刷式密封的研究方兴未艾，研究主要集中在解决“压力闭合效应”、“刚化效应”和“迟滞效应”。

刷式密封的“压力闭合效应”是指刷丝倾角在压差作用下变小而发生的内孔收缩现象。因压差存在，刷丝束内部形成径向气流，如图1所示；这种径向气流会促使刷丝倾角自发地变小，即刷丝自由端自发地贴近转子，如图4中单根刷丝向转子表面方向靠近。当压差足够大、径向气流足够强烈时，刷丝会贴紧转子表面，刷式密封与转子零间隙配合。尽管这种现象在某种程度上是我们希望看到的，但是这种现象的不稳定性最终会导致刷丝自由端过度磨损并伤及转子，刷式密封很快失效，严重影响刷式密封的使用寿命。

刷式密封的“刚化效应”和“迟滞效应”均是由于其承受的高压差造成的。压差使刷丝锁定在下游环上，刷丝一旦与转子发生碰磨，需克服刷丝与下游环之间较大的摩擦力，这必然会增大磨损；刷丝一旦退让，由于上述摩擦力的存在，刷丝也不易复位，造成泄漏增加。

目前，在刷丝上游增设遮流板可在一定程度上减小“压力闭合效应”的不利影响，但同时会增大“刚化效应”和“迟滞效应”的不利影响。

国外公司为了减小“刚化效应”和“迟滞效应”的不利影响，设计出压力平衡型刷式密封，即在刷丝下游环上增设压力平衡腔，以减小上述摩擦力。然而，压力平衡腔的设计需格外谨慎，不仅更容易产生“压力闭合效应”，而且还容易引起刷丝颤动现象。

发明内容

本发明提供了一种刷丝受约束的刷式密封。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种刷丝受约束的刷式密封，包括上游环、下游环和装夹在上游环和下游环之间的刷丝，还包括一片以上的限位片，限位片为长条形薄片状；限位片一端为固定端、另一端为自由端；限位片设在上游环和下游环之间、且相间设置在整圈刷丝之间，相邻两限位片之间的刷丝定义为刷丝束，限位片的宽度方向沿轴向横穿刷丝束的厚度方向，限位片的固定端设在刷丝的固定端之间。

本申请将位于相邻两限位片之间的刷丝定义为刷丝束；本申请中所提轴向均指应用本发明的旋转机械的转子轴向。

上述限位片设置在整圈刷丝之间，限位片的宽度方向沿轴向横穿刷丝束的厚度方向设置，这样相邻两限位片对位于它们之间的刷丝束形成约束。限位片优选沿着密封周向均匀分布。

作为一种公知常识，刷丝也为一端固定端、一端自由端，固定端固定在上游环和下游环之间，即限位片和刷丝均为一端为固定端、且均固定设在上游环和下游环之间，另一端为均自由端。上述限位片和刷丝一端为固定端、另一端为自由端指的是将限位片和刷丝长度方向上的一端与另一端。限位片的宽度方向上一边与上游环相邻，另一边与下游环相邻。限位片受到下游环的约束，其自由端并非完全自由，而是受一定约束，下游环约束限位片，限位片约束位于相邻限位片之间的刷丝。

优选，上述上游环、下游环、限位片和刷丝通过焊接的方式连接，焊接方式包括熔焊和钎焊，焊接位置为限位片和刷丝的固定端。

上述改进主要是针对传统刷式密封不可控的“压力闭合效应”提出的解决方案，可大大增强刷式密封的结构稳定性，延长刷式密封的使用寿命。

下游环上、且与限位片和刷丝相邻的侧面上设有限位槽，限位片上设有伸入限位槽的凸起，凸起上至少有一点与限位槽内壁接触。

为了获得较佳的限位效果，上述限位片与限位槽内壁的接触点应尽量靠近限位片和刷丝的自由端。