[发明专利]一种正交各向异性旋转密封结构

说明书

本发明公开了一种正交各向异性旋转密封结构，该密封结构为用于套装在旋转部件上的旋转密封静子件，其内表面加工有密封腔、稳压腔、密封齿、周向挡板和齿顶凹槽等结构。密封腔可为迷宫环形结构、圆孔型结构和袋型结构，稳压腔是具有较大腔室深度的周向贯通环形。密封腔具有正交各向不同的腔室深度：迷宫环形密封腔和圆孔型密封腔在X、Y正交方向分别具有最大、最小的腔室深度，其值沿周向是按照椭圆形轨迹连续变化；袋型密封腔在X、Y正交方向具有不同的腔室深度和不同的齿顶凹槽结构，形成正交各向异性的直通型、收敛型和发散型的密封间隙比。本发明能够产生正交各向异性的密封动力特性系数，尤其是正交各向异性的刚度系数，改善轴系稳定性。

技术领域

本发明涉及一种旋转密封结构，特别涉及一种安装于叶轮机械轴系的具有控制泄漏流动、抑制转子振动、提高轴系稳定性作用的正交向动力特性系数不对称的正交各向异性旋转密封结构。

背景技术

作为叶轮机械的关键部件，先进旋转密封技术的研发和应用已成为进一步提高叶轮机械的运行效率和安全稳定性的最经济、最有效的途径之一。

旋转密封在控制工质泄漏同时，由于转子系统的偏心涡动和密封内非定常泄漏流动，还会产生非常重要的气流激振力，从而影响着叶轮机械转子系统的稳定性。旋转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激烈源。由于转子的偏心涡动和微小通道内的非定常泄漏流动作用，旋转密封动、静部件微小通道内的压力场沿周向分布不均匀且随时间变化-动压效应，进而在转子上形成了随时空演化的气流激振力，当密封气流激振力满足一定条件时，就会使转子产生强烈的振动。密封内气流激振力诱发的自激振动为转子的正向进动，不能用动平衡的方法消除。目前研究工作者主要通过研制和更换先进的阻尼轴承结构和旋转阻尼密封结构、调整动静间隙、安装进口止涡装置(如进口防旋板)等措施来解决气流激振诱发轴系失稳问题。

在现代叶轮机械中，特别是大功率汽轮机、燃气轮机和高压多级离心压气机，为追求大功率、高效率，不得不尽可能地减小密封间隙、采用更长的柔性转子增加级数。密封间隙的减小增强了旋转密封内的气流激振力，使其成为现代叶轮机械轴系失稳的重要激励源。同时，长的柔性转子更易诱发转子-密封系统，转子-轴承系统处于偏心涡动。现场测试和实验室研究表明：由于安装误差、转子偏心涡动、进排气周向非均匀等因素的影响，叶轮机械轴系的动力特性系数(刚度、阻尼)在X、Y正交方向是不对称的；传统旋转密封产生的密封动力特性系数(刚度、阻尼)具有X、Y正交方向对称性(直接系数相同，交叉系数符号相反、大小相等)；从轴系涡动能量角度分析，X、Y正交方向各向异性(不对称)的密封动力特性系数，尤其是正交各向异性的直接刚度和交叉刚度系数能够有效抑制轴系涡动能量的累积，对轴系稳定性时有利的。因此研发具有X、 Y正交方向各向异性(不对称)动力特性系数的旋转密封结构，对解决现代叶轮机械轴系失稳问题具有重要意义。

研究表明：旋转密封的密封腔室深度、进出口密封间隙比对密封动力特性系数具有显著影响。密封刚度随密封腔室深度的增大而显著减小；密封阻尼随密封腔室深度的增大略有减小。密封进出口间隙比是指密封出口间隙泄漏面积与进口间隙泄漏面积之比：收敛型密封间隙(进出口间隙比<1)能够增大密封正有效刚度，但会使有效阻尼减小；发散型密封间隙(进出口间隙比>1)增大密封有效阻尼，但会产生负的有效刚度。

因此，通过控制旋转密封X、Y正交方向的密封腔室深度和进出口密封间隙比，研发的具有X、Y正交方向各向异性(不对称)动力特性系数的新型正交各向异性旋转密封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

本发明的目的在于针对叶轮机械对减小动静间隙泄漏量、提高运行效率，以及获得正交各向异性转子动力特性系数(尤其是各向异性刚度系数)、提高轴系稳定性的要求，提供了一种具有正交方向非对称(正交各向异性)的密封腔和密封间隙比的正交各向异性旋转密封结构，使其能够产生正交各向异性的密封动力特性系数，同时保证较好的密封封严性能，从而解决现代叶轮机械轴系失稳问题，提高叶轮机械运行效率和轴系稳定性。