專利名稱:轉(zhuǎn)子和定子之間的無接觸密封的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種在轉(zhuǎn)子和定子之間構(gòu)成的一個(gè)分離縫隙的無接觸密封的方法和一種實(shí)施該方法的裝置,以防止一種工作流體流經(jīng)該分離縫隙。
在葉輪機(jī)械制造中,為了密封高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的部件,經(jīng)常采用迷宮式密封,亦即無接觸的密封。眾所周知,各種各樣的迷宮式密封,其工作原理大多基于使通過迷宮式密封的流體-質(zhì)量流減到最小。為此,這種迷宮式密封一般在轉(zhuǎn)子和定子之間構(gòu)成的待密封的分離縫隙設(shè)置許多結(jié)構(gòu)類似的并在工作流體的流動(dòng)方向內(nèi)前后放置的密封件。每個(gè)密封件至少由一個(gè)節(jié)流點(diǎn)和一個(gè)連接在下游的渦流室組成,這個(gè)節(jié)流點(diǎn)和渦流室或多或少鮮明地表征了各種不同的迷宮式密封。通過密封件排列成行,可任意增大流動(dòng)阻力,并由此而可使通過密封的流體量保持很小。
從教科書《無接觸密封》(K·特魯諾夫斯基著,德國(guó)工程師協(xié)會(huì)有限責(zé)任公司出版社,杜塞爾多夫1987年,第4版,ISBN3-18-400490-2,244/245頁(yè),圖4-58和4-59)中查出的迷宮式密封,其對(duì)應(yīng)于節(jié)流點(diǎn)的面具有一種特殊的流體力學(xué)結(jié)構(gòu)。所以這些對(duì)接面具有連接著的空心凸起面或彎曲下凹的錐形擴(kuò)展段。這樣既可以長(zhǎng)到下一個(gè)節(jié)流點(diǎn)的流程,又可避免流線呈直線穿過縫隙,從而最終可進(jìn)一步減少通過密封的流體-質(zhì)量流。
在已知的迷宮式密封中,由于要構(gòu)成的流動(dòng)邊界層在旋轉(zhuǎn)和固定部件之間流體流經(jīng)的分離縫隙中產(chǎn)生高的摩擦功率,這就導(dǎo)致了分離縫隙中的工作流體的加熱,從而導(dǎo)致分離縫隙周圍的部件的加熱。這樣,材料溫度相對(duì)急劇升高,從而縮短有關(guān)部件的使用壽命。此外,流經(jīng)分離縫隙的工作流體的偏轉(zhuǎn)和渦流形成在節(jié)流點(diǎn)導(dǎo)致工作流體以高的動(dòng)量和熱交換重新混合。在節(jié)流點(diǎn)下游,工作流體必須在旋轉(zhuǎn)部件上重新在圓周方向加速,從而使這個(gè)范圍內(nèi)的摩擦功率和發(fā)熱進(jìn)一步增加。
本發(fā)明力圖避免全部這些缺點(diǎn)。其目的是,提出一種在轉(zhuǎn)子和定子之間構(gòu)成的分離縫隙的無接觸密封的改進(jìn)方法,用這種方法可提高有關(guān)部件的使用壽命。此外,提出一種實(shí)施這種方法的裝置。
本發(fā)明的這個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的按權(quán)利要求1前序部分所述的一種方法中,工作流體的流動(dòng)層在節(jié)流過程以后分成具有較高圓周速度的第一分流和具有較低圓周速度的第二分流。隨后,第一分流只產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),只有第二分流產(chǎn)生渦流并最后平行于已偏轉(zhuǎn)的第一分流流入該第一分流中。為此,工作流體在節(jié)流點(diǎn)下游沖擊的對(duì)接面被設(shè)計(jì)成這種工作流體的分流器。渦流室在與主流方向相反的方向連接在分流器上。而下一個(gè)密封件的輸入通道或主流方向的排出通道緊接在分流器上。此外,渦流室具有的內(nèi)表面比連接在該渦流室上的分離縫隙的內(nèi)表面大。
通過分流,亦即通過把定子固定壁上形成的具有較低圓周速度的流動(dòng)層和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)壁上形成的具有較高圓周速度的流動(dòng)層分成兩個(gè)分流可減小摩擦功率,以及可減小流動(dòng)層之間的動(dòng)量和熱交換。具有較低圓周速度的第二分流被分流器削入渦流室中,并在該處產(chǎn)生渦流。這樣達(dá)到的壓力降可增加迷宮式密封的密封效果。在渦流室中,第二分流的工作流體將摩擦熱的一部分散發(fā)到定子周圍的壁上。與此相反,具有較高圓周速度的第一分流則通過分流器只產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),所以第一分流幾乎可無擾動(dòng)地流過分離縫隙。這樣除了減小摩擦功率外,還減少了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)壁上的熱傳遞。
用本發(fā)明的方法及其裝置在一個(gè)相當(dāng)于先有技術(shù)的密封效果的情況下,一方面可達(dá)到產(chǎn)生摩擦功率最小和在轉(zhuǎn)子中熱流最小的目的,或另一方面在轉(zhuǎn)子的熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)那闆r下可達(dá)到密封效果的改進(jìn)。
通過至少兩個(gè)密封件的前后布置,按這個(gè)順序至少進(jìn)行兩次,即在工作流體中形成具有不同圓周速度的流體層、接著工作流體的節(jié)流過程、流體隨即分成兩個(gè)具有不同圓周速度的分流,接著第一分流偏轉(zhuǎn)和只有第二分流產(chǎn)生渦流,以及其平行流入偏轉(zhuǎn)的第一分流中。這樣就可進(jìn)一步改進(jìn)分離縫隙的密封。
分流器由定子的至少兩個(gè)接合面組成是特別有優(yōu)點(diǎn)的,這兩個(gè)接合面具有一個(gè)凸起的并伸入分離縫隙內(nèi)的接觸邊。這樣就保證了分流器的相當(dāng)簡(jiǎn)單的和價(jià)廉的結(jié)構(gòu)。
此外,渦流室相對(duì)于工作流體的主流方向的角度α設(shè)計(jì)成45°±20°,是特別適宜的。由此在節(jié)流點(diǎn)的下游形成分離縫隙的橫截面的突然擴(kuò)展,從而促成圓周速度低的第二分流的渦流形成。這樣可達(dá)到改進(jìn)密封件的密封效果。
輸入通道以及輸出通道具有一個(gè)間隙寬度和節(jié)流點(diǎn)具有一個(gè)凈寬,其中間隙寬度設(shè)計(jì)成始終大于節(jié)流點(diǎn)的凈寬。這樣密封件的密封效果與分離縫隙的間隙寬度的改變相對(duì)無關(guān)。
最后,這種密封件設(shè)置在一種葉輪機(jī)械中,而且節(jié)流點(diǎn)與葉輪機(jī)械的機(jī)器軸線形成軸向、徑向或?qū)蔷€,從而有利于本發(fā)明的解決方案適用于相當(dāng)大的應(yīng)用范圍。
在本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)型式中,轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成離心壓縮機(jī)的壓縮機(jī)葉輪,而定子則設(shè)計(jì)成離心壓縮機(jī)在機(jī)器側(cè)封閉壓縮機(jī)葉輪的一塊隔板。密封件設(shè)置在壓縮機(jī)葉輪的一個(gè)后壁以及隔板之間,而節(jié)流點(diǎn)則平行于離心壓縮機(jī)的機(jī)器軸設(shè)置。由于離心壓縮機(jī)后壁上高達(dá)500米/秒左右的圓周速度,所以該裝置對(duì)相應(yīng)部件的使用壽命或?qū)γ芊猱a(chǎn)生的正面影響是特別大的。
下面結(jié)合在附圖中渦輪增壓器的離心壓縮機(jī)的壓縮機(jī)葉輪后壁上設(shè)置的迷宮式密封來說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。其中
圖1表示先有技術(shù)的離心壓縮機(jī)的一部分縱截面;圖2表示兩個(gè)前后設(shè)置的本發(fā)明密封件的原理圖;圖3表示用本發(fā)明迷宮式密封的圖1離心壓縮機(jī)的一段放大圖;圖4表示與機(jī)器軸成對(duì)角線設(shè)置的節(jié)流點(diǎn)的圖3示圖。
圖中只示出了便于理解本發(fā)明的主要部件,沒有示出例如通過迷宮式密封的工作流體的輸出管道、渦輪機(jī)側(cè)和渦輪增壓器的支座。工作介質(zhì)的流動(dòng)方向用箭頭表示。
在圖1中只部分示出的先有技術(shù)的廢氣渦輪增壓器由一個(gè)離心壓縮機(jī)1和一臺(tái)在圖中未示出的廢氣渦輪機(jī)組成,它們通過一根支承在一個(gè)軸承箱2中的軸3相互連接。廢氣渦輪增壓器的離心壓縮機(jī)1具有一根位于軸3中的機(jī)器軸4,該離心壓縮機(jī)配有一個(gè)壓縮機(jī)外殼5,在該外殼中一個(gè)作為壓縮機(jī)葉輪構(gòu)成的轉(zhuǎn)子6可旋轉(zhuǎn)地與軸3連接。壓縮機(jī)葉輪6具有一個(gè)裝配多個(gè)工作葉片7的輪轂8。在輪轂8和壓縮機(jī)外殼5之間構(gòu)成一個(gè)流體通道9。在工作葉片7下游,在該流體通道9上連接一個(gè)徑向布置的配有葉片的擴(kuò)壓器10,該擴(kuò)壓器則通往離心壓縮機(jī)1的一個(gè)未示出的螺旋中。
在輪轂8中,構(gòu)成一個(gè)支承軸2的一端11的中心通孔12。在渦輪機(jī)側(cè),輪轂8具有一個(gè)后壁13以及軸端11的一個(gè)固定套筒14,其中該軸端與固定套筒14用螺紋相互連接。當(dāng)然不用通孔13也可選用另一種適當(dāng)?shù)膲嚎s機(jī)葉輪-軸連接。同樣也可用無葉片的擴(kuò)壓器。
軸承箱2和壓縮機(jī)外殼5借助于一個(gè)作為隔板構(gòu)成的定子15相互隔開,該定子還支承壓縮機(jī)葉輪6的輪轂8的固定套筒14。在運(yùn)行中,旋轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)葉輪6的后壁13和固定隔板15之間構(gòu)成一個(gè)主要朝機(jī)器軸4徑向布置的分離縫隙16。后者裝有一個(gè)做成梳形曲徑的迷宮式密封17,該密封17密封分離縫隙16,阻止離心壓縮機(jī)1的工作流體18流經(jīng)該分離縫隙。在迷宮式密封17的下游,分離縫隙16與一個(gè)中間空隙19連通,該中間空隙則與一根圖中未示的輸出管連通。
在用適當(dāng)長(zhǎng)度的這種迷宮式密封17時(shí),可達(dá)到只有工作流體18的預(yù)先確定的很小的質(zhì)量流通過密封流入這個(gè)中間空隙19中。這種工作流體18最后經(jīng)連接在該中間空隙19上的輸出管排出。
與此相反,在本發(fā)明的解決方案中,迷宮式密封17由多個(gè)在流經(jīng)該迷宮式密封17的工作流體18的主流方向20內(nèi)前后設(shè)置的密封件21組成,每個(gè)密封件都配置一個(gè)節(jié)流點(diǎn)22、一個(gè)渦流室23和一個(gè)位于隔板15上的對(duì)接面24,工作流體18在節(jié)流點(diǎn)22下游沖擊到該對(duì)接面24上。對(duì)接面24作為工作流體18的分流器構(gòu)成,它由隔板15的兩個(gè)彎曲的接合面25、26組成,兩個(gè)接合面分別設(shè)置在一個(gè)不同的半徑上,并具有一個(gè)共同的凸起的并伸入分離縫隙16中的接觸邊27。
為了分流器24的精確定位,必須確定節(jié)流點(diǎn)22下游工作流體18的沖擊點(diǎn),其中,不同的成型的密封件相互具有不同的沖擊點(diǎn)。為此,需要進(jìn)行相應(yīng)的流體試驗(yàn),當(dāng)然,也可用流體力學(xué)的計(jì)算方法。
渦流室23連接在分流器24上,更精確地說連接在它的設(shè)置在較大半徑的第二接合面26上,而且本身設(shè)置在一個(gè)比該第二接合面較大的半徑上。此外,渦流室23具有一個(gè)比連接在其上的分離縫隙16的內(nèi)表面大的內(nèi)表面28,并以一個(gè)大約45°的角度α相對(duì)于工作流體18的主流方向20設(shè)置(圖2)。渦流室作成圓形的,但也可具有另一種適當(dāng)?shù)男螤睿鐖D3所示的主要成矩形的形狀。渦流室23相對(duì)于主流方向20調(diào)節(jié)的角度α可在兩個(gè)方向相差20°。當(dāng)然也可有更大的偏差,但效果減小。同樣兩個(gè)接合面25、26也可作成直線的(圖3)。
在每個(gè)密封件21的上游,分離縫隙16構(gòu)成一個(gè)大致徑向定向的輸入通道29,而在最后一個(gè)密封件21的下游則構(gòu)成一個(gè)同樣大致徑向定向的輸出通道30。輸入通道29和輸出通道30直接連接在設(shè)置在較小半徑上的第一接合面25上。
節(jié)流點(diǎn)22做成軸向間隙,所以輸入通道29分別進(jìn)行軸向偏轉(zhuǎn)。為此,每個(gè)節(jié)流點(diǎn)22都在壓縮機(jī)葉輪6的后壁13上構(gòu)成一個(gè)軸向定向的旋轉(zhuǎn)的凸緣31,該凸緣與隔板15的一個(gè)大致平行定向的固定的密封指32相對(duì)應(yīng)。其中密封指32的寬度比旋轉(zhuǎn)凸緣31的寬度小得多,這樣就保證了在全部運(yùn)行情況中凸緣31的足夠的覆蓋量。當(dāng)然,不用密封指32,也可用另的適當(dāng)元件例如密封條或刷式密封(圖中未示出)。輸入通道29或輸出通道30具有一個(gè)間隙寬度33,而節(jié)流點(diǎn)22則具有一個(gè)凈寬34,其中,間隙寬度33總是設(shè)計(jì)得大于凈寬34。
在渦輪增壓器運(yùn)行時(shí),壓縮機(jī)葉輪6吸住作為工作流體18的外界空氣,這些空氣通過流體通道9以及擴(kuò)壓器10進(jìn)入螺旋線,在該處被壓縮,并最后用于與渦輪增壓器連接的圖中未示出的內(nèi)燃機(jī)的增壓。在從流體通道9到擴(kuò)壓器10的距離中,外界空氣18也到達(dá)分離縫隙16并經(jīng)輸入通道29進(jìn)入迷宮式密封17,即首先到達(dá)它的第一密封件21。
一方面由于壓縮機(jī)葉輪6的旋轉(zhuǎn)后壁13的影響和另一方面由于固定隔板15的影響,在流經(jīng)分離縫隙16的外界空氣18中形成了具有相當(dāng)大的圓周速度的流動(dòng)層35以及具有相當(dāng)小的圓周速度的流動(dòng)層36。流動(dòng)層35、36分別集中在對(duì)于它們的形成起決定性作用的分離縫隙16的壁13、15上。
由于分離縫隙16的間隙寬度33大于節(jié)流點(diǎn)22的凈寬34,所以緊貼在壁13、15上的分界層不被壓縮,因而只產(chǎn)生小的摩擦功率,且不利的發(fā)熱也保持很小。此外,密封件21的密封效果與分離縫隙16的間隙寬度33的改變相對(duì)無關(guān)。
在節(jié)流點(diǎn)22的范圍內(nèi),外界空氣18在軸向內(nèi)偏轉(zhuǎn)以及加速并在節(jié)流點(diǎn)22下游沖擊到設(shè)置在隔板15上的分流器24上。其中,不同圓周速度的流動(dòng)層35、36分成具有相應(yīng)不同圓周速度的兩股單獨(dú)的分流35’、36’。設(shè)置在隔板15的一個(gè)較小半徑上的第一接合面25使具有較大圓周速度的第一分流35’直接偏轉(zhuǎn)進(jìn)入下一個(gè)密封件21的輸入通道29中或輸出通道30中。與此相反,設(shè)置在一個(gè)較大半徑上的第二接合面26則削去具有較低圓周速度的第二分流36’進(jìn)入渦流室23。在該處,第二分流36’首先產(chǎn)生渦流隨即平行于第一分流35’流入輸入通道29或輸出通道30中。由于后壁13的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),使下游的工作流體18的匯合的流動(dòng)重新形成不同圓周速度的兩個(gè)流動(dòng)層35、36,這兩個(gè)流動(dòng)層一起繼續(xù)流向第二密封件21。
根據(jù)迷宮式密封17的結(jié)構(gòu),亦即根據(jù)密封件21的數(shù)目重新重復(fù)上述的過程。在最后的一個(gè)密封件21的下游,兩個(gè)分流35’、36’流入中間空隙19中,并從該處借助于輸出管道最后排到大氣。
當(dāng)然,本發(fā)明的裝置也可用于其他的葉輪機(jī)械,例如燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)或制冷機(jī)的離心壓縮機(jī)中。也可用別的工作流體18。這時(shí)分離縫隙16也平行于機(jī)器軸4設(shè)置,所以,節(jié)流點(diǎn)22設(shè)計(jì)成徑向間隙(圖中未示)。在相對(duì)于機(jī)器軸4徑向和平行設(shè)置這個(gè)分離縫隙16時(shí),節(jié)流點(diǎn)22都可與相應(yīng)葉輪機(jī)械的機(jī)器軸4成對(duì)角線設(shè)置(圖4)。其中,重要的工藝步驟分別與上述的過程相似。
權(quán)利要求
1.轉(zhuǎn)子和定子之間構(gòu)成的分離縫隙的無接觸的密封方法防止工作流體流經(jīng)該分離縫隙,在這種密封方法中,工作流體(18)在分離縫隙(16)中首先節(jié)流,隨即偏轉(zhuǎn)并形成渦流,其中還在節(jié)流過程之前在工作流體(18)內(nèi)形成具有不同圓周速度的流動(dòng)層(35、36),其特征在于,工作流體(18)的流動(dòng)層(35、36)在節(jié)流過程后分成具有高圓周速度的第一分流(35’)以及具有低圓周速度的第二分流(36’),第一分流(35’)只產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),只有第二分流(36’)才形成渦流,并最后平行于已偏轉(zhuǎn)的第一分流(35’)流入該第一分流中。
2.按權(quán)利要求1的方法,其特征在于,工作流體(18)的節(jié)流過程,其隨后分成兩個(gè)具有不同圓周速度的分流(35’,36’)和緊接著第一分流(35’)的偏轉(zhuǎn)和只有第二分流(36’)的渦流形成,及其平行流入已偏轉(zhuǎn)的第一分流(35’)中,這個(gè)順序至少相繼進(jìn)行兩次。
3.轉(zhuǎn)子和定子之間構(gòu)成的分離縫隙的無接觸密封的裝置,防止在主流方向的一種工作流體流經(jīng)該分離縫隙,在這種裝置中,分離縫隙(16)內(nèi)至少設(shè)置一個(gè)密封件(21),該密封由一個(gè)節(jié)流點(diǎn)(22)、一個(gè)位于定子(15)上的對(duì)接面(24)以及一個(gè)渦流室(23)組成,在節(jié)流點(diǎn)(22)下游,工作流體(18)沖擊到該對(duì)接面(24)上,在每個(gè)密封件(21)的上游,分離縫隙(16)都設(shè)計(jì)成一個(gè)輸入通道(29),而在最后一個(gè)密封件(21)的下游則設(shè)計(jì)成一個(gè)輸出通道(30),其特征在于,對(duì)接面(24)設(shè)計(jì)成工作流體(18)的分流器,渦流室(23)設(shè)置在主流方向(20)相反的方向內(nèi),并設(shè)置了下一個(gè)密封件(21)的輸入通道(29)或緊接分流器(24)設(shè)置了在主流方向(20)的輸出通道(30)。
4.按權(quán)利要求3的裝置,其特征在于,分流器(24)由定子(15)的至少兩個(gè)接合面(25、26)組成,這兩個(gè)接合面具有一個(gè)凸起的并伸入分離縫隙(16)中的接觸邊(27)。
5.按權(quán)利要求4的裝置,其特征在于,渦流室(23)的內(nèi)表面(28)大于與該渦流室連接的分離縫隙(13)的內(nèi)表面。
6.按權(quán)利要求5的裝置,其特征在于,渦流室(23)相對(duì)于工作流體(18)的主流方向(20)的角度α設(shè)計(jì)成45°±20°。
7.按權(quán)利要求3的裝置,其特征在于,輸入通道(29)以及輸出通道(30)具有一個(gè)間隙寬度(33),和節(jié)流點(diǎn)(22)具有一個(gè)凈寬(34),其中,間隙寬度(33)設(shè)計(jì)成大于節(jié)流點(diǎn)(22)的凈寬(34)。
8.按權(quán)利要求3至7任一項(xiàng)的裝置,其特征在于,密封件(21)設(shè)置在一種具有一根機(jī)器軸(4)的葉輪機(jī)器中,節(jié)流點(diǎn)22與該機(jī)器軸(4)形成軸向、徑向或?qū)蔷€。
9.按權(quán)利要求8的裝置,其特征在于,轉(zhuǎn)子(6)設(shè)計(jì)成離心壓縮機(jī)(1)的壓縮機(jī)葉輪,定子(15)設(shè)計(jì)成離心壓縮機(jī)(1)在機(jī)器側(cè)封閉該壓縮機(jī)葉輪(6)的隔板,密封件(21)設(shè)置在壓縮機(jī)葉輪(6)的一個(gè)后壁(13)和隔板(15)之間,以及節(jié)流點(diǎn)(22)平行于離心壓縮機(jī)(1)的機(jī)器軸(4)設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明旨在提出一種在轉(zhuǎn)子和定子之間構(gòu)成的分離縫隙的無接觸密封的改進(jìn)方法,用這種方法可提高有關(guān)部件的使用壽命。此外,提出一種實(shí)施這種方法的裝置。根據(jù)本發(fā)明,這個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的,即工作流體的具有不同圓周速度的流動(dòng)層在節(jié)流過程后分成具有較高圓周速度的第一分流和具有較低圓周速度的第二分流,第一分流只產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),只有第二分流產(chǎn)生渦流,并最后與偏轉(zhuǎn)的第一分流平行流入該第一分流中。為此,節(jié)流點(diǎn)的對(duì)接面設(shè)計(jì)成工作流體的分配器。渦流室連接在分流器上并在上游作為下一個(gè)密封件的輸入通道設(shè)置。
文檔編號(hào)F16J15/447GK1221068SQ9812600
公開日1999年6月30日 申請(qǐng)日期1998年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月23日
發(fā)明者M·伯斯恩, M·羅斯, J·布雷默, U·C·米勒, J·格雷柏, D·翁德瓦爾德 申請(qǐng)人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司