专利名称：一种旋转机械动静间隙的螺旋密封结构的制作方法
技术领域：
本申请属于非接触密封技术领域，涉及一种用于旋转机械动静间隙的螺旋密封结构。
背景技术：
非接触密封技术应用于控制旋转机械的旋转部件与静止部件的介质泄漏。为保证旋转机械的安全稳定运行，旋转部件与静止部件应保持足够的间隙，因此选择非接触密封控制间隙泄漏流。对于可压缩流体，密封介质经过螺旋密封齿顶间隙，节流加速，在螺旋密封齿后的密封腔室内，流体的动能转化为热能，工质经过密封腔，压力逐渐降低，以控制流体泄漏。泵在叶轮出口与导叶动静间隙以及叶轮入口轮盖处与进口导流管间动静间隙常采用平滑动静环小间隙密封，此种密封内部介质的耗散作用不明显，控制泄漏效果差，而本申请密封结构的螺旋密封槽对密封内流体产生泵送压头，泵送压头与密封介质压力相反， 阻止密封介质的泄漏；通过设置螺旋密封齿结构，以增加介质流动通道的复杂性，强化流体动能向热能转化过程，以控制泄漏量；更重要的是泵的间隙密封尤其是核主泵的间隙密封， 应该考虑到倒流这种极端工况，大部分的密封没有控制倒流的结构设计，本申请密封结构能够有效控制泵内反向的泄漏流。
发明内容
本申请要解决的技术问题是提供一种用于旋转机械动静间隙的螺旋密封结构，能够有效控制不可压缩流体的泄漏，保证在大流量的工质下稳定运行，即使是在倒流极端工况下也能保持泄漏量的稳定，使用寿命长。本申请采用的技术方案是一种用于旋转机械动静间隙的螺旋密封结构，旋转机械静止部件上装有密封环， 密封环内表面设置螺旋密封齿，螺旋密封齿按转子旋转的相反方向圆周方向环绕爬升于密封环内表面；螺旋密封齿迎风面、背风面和顶面均采用凹曲面，螺旋密封齿顶前后缘形成两尖角端。螺旋密封齿的螺旋角可以为5° 45°夹角，螺旋密封齿之间的密封槽长宽比可以为0. 5 2。由于介质的粘性力作用，转子旋转带动流体旋转，工质进入螺旋密封槽，形成与泄漏流相反方向的流动，这部分流体的压头减小了泄漏流的压头，阻碍了泄漏流的流动。密封的螺旋结构可以阻止两方向来流的泄漏量，在倒流的极端工况下，如果叶轮反转，即旋转部件反转，形成逆向流体抑制泄漏流，随着转速的变大，这种阻力会越加明显， 螺旋升角和螺旋密封齿轴向距离以及螺旋结构长度的合理设置有利于增益泄漏流阻力。泄漏流在螺旋密封槽内流动成螺旋轨迹，泄漏流周向速度分量大，这就增加了泄漏流在密封腔内的停留时间，泄漏流流动路径比普通迷宫密封长，从而增加了沿程损失，工质在螺旋流动中产生更多能量耗散，动能转化为热能，压力逐渐降低。螺旋密封齿前缘尖角会产生明显的节流效应，在螺旋密封齿顶凹曲面内形成高速湍流，此流体经后缘尖角再次被节流，经两次节流形成比普通密封更高湍动能流体，在进入腔室中能量耗散，更多动能转化为热能，消耗更多压力能。螺旋密封齿顶的凹面形成小漩涡泄漏流轴向流动的阻力；迎风面的凹曲面有利于引部分齿前流体沿齿壁上行，引入滞止区或上层腔室，使其在齿前或齿腔内停留更多的时间，以减小泄漏。密封腔室迎风和背风凹面有利于泄漏流周向螺旋流动形态的形成，有利于能量耗散，降低泄漏流压头。螺旋密封齿的螺旋环数越多螺旋密封的泵送压头越大，泵送效应越明显，更有利于控制泄漏流。密封结构的螺旋密封齿在空间有限的情况下，合理设置螺旋密封齿长宽比，以适应高压、高速流体，防止螺旋密封齿齿根断裂，增加其使用寿命，延长检修周期，保证安全性。本申请的有益效果如下(1)本申请密封结构有良好的控制泄漏效果。非接触式密封泄漏量很大程度上取决于密封间隙的大小，在保证设备安全运行的前提下，密封间隙可以设置到最小。叶轮旋转部件带动部分介质沿螺旋密封腔室逆向流动，产生与泄漏流相反方向的泵送压头，阻止泄漏流。此种形式控制不可压缩流体泄漏能力优于依靠涡旋耗散动能的迷宫密封。经数值模拟研究不可压缩介质密封，本申请密封比相同间隙的普通直齿密封减小25%的泄漏量。(2)螺旋密封齿双尖角节流会产生明显的节流效应，形成比普通密封更高湍动能流体，在进入腔室中能量耗散，更多动能转化为热能，消耗更多压力能。腔室结构不宜过于复杂，流体需要大容积的耗散空间，以涡旋的形式动能转化为热能。考虑到制造难度和加工成本，本申请设计简单，使流体有足够空间能量耗散。(3)泄漏流在螺旋密封槽内流动成螺旋轨迹，泄漏流周向速度分量大，这就增加了泄漏流在密封腔内的停留时间，从而增加了沿程损失，工质在螺旋流动中产生更多能量耗散，压力逐渐降低。(4)本申请螺旋密封齿结构可以阻止两方向来流的泄漏量，在倒流的极端工况下， 如果叶轮反转，即旋转部件反转，形成逆向流体抑制泄漏流，起到了稳定倒流泄漏流的作用。 (5)弧形迎风面弓I部分齿前流体沿齿壁上行，弓I入滞止区或上层腔室，使介质在齿前或齿腔内停留更多的时间，以减小泄漏。(6)为了适应高压、高速流体，本申请采用加固齿根的方法，防止螺旋密封齿齿根断裂，增加使用寿命，延长检修周期，保证安全性。(7)经数值模拟，在17 ISMpa水压工况下，本申请密封腔内部最低压力高于饱和压力，密封腔室内不发生气蚀现象。
图1(a)是本申请密封三维结构示意图。
图1 (b)是本申请螺旋密封齿结构二维示意图。图2是密封环整体示意图。图中1密封环；2螺旋密封齿；3密封槽。
具体实施例方式以下结合技术方案以核主泵为实施例详细叙述本申请。本申请密封是由两个半圆形密封环组成，可安装在核主泵的叶轮出口与导叶动静间隙和叶轮入口轮盖处与进口导流管动静间隙处，或者安装于热屏与转轴的间隙处。密封环背弧沿着固定部件的槽道安装，周向环绕方向相反于转子旋转方向。本申请密封结构主要由密封环1、螺旋密封齿2组成。密封环内圈可以设置多环螺旋密封齿，图1所示，设置了 6环螺旋密封齿，螺旋密封齿之间形成密封腔室。流体经密封双尖齿节流加速，压力降低，高速流体在密封空腔中动能转化成热能， 此压力不能恢复到上一级的压力值，所以流体压力逐级降低，流体泄漏量减小。叶轮旋转部件带动部分介质沿螺旋密封腔室逆向流动，螺旋槽对充满在密封间隙的流体产生泵送压头，这一泵送压头与被密封的介质压力相反，阻止密封介质的泄漏。在核主泵叶轮出口与导叶处存在动静间隙，在叶轮入口轮盖处与进口导流管间也存在动静间隙，核主泵正常运行时，有部分经叶轮出口的高压流体沿此间隙外泄，并重新回流至泵入口，干扰主流场流动，同时减小有效通流面积，降低了泵的流动效率和性能；热屏与转轴之间存在间隙，高温高压流体沿此间隙泄漏，下级部件易受其影响，造成运行不稳定甚至损坏。为了保障核主泵各部件安全运行，应尽量减小这些泄漏，本申请结构密封设置在上述动静间隙处。
权利要求
1.一种旋转机械动静间隙的螺旋密封结构，其特征在于，旋转机械静止部件上装有密封环(1)，其内表面设置螺旋密封齿O)，螺旋密封齿( 按转子旋转的相反方向圆周方向环绕爬升于密封环内表面；螺旋密封齿( 迎风面、背风面和顶面均采用凹曲面，螺旋密封齿( 顶前后缘形成两尖角端。
2.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于，螺旋密封齿O)的螺旋角成5° 45°。
3.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述的螺旋密封齿(2)之间的密封槽 (3)长宽比为0. 5 2。
全文摘要
本发明涉及一种设置在旋转机械动静间隙的螺旋密封结构。旋转机械静止部件上装有密封环，密封环内表面设置螺旋密封齿，密封齿按转子旋转的相反方向圆周方向环绕爬升于密封环内表面；密封齿迎风面、背风面和顶面均采用凹曲面，密封齿顶前后缘形成两尖角端；本发明用于控制高温高压流体沿动静间隙泄漏，避免大流量泄漏影响下一级部件的稳定运行和安全运作。本发明在核主泵高压高温高速大流量工质条件使用，可在倒流极端工况下暂时稳定控制泄漏量，安全、耐用、节流效果好。
文档编号F16J15/447GK102162529SQ20111009155
公开日2011年8月24日 申请日期2011年4月13日 优先权日2011年4月13日
发明者刘艳, 张盟, 王晓放 申请人:大连理工大学