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什么是迷宮密封?

2024-07-06

迷宮密封是在轉軸周?chē)O若干個(gè)依次排列的環(huán)行密封齒，齒與齒之間形成一系列截流間隙與膨脹空腔，被密封介質(zhì)在通過(guò)曲折迷宮的間隙時(shí)產(chǎn)生節流效應而達到阻漏的目的。

　由于迷宮密封的轉子和機殼間存在間隙，無(wú)固體接觸，毋須潤滑，并允許有熱膨脹，適應高溫、高壓、高轉速頻率的場(chǎng)合，這種密封形式被廣泛用于汽輪機、燃汽輪機、壓縮機、鼓風(fēng)機的軸端和的級間的密封，其他的動(dòng)密封的前置密封。

 

迷宮密封的密封機理

 
     流體通過(guò)迷宮產(chǎn)生阻力并使其流量減少的機能稱(chēng)為“迷宮效應”。對液體，有流體力學(xué)效應，其中包括水力磨阻效應、流束收縮效應;對氣體，還有熱力學(xué)效應，即氣體在迷宮中因壓縮或者膨脹而產(chǎn)生的熱轉換;此外，還有“透氣效應”等。而迷宮效應則是這些效應的綜合反應，所以說(shuō)，迷宮密封機理是很復雜的。
     1、摩阻效：泄露液流在迷宮中流動(dòng)時(shí)，因液體粘性而產(chǎn)生的摩擦，使流速減慢流量(泄露量)減少。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，流體沿流道的沿程摩擦和局部磨阻構成了磨阻效應，前者與通道的長(cháng)度和截面形狀有關(guān)，后者與迷宮的彎曲數和幾何形狀有關(guān)。一般是：當流道長(cháng)、拐彎急、齒頂尖時(shí)，阻力大，壓差損失顯著(zhù)，泄露量減小。

 

     2、流束收縮效應：由于流體通過(guò)迷宮縫口，會(huì )因慣性的影響而產(chǎn)生收縮，流束的截面減少。設孔口面積為A，則收縮后的流束最小面積為Cc A,此處Cc是收縮系數。同時(shí)，氣體通過(guò)孔后的速度也有變化，設在理想狀態(tài)下的流速為u1，實(shí)際流速度比u1小，令Cd為速度系數，則實(shí)際流速度u1為u1=Cdu1 于是，通過(guò)孔口的流量將等于q=CcCdAu1式中Cc·Cd=a(流量系數)。迷宮縫口的流量迷宮縫口的流量系數，與間隙的形狀，齒頂的形狀和壁面的粗糙度有關(guān)。對非壓縮性流體，還與需諾數有關(guān);對壓縮性流體，還于壓力比和馬赫數有關(guān)。同時(shí)，對縫口前的流動(dòng)狀態(tài)也有影響。因此在復雜型式的迷宮只，不能把一個(gè)縫口的流量系數當作所有縫口的流量系數。根據試驗，第一級的流量系數小一些，第二級以后的縫口流量系數大一些，一般流量系數常取1。但是尖齒的流量系數比1小，約在0.7左右，圓齒的流量系數接近于1，通常取a=l，計算的泄露量是犏大。
 
 
     3、熱力學(xué)效應：理想的迷宮流道模型，它是由一個(gè)個(gè)環(huán)形齒隙和齒間空腔串聯(lián)而成的。氣體每通過(guò)一個(gè)齒隙和齒間空腔的流動(dòng)可描述如下：在間隙入口處，氣體狀態(tài)為p0，T0和零開(kāi)始，氣體越接近入口，氣流越是收縮和加速，在間隙最小處的后面不遠處，氣流獲得最大的速度：當進(jìn)入空腔，流速截面突然擴大，并在空腔內形成強烈的旋渦。從能量觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，在間隙前后，氣流的壓力能轉變?yōu)閯?dòng)能。同時(shí)，當溫度下降(熱焓值h減小)，氣體以高速進(jìn)入兩齒之間的環(huán)行腔室時(shí)，體積突然膨脹產(chǎn)生劇烈旋渦。渦流摩擦的結果，使氣流的絕大部分動(dòng)能轉變?yōu)闊崮?，被腔室中的氣流所吸收而升高溫度，熱焓又恢復到接近進(jìn)入間隙前的值，只有小部分動(dòng)能仍以余速進(jìn)入下一個(gè)間隙，如此逐級重復上述過(guò)程?！?/span>

     4、透氣效應：在理想迷宮中，認為通過(guò)縫口的氣流在膨脹室內動(dòng)能，全部變成熱能。也就是說(shuō)，假定到下一個(gè)縫口時(shí)的漸近速度等于零，但這只是在膨脹室特別寬闊和特別長(cháng)時(shí)才成立。在一般直通迷宮中，由于通過(guò)縫口后的氣流只能向一側擴散，在膨脹室內不能充分的進(jìn)行這種速度能(動(dòng)能)向熱能的能量轉換，而靠光滑壁一側有一部分氣體速度不減小或者只略微減小，直接越過(guò)各十齒頂流向低壓側，把這種一掠而過(guò)的現象稱(chēng)為”透氣效應”。

 

迷宮密封的結構型式

 
     迷宮密封按密封齒的結構不同，分為密封片和密封環(huán)兩大類(lèi)型。
     密封片結構緊湊，運轉中與機殼相碰，密封片能向兩側彎曲，減少摩擦，且拆換方便。

     密封環(huán)由6~8塊扇形塊組成，裝入機殼與轉軸中，用彈簧片將每塊環(huán)壓緊在機殼上，彈簧片壓緊力約60～100N，當軸與齒環(huán)相碰時(shí)，齒環(huán)自行彈開(kāi)，避免摩擦。這種結構尺寸較大，加工復雜，齒磨損后將整塊密封環(huán)調換，因此應用不及密封圈結構廣泛。

 

理想迷宮的泄露計算

 
給定下列幾個(gè)條件：
1)泄露氣體是理想氣體，不考慮焦爾一湯姆遜效應，即氣體的焓只與溫度有關(guān);
2)假設迷宮是連續的多縫口組成的一個(gè)系列，兩縫口之間的膨脹室足夠大;
3)通過(guò)縫口的流動(dòng)作絕熱循環(huán)膨脹，在這里引用一個(gè)流量系數a;

4)通過(guò)縫口之后的流動(dòng)速度能量在膨脹室內因受等壓支配而完全作恒溫恢復，所以在每一個(gè)縫口之前的速度漸近為0，即不發(fā)生透氣現象。

 

直通型迷宮的特性

 

     由于在軸表面加工溝槽或各種形狀的齒要比7L內加工容易，因此常把孔加工成光滑而，與帶槽或帶齒的軸組成迷宮，這就是直通型迷宮，因制作方便，所以直通型迷宮應用最廣。但是，直通型迷宮存在著(zhù)透氣現象，其泄露量大于理想迷宮的泄露量。

 

迷宮特性的影響因素：
1)齒的影響。根據國外所進(jìn)行的試驗得出：齒距一定時(shí)，齒數越多，泄露量越少。齒距政變時(shí)，齒距越大，泄露量會(huì )急劇下降，同時(shí)述可以減少透氣現象的影響。
2)膨脹室的影響。國外對膨脹室深度的影響進(jìn)行過(guò)試驗研究，結論是淺的膨脹室對減少泄露量有利。
根據對膨脹室流動(dòng)狀態(tài)的觀(guān)察，認為淺膨脹室中的旋渦是不穩定的。由于旋渦能很快地把能量耗盡，所以膨脹室的漸近速度減小，起到減小泄露的效果。

3)副室的影響。所謂“副室”是指直通型迷宮光滑而上開(kāi)的附屬槽，開(kāi)槽后迷宮中的流動(dòng)狀態(tài)立即發(fā)生明顯的變化。試驗證明，只要副室的位置恰當，泄露量的減少率是相當大的。

 

迷宮式氣體密封的間隙

 

     除特殊情況外，一般氣輪機、燃氣輪機等葉輪機械都采用迷宮式氣體密封。其徑向問(wèn)隙應根據以下因素選?。狠S承問(wèn)隙，制造公差。與裝酡誤差，部件的變形(如鑄件收縮和失圓)，轉子的撓度，以及通過(guò)臨界旋轉頻率時(shí)的振幅，熱膨脹以及由此引起的變形等。在多種情況下，熱膨脹的影響晟突出。因此，對啟動(dòng)與停車(chē)時(shí)單個(gè)部件尺寸的變化，以及部件的相對位移必須預先估算?？捎渺o態(tài)和動(dòng)態(tài)有限元算法出隨時(shí)間變化的熱膨脹規律，由此可了解哪些是臨界條件，間隙實(shí)際上應當多大尺寸。

 

迷宮密封設計的注意點(diǎn)
總結迷宮密封設計中積累的經(jīng)驗，歸納起來(lái)有下列要點(diǎn)：
1)盡量使氣流的動(dòng)能轉化為熱能，而不使余速進(jìn)入下一個(gè)問(wèn)隙。齒與齒之問(wèn)應保持適當的距離，或用高-低齒強制改變氣流方向。齒間距一般為5~9mm。
2)密封齒要做得盡量薄，并帶銳角。齒尖厚度應小于0.5mm，運行中偶爾與軸的相碰時(shí)，齒尖先磨損而脫離接觸，不致因摩擦出現軸的局部過(guò)熱而造成事故。
3)由于迷宮密封泄露量大，因此在密封易燃、易爆或有毒氣體時(shí)，要注意防止污染環(huán)境。
采用充氣式迷宮密封，問(wèn)隙內引入惰性氣體，其壓力稍大于被密封氣體壓力;如果介質(zhì)不允許混入充氣，則可采用抽氣式迷宮密封。

2024 /

07-06

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