一种自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置的制作方法

本发明涉及干气密封，尤其涉及一种自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置。

背景技术：

1、以汽轮机为代表的蒸汽透平在我国的发电和装备动力驱动领域占有主导地位，汽轮机相关关键部件节能增效技术的创新和突破具有重要意义。汽轮机蒸汽泄漏损失占机组内部损失30％以上；其中，转子两端的轴端汽封泄漏为外泄漏，其泄漏控制尤为重要，汽封径向间隙内的不平衡蒸汽作用力会产生显著激振力。汽轮机轴端汽封常用密封形式包括迷宫、孔型阻尼密封等，为防止静子与转轴碰摩，密封间隙在毫米到亚毫米之间，并且间隙流体作用力为径向力，汽流激振问题严重。干气密封间隙一般在微米级，相较于迷宫和碳环密封间隙小1～2个数量级。密封间隙流体作用力为轴向力，不会对转子产生径向流体激振力。在汽轮机叶顶处用干气密封替代迷宫密封，可使蒸汽泄漏降低99.3％，汽轮机动叶级效率提高1.9％，显著改善流体激振问题。故介质泄漏小且无汽流激振问题的干气密封成为蒸汽透平机组轴端汽封最具竞争力优选方案之一。常见干气密封型式包括外腔进气的动压型密封和端面中间进气的静压型/动静压型密封。

2、当前，出现了基于仿生设计理论和仿生工程学原理的干气密封装置。例如，cn116201900a公开了一种仿新月鱼鳍形流体槽反向排列的干气密封环，包括环本体、上游动压槽、下游动压槽、静压节流器、均压槽、上游密封坝以及下游密封坝。动压槽的侧壁型线呈仿新月鱼鳍形，槽内流道收缩程度显著，当气体自静压节流器通向均压槽，然后由均压槽流入上、下游动压槽，使得润滑气体压缩程度加剧，气膜压力得以提升。

3、再例如，cn221075248u公开了一种仿闪电型槽的干气密封结构，涉及流体密封领域。该实用新型通过以下技术方案实现：包括动环和静环，动环或/和静环的密封端面上沿周向均匀分布若干动压槽，动压槽包括自高压进气侧开口的第一动压槽区、与第一动压槽区等深的第二动压槽区，第一动压槽区与第二动压槽区为直线槽，第二动压槽区的长轴与第一动压槽区的长轴平行，第一动压槽区近低压出气侧与第二动压槽区近高压进气侧在周向连通，仿闪电型的动压槽具有二次增压的效果，改善了干气密封的气动性能，缓解了因气膜开启力不充分而引起的动静环之间无法完全打开，甚至接触过多导致碰磨失效的问题。

4、但是，上述两种仿生的干气密封装置均存在的缺陷包括：由于外腔进气的动压型密封通过内部泄漏量仍然较大，建议在汽轮机中采用动静压型干气密封。然而，蒸汽在动静压型干气密封泄漏通道流动时在亚毫米和微米级通道并存，流体流动存在显著的跨尺度现象，凝结流动行为十分复杂。气膜中产生的凝液会使流体膜承载能力下降并产生蒸汽锤振动，这种现象与动压润滑中的多源激励共同作用，可能导致密封或轴承动力失稳、泄漏超标和端面磨损。局部高温和热应力还可能导致密封环热裂或碎裂失效，严重时影响整机的工作效率甚至导致停机。有必要对开设有节流结构和动压槽的密封环加以处理，以实现蒸汽相变凝析的控制及快速除液的功能，提高水蒸汽静压/动静压干气密封的可靠性和稳定性。

5、因此，本发明希望提供一种全新的仿生结构并形成自清洁型动静压干气密封装置。

6、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、当前，仿生的干气密封装置均存在的缺陷包括：由于外腔进气的动压型密封通过内部泄漏量仍然较大，建议在汽轮机中采用动静压型干气密封。然而，蒸汽在动静压型干气密封泄漏通道流动时在亚毫米和微米级通道并存，流体流动存在显著的跨尺度现象，凝结流动行为十分复杂。气膜中产生的凝液会使流体膜承载能力下降并产生蒸汽锤振动，这种现象与动压润滑中的多源激励共同作用，可能导致密封或轴承动力失稳、泄漏超标和端面磨损。局部高温和热应力还可能导致密封环热裂或碎裂失效，严重时影响整机的工作效率甚至导致停机。有必要对开设有节流结构和动压槽的密封环加以处理，以实现蒸汽相变凝析的控制及快速除液的功能，提高水蒸汽静压/动静压干气密封的可靠性和稳定性。

2、针对现有技术之不足，本发明提供了一种自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，装置包括环形主体，环形主体包括端面外侧、静压通入区和端面内侧，静压通入区设置有在环形主体的端面沿周向分布的若干均压槽，环形主体的端面内侧设置有在环形主体的端面沿周向分布的若干动压槽和若干集液-疏液导流织构，动压槽和集液-疏液导流织构在环形主体的端面沿周向交错分布，在静压通入区中，介于均压槽与动压槽或集液-疏液导流织构之间的环形区域形成不开槽的密封坝；其中，集液-疏液导流织构在逆转速方向呈凸脊与凹谷依次交错的导流结构，凹谷与均压槽之间由贯穿密封坝的导流孔导通，使得均压槽中凝结的液滴排出。

3、本发明的均压槽中围着扰流台径向依次弧形排列的亲水微凸体与贯穿密封坝和集液-疏液导流织构连接的导流孔，可将均压槽中凝结的液滴排出，实现均压槽内水蒸汽液滴的“抑液-集液-疏液”功能。

4、根据一个优选实施方式，动压槽沿环形主体的逆转速方向设置，并且动压槽的靠近密封坝的一端趋近于两个均压槽之间的间隔区域。如此设置，在环形主体旋转时，流体在动压槽的作用下形成一层流体膜，这层膜可以减少密封面之间的摩擦和磨损。

5、根据一个优选实施方式，集液-疏液导流织构沿环形主体的逆转速方向设置，集液-疏液导流织构的靠近密封坝的一端趋近于均压槽的中央位置，使得均压槽内的液滴能够通过导流孔滴入集液-疏液导流织构中。

6、根据一个优选实施方式，均压槽内设置有用于导流的静压节流结构，静压节流结构包括节流孔直通段及节流孔入口段；节流孔直通段沿环形主体的轴向设置；节流孔入口段设置在均压槽的中央区域的槽底。水蒸汽经过密封的静压节流结构节流膨胀后压力和温度下降，流入均压槽后极易发生凝结相变。静压通入区节流结构出口设有的扰流结构和渐扩节流孔入口段可减少压力和温度的突变，抑制流体节流膨胀后的相变现象。

7、根据一个优选实施方式，均压槽内沿环形主体的径向设置有若干排亲水微凸体织构，亲水微凸体织构在静压节流结构两侧按照弯曲方向相向的方式呈弧形排列，亲水微凸体织构的弧形排列之间的空间形成径向导流通道，径向导流通道的表面设有第一疏水涂层，以使得蒸汽中的液滴保持球形滚动状，在惯性力和重力的作用下，球形滚动状的液滴顺着径向导流通道排出环形主体的端面。

8、蒸汽发生相变后的微小的水滴通过亲水微凸体织构得以聚集成大液滴，且均压槽内亲水微凸体围着扰流台径向依次呈现弧形排列。均压槽设置有导流孔。导流孔贯穿密封坝与端面内侧设置的集液-疏液导流织构凹谷连通，亲水微凸体与亲水微凸体间形成的弧形引流通道可将聚集成的液滴引导到均压槽的导流孔，并通过导流孔流入端面内侧的集液-疏液导流织构的凹谷中。

9、根据一个优选实施方式，凸脊包括亲水微凸体和引流微槽，亲水微凸体以凸出颗粒的形态沿凸脊的延展方向排列，其中，在凸脊的脊梁处排列的亲水微凸体的彼此之间设置有引流微槽，以将脊梁处的液滴引流至凹谷。当集液-疏液导流织构工作时，亲水微凸体可抓取蒸汽中的液滴，并将液滴顺着引流微槽流入两侧的凹谷中。该液滴与均压槽所凝结出的液滴汇合，

10、根据一个优选实施方式，凹谷的表面设置有第二疏水涂层，使得亲水微凸体收集的液滴流入凹谷，并最终排出环形主体的端面。

11、凹谷中设置的第二疏水涂层使得水滴在凹谷表面中无法滑动铺展而保持球形滚动状，随后在转速和重力的作用下快速排出密封端面，减小水蒸汽的含湿度，提高水蒸汽动静压干气密封运行中的可靠性和稳定性。

12、根据一个优选实施方式，节流孔入口段的出口设置有环形的扰流台，以抑制流体节流膨胀后的相变现象。

13、根据一个优选实施方式，环形主体的端面外侧设置有动压槽与集液-疏液导流织构，动压槽以均压槽所在的周向线为中心对称地设置在均压槽的两侧区域，集液-疏液导流织构以均压槽所在的周向线为中心对称地设置在均压槽的两侧区域。在端面外侧和端面内侧都设置有导流孔，使得均压槽内凝析的液滴从环形主体的端面内侧和外侧都可以排出。在转速较低、惯性力较低的工况，该种结构会使得液滴更为快速排出密封端面。

14、根据一个优选实施方式，均压槽的槽底为曲面结构，亲水微凸体织构在曲面结构表面形成弧形排列，并且弧形排列的曲率中心朝向静压节流结构。这样有利于液滴流入导流孔，从而顺利排出。

技术特征：

1.一种自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，所述装置包括环形主体，所述环形主体包括端面外侧、静压通入区和端面内侧，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，其特征在于，所述动压槽(400)沿所述环形主体的逆转速方向设置，并且所述动压槽(400)的靠近所述密封坝(300)的一端趋近于两个所述均压槽(100)之间的间隔区域。

3.根据权利要求1或2所述的自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，其特征在于，所述集液-疏液导流织构(500)沿所述环形主体的逆转速方向设置，所述集液-疏液导流织构(500)的靠近所述密封坝(300)的一端趋近于所述均压槽(100)的中央位置。

4.根据权利要求1～3任一项所述的自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，其特征在于，所述均压槽(100)内设置有用于导流的静压节流结构(200)，

5.根据权利要求1～4任一项所述的自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，其特征在于，所述均压槽(100)内沿所述环形主体的径向设置有若干排亲水微凸体织构(110)，

6.根据权利要求1～5任一项所述的自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，其特征在于，所述凸脊(510)包括亲水微凸体(511)和引流微槽(512)，

7.根据权利要求1～6任一项所述的自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，其特征在于，所述凹谷(520)的表面设置有第二疏水涂层(521)，使得所述亲水微凸体(511)收集的液滴流入所述凹谷(520)，并最终排出所述环形主体的端面。

8.根据权利要求1～7任一项所述的自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，其特征在于，所述节流孔入口段(220)的出口设置有环形的扰流台(150)，以抑制流体节流膨胀后的相变现象。

9.根据权利要求1～8任一项所述的自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，其特征在于，所述环形主体的端面外侧设置有动压槽(400)与集液-疏液导流织构(500)，

10.根据权利要求1～9任一项所述的自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，其特征在于，所述均压槽(100)的槽底为曲面结构，所述亲水微凸体织构(110)在所述曲面结构表面形成弧形排列，并且所述弧形排列的曲率中心朝向所述静压节流结构(200)。

技术总结
本发明涉及一种自清洁型水蒸汽动静压干气密封装置，其环形主体包括端面外侧、静压通入区和端面内侧，静压通入区设置有在环形主体的端面沿周向分布的若干均压槽，环形主体的端面内侧设置有在环形主体的端面沿周向分布的动压槽和集液‑疏液导流织构，动压槽和集液‑疏液导流织构在环形主体的端面沿周向交错分布，在静压通入区中，介于均压槽与动压槽或集液‑疏液导流织构之间的环形区域形成不开槽的密封坝；集液‑疏液导流织构在逆转速方向呈凸脊与凹谷依次交错的导流结构，凹谷与均压槽之间由贯穿密封坝的导流孔导通，使得均压槽中凝结的液滴排出。本发明可将均压槽中凝结的液滴排出，实现均压槽内水蒸汽液滴的“抑液‑集液‑疏液”功能。

技术研发人员：张璇,彭建,周仲荣,洪先志,江锦波,唐大全,郑靖,彭旭东,余洪
受保护的技术使用者：成都一通密封股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5