一種后擋板具有臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)的刷式密封結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種后擋板具有臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)的刷式密封結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]刷式密封是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的關(guān)鍵部件。相對(duì)于傳統(tǒng)的迷宮密封，刷式密封不但具有較好的封嚴(yán)特性，并且是一種柔性接觸式動(dòng)密封技術(shù)，能夠適應(yīng)轉(zhuǎn)子的瞬間徑向變形或偏心運(yùn)動(dòng)，此外，刷式密封的刷絲與轉(zhuǎn)子軸形成柔性接觸，可改善轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)特性，保證機(jī)組運(yùn)行的安全性，因此刷式密封被廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、石化等行業(yè)領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中。
[0003]刷式密封由前擋板、后擋板及夾裝在兩者之間的緊密排列的刷絲束組成，刷式密封依靠上述排列整齊、緊密的刷絲與轉(zhuǎn)子相貼合來(lái)隔斷下游氣體并對(duì)上游氣體的泄漏造成阻礙從而達(dá)到密封的效果，其流場(chǎng)特性與密封機(jī)理如下:刷絲束中刷絲間隙是不均勻的，不均勻性使得均勻的來(lái)流進(jìn)入刷絲束中就變得不均勻，并且從密集的刷絲束區(qū)域向疏松的刷絲束區(qū)域偏流，這些偏流在刷絲之間逐漸形成同向流和射流，并產(chǎn)生隨機(jī)的二次流和旋渦流，密封腔內(nèi)的流場(chǎng)變得非常復(fù)雜。當(dāng)射流遇到前面緊密的刷絲束時(shí)，就會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向而變成和主流方向垂直的橫向流，正由于刷絲束破壞流動(dòng)而確保流動(dòng)的不均勻性，使流體產(chǎn)生了自密封效應(yīng)，橫向流動(dòng)有效的促進(jìn)自密封效應(yīng)的產(chǎn)生，使橫流過刷絲束的總壓降增大從而減少密封的泄漏。
[0004]研究表明，傳統(tǒng)刷式密封在受到刷絲束上下游較高氣體壓差的作用下，刷絲發(fā)生軸向彎曲緊貼后擋板，刷絲與后擋板之間的摩擦力阻礙刷絲及時(shí)變形，從而刷絲不能及時(shí)跟隨轉(zhuǎn)子的升速或者渦動(dòng)偏心增大等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行變形，出現(xiàn)刷絲剛化效應(yīng)。剛化效應(yīng)會(huì)引起刷絲和轉(zhuǎn)子跑道的加速磨損，降低刷式密封的密封性能，縮短使用壽命。另外隨著轉(zhuǎn)子降速或者恢復(fù)到較小渦動(dòng)偏心位置時(shí)，刷絲與后擋板之間的摩擦力又阻礙刷絲不能立即復(fù)原，刷絲出現(xiàn)懸掛，出現(xiàn)刷絲滯后效應(yīng)。剛化效應(yīng)與滯后效應(yīng)會(huì)加速刷絲和轉(zhuǎn)子表面的磨損，降低刷式密封的密封性能，增大氣體泄漏量，縮短使用壽命。
[0005]可以設(shè)想，如果可以從根源提出解決辦法，減小由壓差造成的刷絲與后擋板間的摩擦力，必然效果明顯。通過計(jì)算流體力學(xué)和懸臂梁彎曲變形理論(將刷絲簡(jiǎn)化為懸臂梁)計(jì)算分析傳統(tǒng)刷式密封靠近后擋板處刷絲所受到壓力分布特性和刷絲彎曲變形規(guī)律，可得到傳統(tǒng)刷式密封后擋板處刷絲受到的壓力分布和刷絲彎曲變形有如下規(guī)律，參考圖1和圖2:在后擋板保護(hù)高度以上區(qū)域，沿著刷絲自由端到固定端方向，后擋板處流場(chǎng)壓力逐漸增大，進(jìn)而在壓力作用下刷絲彎曲變形量逐漸增大，如果可以有針對(duì)性的降低刷絲與后擋板的接觸，可以顯著降低刷絲與后擋板的摩擦力，則可以很大程度降低刷絲產(chǎn)生剛化效應(yīng)和滯后效應(yīng)。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種后擋板具有臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)的刷式密封結(jié)構(gòu)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種后擋板具有臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)的刷式密封結(jié)構(gòu)，包括熔焊區(qū)、前擋板、刷絲束、后擋板和臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)。前擋板和后擋板通過熔焊區(qū)連接，刷絲束根部固定在熔焊區(qū)上，自由端與轉(zhuǎn)子貼合。臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)設(shè)置在后擋板的內(nèi)表面，且與后擋板內(nèi)表面垂直。
[0008]優(yōu)選的，所述臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)在轉(zhuǎn)子軸向-徑向平面看為矩形，所述矩形凸臺(tái)軸向高度依次降低，第一個(gè)矩形凸臺(tái)軸向高度hi最高，hi為刷絲束與后擋板軸向間隙的0.4?I倍，其余矩形凸臺(tái)的軸向高度hn沿著徑向依次降低0.1mm?0.3mm，所述相鄰矩形凸臺(tái)間距w為3mm?6mm，并且是等間距，每個(gè)矩形凸臺(tái)徑向厚度I為2mm?4mm。
[0009]優(yōu)選的，所述臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)在轉(zhuǎn)子軸向-徑向平面看為三角形，所述三角形凸臺(tái)軸向高度依次降低，第一個(gè)三角形凸臺(tái)軸向高度In最高，In為刷絲束與后擋板軸向間隙的0.4?I倍，其余三角形凸臺(tái)的軸向高度hn沿著徑向依次降低0.1mm?0.3mm，所述相鄰三角形凸臺(tái)間距w為3mm?6mm，并且是等間距，每個(gè)三角形凸臺(tái)徑向厚度I為2mm?4mm。
[0010]優(yōu)選的，所述臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)在轉(zhuǎn)子軸向-徑向平面看為上游邊長(zhǎng)小于下游邊長(zhǎng)的多邊形，所述多邊形凸臺(tái)軸向高度依次降低，第一個(gè)多邊形凸臺(tái)軸向高度hi最高，In為刷絲束與后擋板軸向間隙的0.4?I倍，其余多邊形凸臺(tái)的軸向高度匕沿著徑向依次降低0.1mm?0.3mm，所述相鄰多邊形凸臺(tái)之間間距w為3mm?6mm，并且是等間距，每個(gè)多邊形凸臺(tái)徑向厚度I為2mm?4mm。
[0011]優(yōu)選的，所述刷絲束末排刷絲與后擋板的軸向間隙為O?0.5mm。
[0012]優(yōu)選的，所述的環(huán)形凸臺(tái)為3?8個(gè)。
[0013]優(yōu)選的，所述刷絲束根部通過熔焊工藝被固定，并夾緊與前擋板和后擋板之間形成恪焊區(qū)；所述刷絲一般采用直徑0.05mm?0.15mm的鎳基耐高溫合金絲，刷絲長(zhǎng)度為25mm?40mm，刷絲束軸向總厚度5mm?20mm，刷絲與轉(zhuǎn)子徑向呈30?60°安裝角，安裝角順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。
[0014]優(yōu)選的，所述刷式密封后擋板高度為刷絲長(zhǎng)度的0.75?0.95倍，前擋板高度為刷絲長(zhǎng)度的0.45?0.75倍，前后擋板厚度為3mm?4.5mm。
[0015]本發(fā)明提出了一種后擋板具有臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)的刷式密封結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)如下:
[0016]1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不改變傳統(tǒng)刷式密封的基本結(jié)構(gòu)組成，只在傳統(tǒng)刷式密封后擋板內(nèi)表面徑向均勻設(shè)置若干臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)；
[0017]2、在后擋板內(nèi)表面徑向設(shè)置臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)，當(dāng)刷絲由于高壓差發(fā)生軸向彎曲緊貼后擋板時(shí)，臺(tái)階式環(huán)形凸臺(tái)有效降低刷絲與后擋板的接觸，進(jìn)而降低刷絲與后擋板間摩擦力，可有效降低密封的剛化效應(yīng)和滯后效應(yīng)；
[0018]3、環(huán)形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)可將后擋板與刷絲束間隙內(nèi)徑向流動(dòng)引入相鄰?fù)古_(tái)的間隙中，流體在相鄰?fù)古_(tái)間隙形成較強(qiáng)漩渦，使得流體能量大量耗散，有效提高密封的封嚴(yán)特性。
【附圖說(shuō)明】
:
[0019]圖1是傳統(tǒng)刷式密封后擋板處刷絲周圍徑向壓力分布圖。
[0020]圖2是傳統(tǒng)刷式密封后擋板處刷絲彎曲變形量變化規(guī)律圖。
[0021]圖3(a)是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3(b)是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)局部放大圖。
[0023]圖3(c)是圖3(a)的A-A向剖視圖。
[0024]圖4(a)是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4(b)是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)局部放大圖。
[0026]圖4(c)是圖4(a)的B-B向剖