本發(fā)明涉及干氣密封，尤其涉及一種自清潔型水蒸汽動靜壓干氣密封裝置。

背景技術(shù)：

1、以汽輪機(jī)為代表的蒸汽透平在我國的發(fā)電和裝備動力驅(qū)動領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位，汽輪機(jī)相關(guān)關(guān)鍵部件節(jié)能增效技術(shù)的創(chuàng)新和突破具有重要意義。汽輪機(jī)蒸汽泄漏損失占機(jī)組內(nèi)部損失30％以上；其中，轉(zhuǎn)子兩端的軸端汽封泄漏為外泄漏，其泄漏控制尤為重要，汽封徑向間隙內(nèi)的不平衡蒸汽作用力會產(chǎn)生顯著激振力。汽輪機(jī)軸端汽封常用密封形式包括迷宮、孔型阻尼密封等，為防止靜子與轉(zhuǎn)軸碰摩，密封間隙在毫米到亞毫米之間，并且間隙流體作用力為徑向力，汽流激振問題嚴(yán)重。干氣密封間隙一般在微米級，相較于迷宮和碳環(huán)密封間隙小1～2個(gè)數(shù)量級。密封間隙流體作用力為軸向力，不會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向流體激振力。在汽輪機(jī)葉頂處用干氣密封替代迷宮密封，可使蒸汽泄漏降低99.3％，汽輪機(jī)動葉級效率提高1.9％，顯著改善流體激振問題。故介質(zhì)泄漏小且無汽流激振問題的干氣密封成為蒸汽透平機(jī)組軸端汽封最具競爭力優(yōu)選方案之一。常見干氣密封型式包括外腔進(jìn)氣的動壓型密封和端面中間進(jìn)氣的靜壓型/動靜壓型密封。

2、當(dāng)前，出現(xiàn)了基于仿生設(shè)計(jì)理論和仿生工程學(xué)原理的干氣密封裝置。例如，cn116201900a公開了一種仿新月魚鰭形流體槽反向排列的干氣密封環(huán)，包括環(huán)本體、上游動壓槽、下游動壓槽、靜壓節(jié)流器、均壓槽、上游密封壩以及下游密封壩。動壓槽的側(cè)壁型線呈仿新月魚鰭形，槽內(nèi)流道收縮程度顯著，當(dāng)氣體自靜壓節(jié)流器通向均壓槽，然后由均壓槽流入上、下游動壓槽，使得潤滑氣體壓縮程度加劇，氣膜壓力得以提升。

3、再例如，cn221075248u公開了一種仿閃電型槽的干氣密封結(jié)構(gòu)，涉及流體密封領(lǐng)域。該實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：包括動環(huán)和靜環(huán)，動環(huán)或/和靜環(huán)的密封端面上沿周向均勻分布若干動壓槽，動壓槽包括自高壓進(jìn)氣側(cè)開口的第一動壓槽區(qū)、與第一動壓槽區(qū)等深的第二動壓槽區(qū)，第一動壓槽區(qū)與第二動壓槽區(qū)為直線槽，第二動壓槽區(qū)的長軸與第一動壓槽區(qū)的長軸平行，第一動壓槽區(qū)近低壓出氣側(cè)與第二動壓槽區(qū)近高壓進(jìn)氣側(cè)在周向連通，仿閃電型的動壓槽具有二次增壓的效果，改善了干氣密封的氣動性能，緩解了因氣膜開啟力不充分而引起的動靜環(huán)之間無法完全打開，甚至接觸過多導(dǎo)致碰磨失效的問題。

4、但是，上述兩種仿生的干氣密封裝置均存在的缺陷包括：由于外腔進(jìn)氣的動壓型密封通過內(nèi)部泄漏量仍然較大，建議在汽輪機(jī)中采用動靜壓型干氣密封。然而，蒸汽在動靜壓型干氣密封泄漏通道流動時(shí)在亞毫米和微米級通道并存，流體流動存在顯著的跨尺度現(xiàn)象，凝結(jié)流動行為十分復(fù)雜。氣膜中產(chǎn)生的凝液會使流體膜承載能力下降并產(chǎn)生蒸汽錘振動，這種現(xiàn)象與動壓潤滑中的多源激勵(lì)共同作用，可能導(dǎo)致密封或軸承動力失穩(wěn)、泄漏超標(biāo)和端面磨損。局部高溫和熱應(yīng)力還可能導(dǎo)致密封環(huán)熱裂或碎裂失效，嚴(yán)重時(shí)影響整機(jī)的工作效率甚至導(dǎo)致停機(jī)。有必要對開設(shè)有節(jié)流結(jié)構(gòu)和動壓槽的密封環(huán)加以處理，以實(shí)現(xiàn)蒸汽相變凝析的控制及快速除液的功能，提高水蒸汽靜壓/動靜壓干氣密封的可靠性和穩(wěn)定性。

5、因此，本發(fā)明希望提供一種全新的仿生結(jié)構(gòu)并形成自清潔型動靜壓干氣密封裝置。

6、此外，一方面由于對本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解存在差異；另一方面由于申請人做出本發(fā)明時(shí)研究了大量文獻(xiàn)和專利，但篇幅所限并未詳細(xì)羅列所有的細(xì)節(jié)與內(nèi)容，然而這絕非本發(fā)明不具備這些現(xiàn)有技術(shù)的特征，相反本發(fā)明已經(jīng)具備現(xiàn)有技術(shù)的所有特征，而且申請人保留在背景技術(shù)中增加相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)之權(quán)利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、當(dāng)前，仿生的干氣密封裝置均存在的缺陷包括：由于外腔進(jìn)氣的動壓型密封通過內(nèi)部泄漏量仍然較大，建議在汽輪機(jī)中采用動靜壓型干氣密封。然而，蒸汽在動靜壓型干氣密封泄漏通道流動時(shí)在亞毫米和微米級通道并存，流體流動存在顯著的跨尺度現(xiàn)象，凝結(jié)流動行為十分復(fù)雜。氣膜中產(chǎn)生的凝液會使流體膜承載能力下降并產(chǎn)生蒸汽錘振動，這種現(xiàn)象與動壓潤滑中的多源激勵(lì)共同作用，可能導(dǎo)致密封或軸承動力失穩(wěn)、泄漏超標(biāo)和端面磨損。局部高溫和熱應(yīng)力還可能導(dǎo)致密封環(huán)熱裂或碎裂失效，嚴(yán)重時(shí)影響整機(jī)的工作效率甚至導(dǎo)致停機(jī)。有必要對開設(shè)有節(jié)流結(jié)構(gòu)和動壓槽的密封環(huán)加以處理，以實(shí)現(xiàn)蒸汽相變凝析的控制及快速除液的功能，提高水蒸汽靜壓/動靜壓干氣密封的可靠性和穩(wěn)定性。

2、針對現(xiàn)有技術(shù)之不足，本發(fā)明提供了一種自清潔型水蒸汽動靜壓干氣密封裝置，裝置包括環(huán)形主體，環(huán)形主體包括端面外側(cè)、靜壓通入?yún)^(qū)和端面內(nèi)側(cè)，靜壓通入?yún)^(qū)設(shè)置有在環(huán)形主體的端面沿周向分布的若干均壓槽，環(huán)形主體的端面內(nèi)側(cè)設(shè)置有在環(huán)形主體的端面沿周向分布的若干動壓槽和若干集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)，動壓槽和集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)在環(huán)形主體的端面沿周向交錯(cuò)分布，在靜壓通入?yún)^(qū)中，介于均壓槽與動壓槽或集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)之間的環(huán)形區(qū)域形成不開槽的密封壩；其中，集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)在逆轉(zhuǎn)速方向呈凸脊與凹谷依次交錯(cuò)的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，凹谷與均壓槽之間由貫穿密封壩的導(dǎo)流孔導(dǎo)通，使得均壓槽中凝結(jié)的液滴排出。

3、本發(fā)明的均壓槽中圍著擾流臺徑向依次弧形排列的親水微凸體與貫穿密封壩和集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)連接的導(dǎo)流孔，可將均壓槽中凝結(jié)的液滴排出，實(shí)現(xiàn)均壓槽內(nèi)水蒸汽液滴的“抑液-集液-疏液”功能。

4、根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，動壓槽沿環(huán)形主體的逆轉(zhuǎn)速方向設(shè)置，并且動壓槽的靠近密封壩的一端趨近于兩個(gè)均壓槽之間的間隔區(qū)域。如此設(shè)置，在環(huán)形主體旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體在動壓槽的作用下形成一層流體膜，這層膜可以減少密封面之間的摩擦和磨損。

5、根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)沿環(huán)形主體的逆轉(zhuǎn)速方向設(shè)置，集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)的靠近密封壩的一端趨近于均壓槽的中央位置，使得均壓槽內(nèi)的液滴能夠通過導(dǎo)流孔滴入集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)中。

6、根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，均壓槽內(nèi)設(shè)置有用于導(dǎo)流的靜壓節(jié)流結(jié)構(gòu)，靜壓節(jié)流結(jié)構(gòu)包括節(jié)流孔直通段及節(jié)流孔入口段；節(jié)流孔直通段沿環(huán)形主體的軸向設(shè)置；節(jié)流孔入口段設(shè)置在均壓槽的中央?yún)^(qū)域的槽底。水蒸汽經(jīng)過密封的靜壓節(jié)流結(jié)構(gòu)節(jié)流膨脹后壓力和溫度下降，流入均壓槽后極易發(fā)生凝結(jié)相變。靜壓通入?yún)^(qū)節(jié)流結(jié)構(gòu)出口設(shè)有的擾流結(jié)構(gòu)和漸擴(kuò)節(jié)流孔入口段可減少壓力和溫度的突變，抑制流體節(jié)流膨脹后的相變現(xiàn)象。

7、根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，均壓槽內(nèi)沿環(huán)形主體的徑向設(shè)置有若干排親水微凸體織構(gòu)，親水微凸體織構(gòu)在靜壓節(jié)流結(jié)構(gòu)兩側(cè)按照彎曲方向相向的方式呈弧形排列，親水微凸體織構(gòu)的弧形排列之間的空間形成徑向?qū)Я魍ǖ?，徑向?qū)Я魍ǖ赖谋砻嬖O(shè)有第一疏水涂層，以使得蒸汽中的液滴保持球形滾動狀，在慣性力和重力的作用下，球形滾動狀的液滴順著徑向?qū)Я魍ǖ琅懦霏h(huán)形主體的端面。

8、蒸汽發(fā)生相變后的微小的水滴通過親水微凸體織構(gòu)得以聚集成大液滴，且均壓槽內(nèi)親水微凸體圍著擾流臺徑向依次呈現(xiàn)弧形排列。均壓槽設(shè)置有導(dǎo)流孔。導(dǎo)流孔貫穿密封壩與端面內(nèi)側(cè)設(shè)置的集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)凹谷連通，親水微凸體與親水微凸體間形成的弧形引流通道可將聚集成的液滴引導(dǎo)到均壓槽的導(dǎo)流孔，并通過導(dǎo)流孔流入端面內(nèi)側(cè)的集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)的凹谷中。

9、根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，凸脊包括親水微凸體和引流微槽，親水微凸體以凸出顆粒的形態(tài)沿凸脊的延展方向排列，其中，在凸脊的脊梁處排列的親水微凸體的彼此之間設(shè)置有引流微槽，以將脊梁處的液滴引流至凹谷。當(dāng)集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)工作時(shí)，親水微凸體可抓取蒸汽中的液滴，并將液滴順著引流微槽流入兩側(cè)的凹谷中。該液滴與均壓槽所凝結(jié)出的液滴匯合，

10、根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，凹谷的表面設(shè)置有第二疏水涂層，使得親水微凸體收集的液滴流入凹谷，并最終排出環(huán)形主體的端面。

11、凹谷中設(shè)置的第二疏水涂層使得水滴在凹谷表面中無法滑動鋪展而保持球形滾動狀，隨后在轉(zhuǎn)速和重力的作用下快速排出密封端面，減小水蒸汽的含濕度，提高水蒸汽動靜壓干氣密封運(yùn)行中的可靠性和穩(wěn)定性。

12、根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，節(jié)流孔入口段的出口設(shè)置有環(huán)形的擾流臺，以抑制流體節(jié)流膨脹后的相變現(xiàn)象。

13、根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，環(huán)形主體的端面外側(cè)設(shè)置有動壓槽與集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)，動壓槽以均壓槽所在的周向線為中心對稱地設(shè)置在均壓槽的兩側(cè)區(qū)域，集液-疏液導(dǎo)流織構(gòu)以均壓槽所在的周向線為中心對稱地設(shè)置在均壓槽的兩側(cè)區(qū)域。在端面外側(cè)和端面內(nèi)側(cè)都設(shè)置有導(dǎo)流孔，使得均壓槽內(nèi)凝析的液滴從環(huán)形主體的端面內(nèi)側(cè)和外側(cè)都可以排出。在轉(zhuǎn)速較低、慣性力較低的工況，該種結(jié)構(gòu)會使得液滴更為快速排出密封端面。

14、根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，均壓槽的槽底為曲面結(jié)構(gòu)，親水微凸體織構(gòu)在曲面結(jié)構(gòu)表面形成弧形排列，并且弧形排列的曲率中心朝向靜壓節(jié)流結(jié)構(gòu)。這樣有利于液滴流入導(dǎo)流孔，從而順利排出。