一种微型向心涡轮密封装置

1.本发明涉及旋转机械密封领域，特别是涉及一种微型向心涡轮密封装置。


背景技术：

2.旋转机械是流程工业的核心部件，是保证流程工业安全、可靠生产的关键。随着工程技术的进步，我国在旋转机械设计、制造领域得到了长足的发展，高参数、大型旋转机械的国产化问题已取得突破性进展。我国石化建设的高峰，随着百万吨乙烯、千万吨炼油的相机建成投产，影响流程工业安全、高效生产的主要矛盾某种程度上并不再是压缩机、汽轮机等旋转机械的大容量高参数的问题。事实上，在工业生产的过程中，旋转机械故障导致工业停产停机检修是生产一线中最为普遍的问题，也是工业生产长周期安全稳定运行的最大障碍。旋转机械故障的最为显著表现即是密封装置的泄漏问题。密封泄漏不仅会影响到机械装置的效率和使用寿命，对于石油化工等产业来说，有毒有害、易燃易爆的危险介质的泄漏常常造成严重的环境污染问题，危及社会公共安全。
3.目前在旋转机械上使用最多的是非接触式密封，此种密封方式可以避免转轴与密封装置直接接触。但是非接触式密封在安装时密封件与转轴之间就存在一定的间隙，并且随着机械运行时间增长，转轴与密封件之间必然会发生一定的碰撞，从而造成磨损，影响密封效果。为了保障密封效果，非接触式密封需要沿轴向布置多级密封件，这导致轴向距离必须足够长以满足多级密封件放置空间的需求，而过长的轴向距离会影响转子动力学特性，使得机器运转过程中很容易产生振动，不利于整机运行安全性
4.因此，如何在较短的轴向间距内实现密封成为本领域技术人员目前所亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.为解决以上技术问题，本发明提供一种微型向心涡轮密封装置，以在更短的轴向间距内实现密封。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种微型向心涡轮密封装置，用于设置于壳体和转轴之间，包括：微型向心涡轮和沿轴向布置的多级密封件，任意相邻两级所述密封件之间均形成级间隔，至少一个所述级间隔内设置有所述微型向心涡轮，所述微型向心涡轮包括轮盘以及多个叶片，所述轮盘用于固定套装于所述转轴的外侧，所述轮盘的外侧壁为锥形结构，且所述轮盘靠近高压侧的一端外径大于所述轮盘远离所述高压侧的一端外径，全部所述叶片均设置于所述轮盘的外侧壁上，且全部所述叶片沿所述轮盘的周向布置，各个所述叶片均能够对所述高压侧的气流膨胀降压，且所述轮盘靠近所述高压侧的一端能够遮挡全部所述叶片。
8.可选地，所述叶片为螺旋叶片。
9.可选地，所述轮盘的厚度自所述轮盘靠近所述高压侧的一端至所述轮盘远离所述高压侧的一端逐渐递减，以使所述轮盘的外侧壁为锥形结构。
10.可选地，所述轮盘靠近所述高压侧的一端的外径大于所述叶片最顶端与所述转轴轴线之间的距离，以使所述轮盘靠近所述高压侧的一端能够遮挡全部所述叶片。
11.可选地，所述微型向心涡轮的数量为多个，全部所述微型向心涡轮分别设置于不同位置的所述级间隔内。
12.可选地，所述轮盘的外侧壁为曲面结构。
13.可选地，所述壳体的内壁上沿轴向设置有多个环槽，所述密封件与所述环槽一一对应，各个所述密封件均部分嵌设于其所对应的所述环槽内，任意相邻两个环槽之间均设置有用于定位相邻两级所述密封件的垫片。
14.可选地，所述轮盘靠近所述高压侧的一端外侧壁与所述垫片之间具有间隙。
15.可选地，所述密封件为碳环。
16.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
17.本发明提供的微型向心涡轮密封装置，用于设置于壳体和转轴之间，包括：微型向心涡轮和沿轴向布置的多级密封件，任意相邻两级密封件之间均形成级间隔，至少一个级间隔内设置有微型向心涡轮，微型向心涡轮包括轮盘以及多个叶片，轮盘用于固定套装于转轴的外侧，轮盘的外侧壁为锥形结构，且轮盘靠近高压侧的一端外径大于轮盘远离高压侧的一端外径，全部叶片均设置于轮盘的外侧壁上，且全部叶片沿轮盘的周向布置，各个叶片均能够对高压侧的气流膨胀降压，且轮盘靠近高压侧的一端能够遮挡全部叶片。
18.具体使用过程中，轮盘随着转轴同步转动，叶片随着轮盘同步转动，当叶片转动时，能够对高压侧气流，即自高压侧进入转轴和壳体之间的气流膨胀作用，将气流的压力能转换为机械能，使气流的压力能降低，同时轮盘靠近高压侧的一端能够阻碍气流的流动。如此，与利用多级密封件密封相比，本发明提供的微型向心涡轮密封装置通过增设微型向心涡轮，利用微型向心涡轮与密封件配合，能够在更短的轴向间距内实现密封。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例中提供的微型向心涡轮密封装置的剖视图；
21.图2为本发明实施例中提供的微型向心涡轮密封装置中的微型向心涡轮的设置方式示意图；
22.图3为本发明实施例中提供的微型向心涡轮密封装置叶片的速度三角形示意图；
23.图4为本发明实施例中提供的微型向心涡轮密封装置与常规密封方式的密封效果对比图；
24.图5为本发明实施例中提供的微型向心涡轮密封装置的密封原理图；
25.图6为背景技术提及的非接触式密封的密封原理图。
26.图1-图5附图标记说明：100、微型向心涡轮密封装置；1、壳体；2、转轴；3、密封件；4、微型向心涡轮；401、轮盘；402、叶片；5、垫片；6、间隙；7、空隙。
27.图6附图标记说明：1＇、转轴；2＇、密封件。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.本发明的目的是提供一种能够在更短的轴向间距内实现密封的微型向心涡轮密封装置。
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.参考图1-图5所示，本实施例提供的微型向心涡轮密封装置100，用于设置于壳体1和转轴2之间，包括：微型向心涡轮4和沿轴向布置的多级密封件3。
32.具体而言，任意相邻两级密封件3之间均形成级间隔，至少一个级间隔内设置有微型向心涡轮4。微型向心涡轮4最好在高压侧和低压侧之间更靠近高压侧设置。需要说明的是，微型向心涡轮密封装置100的两侧其中一侧压力高，另外一侧压力低，压力高的一侧为高压侧，压力低的一侧为低压侧。本实施例提供的微型向心涡轮密封装置100按照图1所示方式布置时，左侧为高压侧，右侧为低压侧，图1中箭头指示的是气流的流动方向。
33.如图2所示，微型向心涡轮4包括轮盘401以及多个叶片402，轮盘401用于固定套装于转轴2的外侧，随着转轴2同步转动，轮盘401的外侧壁为锥形结构，且轮盘401靠近高压侧的一端外径大于轮盘401远离高压侧的一端外径，全部叶片402均设置于轮盘401的外侧壁上，随着轮盘401同步转动，且全部叶片402沿轮盘401的周向布置，例如，全部叶片402沿轮盘401的周向均匀布置，各个叶片402均能够对高压侧的气流膨胀降压，且轮盘401靠近高压侧的一端能够遮挡全部叶片402。
34.具体使用过程中，轮盘401随着转轴2同步转动，叶片402随着轮盘401同步转动，当叶片402转动时，能够对高压侧气流，即自高压侧进入转轴2和壳体1之间的气流膨胀作用，将气流的压力能转换为机械能，使气流的压力能降低，同时轮盘401靠近高压侧的一端能够阻碍气流的流动，并避免高压侧气流沿轴向直冲低压出口。如此，与利用多级密封件3密封相比，本发明提供的微型向心涡轮密封装置100通过增设微型向心涡轮4，利用微型向心涡轮4与密封件3配合，能够在更短的轴向间距内实现密封。
35.于本实施例中，如图2所示，叶片402为螺旋叶片，各个叶片402靠近高压侧的一端的弯曲方向均与转轴2的旋转方向相同，各个叶片402远离高压侧的一端的弯曲方向均与转轴2的旋转方向相反。
36.于本实施例中，如图2所示，轮盘401的厚度自轮盘401靠近高压侧的一端至轮盘401远离高压侧的一端逐渐递减，以使轮盘401的外侧壁为锥形结构。
37.于本实施例中，轮盘401靠近高压侧的一端的外径大于叶片402最顶端与转轴2轴线之间的距离，以使轮盘401靠近高压侧的一端能够遮挡全部叶片402。
38.于本实施例中，如图2所示，微型向心涡轮4的数量为多个，全部微型向心涡轮4分别设置于不同位置的级间隔内。微型向心涡轮4的数量以及微型向心涡轮4具有布置于哪些位置的级间隔内根据实际需要而定。
39.于本实施例中，如图2所示，轮盘401的外侧壁为曲面结构。
40.于本实施例中，壳体1的内壁上沿轴向设置有多个环槽，密封件3与环槽一一对应，各个密封件3均部分嵌设于其所对应的环槽内，任意相邻两个环槽之间均设置有用于定位相邻两级密封件3的垫片5。
41.进一步地，如图1所示，至少部分垫片5为倒l型结构，壳体1的内壁上设置有安装腔，全部l型结构的垫片5并排设置，任意相邻两个垫片5之间均形成环槽。
42.于本实施例中，轮盘401靠近高压侧的一端外侧壁与垫片5之间具有间隙6。本实施例中具体地，间隙6的大小为0.1mm-0.2mm。
43.于本实施例中，密封件3为碳环。需要说明的是，密封件3并不仅限于为碳环，还可以选择其它能够实现非接触密封的结构。
44.具体使用时，根据转轴2的旋转方向，微型向心涡轮密封装置100前后的压力情况，密封件3与转轴2之间的空隙7工况，来匹配设计微型向心涡轮4叶片402，设计的内容包括：叶片402的尺寸、叶片402稠度、轮盘401与垫片5之间的间隙6。
45.下面结合图3来详细介绍本实施例中提供的微型向心涡轮4的降压和导流原理：
46.图3给出了微型向心涡轮4叶片402的速度三角形，转轴2的旋转方向为逆时针。首先，气流在经过第一级密封件3后流进第一级的微型向心涡轮4中，气流在流经相邻两个叶片402之间时，持续膨胀作功，压力能转换为机械能的转换，图3中可以看到c2要明显小于c1。其次，轮盘401靠近高压侧的一端对高压侧气流还起到了阻挡作用，减少高压气体流向出口。图3中w1为叶片402进口相对速度，w2为叶片402出口相对速度，c1为叶片402进口绝对速度，c2为叶片402出口绝对速度，u为圆周速度。
47.下面结合图4-图6示来详细介绍本实施例中提供的微型向心涡轮密封装置100的优势：
48.图4给出了本实施例提供的微型微型向心涡轮4与常规密封方式的密封效果对比示意图。轴向密封件3放置位置与线图相对应，图4中本实施例提供的微型向心涡轮密封装置100以两级微型向心涡轮4耦合三级碳环密封件3为例，常规密封方式以多级碳环为例，为了方便描述后面将两级微型向心涡轮4耦合三级碳环密封件3的方式称作带微型向心涡轮密封方式，将常规的多级碳环密封方式称作无微型向心涡轮密封方式。无微型向心涡轮密封方式由于不设置微型向心涡轮4，垫片5与转轴2之间为空腔，横坐标为从高压进口到低压出口的轴向，纵坐标分别为总压和泄漏量。在相同的进口压力下和相同的转轴2速度下，带微型向心涡轮密封方式可以比无微型向心涡轮密封方式，更快的到达出口低压处压力值，带微型向心涡轮密封方式所需要的碳环级数更少，因而需要的轴向间距更短。另外，相比于无微型向心涡轮密封方式，本实施例提供的微型微型向心涡轮密封方式出口处最后一级碳环不会出现大幅度降低压力的现象，可以减少对碳环的伤害。同时，本实施例提供的微型微型向心涡轮密封方式，轮盘401对气流具有阻挡作用，避免高压侧气流沿轴向直冲低压出口。
49.需要说明的是，与常规向心涡轮相比，本发明实施例中提供的向心涡轮设置于壳体1和转轴2之间，本发明中向心涡轮的尺寸远小于常规向心涡轮，故将本发明中的向心涡轮称作微型向心涡轮，这里的微型并不是指微型向心涡轮4的尺寸要小于某一个数值，微型向心涡轮4的尺寸根据密封要求进行调整。还需要指出的是，本发明实施例中提供的微型向心涡轮4的结构与常规向心涡轮的结构实质相同。
50.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种微型向心涡轮密封装置，其特征在于，用于设置于壳体和转轴之间，包括：微型向心涡轮和沿轴向布置的多级密封件，任意相邻两级所述密封件之间均形成级间隔，至少一个所述级间隔内设置有所述微型向心涡轮，所述微型向心涡轮包括轮盘以及多个叶片，所述轮盘用于固定套装于所述转轴的外侧，所述轮盘的外侧壁为锥形结构，且所述轮盘靠近高压侧的一端外径大于所述轮盘远离所述高压侧的一端外径，全部所述叶片均设置于所述轮盘的外侧壁上，且全部所述叶片沿所述轮盘的周向布置，各个所述叶片均能够对所述高压侧的气流膨胀降压，且所述轮盘靠近所述高压侧的一端能够遮挡全部所述叶片。2.根据权利要求1所述的微型向心涡轮密封装置，其特征在于，所述叶片为螺旋叶片。3.根据权利要求1所述的微型向心涡轮密封装置，其特征在于，所述轮盘的厚度自所述轮盘靠近所述高压侧的一端至所述轮盘远离所述高压侧的一端逐渐递减，以使所述轮盘的外侧壁为锥形结构。4.根据权利要求1所述的微型向心涡轮密封装置，其特征在于，所述轮盘靠近所述高压侧的一端的外径大于所述叶片最顶端与所述转轴轴线之间的距离，以使所述轮盘靠近所述高压侧的一端能够遮挡全部所述叶片。5.根据权利要求1所述的微型向心涡轮密封装置，其特征在于，所述微型向心涡轮的数量为多个，全部所述微型向心涡轮分别设置于不同位置的所述级间隔内。6.根据权利要求1所述的微型向心涡轮密封装置，其特征在于，所述轮盘的外侧壁为曲面结构。7.根据权利要求1所述的微型向心涡轮密封装置，其特征在于，所述壳体的内壁上沿轴向设置有多个环槽，所述密封件与所述环槽一一对应，各个所述密封件均部分嵌设于其所对应的所述环槽内，任意相邻两个环槽之间均设置有用于定位相邻两级所述密封件的垫片。8.根据权利要求7所述的微型向心涡轮密封装置，其特征在于，所述轮盘靠近所述高压侧的一端外侧壁与所述垫片之间具有间隙。9.根据权利要求1所述的微型向心涡轮密封装置，其特征在于，所述密封件为碳环。

技术总结
本发明涉及旋转机械密封领域，公开一种微型向心涡轮密封装置，用于设置于壳体和转轴之间，包括：微型向心涡轮和沿轴向布置的多级密封件，任意相邻两级密封件之间均形成级间隔，至少一个级间隔内设置有微型向心涡轮，微型向心涡轮包括轮盘以及多个叶片，轮盘用于固定套装于转轴的外侧，轮盘的外侧壁为锥形结构，且轮盘靠近高压侧的一端外径大于轮盘远离高压侧的一端外径，全部叶片均设置于轮盘的外侧壁上，且全部叶片沿轮盘的周向布置，各个叶片均能够对高压侧的气流膨胀降压，且轮盘靠近高压侧的一端能够遮挡全部叶片。与利用多级密封件密封相比，该微型向心涡轮密封装置通过利用微型向心涡轮与密封件配合，能够在更短的轴向间距内实现密封。距内实现密封。距内实现密封。


技术研发人员：马婧媛 林峰 叶榕榕
受保护的技术使用者：集美大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/12