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閥門迷宮密封設計的結構型式與泄露計算
時間：2020-08-29 13:31:51 來源：永龍閥門 閱讀：0次
閥門迷宮密封設計的結構型式與泄露計算
Valve design of labyrinth seal structure and leaking calculation
迷宮密封是在轉軸周圍設若干個依次排列的環行密封齒，齒與齒之間形成一系列截流間隙與膨脹空腔，被密封介質在通過曲折迷宮的間隙時產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、高轉速頻率的場合，這種密封形式被廣泛用于汽輪機、燃汽輪機、壓縮機、鼓風機的軸端和的級間的密封，其他的動密封的前置密封。
迷宮密封的密封機理
流體通過迷宮產生阻力并使其流量減少的機能稱為“迷宮效應”。
對液體，有流體力學效應，其中包括水力磨阻效應、流束收縮效應;對氣體，還有熱力學效應，即氣體在迷宮中因壓縮或者膨脹而產生的熱轉換;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，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時，因液體粘性而產生的摩擦，使流速減慢流量(泄露量)減少。簡單說來，流體沿流道的沿程摩擦和局部磨阻構成了磨阻效應，前者與通道的長度和截面形狀有關，后者與迷宮的彎曲數和幾何形狀有關。一般是：當流道長、拐彎急、齒頂尖時，阻力大，壓差損失顯著，泄露量減小。
2. 流束收縮效應
由于流體通過迷宮縫口，會因慣性的影響而產生收縮，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，氣體通過孔后的速度也有變化，設在理想狀態下的流速為u1，實際流速度比u1小，令Cd為速度系數，則實際流速度u1為u1=Cdu1 于是，通過孔口的流量將等于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。對非壓縮性流體，還與需諾數有關;對壓縮性流體，還于壓力比和馬赫數有關。
同時，對縫口前的流動狀態也有影響。因此在復雜型式的迷宮只，不能把一個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. 熱力學效應
理想的迷宮流道模型，它是由一個個環形齒隙和齒間空腔串聯而成的。
氣體每通過一個齒隙和齒間空腔的流動可描述如下：
在間隙入口處，氣體狀態為p0，T0和零開始，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。從能量觀點來看，在間隙前后，氣流的壓力能轉變為動能。
同時，當溫度下降(熱焓值h減小)，氣體以高速進入兩齒之間的環行腔室時，體積突然膨脹產生劇烈旋渦。渦流摩擦的結果，使氣流的絕大部分動能轉變為熱能，被腔室中的氣流所吸收而升高溫度，熱焓又恢復到接近進入間隙前的值，只有小部分動能仍以余速進入下一個間隙，如此逐級重復上述過程。
4. 透氣效應
在理想迷宮中，認為通過縫口的氣流在膨脹室內動能，全部變成熱能。也就是說，假定到下一個縫口時的漸近速度等于零，但這只是在膨脹室特別寬闊和特別長時才成立。
在一般直通迷宮中，由于通過縫口后的氣流只能向一側擴散，在膨脹室內不能充分的進行這種速度能(動能)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，直接越過各十齒頂流向低壓側，把這種一掠而過的現象稱為”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兩大類型。
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，用彈簧片將每塊環壓緊在機殼上，彈簧片壓緊力約60～100N，當軸與齒環相碰時，齒環自行彈開，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;
2. 假設迷宮是連續的多縫口組成的一個系列，兩縫口之間的膨脹室足夠大;
3. 通過縫口的流動作絕熱循環膨脹，在這里引用一個流量系數a;
4. 通過縫口之后的流動速度能量在膨脹室內因受等壓支配而完全作恒溫恢復，所以在每一個縫口之前的速度漸近為0，即不發生透氣現象。
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
根據國外所進行的試驗得出：齒距一定時，齒數越多，泄露量越少。齒距政變時，齒距越大，泄露量會急劇下降，同時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行過試驗研究，結論是淺的膨脹室對減少泄露量有利。
根據對膨脹室流動狀態的觀察，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的附屬槽，開槽后迷宮中的流動狀態立即發生明顯的變化。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。其徑向問隙應根據以下因素選取：軸承問隙，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，以及通過臨界旋轉頻率時的振幅，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，對啟動與停車時單個部件尺寸的變化，以及部件的相對位移必須預先估算。可用靜態和動態有限元算法出隨時間變化的熱膨脹規律，由此可了解哪些是臨界條件，間隙實際上應當多大尺寸。
迷宮密封設計的注意點
總結迷宮密封設計中積累的經驗，歸納起來有下列要點：
1. 盡量使氣流的動能轉化為熱能，而不使余速進入下一個問隙。齒與齒之問應保持適當的距離，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，齒尖先磨損而脫離接觸，不致因摩擦出現軸的局部過熱而造成事故。
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，要注意防止污染環境。
采用充氣式迷宮密封，問隙內引入惰性氣體，其壓力稍大于被密封氣體壓力;如果介質不允許混入充氣，則可采用抽氣式迷宮密封。
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