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閥門迷宮密封設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)型式與泄露計(jì)算
時(shí)間：2020-08-29 13:31:51 來(lái)源：永龍閥門 閱讀：0次
閥門迷宮密封設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)型式與泄露計(jì)算
Valve design of labyrinth seal structure and leaking calculation
迷宮密封是在轉(zhuǎn)軸周圍設(shè)若干個(gè)依次排列的環(huán)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(zhì)在通過(guò)曲折迷宮的間隙時(shí)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)而達(dá)到阻漏的目的。
由于迷宮密封的轉(zhuǎn)子和機(jī)殼間存在間隙，無(wú)固體接觸，毋須潤(rùn)滑，并允許有熱膨脹，適應(yīng)高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速頻率的場(chǎng)合，這種密封形式被廣泛用于汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)的軸端和的級(jí)間的密封，其他的動(dòng)密封的前置密封。
迷宮密封的密封機(jī)理
流體通過(guò)迷宮產(chǎn)生阻力并使其流量減少的機(jī)能稱為“迷宮效應(yīng)”。
對(duì)液體，有流體力學(xué)效應(yīng)，其中包括水力磨阻效應(yīng)、流束收縮效應(yīng);對(duì)氣體，還有熱力學(xué)效應(yīng)，即氣體在迷宮中因壓縮或者膨脹而產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)換;此外，還有“透氣效應(yīng)”等。
而迷宮效應(yīng)則是這些效應(yīng)的綜合反應(yīng)，所以說(shuō)，迷宮密封機(jī)理是很復(fù)雜的。
1. 摩阻效
泄露液流在迷宮中流動(dòng)時(shí)，因液體粘性而產(chǎn)生的摩擦，使流速減慢流量(泄露量)減少。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，流體沿流道的沿程摩擦和局部磨阻構(gòu)成了磨阻效應(yīng)，前者與通道的長(zhǎng)度和截面形狀有關(guān)，后者與迷宮的彎曲數(shù)和幾何形狀有關(guān)。一般是：當(dāng)流道長(zhǎng)、拐彎急、齒頂尖時(shí)，阻力大，壓差損失顯著，泄露量減小。
2. 流束收縮效應(yīng)
由于流體通過(guò)迷宮縫口，會(huì)因慣性的影響而產(chǎn)生收縮，流束的截面減少。設(shè)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(shù)。
同時(shí)，氣體通過(guò)孔后的速度也有變化，設(shè)在理想狀態(tài)下的流速為u1，實(shí)際流速度比u1小，令Cd為速度系數(shù)，則實(shí)際流速度u1為u1=Cdu1 于是，通過(guò)孔口的流量將等于q=CcCdAu1式中Cc·Cd=a(流量系數(shù))。
迷宮縫口的流量迷宮縫口的流量系數(shù)，與間隙的形狀，齒頂?shù)男螤詈捅诿娴拇植诙扔嘘P(guān)。對(duì)非壓縮性流體，還與需諾數(shù)有關(guān);對(duì)壓縮性流體，還于壓力比和馬赫數(shù)有關(guān)。
同時(shí)，對(duì)縫口前的流動(dòng)狀態(tài)也有影響。因此在復(fù)雜型式的迷宮只，不能把一個(gè)縫口的流量系數(shù)當(dāng)作所有縫口的流量系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)，第一級(jí)的流量系數(shù)小一些，第二級(jí)以后的縫口流量系數(shù)大一些，一般流量系數(shù)常取1。
但是尖齒的流量系數(shù)比1小，約在0.7左右，圓齒的流量系數(shù)接近于1，通常取a=l，計(jì)算的泄露量是犏大。
3. 熱力學(xué)效應(yīng)
理想的迷宮流道模型，它是由一個(gè)個(gè)環(huán)形齒隙和齒間空腔串聯(lián)而成的。
氣體每通過(guò)一個(gè)齒隙和齒間空腔的流動(dòng)可描述如下：
在間隙入口處，氣體狀態(tài)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(yuǎn)處，氣流獲得最大的速度：當(dāng)進(jìn)入空腔，流速截面突然擴(kuò)大，并在空腔內(nèi)形成強(qiáng)烈的旋渦。從能量觀點(diǎn)來(lái)看，在間隙前后，氣流的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。
同時(shí)，當(dāng)溫度下降(熱焓值h減小)，氣體以高速進(jìn)入兩齒之間的環(huán)行腔室時(shí)，體積突然膨脹產(chǎn)生劇烈旋渦。渦流摩擦的結(jié)果，使氣流的絕大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽磺皇抑械臍饬魉斩邷囟龋瑹犰视只謴?fù)到接近進(jìn)入間隙前的值，只有小部分動(dòng)能仍以余速進(jìn)入下一個(gè)間隙，如此逐級(jí)重復(fù)上述過(guò)程。
4. 透氣效應(yīng)
在理想迷宮中，認(rèn)為通過(guò)縫口的氣流在膨脹室內(nèi)動(dòng)能，全部變成熱能。也就是說(shuō)，假定到下一個(gè)縫口時(shí)的漸近速度等于零，但這只是在膨脹室特別寬闊和特別長(zhǎng)時(shí)才成立。
在一般直通迷宮中，由于通過(guò)縫口后的氣流只能向一側(cè)擴(kuò)散，在膨脹室內(nèi)不能充分的進(jìn)行這種速度能(動(dòng)能)向熱能的能量轉(zhuǎn)換，而靠光滑壁一側(cè)有一部分氣體速度不減小或者只略微減小，直接越過(guò)各十齒頂流向低壓側(cè)，把這種一掠而過(guò)的現(xiàn)象稱為”透氣效應(yīng)”。
迷宮密封的結(jié)構(gòu)型式
迷宮密封按密封齒的結(jié)構(gòu)不同，分為密封片和密封環(huán)兩大類型。
密封片結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)轉(zhuǎn)中與機(jī)殼相碰，密封片能向兩側(cè)彎曲，減少摩擦，且拆換方便。
密封環(huán)由6~8塊扇形塊組成，裝入機(jī)殼與轉(zhuǎn)軸中，用彈簧片將每塊環(huán)壓緊在機(jī)殼上，彈簧片壓緊力約60～100N，當(dāng)軸與齒環(huán)相碰時(shí)，齒環(huán)自行彈開，避免摩擦。這種結(jié)構(gòu)尺寸較大，加工復(fù)雜，齒磨損后將整塊密封環(huán)調(diào)換，因此應(yīng)用不及密封圈結(jié)構(gòu)廣泛。
理想迷宮的泄露計(jì)算
給定下列幾個(gè)條件：
1. 泄露氣體是理想氣體，不考慮焦?fàn)栆粶愤d效應(yīng)，即氣體的焓只與溫度有關(guān);
2. 假設(shè)迷宮是連續(xù)的多縫口組成的一個(gè)系列，兩縫口之間的膨脹室足夠大;
3. 通過(guò)縫口的流動(dòng)作絕熱循環(huán)膨脹，在這里引用一個(gè)流量系數(shù)a;
4. 通過(guò)縫口之后的流動(dòng)速度能量在膨脹室內(nèi)因受等壓支配而完全作恒溫恢復(fù)，所以在每一個(gè)縫口之前的速度漸近為0，即不發(fā)生透氣現(xiàn)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(nèi)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(yīng)用最廣。
但是，直通型迷宮存在著透氣現(xiàn)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(jù)國(guó)外所進(jìn)行的試驗(yàn)得出：齒距一定時(shí)，齒數(shù)越多，泄露量越少。齒距政變時(shí)，齒距越大，泄露量會(huì)急劇下降，同時(shí)述可以減少透氣現(xiàn)象的影響。
2. 膨脹室的影響
國(guó)外對(duì)膨脹室深度的影響進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究，結(jié)論是淺的膨脹室對(duì)減少泄露量有利。
根據(jù)對(duì)膨脹室流動(dòng)狀態(tài)的觀察，認(rèn)為淺膨脹室中的旋渦是不穩(wěn)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(dòng)狀態(tài)立即發(fā)生明顯的變化。試驗(yàn)證明，只要副室的位置恰當(dāng)，泄露量的減少率是相當(dāng)大的。
迷宮式氣體密封的間隙
除特殊情況外，一般氣輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等葉輪機(jī)械都采用迷宮式氣體密封。其徑向問(wèn)隙應(yīng)根據(jù)以下因素選取：軸承問(wèn)隙，制造公差。
與裝酡誤差，部件的變形(如鑄件收縮和失圓)，轉(zhuǎn)子的撓度，以及通過(guò)臨界旋轉(zhuǎn)頻率時(shí)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(duì)啟動(dòng)與停車時(shí)單個(gè)部件尺寸的變化，以及部件的相對(duì)位移必須預(yù)先估算。可用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)有限元算法出隨時(shí)間變化的熱膨脹規(guī)律，由此可了解哪些是臨界條件，間隙實(shí)際上應(yīng)當(dāng)多大尺寸。
迷宮密封設(shè)計(jì)的注意點(diǎn)
總結(jié)迷宮密封設(shè)計(jì)中積累的經(jīng)驗(yàn)，歸納起來(lái)有下列要點(diǎn)：
1. 盡量使氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，而不使余速進(jìn)入下一個(gè)問(wèn)隙。齒與齒之問(wèn)應(yīng)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，或用高-低齒強(qiáng)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(yīng)小于0.5mm，運(yùn)行中偶爾與軸的相碰時(shí)，齒尖先磨損而脫離接觸，不致因摩擦出現(xiàn)軸的局部過(guò)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(shí)，要注意防止污染環(huán)境。
采用充氣式迷宮密封，問(wèn)隙內(nèi)引入惰性氣體，其壓力稍大于被密封氣體壓力;如果介質(zhì)不允許混入充氣，則可采用抽氣式迷宮密封。
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