一種后擋板具有臺階式環形凸臺的刷式密封結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種應用于旋轉機械中的動密封結構，尤其涉及一種后擋板具有臺階式環形凸臺的刷式密封結構。
【背景技術】
[0002]刷式密封是航空發動機、汽輪機、壓縮機等旋轉機械的關鍵部件。相對于傳統的迷宮密封，刷式密封不但具有較好的封嚴特性，并且是一種柔性接觸式動密封技術，能夠適應轉子的瞬間徑向變形或偏心運動，此外，刷式密封的刷絲與轉子軸形成柔性接觸，可改善轉子系統的振動特性，保證機組運行的安全性，因此刷式密封被廣泛應用于航空航天、電力、石化等行業領域的旋轉機械中。
[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、緊密的刷絲與轉子相貼合來隔斷下游氣體并對上游氣體的泄漏造成阻礙從而達到密封的效果，其流場特性與密封機理如下:刷絲束中刷絲間隙是不均勻的，不均勻性使得均勻的來流進入刷絲束中就變得不均勻，并且從密集的刷絲束區域向疏松的刷絲束區域偏流，這些偏流在刷絲之間逐漸形成同向流和射流，并產生隨機的二次流和旋渦流，密封腔內的流場變得非常復雜。當射流遇到前面緊密的刷絲束時，就會改變運動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而確保流動的不均勻性，使流體產生了自密封效應，橫向流動有效的促進自密封效應的產生，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變形，從而刷絲不能及時跟隨轉子的升速或者渦動偏心增大等運動狀態進行變形，出現刷絲剛化效應。剛化效應會引起刷絲和轉子跑道的加速磨損，降低刷式密封的密封性能，縮短使用壽命。另外隨著轉子降速或者恢復到較小渦動偏心位置時，刷絲與后擋板之間的摩擦力又阻礙刷絲不能立即復原，刷絲出現懸掛，出現刷絲滯后效應。剛化效應與滯后效應會加速刷絲和轉子表面的磨損，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。通過計算流體力學和懸臂梁彎曲變形理論(將刷絲簡化為懸臂梁)計算分析傳統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律，可得到傳統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律，參考圖1和圖2:在后擋板保護高度以上區域，沿著刷絲自由端到固定端方向，后擋板處流場壓力逐漸增大，進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生剛化效應和滯后效應。
[0006]
【發明內容】
:本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提出了一種后擋板具有臺階式環形凸臺的刷式密封結構。
[0007]為實現上述目的，本發明采用的技術方案是:一種后擋板具有臺階式環形凸臺的刷式密封結構，包括熔焊區、前擋板、刷絲束、后擋板和臺階式環形凸臺。前擋板和后擋板通過熔焊區連接，刷絲束根部固定在熔焊區上，自由端與轉子貼合。臺階式環形凸臺設置在后擋板的內表面，且與后擋板內表面垂直。
[0008]優選的，所述臺階式環形凸臺在轉子軸向-徑向平面看為矩形，所述矩形凸臺軸向高度依次降低，第一個矩形凸臺軸向高度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，所述相鄰矩形凸臺間距w為3mm?6mm，并且是等間距，每個矩形凸臺徑向厚度I為2mm?4mm。
[0009]優選的，所述臺階式環形凸臺在轉子軸向-徑向平面看為三角形，所述三角形凸臺軸向高度依次降低，第一個三角形凸臺軸向高度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間距w為3mm?6mm，并且是等間距，每個三角形凸臺徑向厚度I為2mm?4mm。
[0010]優選的，所述臺階式環形凸臺在轉子軸向-徑向平面看為上游邊長小于下游邊長的多邊形，所述多邊形凸臺軸向高度依次降低，第一個多邊形凸臺軸向高度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之間間距w為3mm?6mm，并且是等間距，每個多邊形凸臺徑向厚度I為2mm?4mm。
[0011]優選的，所述刷絲束末排刷絲與后擋板的軸向間隙為O?0.5mm。
[0012]優選的，所述的環形凸臺為3?8個。
[0013]優選的，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；所述刷絲一般采用直徑0.05mm?0.15mm的鎳基耐高溫合金絲，刷絲長度為25mm?40mm，刷絲束軸向總厚度5mm?20mm，刷絲與轉子徑向呈30?60°安裝角，安裝角順著轉子旋轉方向。
[0014]優選的，所述刷式密封后擋板高度為刷絲長度的0.75?0.95倍，前擋板高度為刷絲長度的0.45?0.75倍，前后擋板厚度為3mm?4.5mm。
[0015]本發明提出了一種后擋板具有臺階式環形凸臺的刷式密封結構，其主要優點如下:
[0016]1、結構簡單，不改變傳統刷式密封的基本結構組成，只在傳統刷式密封后擋板內表面徑向均勻設置若干臺階式環形凸臺；
[0017]2、在后擋板內表面徑向設置臺階式環形凸臺，當刷絲由于高壓差發生軸向彎曲緊貼后擋板時，臺階式環形凸臺有效降低刷絲與后擋板的接觸，進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和滯后效應；
[0018]3、環形凸臺結構可將后擋板與刷絲束間隙內徑向流動引入相鄰凸臺的間隙中，流體在相鄰凸臺間隙形成較強漩渦，使得流體能量大量耗散，有效提高密封的封嚴特性。
【附圖說明】
:
[0019]圖1是傳統刷式密封后擋板處刷絲周圍徑向壓力分布圖。
[0020]圖2是傳統刷式密封后擋板處刷絲彎曲變形量變化規律圖。
[0021]圖3(a)是本發明實施例1的結構示意圖。
[0022]圖3(b)是本發明實施例1的結構局部放大圖。
[0023]圖3(c)是圖3(a)的A-A向剖視圖。
[0024]圖4(a)是本發明實施例2的結構示意圖。
[0025]圖4(b)是本發明實施例2的結構局部放大圖。
[0026]圖4(c)是圖4(a)的B-B向剖