[发明专利]一种高压形变跨尺度型孔织构的箔片端面气膜密封结构

说明书

(一)技术领域

本发明涉及机械端面密封结构设计技术领域，具体涉及一种基于跨尺度波度形变机制的箔片端面气膜密封结构，特别适用于高压旋转机械的轴端密封装置。

(二)背景技术

气膜端面密封作为一种气体润滑非接触式机械密封形式以其低泄漏、低功耗、长寿命等显著的性能优势在旋转机械的轴端密封上获得广泛应用，如压缩机、泵、反应釜及风机等旋转机械的轴端密封。众所周知，波度密封是通过在密封环端面上人为加工微米级周向波度，借助周向波度形成气体动压效应，最终将密封端面打开实现非接触，但目前微米级周向波度加工困难且加工成本较高，同时一旦波度加工成型，其波度形貌将无法随外界工况变化而进行自适应性调节。近年来，随着石化行业与航天航空的快速发展，要求气膜端面密封能够适应高参数、变工况及恶劣的密封环境，而随着“可控”以及“自适应”技术的快速发展，给机械密封端面“动态”波度的设计提供了新的思路。

箔片轴承作为“自适应”技术发展的产物，借助箔片变形与膜压之间的自适应调节，使其具有动态稳定性高、耐冲击振动且对转子同心度要求低等优点，借鉴箔片轴承的相关原理并借助箔片的优良特性，使箔片端面密封随密封介质压力变化的“动态”波度设计成为可能。

(三)发明内容

本发明要解决现有技术的密封端面周向波度加工困难且一次加工成型后无法随工况及膜压变化的缺陷，提供一种端面周向波度形成容易、可随膜压变化并调控膜压变化从而达到动态平衡的箔片端面气膜密封结构。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高压形变跨尺度型孔织构的箔片端面气膜密封结构，包括气膜密封的动环和静环；所述动环或静环中至少一个密封环的密封端面是带箔片端面，所述带箔片端面的密封环包括圆环状的环本体1、环形箔片5和紧固螺钉6，所述环本体外侧微幅凹陷形成圆环形凹面，环本体内侧微幅凸起形成圆环形台阶；所述圆环形台阶的上表面形成密封坝4，所述圆环形凹面上开有若干个依照旋转中心对称分布的型孔2，所述型孔深度为微米级，沿圆周方向均匀分布形成型孔环带，沿径向分布形成型孔列，所述型孔列的外公切线经过圆环形凹面的圆心，型孔环带之间的区域和型孔列之间的区域形成密封堰区3；所述环形箔片5的下表面与环本体圆环形凹面紧贴、上表面与密封坝齐平，所述环形箔片5通过紧固螺钉6与环本体1固定。

进一步，所述型孔深度取值范围为2～10μm，型孔直径取值范围为1～5mm。

进一步，同一型孔列的两条外公切线的夹角θ_g与相邻两型孔列的相邻外公切线夹角θ_l的比值θ_g/θ_l的取值范围为0.25～1.5。

更进一步，所述型孔形状可以是圆形、椭圆形、橄榄形或其它规则形状。

本发明工作原理：

本发明提供的基于箔片在高压下产生形变并借助微米级深度、毫米级直径型孔的约束作用，使箔片密封面形成跨尺度波度尺度特征的箔片端面气膜密封结构，具体描述为：在环本体圆环形凹面上开有若干个依照旋转中心对称分布的型孔，所述型孔深度为微米级，沿圆周方向均匀分布形成型孔环带，沿径向分布形成型孔列，所述型孔列的外公切线经过圆环形凹面的圆心，型孔环带之间或型孔列之间均形成密封堰区；箔片通过螺钉与环本体装配后，型孔上方的箔片区域受力作用易发生凹陷。当密封腔内存在一定的介质压力时，在气体静压作用下，型孔上方的箔片区域发生变形，箔片向型孔中发生微米级凹陷，型孔列之间的堰区上方的箔片发生微米级上凸，从而使箔片在产生轴向和周向形变为跨尺度的周向波度，波的个数取决于周向型孔的个数。密封运转后，箔片端面形成的周向波度形变将使密封端面产生一定的气体动压效应并使端面开启，当密封工况发生变化或受到外界扰动时，密封端面膜压将发生变化，膜压的变化造成箔片端面周向波度形貌、尺度的变化，从而进一步影响气体动压效应，最终使得膜压与波度形貌、尺度之间进行自适应协调，因此可有效保证膜压与膜厚变化处于动态平衡的状态；另外，每个波形作为单独的自适应单元，可进行局部微调，同时波与波之间形变的协同作用又可强化密封运行的动态稳定性；在密封转速升高时，波形背风侧压力降低使得该处箔片发散型变形减小，抑制了负压效应的形成。

本发明具有以下有益效果：

膜压变化与箔片端面跨尺度周向波度形貌之间的相互影响可形成流体动压效应的自动调控机制，提高密封运行的动态稳定性，同时可有效避免负压效应的生成，具有抗扰动能力强、动态稳定性佳、泄漏小、可靠性高、可适应高压及变工况环境等优点。

(四)附图说明