離心風機密封技術發展研究

姚松勤，常 軒，常 鑫

（1.國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000；2.杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）

1 離心風機密封技術概述

離心風機是根據動能轉換為勢能的原理，利用高速旋轉的葉輪將氣體加速，然后減速、改變流向，使動能轉換成勢能（壓力）。離心風機根據出口壓力大小可分為通風機、鼓風機、壓縮機，由于它們具有相似的流體動力學原理、流體性能曲線，這里統稱為離心風機。

在離心風機中，為了減少風機轉子與固定元件之間的間隙泄漏，必須要有密封。離心風機的密封主要包括葉輪側密封和軸密封，密封形式主要包括迷宮密封、密封環密封、機械密封和氣膜/液膜密封等[1]。本文主要對葉輪側密封，即在葉輪壓力端與吸入端之間的密封進行改進、研究。葉輪在壓力端與吸入端之間密封分類：按密封位置可分為：吸入端、壓力端、殼體弧形側、出口端。按間隙形式可分為：軸向間隙、徑向間隙。按密封結構可分為：殼體環伸入進口環內、殼體環位于進口環外、殼體環與進口環軸向對齊、迷宮、彈性補償、充氣密封、密封材料以及殼體弧形側結構等。

1）密封位置：吸入端位置是在葉輪進口環與殼體上與葉輪進口環對應位置處的殼體環形成的密封位置。壓力端位置是在后盤背面側與殼體上與后盤背面側對應位置處的殼體環形成的密封位置。殼體弧形側位置是在前盤外側與殼體上與前盤外側對應位置處的殼體環形成的密封位置。出口端位置是在葉輪徑向出口位置處形成的密封位置。

2）間隙形式：軸向間隙為使氣體產生大致徑向流動路徑的間隙。徑向間隙為使氣體產生大致軸向流動路徑的間隙。如迷宮密封的氣體路徑既包括軸向間隙又包括徑向間隙，這里以迷宮密封主體為對象，通常定義為單一的軸向間隙或徑向間隙[2]。

3）密封結構：根據密封結構、機理、材料等不同，這里將其分為8 個具體分支。殼體環伸入進口環內為殼體環在軸向上伸入葉輪進口內。殼體環位于進口環外為殼體環在徑向上為葉輪進口環的外周。殼體環與進口環軸向對齊為殼體環在軸向上與進口環對齊，其中也包括殼體環與進口環錯開式的對齊。迷宮密封為在一對密封環的四個密封位置中至少一個密封位置上設置多個密封齒/螺旋式密封槽。弧形配合主要為吸入端的進口環與殼體環中的至少一個環形成彎曲弧形結構，與另一個環形成弧形配合。密封材料為包括任意位置處的密封環的材料，如柔性材料、耐磨材料等。彈性補償為密封環在軸向上/徑向上能夠根據磨損量進行位置補償，從而保持原來的密封狀態。殼體弧形側結構主要為葉輪前盤位置處的密封結構。后盤側結構主要為葉輪后盤側位置處的密封結構。

2 密封結構改進方案一

如圖1 所示的密封結構方案：該密封結構為用于套裝在旋轉部件上的旋轉密封靜子件，其內表面加工有密封腔、穩壓腔、密封齒、周向擋板和齒頂凹槽等結構。密封腔可為迷宮環形結構、圓孔型結構和袋型結構，穩壓腔是具有較大腔室深度的周向貫通環形。密封腔具有正交各向不同的腔室深度。迷宮環形密封腔和圓孔型密封腔在X、Y 正交方向分別具有最大、最小的腔室深度，其值沿周向是按照橢圓形軌跡連續變化。袋型密封腔在X、Y 正交方向具有不同的腔室深度和不同的齒頂凹槽結構，形成正交各向異性的直通型、收斂型和發散型的密封間隙比。

該密封結構優點：針對葉輪機械對減小動靜間隙泄漏量、提高運行效率以及獲得正交各向異性轉子動力特性系數（尤其是各向異性剛度系數)、提高軸系穩定性的要求，提供了一種具有正交方向非對稱（正交各向異性)的密封腔和密封間隙比的正交各向異性旋轉密封結構，使其能夠產生正交各向異性的密封動力特性系數，同時保證較好的密封封嚴性能，從而解決現代葉輪機械軸系失穩問題，提高葉輪機械運行效率和軸系穩定性。

3 密封結構改進方案二

如圖2 所示的密封結構方案：在殼體和旋轉體的外周表面之間的旋轉體徑向間隙形成密封，該旋轉體可旋轉地布置在殼體內，并且設置有密封單元和位于密封單元的高壓側上的旋流破碎器，該密封單元限制從高壓側向低壓側流動的流體，該旋流破碎器從殼體延伸到旋轉體的外周表面，并且限制通過上述間隙在旋轉體的周向方向上流動的流體。旋轉體設置有階梯部分，該階梯部分以旋轉體的外周表面的直徑從高壓側向低壓側減小的方式形成。旋流破碎器朝向外周表面延伸，該外周表面定位成比臺階部更靠近低壓側。旋流破碎器的尖端到達與外周表面相同的徑向位置，該外周表面位于比臺階部更靠近高壓側的位置。

該密封結構優點：密封裝置及流體機械，在旋轉體的外周面形成臺階部，并且利用該旋轉體中的位于比臺階部靠高壓側的位置的外周面，將回旋流引導至渦流斷路器，由此能夠抑制回旋流流入該渦流斷路器與旋轉體之間。因此，無需另外設置部件等，能夠以簡單的結構穩定地得到振動抑制效果。