本发明涉及机械密封技术领域，尤其是一种低泄露含翼密封结构。
背景技术：
气流推动做功的旋转机械设备，如蒸汽透平，在其转子轴端部与壳体之间留有间隙以防动静部件摩擦。由于设备内部工质压力，流速很高，工质很容易在间隙处产生泄漏。因此需要在间隙处采取密封措施。目前，对于高压、高速大尺寸密封条件，多采用非接触密封方式。常用的非接触密封方法有迷宫密封，即在间隙中的静止部件侧(静子)安装多级密封齿，如图1所示，密封齿对泄漏流一方面起到阻挡作用，改变其流向；另一方面起到节流作用，在节流间隙前后气流压力能转变为动能，在空腔内泄漏流会形成强烈漩涡，使大部分动能转变为热能而耗损。整个过程通过阻挡与节流共同作用耗散泄漏流能量，使轴向速度降低，以达到减小密封出口泄漏量的目的。然而，由于节流使设备内部与密封腔室之间存在压力差，而这一压力差正是产生泄漏流动的根本原因，因此需要对迷宫密封结构进行改进，以提高密封性能。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种低泄露含翼密封结构，解决传统迷宫密封结构节流作用下，设备内部压力远高于密封腔的压力而导致的工质泄漏问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种低泄露含翼密封结构，包括转子和静子，所述转子在其端部位置与所述静子形成迷宫密封结构，所述迷宫密封结构包括若干沿轴向相互连通的密封腔，所述转子上对应所述密封腔的位置处，沿圆周设有动叶栅，所述动叶栅随转子转动的过程中，对所述密封腔内的空气进行压缩，以减小工质压力与密封腔内气压的差值。
其进一步技术方案为：
所述动叶栅通过环形凸台与所述转子连接，所述环形凸台套设于所述转子上，构成所述动叶栅的各叶片沿所述环形凸台的圆周面均匀分布。
所述静子内壁上沿轴向分布有多个齿部，所述密封腔形成于相邻两个所述齿部之间，所述齿部靠近转子的一端与转子间所形成的间隙的距离小于所述环形凸台沿径向的高度。
所述动叶栅的叶片呈翼型，且叶尖相对于叶根扭转，使得叶片靠近泄漏工质来流侧一面形成内凹面，另一面形成相应的外凸面。
所述动叶栅沿轴向均匀设置有多级，级数根据工质滞止压力及外部空气滞止压力确定。
每级动叶栅的叶片沿转子周向均匀分布，且高度相同。
所述动叶栅叶片高度为所在转子直径10％～15％，叶片宽度为其高度的一半。
所述转子上对应于最外端的齿部的外侧设有轴流风扇。
所述轴流风扇也通过环形凸台与所述转子连接，所述环形凸台套设于所述转子上。
所述轴流风扇的扇叶高度高于所述动叶栅的叶片高度。
本发明的有益效果如下：
本发明利用高速旋转的翼型叶栅对密封腔内气流做功，将转子的机械能转化为密封腔室内气流压力势能，使其与设备内侧压力差减小，进而减小工质泄漏量，增强密封效果。
本发明利用高速旋转的翼型动叶栅压缩气体，设备转速越高，密封腔内加压效果越明显，密封性能越强。
附图说明
图1为现有技术中迷宫密封结构示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明动叶栅的安装结构示意图。
图4为图3的a部放大图。
图5为本发明动叶栅的设计原理示意图。
图中：1、静子；2、齿部；3、转子；4、环形凸台；5、动叶栅；51、内凹面；52、外凸面；6、轴流风扇；7、密封腔。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例的低泄露含翼密封结构，如图2所示，包括转子3和静子1，转子3在其端部位置与静子1形成迷宫密封结构，迷宫密封结构包括若干沿轴向相互连通的密封腔7，静子1内壁上沿轴向分布有多个齿部2，密封腔7形成于相邻两个齿部2之间间隔处，齿部2与转子3外壁之间形成间隙，从而使得各密封腔7沿轴向连通，形成了折弯的“迷宫式”流道；
转子3上对应密封腔7的位置处，沿圆周设有动叶栅5，动叶栅5随转子3转动的过程中，对密封腔7内的空气进行压缩，以减小工质压力与密封腔7内气压的差值。
上述实施例中，动叶栅5通过环形凸台4与转子3连接，环形凸台4套接于转子3上，构成动叶栅5的各叶片沿环形凸台4的圆周面均匀分布。
作为优选形式，齿部2靠近转子3的一端与转子3间所形成的间隙的距离小于环形凸台4沿径向的高度。
环形凸台4的作用一方面用于固定安装动叶栅5，另一方面改变泄漏工质的流动轨迹气流，使其在相邻两密封腔7之间流动时的路径更加“曲折”，从而阻挡泄漏工质。如图2所示，不论是泄露工质还是空气流，在设置了环形凸台4的密封腔7之间流动时，沿锯齿、波浪形路径，环形凸台4高度高于上述齿2与转子3之间间隙的目的即是为改变从上一级密封腔7来流的路径，增加流阻，从而增强密封效果。
作为另一种优选形式，动叶栅5与环形凸台4可以一体式成型。
作为优选形式，动叶栅5的叶片呈翼型，如图3和图4所示，且叶尖相对于叶根扭转，使得叶片靠近泄漏工质来流侧一面形成内凹面51，另一面形成相应的外凸面52。具体地，叶根与叶尖方向不同，如图4所示，叶根方向接近轴向，叶尖接近切向。
动叶栅5沿轴向均匀设置有多级，级数根据工质滞止压力及外部空气滞止压力确定。
每级动叶栅5的叶片沿转子3周向均匀分布，且高度相同。
作为一种具体形式，动叶栅5的叶片沿转子3周向均匀分布，不少于30个，动叶栅5叶片高度为所在转子3直径10％～15％，叶片宽度为其高度的一半。
为了进一步提高密封效果，转子3上对应于最外端的齿部2的外侧设有轴流风扇6，用来向密封侧鼓风。轴流风机6向密封侧鼓风，气流流向如图2中箭头所示，气流流向与工质泄露方向相反，以为进一步提高密封效果，防止工质泄露。
具体地，轴流风扇6也通过环形凸台4与转子3连接，环形凸台4套设于转子3上。
具体地，轴流风扇6的扇叶高度高于动叶栅5的叶片高度。相应地，轴流风扇6所在静子内壁到转子的距离也相应地增加。
为了实现鼓风效果，同时避免轴端静子尺寸过大，轴流风扇6的高度设计为级动叶栅高度的1.5至2倍。
本实施例的低泄露含翼密封结构的工作原理：
基于旋转机械设备转子轴端的迷宫密封结构，在迷宫密封结构的密封腔所对应的转子上设置动叶栅，使静子上位于所述密封腔两侧的齿部与所述动叶栅沿轴向间隔交错布置，利用动叶栅随转子的高速旋转，对密封腔内气流压缩，使密封腔与设备内部泄露工质的压力差缩小，进而减少泄漏。根据轴流式压气机工作原理，在迷宫密封的密封腔内转动部件上安装具有特殊翼型的动叶栅，利用动叶栅在转轴高速旋转时对密封内气流的压缩做功，将转轴上的机械能转化为气流压力势能，提升密封腔内压力，使其与设备内侧压力差减小，以减小泄漏。因此，应使所设计的动叶栅出口靠近设备内侧，动叶栅入口靠近设备外侧，被压缩气流的方向应与泄漏工质的流动方向相反。
本实施例的低泄露含翼密封结构动叶栅的设计原理：
如图5所示，设计条件下，假设被压缩气流在翼型动叶栅入口绝对速度为v1，其方向与轴向方向夹角为α1，入口处(从叶片外凸面侧流入)叶栅切向速度为u1，则根据速度三角形，可得到来流相对于叶栅的速度w1，w1与轴向夹角为α2。对应有出口气流相对于叶栅速度w2，w2与轴向的夹角为α4。由于翼型存在弯曲度，α4稍小于α2。如图5所示，由于动叶栅出口处(从叶片内凹面侧流出)叶片厚度小于进口处叶片厚度，使动叶栅通道宽度增加，气体扩散膨胀，w2小于w1。在动叶栅出口处气流相对速度w2与叶栅切向速度u2共同产生了出口气流绝对速度v2，其方向与轴向夹角为α3。v1与v2可以分解为在轴向上的vz1，vz2与切向上的vθ1与vθ2。气流切向速度与轴向速度关系可写为：
速度三角形如图5所示，图中左侧的翼型动叶栅为叶片横剖面轮廓；
应用欧拉透平公式，动叶栅对单位重量流体做功为：
式中，gc为重力加速度；
假设动叶栅入口与出口叶栅切向速度相同，即u1＝u2＝u；气流轴向速度也相同，即vz1＝vz2＝vz，则上式可写为：
又有
u1＝u2＝vz1(tanα1 tanα2)＝vz2(tanα3 tanα4)
则式(3)可改写为：
假设气体压缩过程非常快，且无叶栅冷却作用，整个热力过程绝热无摩擦，气体焓增为：
式中，cp为气体定压比热容，δt为气体温升，tin为入口气体温度，γ为气体绝热指数。
将式(5)代入式(4)，可得到动叶栅出口压力与入口压力之比
气流经过动叶栅后，压力升高，使密封腔室与设备内部压力差缩小，最终使工质泄漏量减小，因此强化了密封效果。
翼型动叶栅沿转子轴向分布的级数可按下式选取：
式中，π1可取1.2～1.3，pi为设备内部工质滞止压力，pe为设备外侧空气滞止压力。
当转子高速旋转时，翼型动叶栅会对密封腔内的气流压缩做功，使密封腔室内气流增压，进而减小密封腔与设备内压力差。考虑到翼型结构本身存在较为复杂的气体动力学效应，该结构在实际应用中时，对翼型叶片的形状，包括高度、厚度与转角，以及翼型叶片的数量进行仿真实验，以选择最为合适的翼型结构，达到理想的气动密封效果。
1.一种低泄露含翼密封结构，包括转子(3)和静子(1)，所述转子(3)在其端部位置与所述静子(1)形成迷宫密封结构，所述迷宫密封结构包括若干沿轴向相互连通的密封腔(7)，其特征在于，所述转子(3)上对应所述密封腔(7)的位置处，沿圆周设有动叶栅(5)，所述动叶栅(5)随转子(3)转动的过程中，对所述密封腔(7)内的空气进行压缩，以减小工质压力与密封腔(7)内气压的差值。
2.根据权利要求1所述的低泄露含翼密封结构，其特征在于，所述动叶栅(5)通过环形凸台(4)与所述转子(3)连接，所述环形凸台(4)套设于所述转子(3)上，构成所述动叶栅(5)的各叶片沿所述环形凸台(4)的圆周面均匀分布。
3.根据权利要求2所述的低泄露含翼密封结构，其特征在于，所述静子(1)内壁上沿轴向分布有多个齿部(2)，所述密封腔(7)形成于相邻两个所述齿部(2)之间，所述齿部(2)靠近转子(3)的一端与转子(3)间所形成的间隙的距离小于所述环形凸台(4)沿径向的高度。
4.根据权利要求1-3之一所述的低泄露含翼密封结构，其特征在于，所述动叶栅(5)的叶片呈翼型，且叶尖相对于叶根扭转，使得叶片靠近泄漏工质来流侧一面形成内凹面(51)，另一面形成相应的外凸面(52)。
5.根据权利要求4所述的低泄露含翼密封结构，其特征在于，所述动叶栅(5)沿轴向均匀设置有多级，级数根据工质滞止压力及外部空气滞止压力确定。
6.根据权利要求5所述的低泄露含翼密封结构，其特征在于，每级动叶栅(5)的叶片沿转子(3)周向均匀分布，且高度相同。
7.根据权利要求5所述的低泄露含翼密封结构，其特征在于，所述动叶栅(5)叶片高度为所在转子(3)直径10％～15％，叶片宽度为其高度的一半。
8.根据权利要求3所述的低泄露含翼密封结构，其特征在于，所述转子(3)上对应于最外端的齿部(2)的外侧设有轴流风扇(6)。
9.根据权利要求8所述的低泄露含翼密封结构，其特征在于，所述轴流风扇(6)也通过环形凸台(4)与所述转子(3)连接，所述环形凸台(4)套设于所述转子(3)上。
10.根据权利要求8所述的低泄露含翼密封结构，其特征在于，所述轴流风扇(6)的扇叶高度高于所述动叶栅(5)的叶片高度。
技术总结