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行星式流体能量转换结构密封难点分析<二>

   【压缩机网】<接上期——>
 
  三、密封件受力分析:
 
  这里主要分析M点与D点密封件接触时(实际处理中,可能会尽量避免二者直接接触),以及它们在个别特殊位置时的受力情况,包括受力大小、方向、变化趋势等(这里不探讨人为控制密封件的有关作用力),目的是方便了解密封件的磨损及控制情况。
 
  不过,高速时密封件离心力的影响不可忽视,包括对密封效果、密封件控制、密封件挤压、密封件卡槽磨损、以及对定子型面的影响等(参见“密封件控制”),这里不详细分析,下面以M1、D1、D2点密封件受力为例做简要分析(其它各点可依此参考)。
 
  1.M1点密封件受力
 
  M1点密封件与D1点密封件侧向接触时,会额外受到D1点密封件的挤压力,以及来自D1点密封件的摩擦力(作用时间极短),二者均会促使其回缩,前者会促使其向左侧卡槽挤压,后者会促使其向右侧卡槽挤压,可部分抵消侧向挤压,一定程度减轻密封件对其卡槽的挤压、磨损(滚针)。
 
  M1点密封件接触行星辊凹面时(图3,第23曲线对应的曲面),会额外受到来自行星辊凹面的挤压力和摩擦力(图17),位置不同、受力不同,挤压力方向均指向行星辊凹面曲线的圆心,摩擦力方向是行星辊凹面曲线接触点的切线方向(朝右),两者均会促使M1点密封件回缩。
 
  M1点密封件位于行星辊凹面右侧时,挤压力和摩擦力对密封件卡槽的侧向作用力方向相反,部分抵消,可减轻其对卡槽的挤压、磨损;M1点密封件位于行星辊凹面左侧时,挤压力和摩擦力对密封件卡槽的侧向作用力均朝右,这会加重其对卡槽右侧的挤压、磨损。
 
行星式流体能量转换结构密封难点分析<二>
 
  2.D1点密封件受力
 
  D1点密封件与M1点密封件接触时,会额外受到促使其回缩的挤压力和摩擦力(作用时间极短),两者在卡槽侧壁的作用方向相反,可部分抵消。
 
  D1点密封件接触定子内壁曲面时(图3,第16曲线对应的曲面),挤压力指向定子内壁曲面对应曲线(第16曲线)的圆心,摩擦力方向在接触点与该曲线相切(朝左):
 
  D1点密封件靠M1点侧时(图18),挤压力会挤压D1点密封件卡槽右侧壁并促使去回缩,部分抵消摩擦力对左侧壁的挤压;D1点密封件靠B1点侧时,挤压力会挤压D1点密封件卡槽左侧壁并促使其回缩(摩擦力促使其外移),叠加摩擦力对左侧壁的挤压。
 
行星式流体能量转换结构密封难点分析<二>
 3.D2点密封件受力
 
  M1点密封件从行星辊凹面侧向过渡到D2点密封件过程中,D2点密封件会额外受到促使其回缩的挤压力和促使其外移的摩擦力(作用时间极短),两个力均会挤压卡槽左侧;
 
  M1点密封件从D2点密封件侧向过渡到行星辊凹面过程中,D2点密封件会额外受到促使其回缩并挤压卡槽右侧的挤压力、以及挤压卡槽左侧的摩擦力,前者对卡槽右侧的挤压是主要的;
 
  D2点密封件接触定子内壁曲面时(图3,第21曲线对应的曲面):在靠B2点侧,挤压力会挤压D2点密封件卡槽右侧壁并促使去回缩,部分抵消摩擦力对左侧壁的挤压;在靠M1点侧,挤压力会挤压D1点密封件卡槽左侧壁并促使去回缩,叠加摩擦力对左侧壁的挤压。
 
  4.行星辊圆弧面密封件受力
 
  对于滚针、密封片、小型密封块,行星辊圆弧面密封件接触定子圆弧形内壁底部时(第17、20曲线对应曲面,参见图3、4、13),其密封件受到的挤压力(包括离心力)指向转子轴心及行星辊轴心,理论上垂直于接触面的切线方向,不会对密封件卡槽侧壁形成挤压,其垂直于卡槽侧壁面的摩擦力(切线方向)会对卡槽左侧壁产生一定挤压,不过作用时间极短,磨损几乎可以忽略。
 
  对于较大型密封块,挤压力及摩擦力对卡槽侧壁的挤压、磨损不可忽视。
 
  四、密封件控制
 
  密封件控制是指为确保密封件通过性、密封压力、良好润滑(详见“密封件润滑”),对密封件所进行的回缩或外移等相应控制,在控制方式上包括工质压差、润滑油液压、弹簧压力、离心力等(相对于定子内壁面,行星辊密封件离心力与密封压力的方向一致,这里仅粗略探讨)。
 
  行星辊密封件的常态分为“常凸”(凸出在卡槽外面)、“常凹”(凹进在卡槽里面),对于M点密封件,只能采用“常凸”状态,以确保其随时与转子圆周面接触密封。
 
  对于行星辊圆弧面(含D点)密封件,两种常态均可采用,各有利弊:
 
  常凹状态:不需过多修正转子腔槽型线,但密封件回缩控制频繁、响应速度受限,若控制响应不及时,则会发生碰撞,高速时的响应速度受限,可靠性尤为关键;
 
  常凸状态:可直接利用密封件自然的接触压力及时保持密封状态,响应迅速,不需额外增设机构,只需对转子腔槽型线做适当修正,可靠确保密封件与G点不发生碰撞(若无特别说明,后面均以常凸状态进行探讨),但修正后的转子腔槽型线,不得影响M1点密封件从D2点密封件到G2点的平滑过渡。
 
  1.M点密封件控制
 
  M点密封件控制较简单,其接触面受工质对其反向挤压,密封压力会随工质压差增大而减小,可直接从密封件卡槽入口直接引入工质压差以平衡密封压力。必要时,可在M点附近高压侧适当位置开设直通卡槽的“压力平衡孔”直接或间接调控压差,孔口大小可随压差成正比变化、或卡槽内密封件受压面积适度大于其密封面受力面积,以确保密封压力保持在合理范围。
 
  对于工作机,为进一步降低M1点、D2点两密封件之间的挤压强度(确保平滑过渡),必要时可使压力平衡孔与M1点保持适度横向距离(短暂失效),通过“密闭空间”的工质压差降低M1点密封压力,同时,这也为原动机D2点密封件控制提供了方便(详见“D点密封件控制”)。
 
  2.D点密封件控制
 
  对D点密封件的控制,主要控制其在卡槽内的移动,以确保其通过性、密封压力,控制方式包括:
 
  液压控制:通过润滑油直接控制D点密封件在其卡槽内的移动,即在行星辊端面密封环上开设对应的液压控制孔(图23),该孔转到对应位置即与转子腔槽侧壁的润滑油孔接通以实施控制;
  工质压差控制:通过密封件卡槽入口或特定孔道,利用工质压差直接或间接控制密封件移动。
 
  密封压力受弹簧压力、离心力、摩擦力、工质压差等众多因素影响,其中离心力、工质压差对D点密封压力的影响:
 
  对于D1点密封件,其在定子内壁曲面(图3:第16曲线对应曲面)任意点的密封压力方向,均经过该曲面对应曲线的圆心(图19)。在不考虑工质压差、摩擦力等有关情况下(具体应用中必须考虑),该曲线起点(M1点)、θ点(图20:θ——密封件移动方向与横坐标轴的夹角)、B1点的密封压力分别为(假设三个点的离心力f、弹簧压力FT分别相同):
 
  M1点密封压力:FM1=f+FT/cos(φM1)
 
  离心力与密封件移动方向一致(θ点)时的密封压力:Fθ=f+ FT
 
  B1点密封压力:FB1=f+FT/cos(φB1)
 
  不难看出,密封压力在M1点、B1点时较高、θ点最低,与工质压差的单向变化趋势不一致。不过,D1点密封件从M1点到B1点过程中:
 
  对于原动机,其密封点高压侧(左侧)的工质受力面积逐渐增大,工质压差逐渐减小,对于工作机,其密封点高压侧(右侧)的工质受力面积逐渐减小,工质压差逐渐增大,这反映出密封件受到的工质压力变化对密封压力变化影响不大,密封压力变化主要受密封件挤压影响(包括弹簧压力及液压力)。
 
行星式流体能量转换结构密封难点分析<二>

行星式流体能量转换结构密封难点分析<二>
行星式流体能量转换结构密封难点分析<二>
 
 
  必要时,还可在D1点密封件卡槽高压侧对应的定子及转子侧壁适当位置,进一步开设直通卡槽适当位置的“导压槽孔”(图21),通过工质压差直接或间接控制其回缩、或外移。
 
  对于D2点密封件,其密封压力变化趋势与D1点密封件相似。为确保通过性,必要时,可利用D2点与M1点之间“密闭空间”(图10)里的工质压差快速升高的特性,直接或间接控制D2点密封件回缩、或外移(同时还会促使M1点密封件回缩或外移),甚至还可在适当位置开设“导压槽孔”(图22)以增强控制能力。
 
行星式流体能量转换结构密封难点分析<二>
  3.行星辊圆弧面密封件控制
 
  在定子内壁右侧B1点至B4这段圆弧面,由行星辊右侧圆弧面D1点至D4点之间密封件负责密封,密封压力、密封件移动、以及离心力方向均通过行星辊轴心及转子轴心,即与密封件卡槽方向一致(理论上),可直接利用工质压差控制密封压力。
 
  在转子腔槽内,工质压差对密封的影响大大减弱,且有多个密封件同时参与密封,各密封件的密封压力可适度降低,弹簧压力、离心力、腔槽底部型线修正等均能满足密封压力要求。
 
  在密封件通过性方面,无论行星辊圆弧面密封件常态为“常凸”或“常凹”,均可通过行星辊端面的“液压控制孔”(图23)对其进行时时控制,即密封件处于非接触状态时,控制其回缩或外移,以顺利通过G点并进入转子腔槽。
行星式流体能量转换结构密封难点分析<二>

  五、密封件润滑
 
  密封件润滑主要是针对M点、D点、行星辊圆弧面密封件处于密封状态时(包括转子腔槽)的润滑。若采用滚针,M点密封件润滑油直接从定子润滑油道进入滚针油槽,通过辅助滚针或滚针护垫上的“油槽”给密封滚针涂抹一层极薄的润滑油(可大大降低润滑油消耗量),而行星辊密封件润滑油则从行星辊端面的“润滑油入口”(图15、16)进入滚针“油槽”,然后再从“润滑油出口”进入循环(兼具冷却作用)。滚针润滑相对较简单,后面不再探讨。
 
  若采用其他密封件(密封片、密封块、密封角等),最简单有效的润滑方式是在转子G1点、G3点附近圆周面开设润滑油喷口(单向,后同),直接给定子内壁底部喷射润滑油,其他润滑方式主要有:
 
  挤压润滑:通过密封件受到挤压回缩接通润滑油通道,响应迅速,可靠性高,但密封件回缩位移量极小,不便直接用于开启润滑油通道,可能需要利用液压放大后的位移量去控制润滑油通道。
  液压润滑:行星辊圆弧面(含D点)密封件即将处于密封状态时,行星辊端面密封环上特定对应位置的“液压控制孔”(图23)与转子腔槽侧壁上的润滑油孔道接通,可准确响应控制。
 
  必要时,可通过设置两个“液压控制孔”,以便切换接通行星辊圆弧面前进侧的润滑油喷口。
 
  挤压润滑、液压润滑两种方式均需在密封件前进侧旁适当位置开设润滑油喷口,实现准确、微距、微量喷射润滑油,不过结构相对较复杂、喷射量不易准确把控。
 
  涂抹润滑:行星辊圆弧面(包括D点)密封件经过转子腔槽时,通过转子腔槽底部特定位置的润滑油喷口(需在行星辊端面与转子腔槽侧壁之间适当位置设置启动机关)、或涂抹滚针(密封件挤压开启)涂抹适量润滑油,既可润滑转子腔槽底部,还可用于润滑定子曲面(D点)及圆弧面,该润滑方式可省去行星辊上较复杂的润滑机制,控制简单。
 
  在润滑方式的控制方面,必要时可充分利用摩擦力方向、离心力方向进行控制:
 
  对于摩擦力方向,其始终与行星辊密封件运动方向相反,而润滑油又必须喷射在密封件前进方向侧,二者刚好反向对应。不过,对这种方向信号的利用不易实施,难度较大。
 
  对于离心力方向,行星辊圆弧面上各密封件进入转子腔槽后,其离心力会在不同位置、不同程度促使密封件回缩。离心力方向在密封件回缩移动方向附近时,离心力回缩影响接近最大,如弹簧压力合适,此时可接通润滑通道以润滑转子腔槽,可大大简化润滑油控制机制。不过,离心力大小受转速影响较大,应用环境受限。
 
  另外,必要时还可利用行星辊上密封件所受离心力在上、下、左、右的方向性变化特性(基本对应了密封件在定子内壁、转子腔槽的接触密封关系),通过每个密封件对应的离心力“方向响应器”及时接通某个密封件前进方向的润滑油喷口。“方向响应器”的结构虽简单,但较占用空间位置,仅适用于大直径的结构。
 
行星式流体能量转换结构密封难点分析<二>
 
 
  1.M点密封件润滑
 
  M点密封件可采用滚针、密封片,滚针的润滑随时接通,接触即可润滑,不需额外控制,密封片需采用挤压润滑、液压润滑:
 
  对于普通流体机械,润滑油喷口开设在进口侧M点旁边、必要时可开设在密封片卡槽内(直接喷射到转子圆周面),尽量缩短喷射距离,M点密封件长期处于密封状态,不需额外过多控制。若需控制润滑油量,可利用工质压差直接控制。
 
  对于转子发动机,M1点密封件位于燃烧室侧,高温高压,压差极大,对密封、润滑要求极高,润滑油可在M2点进口侧喷射到转子圆周面(润滑M1点密封件),经过M1点后润滑油很快即被高温燃气破坏。
 
  M2点密封件位于进出口侧,进口侧低温低压,方便喷射润滑油以润滑M1点密封件,出口侧压差低,对密封要求不高,但高温,不方便直接喷射润滑油到转子圆周面(宜采用滚针)。为确保M2点密封件的良好润滑,需在出口侧M2点密封件卡槽内或其附近开设润滑油喷口,必要可在喷口附近适当位置增设高压隔热气帘(耗气量极小),保护喷出的润滑油不接触高温废气。
 
  2.行星辊密封件润滑:
 
  行星辊润滑包括对行星辊圆弧面(包括D点)、端面密封件的润滑,采用密封片、密封块、密封角时,在行星辊圆弧面或密封件卡槽内适当位置开设有润滑油喷口,可采用挤压润滑、液压润滑、或涂抹润滑(被动润滑)。
 
  行星辊圆弧面(包括D点)密封件润滑:
 
  行星辊圆弧面润滑包括行星辊圆弧面与定子内壁面之间的润滑,以及行星辊圆弧面与转子腔槽底部之间的润滑,在主动润滑方面(通过行星辊主动提供润滑),可采用液压润滑,或利用转子腔槽密封修正型线挤压润滑、或者利用离心力方向变化提供挤压润滑。
 
  行星辊端面密封件润滑:
 
  行星辊端面润滑包括行星辊端面与转子腔槽侧壁面之间的润滑、与工作腔定子侧壁面之间的润滑、以及行星辊圆弧面密封件两端与齿形密封条之间的润滑,可能需多道密封(图23),行星辊润滑油通道(明道)经过此处,润滑方便。
 
  另外,行星辊端面各点轨迹交叉重叠较多,即最外侧密封件与内侧润滑油道的轨迹重叠较多,这有利于最外侧密封件的润滑。
 
  3.转子腔槽润滑
 
  转子腔槽润滑实际就是行星辊圆弧面与转子腔槽底部之间的润滑,在主动润滑方面(通过转子腔槽主动提供润滑),可在转子腔槽底部适当位置设置润滑油喷射口或者润滑油涂抹滚针,通过挤压润滑、液压润滑、或涂抹润滑等方式,直接对行星辊圆弧面密封件喷射、涂抹润滑油。
 
  六、总结:
 
  从上面的粗略探讨不难发现,该结构在密封润滑方面有诸多选择方案,并不存在难以实施的技术难题,充分利用其在结构、运行原理方面的特性,大多数使用环境均可实现较理想的密封润滑。虽其密封件较多、看似复杂,但换来的却是磨损被分摊到多个密封件,可靠性大大增强。
 
  若采用多个行星辊(图24、25,适宜大直径结构),行星辊圆弧面更少,密封、润滑更方便。
 
  在空气压缩方面,若作为压缩机后级与透平式结构联合使用,可大大减少压缩机级数,轻易实现大流量、高压比,效率可明显提升。
 

来源:本站原创

标签: 能量转换流体行星  

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