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行星式流體能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)密封難點分析<二>

   【壓縮機網(wǎng)】<接上期——>
 
  三、密封件受力分析:
 
  這里主要分析M點與D點密封件接觸時(實際處理中,可能會盡量避免二者直接接觸),以及它們在個別特殊位置時的受力情況,包括受力大小、方向、變化趨勢等(這里不探討人為控制密封件的有關(guān)作用力),目的是方便了解密封件的磨損及控制情況。
 
  不過,高速時密封件離心力的影響不可忽視,包括對密封效果、密封件控制、密封件擠壓、密封件卡槽磨損、以及對定子型面的影響等(參見“密封件控制”),這里不詳細分析,下面以M1、D1、D2點密封件受力為例做簡要分析(其它各點可依此參考)。
 
  1.M1點密封件受力
 
  M1點密封件與D1點密封件側(cè)向接觸時,會額外受到D1點密封件的擠壓力,以及來自D1點密封件的摩擦力(作用時間極短),二者均會促使其回縮,前者會促使其向左側(cè)卡槽擠壓,后者會促使其向右側(cè)卡槽擠壓,可部分抵消側(cè)向擠壓,一定程度減輕密封件對其卡槽的擠壓、磨損(滾針)。
 
  M1點密封件接觸行星輥凹面時(圖3,第23曲線對應(yīng)的曲面),會額外受到來自行星輥凹面的擠壓力和摩擦力(圖17),位置不同、受力不同,擠壓力方向均指向行星輥凹面曲線的圓心,摩擦力方向是行星輥凹面曲線接觸點的切線方向(朝右),兩者均會促使M1點密封件回縮。
 
  M1點密封件位于行星輥凹面右側(cè)時,擠壓力和摩擦力對密封件卡槽的側(cè)向作用力方向相反,部分抵消,可減輕其對卡槽的擠壓、磨損;M1點密封件位于行星輥凹面左側(cè)時,擠壓力和摩擦力對密封件卡槽的側(cè)向作用力均朝右,這會加重其對卡槽右側(cè)的擠壓、磨損。
 
行星式流體能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)密封難點分析<二>
 
  2.D1點密封件受力
 
  D1點密封件與M1點密封件接觸時,會額外受到促使其回縮的擠壓力和摩擦力(作用時間極短),兩者在卡槽側(cè)壁的作用方向相反,可部分抵消。
 
  D1點密封件接觸定子內(nèi)壁曲面時(圖3,第16曲線對應(yīng)的曲面),擠壓力指向定子內(nèi)壁曲面對應(yīng)曲線(第16曲線)的圓心,摩擦力方向在接觸點與該曲線相切(朝左):
 
  D1點密封件靠M1點側(cè)時(圖18),擠壓力會擠壓D1點密封件卡槽右側(cè)壁并促使去回縮,部分抵消摩擦力對左側(cè)壁的擠壓;D1點密封件靠B1點側(cè)時,擠壓力會擠壓D1點密封件卡槽左側(cè)壁并促使其回縮(摩擦力促使其外移),疊加摩擦力對左側(cè)壁的擠壓。
 
行星式流體能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)密封難點分析<二>
 3.D2點密封件受力
 
  M1點密封件從行星輥凹面?zhèn)认蜻^渡到D2點密封件過程中,D2點密封件會額外受到促使其回縮的擠壓力和促使其外移的摩擦力(作用時間極短),兩個力均會擠壓卡槽左側(cè);
 
  M1點密封件從D2點密封件側(cè)向過渡到行星輥凹面過程中,D2點密封件會額外受到促使其回縮并擠壓卡槽右側(cè)的擠壓力、以及擠壓卡槽左側(cè)的摩擦力,前者對卡槽右側(cè)的擠壓是主要的;
 
  D2點密封件接觸定子內(nèi)壁曲面時(圖3,第21曲線對應(yīng)的曲面):在靠B2點側(cè),擠壓力會擠壓D2點密封件卡槽右側(cè)壁并促使去回縮,部分抵消摩擦力對左側(cè)壁的擠壓;在靠M1點側(cè),擠壓力會擠壓D1點密封件卡槽左側(cè)壁并促使去回縮,疊加摩擦力對左側(cè)壁的擠壓。
 
  4.行星輥圓弧面密封件受力
 
  對于滾針、密封片、小型密封塊,行星輥圓弧面密封件接觸定子圓弧形內(nèi)壁底部時(第17、20曲線對應(yīng)曲面,參見圖3、4、13),其密封件受到的擠壓力(包括離心力)指向轉(zhuǎn)子軸心及行星輥軸心,理論上垂直于接觸面的切線方向,不會對密封件卡槽側(cè)壁形成擠壓,其垂直于卡槽側(cè)壁面的摩擦力(切線方向)會對卡槽左側(cè)壁產(chǎn)生一定擠壓,不過作用時間極短,磨損幾乎可以忽略。
 
  對于較大型密封塊,擠壓力及摩擦力對卡槽側(cè)壁的擠壓、磨損不可忽視。
 
  四、密封件控制
 
  密封件控制是指為確保密封件通過性、密封壓力、良好潤滑(詳見“密封件潤滑”),對密封件所進行的回縮或外移等相應(yīng)控制,在控制方式上包括工質(zhì)壓差、潤滑油液壓、彈簧壓力、離心力等(相對于定子內(nèi)壁面,行星輥密封件離心力與密封壓力的方向一致,這里僅粗略探討)。
 
  行星輥密封件的常態(tài)分為“常凸”(凸出在卡槽外面)、“常凹”(凹進在卡槽里面),對于M點密封件,只能采用“常凸”狀態(tài),以確保其隨時與轉(zhuǎn)子圓周面接觸密封。
 
  對于行星輥圓弧面(含D點)密封件,兩種常態(tài)均可采用,各有利弊:
 
  常凹狀態(tài):不需過多修正轉(zhuǎn)子腔槽型線,但密封件回縮控制頻繁、響應(yīng)速度受限,若控制響應(yīng)不及時,則會發(fā)生碰撞,高速時的響應(yīng)速度受限,可靠性尤為關(guān)鍵;
 
  常凸狀態(tài):可直接利用密封件自然的接觸壓力及時保持密封狀態(tài),響應(yīng)迅速,不需額外增設(shè)機構(gòu),只需對轉(zhuǎn)子腔槽型線做適當修正,可靠確保密封件與G點不發(fā)生碰撞(若無特別說明,后面均以常凸狀態(tài)進行探討),但修正后的轉(zhuǎn)子腔槽型線,不得影響M1點密封件從D2點密封件到G2點的平滑過渡。
 
  1.M點密封件控制
 
  M點密封件控制較簡單,其接觸面受工質(zhì)對其反向擠壓,密封壓力會隨工質(zhì)壓差增大而減小,可直接從密封件卡槽入口直接引入工質(zhì)壓差以平衡密封壓力。必要時,可在M點附近高壓側(cè)適當位置開設(shè)直通卡槽的“壓力平衡孔”直接或間接調(diào)控壓差,孔口大小可隨壓差成正比變化、或卡槽內(nèi)密封件受壓面積適度大于其密封面受力面積,以確保密封壓力保持在合理范圍。
 
  對于工作機,為進一步降低M1點、D2點兩密封件之間的擠壓強度(確保平滑過渡),必要時可使壓力平衡孔與M1點保持適度橫向距離(短暫失效),通過“密閉空間”的工質(zhì)壓差降低M1點密封壓力,同時,這也為原動機D2點密封件控制提供了方便(詳見“D點密封件控制”)。
 
  2.D點密封件控制
 
  對D點密封件的控制,主要控制其在卡槽內(nèi)的移動,以確保其通過性、密封壓力,控制方式包括:
 
  液壓控制:通過潤滑油直接控制D點密封件在其卡槽內(nèi)的移動,即在行星輥端面密封環(huán)上開設(shè)對應(yīng)的液壓控制孔(圖23),該孔轉(zhuǎn)到對應(yīng)位置即與轉(zhuǎn)子腔槽側(cè)壁的潤滑油孔接通以實施控制;
  工質(zhì)壓差控制:通過密封件卡槽入口或特定孔道,利用工質(zhì)壓差直接或間接控制密封件移動。
 
  密封壓力受彈簧壓力、離心力、摩擦力、工質(zhì)壓差等眾多因素影響,其中離心力、工質(zhì)壓差對D點密封壓力的影響:
 
  對于D1點密封件,其在定子內(nèi)壁曲面(圖3:第16曲線對應(yīng)曲面)任意點的密封壓力方向,均經(jīng)過該曲面對應(yīng)曲線的圓心(圖19)。在不考慮工質(zhì)壓差、摩擦力等有關(guān)情況下(具體應(yīng)用中必須考慮),該曲線起點(M1點)、θ點(圖20:θ——密封件移動方向與橫坐標軸的夾角)、B1點的密封壓力分別為(假設(shè)三個點的離心力f、彈簧壓力FT分別相同):
 
  M1點密封壓力:FM1=f+FT/cos(φM1)
 
  離心力與密封件移動方向一致(θ點)時的密封壓力:Fθ=f+ FT
 
  B1點密封壓力:FB1=f+FT/cos(φB1)
 
  不難看出,密封壓力在M1點、B1點時較高、θ點最低,與工質(zhì)壓差的單向變化趨勢不一致。不過,D1點密封件從M1點到B1點過程中:
 
  對于原動機,其密封點高壓側(cè)(左側(cè))的工質(zhì)受力面積逐漸增大,工質(zhì)壓差逐漸減小,對于工作機,其密封點高壓側(cè)(右側(cè))的工質(zhì)受力面積逐漸減小,工質(zhì)壓差逐漸增大,這反映出密封件受到的工質(zhì)壓力變化對密封壓力變化影響不大,密封壓力變化主要受密封件擠壓影響(包括彈簧壓力及液壓力)。
 
行星式流體能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)密封難點分析<二>

行星式流體能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)密封難點分析<二>
行星式流體能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)密封難點分析<二>
 
 
  必要時,還可在D1點密封件卡槽高壓側(cè)對應(yīng)的定子及轉(zhuǎn)子側(cè)壁適當位置,進一步開設(shè)直通卡槽適當位置的“導(dǎo)壓槽孔”(圖21),通過工質(zhì)壓差直接或間接控制其回縮、或外移。
 
  對于D2點密封件,其密封壓力變化趨勢與D1點密封件相似。為確保通過性,必要時,可利用D2點與M1點之間“密閉空間”(圖10)里的工質(zhì)壓差快速升高的特性,直接或間接控制D2點密封件回縮、或外移(同時還會促使M1點密封件回縮或外移),甚至還可在適當位置開設(shè)“導(dǎo)壓槽孔”(圖22)以增強控制能力。
 
行星式流體能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)密封難點分析<二>
  3.行星輥圓弧面密封件控制
 
  在定子內(nèi)壁右側(cè)B1點至B4這段圓弧面,由行星輥右側(cè)圓弧面D1點至D4點之間密封件負責密封,密封壓力、密封件移動、以及離心力方向均通過行星輥軸心及轉(zhuǎn)子軸心,即與密封件卡槽方向一致(理論上),可直接利用工質(zhì)壓差控制密封壓力。
 
  在轉(zhuǎn)子腔槽內(nèi),工質(zhì)壓差對密封的影響大大減弱,且有多個密封件同時參與密封,各密封件的密封壓力可適度降低,彈簧壓力、離心力、腔槽底部型線修正等均能滿足密封壓力要求。
 
  在密封件通過性方面,無論行星輥圓弧面密封件常態(tài)為“常凸”或“常凹”,均可通過行星輥端面的“液壓控制孔”(圖23)對其進行時時控制,即密封件處于非接觸狀態(tài)時,控制其回縮或外移,以順利通過G點并進入轉(zhuǎn)子腔槽。
行星式流體能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)密封難點分析<二>

  五、密封件潤滑
 
  密封件潤滑主要是針對M點、D點、行星輥圓弧面密封件處于密封狀態(tài)時(包括轉(zhuǎn)子腔槽)的潤滑。若采用滾針,M點密封件潤滑油直接從定子潤滑油道進入滾針油槽,通過輔助滾針或滾針護墊上的“油槽”給密封滾針涂抹一層極薄的潤滑油(可大大降低潤滑油消耗量),而行星輥密封件潤滑油則從行星輥端面的“潤滑油入口”(圖15、16)進入滾針“油槽”,然后再從“潤滑油出口”進入循環(huán)(兼具冷卻作用)。滾針潤滑相對較簡單,后面不再探討。
 
  若采用其他密封件(密封片、密封塊、密封角等),最簡單有效的潤滑方式是在轉(zhuǎn)子G1點、G3點附近圓周面開設(shè)潤滑油噴口(單向,后同),直接給定子內(nèi)壁底部噴射潤滑油,其他潤滑方式主要有:
 
  擠壓潤滑:通過密封件受到擠壓回縮接通潤滑油通道,響應(yīng)迅速,可靠性高,但密封件回縮位移量極小,不便直接用于開啟潤滑油通道,可能需要利用液壓放大后的位移量去控制潤滑油通道。
  液壓潤滑:行星輥圓弧面(含D點)密封件即將處于密封狀態(tài)時,行星輥端面密封環(huán)上特定對應(yīng)位置的“液壓控制孔”(圖23)與轉(zhuǎn)子腔槽側(cè)壁上的潤滑油孔道接通,可準確響應(yīng)控制。
 
  必要時,可通過設(shè)置兩個“液壓控制孔”,以便切換接通行星輥圓弧面前進側(cè)的潤滑油噴口。
 
  擠壓潤滑、液壓潤滑兩種方式均需在密封件前進側(cè)旁適當位置開設(shè)潤滑油噴口,實現(xiàn)準確、微距、微量噴射潤滑油,不過結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜、噴射量不易準確把控。
 
  涂抹潤滑:行星輥圓弧面(包括D點)密封件經(jīng)過轉(zhuǎn)子腔槽時,通過轉(zhuǎn)子腔槽底部特定位置的潤滑油噴口(需在行星輥端面與轉(zhuǎn)子腔槽側(cè)壁之間適當位置設(shè)置啟動機關(guān))、或涂抹滾針(密封件擠壓開啟)涂抹適量潤滑油,既可潤滑轉(zhuǎn)子腔槽底部,還可用于潤滑定子曲面(D點)及圓弧面,該潤滑方式可省去行星輥上較復(fù)雜的潤滑機制,控制簡單。
 
  在潤滑方式的控制方面,必要時可充分利用摩擦力方向、離心力方向進行控制:
 
  對于摩擦力方向,其始終與行星輥密封件運動方向相反,而潤滑油又必須噴射在密封件前進方向側(cè),二者剛好反向?qū)?yīng)。不過,對這種方向信號的利用不易實施,難度較大。
 
  對于離心力方向,行星輥圓弧面上各密封件進入轉(zhuǎn)子腔槽后,其離心力會在不同位置、不同程度促使密封件回縮。離心力方向在密封件回縮移動方向附近時,離心力回縮影響接近最大,如彈簧壓力合適,此時可接通潤滑通道以潤滑轉(zhuǎn)子腔槽,可大大簡化潤滑油控制機制。不過,離心力大小受轉(zhuǎn)速影響較大,應(yīng)用環(huán)境受限。
 
  另外,必要時還可利用行星輥上密封件所受離心力在上、下、左、右的方向性變化特性(基本對應(yīng)了密封件在定子內(nèi)壁、轉(zhuǎn)子腔槽的接觸密封關(guān)系),通過每個密封件對應(yīng)的離心力“方向響應(yīng)器”及時接通某個密封件前進方向的潤滑油噴口。“方向響應(yīng)器”的結(jié)構(gòu)雖簡單,但較占用空間位置,僅適用于大直徑的結(jié)構(gòu)。
 
行星式流體能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)密封難點分析<二>
 
 
  1.M點密封件潤滑
 
  M點密封件可采用滾針、密封片,滾針的潤滑隨時接通,接觸即可潤滑,不需額外控制,密封片需采用擠壓潤滑、液壓潤滑:
 
  對于普通流體機械,潤滑油噴口開設(shè)在進口側(cè)M點旁邊、必要時可開設(shè)在密封片卡槽內(nèi)(直接噴射到轉(zhuǎn)子圓周面),盡量縮短噴射距離,M點密封件長期處于密封狀態(tài),不需額外過多控制。若需控制潤滑油量,可利用工質(zhì)壓差直接控制。
 
  對于轉(zhuǎn)子發(fā)動機,M1點密封件位于燃燒室側(cè),高溫高壓,壓差極大,對密封、潤滑要求極高,潤滑油可在M2點進口側(cè)噴射到轉(zhuǎn)子圓周面(潤滑M1點密封件),經(jīng)過M1點后潤滑油很快即被高溫燃氣破壞。
 
  M2點密封件位于進出口側(cè),進口側(cè)低溫低壓,方便噴射潤滑油以潤滑M1點密封件,出口側(cè)壓差低,對密封要求不高,但高溫,不方便直接噴射潤滑油到轉(zhuǎn)子圓周面(宜采用滾針)。為確保M2點密封件的良好潤滑,需在出口側(cè)M2點密封件卡槽內(nèi)或其附近開設(shè)潤滑油噴口,必要可在噴口附近適當位置增設(shè)高壓隔熱氣簾(耗氣量極小),保護噴出的潤滑油不接觸高溫廢氣。
 
  2.行星輥密封件潤滑:
 
  行星輥潤滑包括對行星輥圓弧面(包括D點)、端面密封件的潤滑,采用密封片、密封塊、密封角時,在行星輥圓弧面或密封件卡槽內(nèi)適當位置開設(shè)有潤滑油噴口,可采用擠壓潤滑、液壓潤滑、或涂抹潤滑(被動潤滑)。
 
  行星輥圓弧面(包括D點)密封件潤滑:
 
  行星輥圓弧面潤滑包括行星輥圓弧面與定子內(nèi)壁面之間的潤滑,以及行星輥圓弧面與轉(zhuǎn)子腔槽底部之間的潤滑,在主動潤滑方面(通過行星輥主動提供潤滑),可采用液壓潤滑,或利用轉(zhuǎn)子腔槽密封修正型線擠壓潤滑、或者利用離心力方向變化提供擠壓潤滑。
 
  行星輥端面密封件潤滑:
 
  行星輥端面潤滑包括行星輥端面與轉(zhuǎn)子腔槽側(cè)壁面之間的潤滑、與工作腔定子側(cè)壁面之間的潤滑、以及行星輥圓弧面密封件兩端與齒形密封條之間的潤滑,可能需多道密封(圖23),行星輥潤滑油通道(明道)經(jīng)過此處,潤滑方便。
 
  另外,行星輥端面各點軌跡交叉重疊較多,即最外側(cè)密封件與內(nèi)側(cè)潤滑油道的軌跡重疊較多,這有利于最外側(cè)密封件的潤滑。
 
  3.轉(zhuǎn)子腔槽潤滑
 
  轉(zhuǎn)子腔槽潤滑實際就是行星輥圓弧面與轉(zhuǎn)子腔槽底部之間的潤滑,在主動潤滑方面(通過轉(zhuǎn)子腔槽主動提供潤滑),可在轉(zhuǎn)子腔槽底部適當位置設(shè)置潤滑油噴射口或者潤滑油涂抹滾針,通過擠壓潤滑、液壓潤滑、或涂抹潤滑等方式,直接對行星輥圓弧面密封件噴射、涂抹潤滑油。
 
  六、總結(jié):
 
  從上面的粗略探討不難發(fā)現(xiàn),該結(jié)構(gòu)在密封潤滑方面有諸多選擇方案,并不存在難以實施的技術(shù)難題,充分利用其在結(jié)構(gòu)、運行原理方面的特性,大多數(shù)使用環(huán)境均可實現(xiàn)較理想的密封潤滑。雖其密封件較多、看似復(fù)雜,但換來的卻是磨損被分攤到多個密封件,可靠性大大增強。
 
  若采用多個行星輥(圖24、25,適宜大直徑結(jié)構(gòu)),行星輥圓弧面更少,密封、潤滑更方便。
 
  在空氣壓縮方面,若作為壓縮機后級與透平式結(jié)構(gòu)聯(lián)合使用,可大大減少壓縮機級數(shù),輕易實現(xiàn)大流量、高壓比,效率可明顯提升。
 

來源:本站原創(chuàng)

標簽: 能量轉(zhuǎn)換流體行星  

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