一种高速旋转机械轴向力平衡装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种高速旋转机械轴向力平衡装置，尤其是一种提高轴向力兼优化轴承运行环境温度综合性能的轴向力平衡装置。


背景技术：

2.高速旋转机械包括离心泵、离心通风机、离心空压机、透平膨胀机等速度型通用机械，其轴系结构包括工作转子、动静支撑部件(各类型轴承)、气封或水封、油封(需要油润滑的机械)、轴向力平衡装置。
3.在离心式旋转机械高速运转过程中，工作转子通过高速旋转的离心叶轮将工作介质加速提高动能及势能，势能的存在使得转子部件存在轴向力(轴头力)，需要通过轴向力平衡装置抵消一部分，否则会导致轴承承载过多的轴向力降低其使用寿命或者损坏。
4.轴向力平衡装置是高速旋转机械内部一个比较敏感的部位，其区域的流动状况非常复杂，一方面承受叶轮出口气流的冲击，另一方轴向力平衡装置工作面所产生的轴向抵消力又与叶轮工作面相互作用，产生高频气体脉动等不良特征，因此，轴向力平衡装置对高速旋转机械性能(风量、风压、效率或扬程、流量、效率)和振动噪声都有着重要的影响。
5.传统轴向力平衡装置是在叶轮背面设置间隙流道，利用叶轮背面的离心力形成线性压力梯度。目前主要有离心式平衡装置，见图1，通过间隙大小控制叶轮背面压力的大小从而平衡轴向力；周向锯齿密封离心式平衡装置，见图2，通过节流效应可将线性梯度分布的压力梯度，改为折断式线性压力分布，同时通过间隙、密封级数、分布半径等参数的调整改变轴向力大小；周向指型密封离心式平衡装置，见图3，原理与锯齿密封式类似，仅在结构尺寸上进行了优化，在同等密封效果下加工制造更容易；轴向蓖齿密封，见图4，原仅通过迷宫密封结构防止气体轴向泄漏。
6.从轴向力平衡装置泄漏量角度出发，保持较小的气动间隙，高速旋转机械能够获得比较高的效率，而在一定程度上增加间隙则能够对高速旋转机械降低振动噪声产生有利影响；从轴向力平衡装置形成的阶梯压力分布出发，较小的间隙可以增加轴向的总抵消力，而在一定程度上增加间隙可以降低轴向总的抵消力。现有的线性阶梯型轴向平衡装置都是通过适当调整叶轮背部间隙、适当穿孔连通在背面及工作面平衡部分压力，从而平衡轴向力，但是在调整间隙或穿孔的同时，往往会对高速旋转机械效率造成不良影响。
7.总体而言，现有的轴向力平衡结构及相关设计技术往往不能兼顾高速旋转机械可靠性和效率两个方面，一般在兼顾可靠性的同时往往会降低高速旋转机械的效率。


技术实现要素：

8.本实用新型是要提供一种高速旋转机械轴向力平衡装置，目的在于通过耦合式设计应用，改善叶轮背部区域、密封区域流动，降低泄漏量，在优化轴向力提升机械寿命的同时，兼顾改善效率，从而全面提高高速旋转机械性能。
9.本实用新型的技术方案是：一种高速旋转机械轴向力平衡装置，包括轴向力平衡
装置和配套的转子部件，所述轴向力平衡装置为耦合气动及密封结构的轴向力平衡装置，由开槽叶轮、支撑转子左右端盖及密封部套件组成，所述开槽叶轮上面排布有槽体，所述轴向力平衡装置的静止部件安装于支撑转子左右端盖内，运动部件装于转子部件上，通过槽体旋转形成非线性阶梯式压力对叶轮背部起平衡气动轴向力作用和利用密封结构对压力分布起调节作用。
10.进一步，所述轴向力平衡装置采用开槽叶轮、迷宫密封的协同调节装置，开槽叶轮为单槽、双槽或多槽均布形式，开槽剖面形状为矩形槽、燕尾槽、半圆槽或半椭圆槽，且各形状槽的耦合布置，迷宫密封为单密封齿、双密封齿或多密封齿形式，密封齿包括轴向均布、阶梯式排布或耦合式非均匀排布。
11.进一步，所述开槽叶轮为相同宽度、长度及深度的槽体或者不同的宽度、长度及深度的槽体，所述密封结构为相同高度、短边和长边梯形膨胀腔及密封齿或者不同的高度、短边和长边梯形膨胀腔及密封齿。
12.进一步，所述轴向力平衡装置的开槽和密封齿布置为均匀间距布置或不均匀间距布置。
13.进一步，所述轴向力平衡装置的材料为金属、非金属或复合阻尼材料中的一种。
14.本实用新型的有益效果是：
15.本实用新型通过采用轴向力平衡装置，可改善高速旋转机械叶轮的背部压力分布，平衡转子轴向力，在降低高速旋转机械轴承轴向受力的同时，兼顾降低轴承运行环境温度，从而全面提升高速旋转机械的稳定性和可靠性。
16.1、本实用新型设计的开槽叶轮内部各槽空腔形成了一个缓冲区，能够一定程度上对从叶轮外缘流出的气流起到缓冲作用，降低流体冲击；
17.2、利用按照一定距离布置的各个槽道形成的结构，能够对叶轮背部区域的局部气流进行梳理，改善局部流动，从不同方面降低叶轮背部区域的流体激振、降低流动损失，在缓冲气流的同时提高通风机效率；
18.3、根据不同参数高速旋转机械内部流动的实际情况，槽体可以根据叶轮工作面压力特性，采用不同数量、不同形状、不同尺寸等，使得压力梯度形成不同非线性梯度的阶梯压力，从而有效改善轴向平衡力；迷宫密封可以根据叶轮出口压力大小，为单密封齿、双密封齿及多密封齿形式，密封齿包括轴向均布、阶梯式排布及耦合式非均匀排布，使得工作介质压力阶梯缓冲下降，形成涡流阻碍介质高速流动，有效减少介质的外泄漏量，提高设备性能或效率；
19.4、本实用新型的轴向力平衡装置的结构可以为高速旋转机械基于提高可靠性及寿命和提高效率的设计或者改进提供新的思路和借鉴。
附图说明
20.图1为离心式平衡装置示意图；
21.图2为周向锯齿密封离心式平衡装置示意图；
22.图3为周向指型密封离心式平衡装置示意图；
23.图4为轴向蓖齿密封装置示意图；
24.图5为耦合气动及密封结构的轴向力平衡装置；
25.图6为耦合气动及密封结构的轴向力平衡装置转子部件示意图；
26.图7为气封均衡轴承及装配示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图与实施例对本实用新型作一步说明。
28.本实用新型实施例提供的一种高速旋转机械轴向力平衡装置，如图5所示，包括轴向力平衡装置和配套的转子部件，轴向力平衡装置为耦合气动及密封结构的轴向力平衡装置，由开槽叶轮6、支撑转子左端盖3和支撑转子右端盖4及首级密封件1、末级密封件5组成，开槽叶轮6上面排布有槽体，轴向力平衡装置静止部件安装于支撑转子左右端盖内，运动部件装于转子部件上，利用槽体旋转形成非线性阶梯式压力对叶轮背部起平衡气动轴向力作用和利用密封结构对压力分布起调节作用。本实用新型通过采用轴向力平衡装置，可改善高速旋转机械叶轮的背部压力分布，平衡转子轴向力，在降低高速旋转机械轴承轴向受力的同时，兼顾降低轴承运行环境温度，从而全面提升高速旋转机械的稳定性和可靠性。
29.如图5至图7所示，本实用新型的耦合气动及密封结构的轴向力平衡装置，包括轴向力平衡装置和配套的转子部件，其中轴向力平衡装置，由开槽叶轮6、支撑转子左端盖3和支撑转子右端盖4及首级密封件1、末级密封件5组成，开槽叶轮上面排布有槽体。耦合气动及密封结构的轴向力平衡装置设计涉及到气体动力学、转子动力学、材料学、传热学、工热等多种学科的交叉融合，其中，轴向力平衡装置能够根据流场以及流固耦合等方面的计算分析结果，采用单槽、双槽及多槽均布形式，开槽剖面形状包括矩形槽、燕尾槽、半圆槽、半椭圆槽等形状及其各形状槽的耦合布置；开槽叶轮根据相同宽度、长度及深度的槽体或者不同的宽度、长度及深度的槽体；迷宫密封可以为单密封齿、双密封齿及多密封齿形式，密封齿包括轴向均布、阶梯式排布及耦合式非均匀排布；所述密封结构为相同高度、短边和长边梯形膨胀腔及密封齿或者不同的高度、短边和长边梯形膨胀腔及密封齿；槽道根据设计结果可以为相同或者不同的外径和高度；槽道布置和迷宫密封可以为均匀间距布置或不均匀间距布置；密封转子根据设计结果，可采用金属、非金属或复合阻尼材料等多种材料。利用阶梯腔体形成的空间对气流的导向梳理作用和涡流的抑制作用对工作介质外泄漏形成有效密封。
30.本实用新型通过采用非定常流场分析、模态分析、流固耦合分析、传热学、转子动力学等方法相结合开展设计工作，设计出的轴向力平衡装置结构对流经的气流具有缓冲和梳理作用，可改善高速旋转机械叶轮的背部压力分布，能够平衡转子轴向力，在降低高速旋转机械轴承轴向受力的同时，兼顾降低轴承运行环境温度，从而全面提升高速旋转机械的稳定性和可靠性。
31.在方案实施过程中，针对某一型有明确参数要求的6万转高速离心空压机，首先进行高速离心空压机内部气体流动的定常和非定常计算仿真，分析叶轮工作面、背面压力分布、叶轮出口压力大小和流量，密封间隙处气体流域，掌握气体流动压力、流场、涡流等情况；在此基础上，根据流体激振的频率特性、气流漩涡的位置和尺度、回流的程度等，以缓解气流冲击、优化涡流方向，降低轴向力、气体外泄漏量为出发点，初步设计槽体的形状、大小、数量、槽之间的间距以及叶轮背部整体结构等；在此基础上，通过高速离心空压机结构响应和流固耦合分析，对叶轮槽体结构进行进一步完善，确定密封间隙的入口仿真条件；以
降低泄漏量、间隙出口温度为优化目标，气动仿真密封间隙处流场分布情况，通过改变不同密封腔体、数量、形状、均匀或非均匀性等参数，优化迷宫密封结构；根据流体激励的频率特性、材料模态、转子动力学计算的临界转速等确定转子密封件的材料、形状、密封级数等，最终完成耦合气动及密封结构的轴向力平衡装置的设计定型。
32.本实用新型针对不同性能需求(流量、压力、转速)的高速旋转机械，采用不同的轴向力平衡结构。

技术特征：
1.一种高速旋转机械轴向力平衡装置，其特征在于：包括轴向力平衡装置和配套的转子部件，所述轴向力平衡装置为耦合气动及密封结构的轴向力平衡装置，由开槽叶轮、支撑转子左右端盖及密封部套件组成，所述开槽叶轮上面排布有槽体，所述轴向力平衡装置的静止部件安装于支撑转子左右端盖内，运动部件装于转子部件上，通过槽体旋转形成非线性阶梯式压力对叶轮背部起平衡气动轴向力作用和利用密封结构对压力分布起调节作用。2.根据权利要求1所述的高速旋转机械轴向力平衡装置，其特征在于：所述轴向力平衡装置采用开槽叶轮、迷宫密封的协同调节装置，开槽叶轮为单槽、双槽或多槽均布形式，开槽剖面形状为矩形槽、燕尾槽、半圆槽或半椭圆槽，且各形状槽的耦合布置，迷宫密封为单密封齿、双密封齿或多密封齿形式，密封齿包括轴向均布、阶梯式排布或耦合式非均匀排布。3.根据权利要求1所述的高速旋转机械轴向力平衡装置，其特征在于：所述开槽叶轮为相同宽度、长度及深度的槽体或者不同的宽度、长度及深度的槽体，所述密封结构为相同高度、短边和长边梯形膨胀腔及密封齿或者不同的高度、短边和长边梯形膨胀腔及密封齿。4.根据权利要求1所述的高速旋转机械轴向力平衡装置，其特征在于：所述轴向力平衡装置的开槽和密封齿布置为均匀间距布置或不均匀间距布置。5.根据权利要求1所述的高速旋转机械轴向力平衡装置，其特征在于：所述轴向力平衡装置的材料为金属、非金属或复合阻尼材料中的一种。

技术总结
本实用新型涉及一种高速旋转机械轴向力平衡装置，包括轴向力平衡装置和配套的转子部件，所述轴向力平衡装置为耦合气动及密封结构的轴向力平衡装置，由开槽叶轮、支撑转子左右端盖及密封部套件组成，所述开槽叶轮上面排布有槽体，所述轴向力平衡装置的静止部件安装于支撑转子左右端盖内，运动部件装于转子部件上，通过槽体旋转形成非线性阶梯式压力对叶轮背部起平衡气动轴向力作用和利用密封结构对压力分布起调节作用。本实用新型可改善高速旋转机械叶轮的背部压力分布，平衡转子轴向力，在降低高速旋转机械轴承轴向受力的同时，兼顾降低轴承运行环境温度，从而全面提升高速旋转机械的稳定性和可靠性。机械的稳定性和可靠性。机械的稳定性和可靠性。


技术研发人员：贾竞存 张维勇 闫佳佳 钟翌铭 王晓阳
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇四研究所
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/9/20