CN102518477B - 一种指尖密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封装置，尤其是关于一种燃气涡轮发动机内用于控制二次流泄漏的指尖密封装置。本发明指尖密封装置包括密封座、防转销、前挡板、浮动环、遮流片、弹性元件、卡圈及若干层指尖片，指尖片不与密封座固定，指尖片靠弹性元件的预压缩保持轴向位置，从而允许指尖片在小范围内沿径向浮动。本发明可以保证跑道与密封靴的接触压力不致过大，在高温、高速、高封严压差的工作条件下，这一工作机制可以保证密封面不产生破坏性磨损，从而延长指尖密封使用寿命，并提高封严性能。

Description

一种指尖密封装置

技术领域

本发明涉及一种密封装置，尤其是关于一种燃气涡轮发动机内用于控制二次流泄漏的指尖密封装置。

背景技术

密封装置是现代燃气涡轮发动机和附件系统中非常重要的零部件，尤其是气路封严，直接影响发动机推力和热效率的提高。指尖密封是近年发展起来的一项新技术。它与刷式密封结构类似，采用一系列的金属箔片来代替刷丝，达到了提高封严性能，降低加工成本的目的。根据工作原理可以将指尖密封分为接触式指尖密封和非接触式指尖密封，指身型线有渐开线、圆弧线及对数螺线等各种结构形式。接触式指尖密封一般由前挡板、指尖片、密封座等部分组成，交错叠加在一起的多层指尖片被固定在前挡板和密封座之间，靠指尖片与密封跑道的柔性接触产生密封作用。非接触指尖密封的低压侧指尖片为一个“L”形薄壁结构，在其对应的转子上一般加工有气动升力槽，工作时依靠气动力使指尖片的靴部与转子脱离接触并保持较小的间隙。

非接触指尖密封低压侧指尖片的“L”形薄壁结构加工精度要求很高，且极易变形，因此在制造大尺寸密封结构时很难保证精度要求，再加上该结构只能采用单件生产，效率低，生产成本较高，限制了应用推广。此外，在其对应的转子上加工有气动升力槽的工艺也较复杂，进一步增加了生产成本。

接触式指尖密封的指尖片与密封跑道在工作过程中滑动摩擦，指尖密封的使用条件、使用寿命和封严性能都与工作过程中指尖片与密封跑道的接触刚度直接相关，接触刚度越大，密封面发热量越大，当温度超过材料许用温度时磨损加剧，指尖密封使用寿命缩短。在高温、高速的工作条件下限制指尖片与密封跑道的接触刚度，从而降低密封面温度，就显得尤为重要。同时，高封严压差导致指尖密封产生“刚化效应”和“滞后”作用，其实质也是指尖片与密封跑道接触刚度不能满足设计要求。因此，接触式指尖密封的设计工作一直集中在如何使指尖片与密封跑道的接触刚度在工作过程中保持在适当的范围，从而保证封严性能，同时提高指尖密封的使用条件和工作寿命。国外采用了“压力平衡型指尖密封”(专利号：US6196550B1)的结构来解决这个问题。它与常规指尖密封结构相似，只是在后挡板上设计了一个环形的空腔，并在靠近密封内径处形成密封坝。这个空腔与高压腔连接，使得腔内压力接近上游压力。净压力等于上游压力减去下游压力。通过正确选择高压区作用的面积可以将净压力降到一个非常低的水平。低净压力能够将指尖片与后档板之间的摩擦力减小到不会阻碍指尖片自由恢复到初始位置的程度。这将使指尖片的靴部在任何状态下都能保持在初始位置。因此，这种设计能在所有的稳态和瞬态工作条件下降低指尖片与密封跑道的接触刚度，提供稳定的低泄漏率。这种技术在国外的指尖密封中已经广泛采用，能够起到降低常规指尖密封“刚化效应”和“滞后”特性的作用。但是由于该结构无法限制压力平衡腔通过指尖片之间的缝隙泄漏到低压腔的空气流量，因此该结构对封严性能有一定的损失。其空气泄漏量约为常规指尖密封在转速上升阶段的2倍。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种封严性能好、工作条件高、生产成本低的指尖密封装置，可以解决接触式指尖密封在高温、高速、高封严压差工作条件下磨损严重、使用寿命短的问题。

本发明的技术方案：一种指尖密封装置，包括密封座、防转销、前挡板、浮动环、遮流片、弹性元件、卡圈及若干层指尖片；所述密封座为一环截面为L形的圆环；所述卡圈、前挡板均为环形的板状结构；所述浮动环为环形的环截面为倒L形的板状结构；所述指尖片从其内径处开有缝隙，缝隙之间为指身，相邻指尖片之间的指身相互错开；所述指尖片上有若干对装配孔；所述指尖片上还设有若干指尖片防转孔；所述密封座中与内竖面相垂直的水平面上设有若干防转孔；所述卡圈、前挡板、弹性元件、浮动环、遮流片、指尖片自上而下排列贴合；所述卡圈固定于密封座的内竖面；所述底层指尖片与密封座底面贴合；所述弹性元件两端分别与前挡板与浮动环相接触；所述前挡板的环形外侧面与密封座内竖面贴合；所述浮动环的环形竖外侧面与密封座内竖面贴合并可以上下滑动；所述指尖片与浮动环环形竖内侧面间存在间隙；所述遮流片内径与密封座横面内径一致；所述遮流片与指尖片采用铆钉铆接或焊接方式连接；所述防转销穿过浮动环、遮流片、指尖片，指尖片不与密封座固定，指尖片可以在小范围内沿径向浮动；所述浮动环上的孔内径大于防转销的直径。

上述指尖密封装置，要达到“指尖片可以在小范围内沿径向浮动”的技术效果，可以有两种方案实现：一是所述防转销与指尖片防转孔为紧配合，与密封座上的防转孔为间隙配合；二是所述防转销与指尖片防转孔为间隙配合，与密封座上的防转孔为紧配合。

本发明的有益效果：本发明指尖密封装置指尖片可相对密封座径向浮动：弹性元件和气体载荷提供轴向预紧力，当跑道对密封靴的压力大于某一值时，指尖片产生径向浮动，从而保证跑道与密封靴的接触压力不致过大。在高温、高速、高封严压差的工作条件下，这一工作机制可以保证密封面不产生破坏性磨损，从而延长指尖密封使用寿命，并提高封严性能。

附图说明

图1是本发明指尖密封装置第一实施方式的环截面剖视图；

图2是图1中指尖片3的正视图及局部放大图；

图3是图1中密封座1的正视图；

图4是图1中防转销2的正视图；

图5是本发明指尖密封装置第二实施方式的环截面剖视图；

图6是图5中指尖片3与防转销2的装配关系视图；

图7是本发明指尖密封装置第三实施方式的环截面剖视图；

图8是本发明指尖密封装置第四实施方式的环截面剖视图；

其中，1-密封座、2-防转销、3-指尖片、4-前挡板、5-圆柱弹簧、6-弹簧套、7-卡圈、8-浮动环、9-遮流片、10-装配孔、11-指身、12-密封靴、13-指尖片防转孔、14-防转孔、15-粗端圆柱面、16-细端圆柱面、17-波形弹簧、18-V形弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

请参阅图1，其是本发明指尖密封装置第一实施方式的环面图。所述指尖密封装置由密封座1、防转销2、若干层指尖片3、前挡板4、圆柱弹簧5、弹簧套6、卡圈7、浮动环8、遮流片9组成。所述指尖片3是一叠精密机械加工的金属箔片，每个金属箔片的内径处都用机械方法加工出一系列的指身11和密封靴12。指身11是一个细长的曲梁结构，在靠近内径处变成与转子接触的密封靴12。每个指尖片上3还有一系列的成对的装配孔10。装配时将成对的孔交错排列，以便使每层指身11的缝隙被相邻层的指身覆盖。所述遮流片与多层指尖片采用铆钉铆接或焊接方式连接。密封座1是一块端面开槽的环形的板状结构，主要作用是对其它零件进行支撑和保护。密封座1设有4个防转孔14，防转孔14的直径要大于防转销2上细端圆柱面16的直径，并保证0.05～0.3mm径向间隙。防转销2上粗端圆柱面15与指尖片3上防转孔13为紧配合。浮动环8是一个环形板状结构，主要作用将弹簧5的轴向力传递到遮流片9和指尖片3外径处的端面上，防止弹簧5对指身11的径向移动产生影响。弹簧套6靠嵌套或焊接的方式固定在浮动环8上，弹簧套6起到固定弹簧5位置的作用。套在弹簧套6里的弹簧5将浮动环轴向压紧，保证在封严压差较小的状态指尖片3不与密封座1脱离接触。卡圈7和前挡板4将其余零件轴向固定在密封座1上。指尖片3与浮动环8环形竖内侧面间存在0.5～2mm的间隙。本实施方式中，密封直径600mm，指尖片厚度0.3mm，指身数量210个，指身长度25mm，密封座1上防转孔14直径3.5mm，防转销2细端圆柱面16直径3mm，防转销2粗端圆柱面15直径5mm，指尖片3上防转孔13直径5mm，圆柱弹簧5共6个。

本发明指尖密封装置根据使用条件与轴或转子采用很小的间隙或过盈配合。所述指身11可沿径向弯曲，从而可适应轴的振动以及转子和密封装置由于离心力和热变形产生的相对位移，当相对位移过大时，指尖片产生浮动。所以指尖密封装置能够在整个寿命周期中保持与转子之间的良好配合，从而达到提高封严性能，减小泄漏的目的。

请参阅图5，其是本发明指尖密封装置第二实施方式的环截面剖视图。本实施方式中，所述指尖密封装置由密封座1、防转销2、若干层指尖片3、前挡板4、卡圈7、浮动环8、遮流片9、波形弹簧17组成。密封座1设有4个防转孔14，防转孔14与防转销2上细端圆柱面16为紧配合。请参阅图6，防转销2上粗端圆柱面15与指尖片3上防转孔13为间隙配合，间隙值在0.05～0.3mm之间。当轴密封装置产生相对位移时，指身11的径向弯曲可吸收一部分位移，指尖片3与防转销2之间间隙也可吸收一部分位移。所述波形弹簧是一个环形薄片，并沿轴向弯曲。本实施方式中的，基本参数如下：密封直径50mm，指尖片厚度1.5mm，指身数量36个，指身长度8mm，密封座1上防转孔14直径3mm，防转销2细端圆柱面16直径3mm，防转销2粗端圆柱面15直径5mm，指尖片3上防转孔13直径5mm。

本实施方式指尖片采用密度低，弹性模量小的C/C复合材料，因此在相同重量指标下C/C复合材料指尖片可以设计得更厚，径向尺寸更小，从而大大降低了加工难度，提高了质量，带来比采用金属材料加工的指尖密封更优的封严性能。

上述两个实施方式揭示了本发明指尖密封装置的两个较佳实施方式，但本发明不限于上述实施方式，在上述实施方式所揭示的基础上还可以作进一步的改进。如本发明指尖密封装置中指尖片的层数不限于6层，其层数可根据实际密封性能的需求作添加或减少，但应多于2片，且最多层数没有技术上的限制，可根据结构空间大小和性能需要确定。另外，每层指尖片上的指身数量没有技术上的限制，可根据密封直径和密封线速度选取，其中，指身越密集，密封性能越佳，相应的指尖片层数可以相对较少，当相应制造难度会有所提高，因此指身数目可以更具实际密封性能要求做调整。

本发明可以用其它结构弹簧提供轴向预紧力，如波形弹簧17替换圆柱弹簧5，减少了零件数量，如图7所示；如使用V形弹簧替换圆柱弹簧，如图8所示。

相对于刷式密封，本发明指尖密封装置拥有更好的封严性能和更低的加工成本。根据试验结果，本发明指尖密封装置的封严性能与圆周石墨密封和端面石墨密封相当。由于采用指尖片代替刷丝，其加工工艺大大简化，加工成本大幅降低，本发明指尖密封装置的加工成本仅为刷式密封的50％左右。

相对于非接触指尖密封结构，本发明指尖密封装置的生产效率提高数十倍，适合于工程化大批量生产。本发明指尖密封装置的加工难度较低，适合制造各种尺寸，具有更广泛的推广价值。

相对与普通结构指尖密封，本发明指尖密封装置具有更高的工作能力，能工作在更高的摩擦线速度、封严压差和环境温度下，并且能够适应更大的转子径向位移。当指尖片采用C/C复合材料制造时，避免了金属磨损物的产生，因此可以用于轴承腔的密封。由于本发明指尖密封装置的使用寿命长，可满足长寿命发动机的全寿命使用要求，因此具有较低的使用成本。

Claims (9)

1.一种指尖密封装置，其特征为：所述密封装置包括密封座(1)、防转销(2)、前挡板(4)、浮动环(8)、遮流片(9)、弹性元件、卡圈(7)及若干层指尖片(3)；所述密封座(1)为一环截面为L形的圆环；所述卡圈(7)、前挡板(4)均为环形的板状结构；所述浮动环(8)为环形的环截面为倒L形的板状结构；所述指尖片(3)从其内径处开有缝隙，缝隙之间为指身(11)，相邻指尖片(3)之间的指身相互错开；所述指尖片(3)上有若干对装配孔(10)；所述指尖片上还设有若干指尖片防转孔(13)；所述密封座(1)中与内竖面相垂直的水平面上设有若干防转孔(14)；所述卡圈(7)、前挡板(4)、弹性元件、浮动环(8)、遮流片(9)、指尖片(3)自上而下排列贴合；所述卡圈(7)固定于密封座(1)的内竖面；所述底层指尖片(3)与密封座(1)底面贴合；所述弹性元件两端分别与前挡板(4)与浮动环(8)相接触；所述前挡板(4)的环形外侧面与密封座(1)内竖面贴合；所述浮动环(8)的环形竖外侧面与密封座(1)内竖面贴合并可以上下滑动；所述指尖片(3)与浮动环(8)环形竖内侧面间存在间隙；所述遮流片(9)内径与密封座(1)横面内径一致；所述遮流片(9)与指尖片(3)采用铆钉铆接或焊接方式连接；所述防转销(2)穿过浮动环(8)、遮流片(9)、指尖片(3)，指尖片(3)不与密封座(1)固定，指尖片(3)可以在小范围内沿径向浮动；所述浮动环(8)上的孔内径大于防转销(2)的直径。

2.根据权利要求1所述的指尖密封装置，其特征为：所述防转销(2)与指尖片防转孔(13)为紧配合，与密封座上的防转孔(14)为间隙配合。

3.根据权利要求1所述的指尖密封装置，其特征为：所述防转销(2)与指尖片防转孔(13)为间隙配合，与密封座上的防转孔(14)为紧配合。

4.根据权利要求1所述的指尖密封装置，其特征为：所述指尖片(3)与浮动环(8)环形竖内侧面间存在0.5～2mm的间隙。

5.根据权利要求1所述的指尖密封装置，其特征为：所述指尖片(3)由金属或C/C复合材料制成。

6.根据权利要求1所述的指尖密封装置，其特征为：所述每层指身(11)间的缝隙正好位于相邻指尖片指身(11)的正中位置。

7.根据权利要求2所述的指尖密封装置，其特征为：所述防转销(2)与密封座上的防转孔(14)之间的间隙值为0.05～0.3mm。

8.根据权利要求3所述的指尖密封装置，其特征为：所述防转销(2)与指尖片防转孔(13)之间的间隙值为0.05～0.3mm。

9.根据权利要求1所述的指尖密封装置，其特征为：所述弹性元件为圆柱弹簧(5)、波形弹簧(17)或V形弹簧(18)。