CN103711527A - 一种刷式密封和指尖密封的复合密封 - Google Patents

Abstract

一种刷式密封-指尖密封的复合密封，轴向总厚度一般不超过2mm,刷丝束、高压指尖密封片、低压指尖密封片的外径根部通过熔焊工艺被固定并夹紧于所述前挡板和后挡板之间，形成熔焊区；所述低压指尖密封片与所述后挡板直接接触，共同起到对上游密封结构的支撑作用；所述刷丝束、高压指尖密封片、低压指尖密封片的内径与转子接触或维持很小的间隙；相较于已有的刷式密封和指尖密封结构，在同样的轴向厚度的条件下，本发明所述结构有明显较高的承压能力，且柔性没有明显降低，泄漏量没有明显变化或有所降低，更适用于对密封的承压能力及轻质化、小型化要求较高的场合。

Description

一种刷式密封和指尖密封的复合密封

技术领域

本发明属于机械密封技术领域，特别涉及可以提高密封承压能力的一种刷式密封和指尖密封的复合密封。

背景技术

在叶轮机械尤其是航空发动机中常需要对不同压力室进行密封，而旋转件与静止件之间的密封形式通常有蓖齿密封、刷式密封和新兴的指尖密封。蓖齿密封是一种非接触式密封，为了确保密封蓖齿与旋转件不发生破坏性干涉，蓖齿与旋转件之间一般有相当大的间隙，这导致泄漏量较大。而刷式密封是一种柔性接触的密封形式，其泄漏量是蓖齿密封的1/5-1/10，并允许动静之间瞬态严重不同心而保持密封能力不变，既提高了机组效率又改善了转子的稳定性，是现代先进透平机发展的关键技术之一。但是，刷式密封的密封原理源于数万根致密排列的刷丝，这导致了制作工艺复杂，成本很高，同时刷式密封在长期运行后容易出现刷丝的断丝、断尖等现象，影响密封的可靠性，甚至导致密封失效。在此背景下，指尖密封应运而生，它由若干个密封片及密封片上若干个指尖梁构成，指尖梁之间有较小的间隙，不同密封片之间的指尖梁交错排列，以阻挡相邻密封片上指尖梁的间隙。相比刷式密封，指尖密封的制作工艺较为简单，指尖片的柔性比刷式密封的刷丝束略小一些，但也很大程度上保留刷式密封的柔性特点。

刷式密封已经应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮机械。在航空领域，应用刷式密封是提高航空发动机性能的重要手段，在GE、西门子等世界各大透平公司的技术创新与发展中，都把刷式密封技术研究作为其中的重要内容之一。而国内外的专家学者也针对刷式密封开展了近20年的理论研究和工程尝试，指尖密封及其技术也日臻完善，工程应用前景也初见端倪。值得指出是，由于刷式密封和指尖密封固有的柔性，它们单级承压能力均不高，一般不超过1MPa,高压差下刷丝束和指尖梁会通过后挡板的保护间隙向下游弯折发生塑性变形，导致密封失效，并对密封造成不可逆转的损坏。所以在航空发动机及其工程尝试中常常需要应用多级刷式密封或指尖密封，或者与若干蓖齿密封组成多级结构，这将大大增加密封件的重量和所占空间，不符合航空发动机轻质化、小型化的发展潮流。

可以设想，如果可以在不失刷式密封和指尖密封柔性的前提下，提高其承压能力，必然可以大大拓宽其应用领域，且对航空发动机的轻质化、小型化大有裨益。刷式密封的刷丝束在轴向方向上有十排以上的刷丝，刷丝的材质和几何形状往往是一样的。实际上由于刷式密封的结构特点，其上下游刷丝的效用是不同的：上游刷丝受到的约束少，常常受到上游来流的扰动，易产生刷丝翘曲等不规则变形；中游刷丝是密封作用的主力；下游刷丝除了起到密封作用外，还起到对上游、中游刷丝的支撑作用，同时，由于背板的阻流作用，这里的径向泄漏流最强烈，闭合效应“blow downeffect”强烈，与转子的摩擦发热也最明显。可以设想，根据刷式密封和指尖密封的特点把两者有机结合起来，即把刷式密封的下游几排刷丝替换为刚度略高的而轴向厚度较薄的低压指尖密封片和高压指尖密封片的双片结构或只有单片结构的高压指尖密封片，应该可以有针对性的改善密封的承压能力，同时不明显增加密封的质量、体积，并很大程度上保持刷式密封和指尖密封的柔性。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是在已有刷式密封和指尖密封技术基础上，针对性地提出一种可以提高密封承压能力的刷式密封-指尖密封的复合密封，具有高承压能力，与传统的刷式密封和指尖密封相当的质量和体积，并很大程度上保持刷式密封和指尖密封的柔性等特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种刷式密封-指尖密封的复合密封，轴向总厚度不超过2mm,包括前挡板1、后挡板2、刷丝束3、熔焊区4、转子5和指尖密封片，指尖密封片为低压指尖密封片7或者由高压指尖密封片6和低压指尖密封片7两者共同构成；所述刷丝束3、高压指尖密封片6和低压指尖密封片7的外径根部通过熔焊工艺连接成一体，并夹紧于前挡板1和后挡板2之间形成熔焊区4；低压指尖密封片7与后挡板2直接接触，共同起到对上游密封结构的支撑作用；所述刷丝束3、高压指尖密封片6、低压指尖密封片7的内径与转子5接触或维持间隙。

所述高压指尖密封片6和低压指尖密封片7的轴向厚度均不超过2mm。

所述低压指尖密封片7设置有指向下游的轴向密封靴71，轴向密封靴71内径与所述转子5之间有密封间隙或轻微接触。

所述刷丝束3的上游设置有遮流片8，所述遮流片8的外径根部通过熔焊工艺被前挡板1和刷丝束3所固定并夹紧，所述遮流片8的内径大小在所述前挡板1的内径和后挡板2的内径之间。

所述刷丝束3和高压指尖密封片6之间设置有隔离环9，所述隔离环9的外径根部通过熔焊工艺被所述刷丝束3和高压指尖密封片6所固定并加紧，所述隔离环9的内径大小在所述刷丝束3的外径和后挡板2的内径之间。

所述刷丝束3设置于高压指尖密封片6和低压指尖密封片7之间，三者呈“三明治”结构，三者外径根部通过熔焊工艺连接成一体。

所述高压指尖密封片6设置有指向上游的轴向密封靴。

本发明的有益效果为：相较于已有的刷式密封和指尖密封结构，在同样的轴向厚度的条件下，本发明所述结构的一种刷式密封-指尖密封的复合密封有明显较高的承压能力，且柔性没有明显降低，泄漏量没有明显变化或有所降低，从而实现用本发明的单级密封替换传统刷式密封和指尖密封的多级密封的效果，本发明更适用于对密封的承压能力及轻质化、小型化要求较高的场合。

附图说明

图1为本发明结构的轴向-径向剖视图。

图1A为图1虚线椭圆框内结构的局部放大图。

图2为本发明结构的实施例2的轴向-径向剖视图的局部放大图。

图3为本发明结构的实施例3的轴向-径向剖视图的局部放大图。

图4为本发明结构的实施例4的轴向-径向剖视图的局部放大图。

图5为本发明结构的高压指尖密封片和低压指尖密封片的局部三维示意图。

图6为本发明结构的刷丝束内径附近的局部三维示意图。

图7为本发明结构的实施例5的轴向-径向剖视图的局部放大图。

图8为本发明结构的实施例6的轴向-径向剖视图的局部放大图。

图中标号：1-前挡板；2-后挡板；3-刷丝束；31-刷毛；4-熔焊区；5-转子；6-高压指尖密封片；61-高压指尖密封片的指尖梁；62-高压指尖密封片的指尖梁间隙；7-低压指尖密封片；71-低压指尖密封片的轴向密封靴；72-低压指尖密封片的指尖梁；73-低压指尖密封片的指尖梁间隙；8-遮流片；9-隔离环。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。

参照图1和图1A，一种刷式密封-指尖密封的复合密封，轴向总厚度一般不超过2mm,包括前挡板1、后挡板2、刷丝束3、熔焊区4、转子5和指尖密封片，指尖密封片为低压指尖密封片7或者由高压指尖密封片6和低压指尖密封片7两者共同构成；所述刷丝束3、高压指尖密封片6和低压指尖密封片7的外径根部通过熔焊工艺被固定，并夹紧于前挡板1和后挡板2之间形成熔焊区4；低压指尖密封片7与后挡板2直接接触，共同起到对上游密封结构的支撑作用；所述刷丝束3、高压指尖密封片6、低压指尖密封片7的内径与转子5接触或维持间隙，所述高压指尖密封片6包括指尖梁61和指尖梁间隙62，所述低压指尖密封片7包括指尖梁72和指尖梁间隙73。

实施例一

图1和图1A为本发明实施例1的示意图，一种刷式密封-指尖密封的复合密封，轴向总厚度一般不超过2mm,包括前挡板1、后挡板2、刷丝束3、熔焊区4、转子5、指尖密封片为低压指尖密封片7或者由高压指尖密封片6和低压指尖密封片7两者共同构成；所述低压指尖密封片7有指向下游的轴向密封靴71，所述轴向密封靴71与所述转子5之间有微小间隙，可以形成动压效应，减少摩擦发热及磨损。

实施例二

图2为本发明实施例2的示意图，一种刷式密封-指尖密封的复合密封，轴向总厚度一般不超过2mm,包括前挡板1、后挡板2、刷丝束3、熔焊区4、转子5、指尖密封片为低压指尖密封片7或者由高压指尖密封片6和低压指尖密封片7两者共同构成；其特点在于所述低压指尖密封片7没有轴向密封靴71。

实施例三

图3为本发明实施例3的示意图，一种刷式密封-指尖密封的复合密封，轴向总厚度一般不超过2mm,包括前挡板1、后挡板2、刷丝束3、熔焊区4、转子5、指尖密封片为低压指尖密封片7或者由高压指尖密封片6和低压指尖密封片7两者共同构成；其特点在于所述刷丝束3的上游设置有遮流片8，所述遮流片8的外径根部一般通过熔焊工艺被所述前挡板1和刷丝束3所固定并夹紧，所述遮流片8的内径大小在所述前挡板1的内径和后挡板2的内径之间；所述遮流片8可以减小上游来流对刷丝束3的扰动作用。

实施例四

图4为本发明实施例4的示意图，一种刷式密封-指尖密封的复合密封，轴向总厚度一般不超过2mm,包括前挡板1、后挡板2、刷丝束3、熔焊区4、转子5、指尖密封片为低压指尖密封片7或者由高压指尖密封片6和低压指尖密封片7两者共同构成；其特点在于所述刷丝束3和高压指尖密封片6之间可以有隔离环9，所述隔离环9的外径根部一般通过熔焊工艺被所述刷丝束3和高压指尖密封片6所固定并加紧，所述隔离环9的内径大小在所述刷丝束3的外径和后挡板2的内径之间。所述隔离环9可以防止所述刷丝束3中的刷毛31进入到所述高压指尖密封片6的指尖梁间隙62。结合图5和图6，可见所述刷丝束3、高压指尖密封片6和低压指尖密封片7的结构特点，所述刷毛31有进入所述高压指尖密封片6的指尖梁间隙62的可能性，所述隔离环9排除了这一可能性。

实施例五

图7为本发明实施例5的示意图，一种刷式密封-指尖密封的复合密封，轴向总厚度一般不超过2mm,包括前挡板1、后挡板2、刷丝束3、熔焊区4、转子5、指尖密封片；其特点在于，所述指尖密封片仅包括一片低压指尖密封片7。

实施例六

图8为本发明实施例6的示意图，一种刷式密封-指尖密封的复合密封，轴向总厚度一般不超过2mm,包括前挡板1、后挡板2、刷丝束3、熔焊区4、转子5、指尖密封片为低压指尖密封片7或者由高压指尖密封片6和低压指尖密封片7两者共同构成；其特点在于，所述刷丝束3在高压指尖密封片6和低压指尖密封片7之间，呈“三明治”结构，三者外径根部通过熔焊工艺固定。

本发明的工作原理为：针对刷式密封刷丝束的上游、中游、下游刷丝的不同的工作环境特点，尤其是最下游几排刷丝除了起到密封作用外，还起到对上游、中游刷丝的支撑作用。这样，把刷式密封的下游几排刷丝替换为刚度略高的而轴向厚度较薄的低压指尖密封片6和高压指尖密封片7的双片结构或只有单片结构的高压指尖密封片7，形成一种刷式密封-指尖密封的复合密封，在不明显提高密封结构重量和体积的情况下提高密封结构，显著提高密封结构的承压能力。

以上仅是本发明较优的几个实施例，与上述实施例不同但在本发明权利要求范围内的技术方案均应属于本发明保护的内容。

Claims (7)

1.一种刷式密封-指尖密封的复合密封，其特征在于，轴向总厚度不超过2mm,包括前挡板（1）、后挡板（2）、刷丝束（3）、熔焊区（4）、转子（5）和指尖密封片，指尖密封片为低压指尖密封片（7）或者由高压指尖密封片（6）和低压指尖密封片（7）两者共同构成；所述刷丝束（3）、高压指尖密封片（6）和低压指尖密封片（7）的外径根部通过熔焊工艺连接成一体，并夹紧于前挡板（1）和后挡板（2）之间形成熔焊区（4）；低压指尖密封片（7）与后挡板（2）直接接触，共同起到对上游密封结构的支撑作用；所述刷丝束（3）、高压指尖密封片（6）、低压指尖密封片（7）的内径与转子（5）接触或维持间隙。

2.根据权利要求1所述的一种刷式密封-指尖密封的复合密封，其特征在于，所述高压指尖密封片（6）和低压指尖密封片（7）的轴向厚度均不超过2mm。

3.根据权利要求1所述的一种刷式密封-指尖密封的复合密封，其特征在于，所述低压指尖密封片（7）设置有指向下游的轴向密封靴（71），轴向密封靴（71）内径与所述转子（5）之间有密封间隙或轻微接触。

4.根据权利要求1所述的一种刷式密封-指尖密封的复合密封，其特征在于，所述刷丝束（3）的上游设置有遮流片（8），所述遮流片（8）的外径根部通过熔焊工艺被前挡板（1）和刷丝束（3）所固定并夹紧，所述遮流片（8）的内径大小在所述前挡板（1）的内径和后挡板（2）的内径之间。

5.根据权利要求1所述的一种刷式密封-指尖密封的复合密封，其特征在于，所述刷丝束（3）和高压指尖密封片（6）之间设置有隔离环（9），所述隔离环（9）的外径根部通过熔焊工艺被所述刷丝束（3）和高压指尖密封片（6）所固定并加紧，所述隔离环（9）的内径大小在所述刷丝束（3）的外径和后挡板（2）的内径之间。

6.根据权利要求1所述的一种刷式密封-指尖密封的复合密封，其特征在于，所述刷丝束(3)设置于高压指尖密封片（6）和低压指尖密封片（7）之间，三者呈“三明治”结构，三者外径根部通过熔焊工艺连接成一体。

7.根据权利要求6所述的一种刷式密封-指尖密封的复合密封，其特征在于，所述高压指尖密封片(6)设置有指向上游的轴向密封靴。

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