CN104564170A - 用于空气循环机的隔离密封板 - Google Patents

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Abstract

一种空气循环机的密封组件包括具有外径的密封板。钻孔轴向延伸通过所述密封板的中心且密封带至少部分设置在所述钻孔内。所述密封带包括内径且所述密封带的所述内径和所述密封板的所述外径之间的最小比率是约0.1985。

Description

用于空气循环机的隔离密封板
发明背景
本发明涉及空气循环机(ACM)并更具体涉及用于ACM的密封板。
ACM一般包括用以压缩空气的压缩机部分。压缩的空气被排放到下游换热器并进一步传输到涡轮机。涡轮机从膨胀空气中提取能量来驱动压缩机。从涡轮机输出的空气一般用作车辆(诸如飞机的机舱)的空气供给。ACM可用于实现被传递到飞机的环境控制系统的空气的所需压力、温度和湿度。
ACM通常具有三轮或四轮结构。在三轮ACM中，涡轮机驱动在公共轴上旋转的压缩机和风扇两者。在四轮ACM中，两个涡轮机部分驱动公共轴上的压缩机和风扇。在任何构造中，空气流可被引导到风扇部分和压缩机部分中。空气流然后朝向换热器远离压缩机部分被从换热器引导到一个涡轮机或多个涡轮机，并从ACM的最终涡轮机级出来。ACM可包括密封板，其设置在压缩机部分和涡轮机部分之间以减少压缩机部分和涡轮机部分之间的热传递。密封板可消极地减少ACM的动力性能，因为它们可在ACM的旋转部件上产生阻力。
发明概要
一方面，空气循环机的密封组件包括具有外径的密封板。钻孔轴向延伸通过密封板的中心且密封带至少部分设置在钻孔内。密封带包括内径且密封带的内径和密封板的外径之间的最小比率是约0.1985。
另一方面，空气循环机包括轴和定位在轴的周围的压缩机部分，压缩机部分能够压缩工作流体。涡轮机部分被布置为邻近压缩机部分并定位在轴的周围。涡轮机部分能够将工作流体的势能转换为转动能。密封组件设置在压缩机部分和涡轮机部分之间和轴的周围。密封组件包括具有外径的密封板。钻孔轴向延伸通过密封板的中心并定位在轴的周围。环形密封带至少部分设置在钻孔内和轴的周围。第一连接元件抵靠压缩机部分连接密封组件。密封板的外径和接近第一连接元件的密封板的轴向厚度之间的比率是约23.7107至24.1317。
本领域普通技术人员将认识到，鉴于本公开的全部内容(包括附图)，本发明的其它方面和实施方案是可能的。
附图简述
图1是空气循环机的实施方案的剖视图。
图2是图1的空气循环机的密封组件的剖视图。
虽然上述确定的附图阐述了本发明的一个或多个实施方案，但是也可以考虑其它实施方案。在所有情况下，本公开通过表示而非限制的方式提出本发明。应理解，本领域技术人员可设想许多其它修改和实施方案，这些都落入本发明的原理的范围和精神内。附图可不按比例绘制，且本发明的应用和实施方案可包括在图中未具体示出的特征和组件。
具体实施方式
本发明涉及空气循环机(ACM)中的密封板和安装在密封板上的密封带。选择密封板和密封带的尺寸和尺寸比率以便实现密封带和设置在将涡轮机功率传递到压缩机和风扇的旋转轴上的密封齿之间的摩擦损失(密封阻力)的减小。最小化密封阻力的摩擦损失也可相对最小化密封板和密封齿之间的间隙而平衡以最小化跨越密封带和密封齿的压缩机进气流损失。
图1是ACM2的剖视图。ACM2是四轮ACM，其包含风扇部分4、压缩机部分6、第一涡轮机部分8和第二涡轮机部分10，它们都连接到轴12以用于绕中心轴线14共同旋转。应指出，仅仅通过实施例而不是限制的方式示出并描述了ACM2。在其它实施方案中，许多其它ACM构造(诸如三轮ACM)是可能的。
当工作流体穿过ACM2时，工作流体首先在压缩机部分6中被压缩，然后在第一涡轮机部分8和第二涡轮机部分10中膨胀。通常，第一工作流体在换热器(未示出)中被加热或冷却，在工作流体穿过压缩机部分6和第一涡轮机部分8之间时，工作流体被传输通过所述换热器。第一涡轮机部分8和第二涡轮机部分10从工作流体中提取能量，从而使轴12绕中心轴线14转动。同时，第二工作流体由风扇部分4传输通过相同的换热器。例如，第一工作流体可从燃气涡轮发动机的排气阀传输通过压缩机部分6到达换热器、第一涡轮机部分8、然后到达第二涡轮机部分10，且然后到达飞机的环境控制系统。第二工作流体可以是冲压空气(其由风扇部分4抽动通过相同的换热器以在将第一工作流体传输到涡轮机部分8和10之前将第一工作流体冷却到所需温度)。通过压缩、加热和膨胀工作流体，提供在第二涡轮机10上的输出可被调整到所需温度、压力和/或相对湿度。
风扇部分4包括风扇入口16和风扇出口18。风扇入口16是ACM2中的开口，所述开口接收来自另一个源(诸如冲压空气口)的工作流体。风扇出口18允许工作流体逃脱风扇部分4。风扇叶片20可用于将工作流体抽吸到风扇部分4中。
压缩机部分6包括压缩机入口22、压缩机出口24和压缩机叶片27。压缩机入口22是限定被压缩的工作流体通过其被从另一个源接收的孔径的管道。压缩机入口22将工作流体从压缩机入口22引导到压缩机叶片27(其中在进入压缩机出口24之前，工作流体被压缩)。在工作流体已经被压缩之后，压缩机出口24允许工作流体被传输到其它系统。
第一涡轮机部分8包括第一级涡轮机入口28、第一级涡轮机出口30和第一涡轮机叶片33。第一级涡轮机入口28是限定在第一涡轮机部分8中膨胀之前工作流体穿过其中的孔径的管道。第一级涡轮机出口30是限定工作流体(其已经膨胀)通过其离开第一涡轮机部分8的孔径的管道。第一级涡轮机叶片33设置在第一级涡轮机入口28和出口30之间的流动路径中并从穿过其中的工作流体中提取能量，从而驱动第一涡轮机部分8和连接的组件(包括轴12、风扇部分4和压缩机部分6)的旋转。
第二涡轮机部分10包括第二级涡轮机入口34、第二级涡轮机出口36和第二级涡轮机叶片39。第二级涡轮机入口34是限定在第二涡轮机部分10中膨胀之前工作流体穿过其中的孔径的管道。第二级涡轮机出口36是限定工作流体(其已经膨胀)通过其离开第二涡轮机部分10的孔径的管道。第二级涡轮机叶片39设置在第二级涡轮机入口34和第二级涡轮机出口36之间的流动路径中并从穿过其中的工作流体中提取能量，从而驱动第二涡轮机部分10和连接的组件(包括轴12、风扇部分4和压缩机部分6)的旋转。工作流体从第二级涡轮机入口34穿过到达腔室35(其中所述工作流体入射到第二级涡轮机叶片39上)。工作流体然后可横穿叶轮或喷嘴(其帮助引导和顺直流动以实现最佳效率)。工作流体的流动使涡轮机叶片39旋转并转动轴12。
轴12可以是杆(诸如钛拉杆)，其用于连接ACM2的其它组件。中心轴14是其它组件可相对于其被布置的轴。风扇部分4连接到压缩机部分6。在一些实施方案中，风扇出口18可耦合到压缩机入口22。工作流体通过风扇入口16被抽吸并由风扇叶片20排出风扇出口18。来自风扇出口18的工作流体可被传输到压缩机入口22以用于在压缩机部分6中压缩。类似地，压缩机部分6与第一涡轮机部分8耦合。来自压缩机出口24的工作流体被传输到第一级涡轮机入口28。
风扇部分4和压缩机部分6共享壳体40。壳体40通过风扇部分4和压缩机部分6包围移动部件和空气路径。壳体40的大小和几何形状限定通过ACM2的空气的流动。例如，壳体40被布置在轴12的周围，从而防止轴12周围的过度空气流。壳体40的大小被设计为与相邻的壳体部分(诸如涡轮机部分8周围的壳体)协作。
密封组件42设置压缩机部分6和第一涡轮机部分8之间和轴12的周围。密封组件42被构造为与涡轮壳体49配合并与涡轮机壳体49合作以防止流体从压缩机入口22流出。密封组件42也被构造为充当热屏障以减少压缩机部分6和第一涡轮机部分8之间的热传递。密封组件42包括密封板42和环形密封带46。钻孔48轴向延伸通过密封板44的中心并定位在轴12的周围。第一连接元件50从压缩机部分6和密封板44轴向延伸以抵靠压缩机部分6连接密封组件42。如图1中所示，第一连接元件50可以是螺栓。第二连接元件52跨越密封板44轴向延伸并进入第一涡轮机部分8中以抵靠第一涡轮机部分8连接密封组件42。第二连接元件52也可以是螺栓。第二连接元件52可从第一连接元件52径向向内设置。
密封带46是环形的并设置在轴12的周围且至少部分位于钻孔48内。密封带46基本上由聚合物材料或其它适当材料(例如，低摩擦和/或耐磨材料)组成，而密封板44可由隔热复合材料形成。刀口54是环形的并设置在轴12的周围且从密封带46径向向内。刀口54在ACM2的操作过程中随轴12旋转。刀口54朝向密封带46从轴12径向延伸并接合密封带46。总之，密封带46和刀口54在密封板44和轴12之间形成迷宫式密封，这可协助减少热空气从压缩机部分6渗入第一涡轮机部分8中并加热第一涡轮机部分8中的冷却器调节的空气。如相对于图2在下面所讨论的，密封板44和密封带46的大小可被设计为使得刀口54和带46之间的间隙被充分最小化，以减少密封带46和刀口54之间的泄漏，还使得在刀口54和密封带46之间有足够的间隙以防止摩擦损失和密封阻力发生。
图2是图1的ACM2的密封组件42的剖视图。如图2中所示，密封组件42的密封带46包括内径D1。连同相对于图1在上面所描述的元件，密封组件42的密封板44可进一步包括第一孔56、第二孔58、凸台60、外径D2和厚度D3。
在一个实施方案中，密封组件42可被如下构造。密封带46的内径D1被限定为密封带46的径向内表面的直径。密封带46内径D1可以是约4.343654cm(1.7101英寸)至4.348734cm(1.7121英寸)4.348734cm。密封板44的外径D2被限定为密封板44的径向外径。密封板44的外径D2可以是约21.86178cm(8.607英寸)至21.8821cm(8.615英寸)。密封带46的内径D1和密封板44的外径D2之间的比率(D1/D2)可以是约0.1985至0.1989。内径D1和外径D2的尺寸可按比例放大或缩小以适应密封组件42在不同大小的空气循环机中的使用。内径D1和外径D2之间的比率限定密封板44和密封带46的可伸缩几何形状，其有效减少了跨越密封组件42从压缩机部分6到第一涡轮机部分8中的泄漏，而同时最小化在密封组件42和轴12之间发生摩擦损失和密封阻力。设置在密封板44的外径D2的周围的壳体40的部分可包括约等于密封板44的外径D2的内径，如上面图1中所示。
第一孔56轴向延伸通过密封板44并径向设置在密封板44的外径表面和钻孔48之间。第一孔56被构造为容置用于将密封组件42连接到ACM2的压缩机部分6(如图1中所示)的第一连接元件50。第二孔58轴向延伸通过密封板44并径向定位在第一孔56和钻孔48之间的密封板44上。第二孔58被构造为容置用于将密封组件42连接到ACM2的第一压缩机部分8(如图1中所示)的第二连接元件52。凸台60可形成于第一孔56的周围且局部地增加接近第一孔56的密封板44的轴向厚度(由厚度D3表示)。凸台60充当密封组件42和压缩机部分6之间的主要接触点并因此也是压缩机部分6和密封组件42之间的主要热传递路径。接近凸台60和第一孔56的密封板44的厚度D3一般大于密封板44的其余部分的轴向厚度，从而有助于抵抗和最小化跨越凸台60上的密封组件42的导热传递。接近第一孔56的密封板44的厚度D3可以是约0.90678cm(0.357英寸)至0.92202cm(0.363英寸)。厚度D3可与密封带46的内径D1合理地关联以确保厚度D3足够厚以提供密封板44的隔离要求，因为密封组件42的大小可按比例放大或缩小。例如，密封带46的内径D1和接近密封板44的厚度D3之间的比率(D1/D3)可以是约4.7110至4.7958。类似地，厚度D3可与密封板44的外径D2合理地关联。例如，密封板44的外径D2和密封板44的厚度D3之间的比率(D2/D3)可以是约23.7107至24.1317。
可能的益处：
本领域普通技术人员将认识到，本发明的密封组件42可提供许多优点和益处。那些优点和益处的一些实施例如下。密封组件42提供密封板44和密封带46，其可相对可存在于ACM2中的压缩部分6中的热气体热隔离第一涡轮机部分8。此外，密封板44和密封带46的尺寸被构造为减少沿轴12从压缩机部分6进入第一涡轮机部分8的流动气体泄漏。随着减少流动气体泄露，密封板44和密封带46的尺寸被构造为最小化密封组件42和轴12之间的摩擦损失和阻力。因为密封板44的外径D2和密封带46的内径D1被合理关联，所以密封组件的大小也容易地按比例放大或缩小。密封板44还包括厚度D3，其局部地增加接近密封板44连接到压缩机部分6的位置的密封板44的轴向厚度。厚度D3通过增加密封板44在经历从压缩机部分6的大部分热传递的密封板44的部分处的厚度和热阻力提高密封板44的隔离性。厚度D3也合理关联到密封带46的内径D1和密封板44的外径D2，从而允许厚度D3的大小很容易按比例放大或缩小。
可能实施方案的讨论
以下是本发明的可能实施方案的非排他性描述。
在本发明的一个实施方案中，空气循环机的密封组件可包括具有外径的密封板。钻孔轴向延伸通过密封板的中心且密封带至少部分设置在钻孔内。密封带包括内径且密封带的内径和密封板的外径之间的最小比率是约0.1985。
前面段落的组件可任选地、附加地和/或可替代地包括以下特征、构造和/或附加组件中的任何一个或多个：
密封带的内径和密封板的外径之间的最大比率是约0.1989；
用于将密封组件连接到空气循环机的压缩机部分的孔轴向延伸通过密封板并径向设置在密封板的外径和钻孔之间；
凸台形成于孔的周围且局部地增加接近孔的密封板的厚度；
密封带的内径和接近孔的密封板的厚度之间的比率是约4.7110至4.7958；
密封板的外径和接近孔的密封板的厚度之间的比率是约23.7107至24.1317；
接近孔的密封板的厚度是约0.90678cm(0.357英寸)至0.92202cm(0.363英寸)；
密封板的外径是约21.86178cm(8.607英寸)至21.8821cm(8.615英寸)；和/或
密封带的内径是约4.343654cm(1.7101英寸)至4.348734cm(1.7121英寸)。
在本发明另一实施方案中，空气循环机可包括轴和定位在轴的周围的压缩机部分，压缩机部分能够压缩工作流体。涡轮机部分被布置为邻近压缩机部分并定位在轴的周围。涡轮机部分能够将工作流体的势能转换为转动能。密封组件设置在压缩机部分和涡轮机部分之间和轴的周围。密封组件包括具有外径的密封板。钻孔轴向延伸通过密封板的中心并定位在轴的周围。环形密封带至少部分设置在钻孔内和轴的周围。第一连接元件抵靠压缩机部分连接密封组件。密封板的外径和接近第一连接元件的密封板的轴向厚度之间的比率是约23.7107至24.1317。
前面段落的组件可任选地、附加地和/或可替代地包括以下步骤、特征和/或构造中的任何一个或多个：
密封带具有内径且密封带的内径和密封板的外径之间的最小比率是约0.1985；
第二连接元件抵靠涡轮机部分连接密封组件，且第二连接元件从第一连接元件径向向内设置；
壳体设置在密封组件的密封板的外径的周围，壳体具有约等于密封板的外径的内径；
环形密封带基本上由聚合物材料组成；和/或
刀口设置在轴的周围并从密封组件的环形密封带径向向内，刀口朝向环形密封带径向延伸。
总结
本文所使用的任何相关术语或程度的术语(诸如“实质上”、“基本上”、“一般”等)应根据并受制于本文所明确表述的任何适用的定义或限制来解释。在所有情况下，本文中所使用的任何相关术语或程度的术语应被解释为宽泛地涵盖任何相关的公开实施方案以及这些范围或变化(如鉴于本公开的全部内容本领域普通技术人员应理解的)，以致涵盖普通的制造公差变化、偶然的取向变化、短暂的振动和摇摆动作、暂时取向或运行条件诱导的形状变化等。
虽然已经参照示例实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出各种改变且等同物可取代其元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可作出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。例如，虽然上面的说明书描述了内径D1是约4.343654cm(1.7101英寸)至4.348734cm(1.7121英寸)，外径D2是约21.86178cm(8.607英寸)至21.8821cm(8.615英寸)，且厚度D3是约0.90678cm(0.357英寸)至0.92202cm(0.363英寸)，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可变化并调适D1、D2和D3的尺寸。因此，目的是使本发明不限于所公开的特定实施方案，但是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (15)

1.一种空气循环机的密封组件，所述密封组件包括：
密封板，其具有外径；
钻孔，其轴向延伸通过所述密封板的中心；和
密封带，其至少部分设置在所述钻孔内，所述密封带具有内径，
其中所述密封带的所述内径和所述密封板的所述外径之间的最小比率是约0.1985。
2.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述密封带的所述内径和所述密封板的所述外径之间的最大比率是约0.1989。
3.根据权利要求1所述的密封组件，其中用于将所述密封组件连接到所述空气循环机的压缩机部分的孔轴向延伸通过所述密封板并径向设置在所述密封板的所述外径和所述钻孔之间。
4.根据权利要求3所述的密封组件，其中凸台形成于所述孔的周围并局部地增加接近所述孔的所述密封板的厚度。
5.根据权利要求3所述的密封组件，其中所述密封带的所述内径和接近所述孔的所述密封板的厚度之间的比率是约4.7110至4.7958。
6.根据权利要求3所述的密封组件，其中所述密封板的所述外径和接近所述孔的所述密封板的厚度之间的比率是约23.7107至24.1317。
7.根据权利要求3所述的密封组件，其中接近所述孔的所述密封板的厚度是约0.90678cm(0.357英寸)至0.92202cm(0.363英寸)。
8.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述密封板的所述外径是约21.86178cm(8.607英寸)至21.8821cm(8.615英寸)。
9.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述密封带的所述内径是约4.343654cm(1.7101英寸)至4.348734cm(1.7121英寸)。
10.一种空气循环机，其包括：
轴；
压缩机部分，其定位在所述轴的周围，所述压缩机部分能够压缩工作流体；
涡轮机部分，其布置为邻近所述压缩机部分并定位在所述轴的周围，所述涡轮机部分能够将所述工作流体的势能转换为转动能；
密封组件，其设置在所述压缩机部分和所述涡轮机部分之间和所述轴的周围，所述密封组件包括：
密封板，其具有外径；
钻孔，其轴向延伸通过所述密封板的中心并定位在所述轴的周围；和
环形密封带，其至少部分设置在所述钻孔内和所述轴的周围；和
第一连接元件，其抵靠所述压缩机部分连接所述密封组件，
其中所述密封板的所述外径和接近所述第一连接元件的所述密封板的轴向厚度之间的比率是约23.7107至24.1317。
11.根据权利要求10所述的空气循环机，其中所述密封带具有内径且所述密封带的所述内径和所述密封板的所述外径之间的最小比率是约0.1985。
12.根据权利要求10所述的空气循环机，其还包括：
第二连接元件，其抵靠所述涡轮机部分连接所述密封组件；且
其中所述第二连接元件从所述第一连接元件径向向内设置。
13.根据权利要求10所述的空气循环机，其还包括：
壳体，其设置在所述密封组件的所述密封板的所述外径的周围，且其中所述壳体具有约等于所述密封板的所述外径的内径。
14.根据权利要求10所述的空气循环机，其中所述环形密封带基本上由聚合物材料组成。
15.根据权利要求10所述的空气循环机，其还包括：
刀口，其设置在所述轴的周围并从所述密封组件的所述环形密封带径向向内，所述刀口朝向所述环形密封带径向延伸。
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