CN104919186A - 用于涡轮机的密封组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括：空气压缩级(2)，包括至少一个可动压缩机转轮(20)；空气进入管道(4)，联接到空气压缩级(2)；第一密封装置(54)，定位在可动压缩机转轮(20)的前部(56)与空气进入管道(4)之间并且包括至少一个压力密封件(60)；通道(45)，用于输送由可动转轮(20)压缩的空气；第二密封装置(64)，布置在可动压缩机转轮(20)的后部(66)与输送通道(45)之间并且构造成接收来自输送通道(45)的空气流(F2)。该涡轮发动机的特点在于，第二密封装置(64)构造成允许流过该第二密封装置的空气中的一部分(F3)的收回，并且被收回的空气(F3)被输送到第一密封装置(54)的压力密封件(60)，以便将该压力密封件保持在压力下。

Description

用于涡轮机的密封组件
技术领域
本发明涉及涡轮发动机领域。尽管本发明针对飞行器涡轮轴发动机设计并且在下文中结合这样的涡轮轴发动机进行描述，但本发明更一般地涉及特别是用于飞行器的涡轮发动机。
背景技术
在已知的方式中，涡轮轴发动机包括：空气进入管道；第一空气压缩级，包括空气进入管道通到的可动压缩机转轮；用于将由第一压缩级压缩的空气运送到第二压缩级的通道；用于燃烧燃料和由压缩级压缩的空气的混合物的腔室；以及一个或多个用于膨胀燃烧气体的级。
在这种涡轮轴发动机中，已知的是将密封件布置在涡轮轴发动机的特定可动部件(转子)与特定固定部件(定子)之间，具体地，一方面布置在空气进入管道与第一可动压缩机转轮的前部之间，另一方面布置在用于输送压缩空气的通道与第一可动压缩机转轮的后部之间。术语“前”和“后”相对于涡轮轴发动机的轴线的方向来理解，其中在运行期间空气流在涡轮轴发动机中总体上沿涡轮轴发动机的轴线的方向流动。
因而，已知的是将包括两个密封件的密封装置布置在第一可动压缩机转轮的前部与空气进入管道之间。所述密封装置经由前密封件与涡轮发动机的转子轴的导引轴承连通，该轴承安装在密封装置的前面并且包括润滑油。
为了保持导引轴承中的润滑油以便防止润滑油泄漏到空气进入管道中并且使涡轮轴发动机产生故障，来自位于第一压缩级下游的输送通道的空气被输送到密封装置，以将该装置的两个密封件保持在压力下。术语“上游”和“下游”相对于空气流的方向来理解。
更具体地，使在输送通道中流通的空气流中的一些朝向第二密封装置被转移，第二密封装置包括具有如下功能的密封件：限制沿着第一可动压缩机转轮的后表面流动的离心空气的流量。事实上，由于沿着该可动转轮的后表面流动然后与由所述转轮压缩的空气流混合的膨胀的空气流，转轮后面的空气的过高的流量会降低压缩效率。
因此，流过第二装置的密封件的空气流中的一些沿着第一可动转轮的后表面流动，而剩余的空气流沿着转子轴流动到在第一密封装置的两个密封件之间延伸的空腔，以便将所述密封件保持在压力下。然后，将两个密封件保持在压力下的空腔中的空气不仅通过第一密封装置的前密封件朝向导引轴承流动而且通过第一密封装置的后密封件朝向空气进入管道流动。因此，空气流流量具体地在空气流过第二密封装置的密封件时减小，但总体上允许第一密封装置的密封件保持在足够的压力下，从而防止了导引轴承的润滑油泄漏到涡轮轴发动机的空气进入管道中。
然而，当在第一可动压缩机转轮的上游的空气进入管道中出现压力降低时会产生问题，其中压力降低例如由用于在可动转轮的入口处引导空气流的格栅(称作预旋转格栅)的存在引起，或由当涡轮轴发动机在在结冰条件下运行期间堵塞管道的冰的存在引起。
空气进入管道中的这种压力降低导致在第一密封装置的密封件之间延伸的空腔中的压力降低，并且这会使包含在导引轴承中的润滑油泄漏到空气进入管道中，因此使涡轮轴发动机出现故障，这是显著的缺点。
发明内容
本发明的目的是对现有涡轮发动机加以改进，并且更具体地是防止包含在导引轴承中的润滑油泄漏到涡轮轴发动机的空气进入管道中。
因此，本发明涉及一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括：
-空气进入管道，
-空气压缩级，包括至少一个可动压缩机转轮，所述空气进入管道通到所述空气压缩级，
-第一密封装置，布置在所述可动压缩机转轮的前部与所述空气进入管道之间并且包括至少一个密封件，
-通道，用于输送由所述可动转轮压缩的空气，
-第二密封装置，布置在所述可动压缩机转轮的后部与所述输送通道之间并且构造成接收来自所述输送通道的空气流，
所述涡轮发动机的特点在于，所述第二密封装置构造成允许流过所述第二密封装置的空气中的一些渗漏，渗漏空气被输送到所述第一密封装置的密封件，以便将所述密封件保持在压力下。
用语“保持在压力下”指的是维持足以防止润滑油流过第一密封装置并且防止润滑油泄漏(具体地泄漏到空气进入管道中)的压力。
优选地，涡轮发动机包括布置在第一密封装置的密封件前面并且包括润滑油的导引轴承，润滑油由从第一密封装置朝向该轴承流过密封件的加压空气保持在导引轴承中。
因此，第二密封装置构造成使得在进入到所述装置时泄漏的空气的流量足够高，使得只要所述空气已经被输送到所述第一密封装置的密封件，空气便能够将所述密封件保持在压力下。根据本发明的涡轮发动机有利地即使在空气进入管道中的压力下降的情况下也能够使第一密封装置的密封件保持在压力下。
优选地，第二密封装置构造成一方面供应第一空气流，其中第一空气流的流量足以将第一密封装置的密封件保持在压力下，另一方面供应第二空气流，其中第二空气流的流量低到足以避免对沿着可动压缩机转轮的后表面流动的空气造成干扰。因此，一方面润滑油不会通过第一密封装置的密封件泄漏到空气进入管道中，另一方面空气的压缩效率不会由于在可动转轮的后部处从第二密封装置排出的空气而降低。
因此，根据本发明的特征，第二密封装置构造成使得从用于输送压缩空气的通道进入第二密封装置的空气流量的减小以及当流入所述装置时渗漏的空气的流量的减小保持足够低，使得在第二装置中渗漏并且输送到第一密封装置的密封件的空气流将所述空气流保持在压力下。这种校准可以例如通过选择空气在第二密封装置中渗漏的位置实现。
此外，根据本发明的另一特征，第二密封装置构造成总体上尽可能地减小流过第二密封装置的空气的流量，也就是说，减少流入到第二密封装置中时没有渗漏然后沿着可动转轮的后表面流动的空气的流量。这种空气流流量的减小使得能够显著减小或甚至避免对空气沿着可动压缩机转轮的后表面的离心流动造成干扰，并因此还减少在第一可动转轮的后部被再次引入到由第一可动转轮压缩的空气流中的空气流，从而使得能够提高压缩效率。
根据本发明的方面，第二密封装置包括至少一个密封件。
第一和/或第二密封装置的密封件例如可以为迷宫式密封件、刷式密封件、具有校准横截面的密封件或碳环密封件。
优选地，所述第二装置包括至少一个可磨耗材料的块体，并且所述第二密封装置的密封件为迷宫式密封件，所述迷宫式密封件各自包括一组与所述可磨耗材料的块体配合的密封带。在这种情况下，渗漏空气的压力的校准可以例如根据空气在密封件中渗漏的位置和/或通过改变密封带的数量和/或形状来执行。
同样地，所述第一密封装置有利地包括至少一个可磨耗材料的块体，并且所述第一密封装置的密封件为迷宫式密封件，所述迷宫式密封件各自包括一组与所述可磨耗材料的块体配合的密封带。
有利地，所述密封件的密封带连续且平行地布置，优选地垂直于涡轮发动机的纵向轴线。
在本发明的实施例中，第二密封装置包括构造成允许流过第二密封装置的空气中的一些渗漏的单个密封件。例如，渗漏空气通道可以布置在第二密封装置的密封件的两个端部之间以便实现所述渗漏。
在本发明的另一实施例中，所述第二密封装置包括前密封件和后密封件，空气在这两个密封件之间渗漏。因此，来自用于输送压缩空气的通道的空气沿从后到前的方向流过所述后密封件，然后部分地在这两个密封件之间流动到第一密封装置的密封件，以便将该密封件保持在压力下。渗漏空气通道可以在这两个密封件之间容易地产生，因而这两个密封件例如可以安装在涡轮轴发动机的不同的元件上。
有利地，在所述第二密封装置的前密封件与后密封件之间形成有空腔，以便在这两个密封件之间形成加压空气容置部，空气能够在所述加压空气容置部中渗漏以便被输送到所述第一密封装置的密封件。所述第二密封装置的前密封件和后密封件可以例如间隔开大于1mm的距离，优选地间隔开2mm至10mm之间的距离。
优选地，所述第二密封装置的后密封件构造成使得在流入所述第二密封装置时渗漏的空气的压力足以将所述第一密封装置的密封件保持在压力下，并由此防止润滑油从所述导引轴承泄漏。渗漏空气的压力的这种校准可以例如通过改变密封带的数量和/或形状实现(在迷宫式密封件的情况下)。
有利地，所述第二装置的后密封件包括一个到三个之间的密封带，优选地包括两个密封带。
还优选地，所述第二密封装置的前密封件构造成尽可能地减小流过所述前密封件的空气的流量，以避免对所述可动压缩机转轮的所述接头通到的后部中的空气的流动(沿上游到下游的方向)造成干扰。“尽可能地”指的是，从前密封件排出的空气流的流量低到足以避免在可动转轮的后部处的有可能显著降低压缩效率的空气流动。
有利地，所述第二装置的前密封件包括至少两个密封带，优选地包括四个密封带，以便充分减小通过所述前密封件的空气流的流量。
优选地，所述第一密封装置包括前密封件和后密封件，在所述第二密封装置的区域中渗漏的空气流使所述第一密封装置的前密封件或两件密封件能够保持在压力下。
根据本发明的方面，所述涡轮发动机包括第二压缩级，所述第二压缩级包括第二可动压缩机转轮，所述第二可动压缩机转轮的前部在所述第二密封装置的区域中通过联接件，例如通过弧形连接件连接到所述第一可动压缩机转轮的后部，其中所述联接件中形成有通道，在空气流流过所述第二密封装置时渗漏的空气在朝向所述第一装置的密封件被输送以便将所述密封件保持在压力下之前流过所述通道。
本发明还涉及一种通过使涡轮发动机中的空气渗漏将至少一个密封件保持在压力下的方法，所述涡轮发动机包括：
-空气进入管道，
-空气压缩级，包括至少一个可动压缩机转轮，所述空气进入管道通到所述空气压缩级，
-第一密封装置，布置在所述可动压缩机转轮的前部与所述空气进入管道之间并且包括至少一个密封件，
-通道，用于输送由所述可动转轮压缩的空气，
-第二密封装置，布置在所述可动压缩机转轮的后部与所述输送通道之间并且构造成接收来自所述输送通道的空气流，
所述方法的特点在于包括以下步骤：使流过所述第二密封装置的空气中的一些渗漏；以及将所渗漏的空气输送到所述第一密封装置的密封件以将所述密封件保持在压力下。
附图说明
通过阅读以下描述并且参照附图，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中附图以非限制性示例的方式给出并且在附图中相同的附图标记表示类似的元件。在附图中：
图1为贯穿涡轮轴发动机的纵向截面图，
图2为根据本发明的涡轮轴发动机的局部截面图，
图3为图2中的涡轮轴发动机的第二密封装置的密封件的局部截面图，
图4为图2中的涡轮轴发动机的第一密封装置的密封件的局部截面图。
具体实施方式
下文中描述的本发明与飞行器涡轮轴发动机有关，但毫无疑问地本发明可以更一般地在特别是用于飞行器的涡轮发动机中使用，其中该涡轮发动机包括任意类型的压缩机，例如离心式压缩机、双离心式压缩机或混合式压缩机。
术语“前”和“后”指的是相对于涡轮轴发动机的部件(具体地为压缩和膨胀转子)的中心旋转轴线X'X的方向定位的元件的位置，该方向与在运行期间流过涡轮轴发动机的空气流的总体方向相对应。同样地，术语“上游”和“下游”相对于在涡轮发动机中流通的空气流的方向来理解。
图1示意性地示出了直升机涡轮轴发动机1，发动机1包括第一压缩级或压缩机2。在这种涡轮轴发动机中，空气(箭头F1)被引入空气入口3并且被带入空气进入管道4中，空气进入管道4形成了通到第一压缩级2的通道。由第一压缩级2压缩的空气朝向第二压缩级5被输送。
由第二级5压缩的空气经由径向扩压器6排出，然后被喷入到燃烧室7中以便与其中的燃料混合并且在燃烧之后提供使涡轮8、9和10旋转的动能。涡轮8又经由轴10b驱动压缩机5和2。涡轮9和10经由轴10a传送动力，以便经由减速单元11驱动例如直升飞机旋翼和/或设备(泵、交流发电机、负载压缩机等)。
每个压缩级都包括可动压缩机转轮，压缩机转轮可以是轴向的(轴流式压缩机)、径向的(离心式叶轮)或混合式的。所示出的涡轮轴发动机包括两个压缩级，但毫无疑问地根据本发明的涡轮发动机也可以包括单个压缩级或两个以上的压缩级。
压缩机2包括目的是在壳体30内旋转的第一可动转轮20并且包括用于引导空气流的翼片22(参照图2)。在本示例中，压缩机包括装有叶片的扩压器40，扩压器40在可动转轮20的延伸部分(extension)中倾斜。
联接到扩压器40的空气输送通道45在第一压缩级2与空气输送通道45所通到的第二压缩级5之间延伸，并且使得由第一压缩级2压缩的空气能够被输送到第二压缩级5。第二压缩级5包括通到扩压器6的第二可动压缩机转轮50并且包括用于引导空气流的翼片52(参照图2)。
如图2所示，涡轮轴发动机1包括布置在可动压缩机转轮20的前部与空气进入管道4的轴向部分58之间的第一密封装置54。该第一密封装置54包括前密封件60和后密封件62，前密封件60和后密封件62之间形成有空气通道77。
用于相对于定子引导转子的轴承63布置在第一密封装置54的前面并且包括润滑油，润滑油通过第一密封装置54的前密封件62的区域中的空气的压力保持在轴承63中。
涡轮轴发动机1包括布置在可动压缩机转轮20的后部66、第二可动转轮50的前部67和用于输送由可动转轮20压缩的空气的通道45的部分68之间的第二密封装置64，后部66、前部67和部分68大致沿平行于轴线X'X的方向延伸。
该第二装置64包括布置在输送通道45的部分68与第一可动转轮20的后部66之间的前密封件70和布置在输送通道45的部分68与第二可动压缩机转轮50的前部67之间的后密封件72。
根据本发明，第二密封装置64构造成允许流过第二密封装置64的空气中的一些渗漏，在这种情况下，渗漏空气被输送到第一密封装置54的前密封件60，以便将前密封件60保持在压力下。
在本示例中，装置的密封件为迷宫式密封件，迷宫式密封件各自包括一组环形密封带，所述环形密封带沿平行于轴线X'X的方向连续布置并且以已知的方式与可磨耗材料的块体配合以形成密封。
如图3所示，将第一装置54的前密封件60保持在压力下的空气流F3在第二装置64的后密封件72与前密封件70之间渗漏。
为了获得渗漏空气的高到足以将第一装置54的后密封件62保持在压力下的流量，如图3所示，第二装置64的后密封件72包括两个密封带80和81，所述两个密封带80和81与固定到部分68的可磨耗材料的块体90配合。
第二装置64的前密封件70包括四个密封带82、83、84和85，所述四个密封带82、83、84和85与可磨耗材料的块体90配合并且能够使流过前密封件70的空气流的流量非常低或几乎为零，并因而能够避免第一可动压缩机转轮20的后部86中的干扰。
如图2所示，在涡轮轴发动机1的运行期间，进入空气进入管道4的空气流F1由第一可动压缩机转轮20压缩，然后朝向第二可动压缩机转轮50被输送。由第一可动压缩机转轮20压缩的该空气流中的一些F2渗入第二密封装置64中。
如图3所示，空气流F2从后到前流过后密封件72到达加压空气容置部P，加压空气容置部P在前密封件70与后密封件72之间在轴向距离D的范围内延伸。
已经流过后密封件72到达加压空气容置部P的空气流F2中的一些F4流过前密封件70到达位于第一可动压缩机转轮20后面的空间86。已经流过前密封件70的空气流F4的流量相对较低或几乎为零，因为空气已经流过后密封件72，然后又流过在这种情况下具体地构造成极大地减小空气流F4的流量的前密封件70。这使得能够极大地限制经由通道73返回到由第一可动转轮20压缩的空气流中的空气流F4的流量，从而提高压缩效率。
已经流过后密封件72到达压缩空气容置部P的空气流F2的剩余部分F3渗漏，以便通过通道75朝向第一装置54的前密封件60被输送，从而将前密封件60保持在压力下。
在本示例中，通道75在第一可动压缩机转轮20的后部66与第二可动压缩机转轮50的前部67之间延伸。第一可动压缩机转轮20的后部66与第二可动压缩机转轮50的前部67之间的连接可以例如通过弧形联接件产生，因而使得通道75形成在齿轮的齿之间。
参照图4，一旦已经流过通道75，已经在第二密封装置64的两个密封件70和72之间渗漏的空气流F3被输送到第二通道77，空气流F3流过第二通道77以便到达第一密封装置54的后密封件62的前部。因而，后密封件62由渗漏空气流F3保持在压力下，以便防止第一装置内部的润滑油通过通道77泄漏到空气进入管道4中和/或泄漏到压缩级2中。
因此，本发明使得能够将第一密封装置的一个或多个密封件保持在压力下，并且因而能够特别是在涡轮发动机的空气进入管道的压力降低的情况下，防止与第一装置的密填件中的一个(例如后密封件)的压力降低相关联的润滑油泄漏。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机，包括：
-空气压缩级(2)，包括至少一个可动压缩机转轮(20)，
-空气进入管道(4)，联接到所述空气压缩级(2)，
-第一密封装置(54)，布置在所述可动压缩机转轮(20)的前部(56)与所述空气进入管道(4)之间并且包括至少一个密封件(60)，
-通道(45)，用于输送由所述可动转轮(20)压缩的空气，
-第二密封装置(64)，布置在所述可动压缩机转轮(20)的后部(66)与所述输送通道(45)之间并且构造成接收来自所述输送通道(45)的空气流(F2)，
所述涡轮发动机(1)的特征在于，所述第二密封装置(64)构造成允许流过所述第二密封装置(64)的空气中的一些(F3)渗漏，渗漏空气(F3)被输送到所述第一密封装置(54)的密封件(60)，以便将所述密封件(60)保持在压力下。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述第二密封装置(64)包括前密封件(70)和后密封件(72)，空气在这两个密封件(70，72)之间渗漏。
3.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮发动机，其中，所述第二装置(64)包括至少一个可磨耗材料的块体(90)，并且所述第二密封装置(64)的密封件(70，72)为迷宫式密封件，所述迷宫式密封件各自包括一组与所述可磨耗材料的块体(90)配合的密封带(80，81；82，83，84，85)。
4.根据权利要求2或3所述的涡轮发动机，其中，所述第二密封装置(64)的后密封件(72)构造成使得渗漏空气的流量足以将所述第一密封装置(54)的密封件(60)保持在压力下。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的涡轮发动机，其中，所述第二装置(64)的后密封件(72)包括一个到三个之间的密封带，优选地包括两个密封带。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的涡轮发动机，其中，所述第二密封装置(64)的前密封件(70)构造成尽可能地减小流过所述前密封件(70)的空气的流量，以避免对所述可动压缩机转轮(20)的所述接头(70)通到的后部(86)中的空气的流动造成干扰。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的涡轮发动机，其中，所述第二装置(64)的前密封件(70)包括至少两个密封带，优选地包括四个密封带(82，83，84，85)。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的涡轮发动机，其中，所述第二密封装置(64)的后密封件(72)和所述第二密封装置(64)的前密封件(70)间隔开大于或等于2mm的距离(D)，以便形成加压空气容置部(P)，空气能够在所述加压空气容置部(P)中渗漏以便被输送到所述第一密封装置(54)的密封件(60，62)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮发动机，所述涡轮发动机(1)包括第二可动压缩机转轮(50)，所述第二可动压缩机转轮(50)的前部(67)在所述第二密封装置(64)的区域中通过联接件，优选地通过弧形连接件连接到所述第一可动压缩机转轮(20)的后部(66)，其中所述联接件中形成有通道(75)，在空气流流过所述第二密封装置(64)时渗漏的空气(F3)在朝向所述第一装置(54)的密封件(60)被输送以便将所述密封件(60)保持在压力下之前流过所述通道(75)。
10.一种通过使涡轮发动机(1)中的空气渗漏将至少一个密封件保持在压力下的方法，所述涡轮发动机(1)包括：
-空气压缩级(2)，包括至少一个可动压缩机转轮(20)，
-空气进入管道(4)，联接到所述空气压缩级(2)，
-第一密封装置(54)，布置在所述可动压缩机转轮(20)的前部(56)与所述空气进入管道(4)之间并且包括至少一个密封件(60)，
-通道(45)，用于输送由所述可动转轮(20)压缩的空气，
-第二密封装置(64)，布置在所述可动压缩机转轮(20)的后部(66)与所述输送通道(45)之间并且构造成接收来自所述输送通道(45)的空气流(F2)，
所述方法的特征在于包括以下步骤：使流过所述第二密封装置(64)的空气中的一些(F3)渗漏；以及将所渗漏的空气(F3)输送到所述第一密封装置(54)的密封件(60)以将所述密封件(60)保持在压力下。
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