CN105545375B - 双梁指尖密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双梁指尖密封装置，其由前挡板、中间支板、后挡板、双梁指尖片及单梁指尖片组成。其中所述双梁指尖密封装置固定在发动机的支座上，固定方式可以靠螺母、紧配合、焊接等。本发明双梁指尖密封在减小指尖密封气体泄漏量，减小升力靴与转子之间的摩擦磨损以及提高指尖密封抗压性能的同时，基本保留了常规非接触指尖密封的最优性能。

Description

双梁指尖密封装置

技术领域

本发明专利属于航空发动机设计领域，涉及用于发动机空气流路的气体封严装置。

背景技术

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。指尖密封根据工作原理可以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，多层指尖片固定在密封座上，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。

接触式指尖密封指尖片与密封跑道在工作过程中直接接触，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，密封发热量越大，当温度超过摩擦许用温度时磨损加剧，指尖密封使用寿命缩短。同时，高温、高速和高封严压差的工作条件将影响工作面的最高温度。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值，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”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。这将使密封靴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。非接触指尖密封低压侧指尖片一般为“L”形薄壁结构，极易变形，因此在大封严压差下难以保证封严性能，而且在加工制造方面也存在难度，限制了应用推广。此外，在其对应的密封跑道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。

为了提高非接触指尖密封的封严性能，国外申请了一种“双升力靴指尖密封”发明专利(US20080122183A1)。该结构在传统非接触指尖密封结构接触上增加了高压侧升力靴，其设计理念是通过高、低压侧升力靴的配合来降低泄漏率。相同的解决非接触密封问题的方法也体现在国外专利“带升力靴的非接触指尖密封”的发明专利(US005755445A)，该结构的高压侧升力靴朝向与低压侧升力靴朝向相反，并在靴底增加引气槽。但这两种非接触指尖密封结构都没有解决升力靴变形不均匀、轴向气体载荷大、气体静压导致升力靴翘起从而引起泄漏量增加的问题。

发明内容

本发明的目的：提供一种泄漏率低、耐压能力高的非接触指尖密封方案，本方案能显著提高指尖密封的工作能力(允许使用压差、使用温度和摩擦线速度)和封严性能。

本发明的技术方案：一种双梁指尖密封装置，其由前挡板、中间支板、后挡板、双梁指尖片及单梁指尖片组成。其中所述双梁指尖密封装置固定在发动机的支座上，固定方式可以靠螺母、紧配合、焊接等。

所述单梁指尖片从其内径处开有缝隙，缝隙之间为指身和密封靴。

所述双梁指尖片的截面为“U”形，从其内径处开有缝隙，缝隙之间为指身和升力靴，每个升力靴前后有两个指身。

所述单梁指尖片和双梁指尖片上设有若干装配孔，且相邻单梁指尖片或双梁指尖片之间成对的装配孔交错排列。每个单梁指尖片或双梁指尖片的指身间的缝隙正好位于相邻单梁指尖片或双梁指尖片指身的正中位置。

所述单梁指尖片和双梁指尖片上开有若干通气孔。

所述单梁指尖片和双梁指尖片由金属或C/C复合材料制成。

所述双梁指尖片的两个指身中间设有环形结构的中间支板，所述中间支板的作用是对双梁指尖片进行支撑，也可以通过结构设计使中间支板与双梁指尖片配合起到密封作用。

所述单梁指尖片、双梁指尖片、中间支板、前挡板和后挡板采用铆钉铆接或焊接方式连接。

所述双梁指尖片与轴或转子采用间隙配合。

所述前挡板、后挡板均为环形的板状结构，其作用是对单梁指尖片或双梁指尖片进行支撑和保护。

所述后挡板上开有环形或弧线形的压力平衡腔。

本发明的有益效果：本发明双梁指尖密封在减小指尖密封气体泄漏量，减小升力靴与转子之间的摩擦磨损以及提高指尖密封抗压性能的同时，基本保留了常规非接触指尖密封的最优性能。

相较于以往的非接触指尖密封，本发明双梁指尖密封几乎不增加指尖密封的加工成本，但对指尖密封的密封性能有着明显的提高。第一，以往“L”型的指尖密封结构，其升力靴采用悬臂梁结构，这样在高低压腔流体压力及转子的高速旋转的工况下，虽然可以在升力靴和转子之间形成压力气膜，但升力靴在轴向方向会不可避免的向外径翘曲，当转子径向跳动时，升力靴与转子就有可能发生碰磨。而双梁指尖密封巧妙的避免了悬臂梁结构，其指身和升力靴沿轴向方向的“U”形结构，增大了整个指尖片的刚度，大大改善了升力靴的翘曲问题；第二，“双升力靴指尖密封”及“带升力靴的非接触指尖密封”由于其结构特点，也存在升力靴变形不均匀、气体静压导致升力靴翘曲的问题，而双梁指尖密封的“U”形结构，使升力靴的径向变形更小，且变形在轴向方向上更为均匀，改善了升力靴的翘曲问题，从而降低密封装置的泄漏量，提高升力靴底部气膜的承压能力，减小升力靴与密封跑道之间的摩擦发热量；第三，“L”型的指尖密封、“双升力靴指尖密封”以及“带升力靴的非接触指尖密封”由于其结构特点，都需要在挡板与升力靴之间要留有2～5mm的保护高度，再加上升力靴的厚度，导致指尖片要承受很大的轴向气体压力,从而导致密封装置的抗压能力弱。而双梁指尖密封结构很好的避免了这个问题，提高了整个密封装置的抗压能力。

此外，本发明双梁指尖密封可以通过结构设计，使气流通过升力靴时产生动压和静压作用，使升力靴与轴或转子始终保持较小间隙，既避免了磨损又降低了泄漏。因此，与常规非接触指尖密封相比，本发明双梁指尖密封装置的泄漏量更小，摩擦磨损更小，抗压性能更好，且允许使用温度更高，寿命更高，密封性能更好。

附图说明

图1是本发明双梁指尖密封装置第一实施方式的结构示意图；

图2是图1中单梁指尖片5的结构示意图；

图3是图1中双梁指尖片4的结构示意图；

图4是本发明双梁指尖密封第二实施方式的结构示意图；

图5是本发明双梁指尖密封可产生的楔形气膜的示意图；

图6是本发明双梁指尖密封第三实施方式的结构示意图；

图7是本发明双梁指尖密封第四实施方式的结构示意图；

其中，1-前挡板、2-中间支板、3-后挡板、4-双梁指尖片、5-单梁指尖片、6-遮流片、7-指身、8-密封靴、9-转子、10-升力靴、11-装配孔、12-螺栓、13-支座。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

请参阅图1，其是本发明双梁指尖密封装置一较佳实施方式的结构示意图。所述双梁指尖密封装置由前挡板1、中间支板2、后挡板3、双梁指尖片4、单梁指尖片5及遮流片6组成。所述前挡板1是一块环形的板状结构，主要作用是对单梁指尖片5进行支撑和保护。中间支板2也是一块环形的板状结构，主要作用是对双梁指尖片4进行支撑，并与双梁指尖片4配合形成第一道密封。后挡板3也是一块环形的板状结构，主要作用是对双梁指尖片4进行支撑和保护，并与双梁指尖片4形成第二道密封。所述单梁指尖片5是一叠精密机械加工的金属箔片，与传统指尖密封的指尖片结构相似，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7和密封靴8。指身7是一个细长的曲梁结构，在靠近内径处变成与转子9接触的密封靴8。所述双梁指尖片4是一个截面为“U”形的环形箔片，在内径处也用机械方法加工出一系列的指身7和升力靴10，每个升力靴10前后有两个指身7。每个单梁指尖片5和双梁指尖片4还有一系列的成对的装配孔11。装配时将成对的孔交错排列，以便使每层指身7的缝隙被相邻层的指身7覆盖。所述前挡板1、中间支板2、后挡板3、双梁指尖片4、单梁指尖片5及遮流片6采用铆钉铆接或焊接的方法连接在一起做成双梁指尖密封组件。所述双梁指尖密封装置用螺栓12固定在发动机的支座13上，升力靴10与发动机转子9配合形成主密封面。本实施方式中，密封直径700mm，指尖片厚度0.3mm，指身数量230个，指身长度30mm，双梁指尖片总宽度8mm，双梁指尖片升力靴厚度4mm，单梁指尖片数量3个，双梁指尖片与转子之间的间隙1mm。

本发明双梁指尖密封根据使用条件与轴或转子采用很小的间隙配合，交错排列的指身7和与转子接触的升力靴10阻止气流的通过。所述双梁指尖片4其截面为“U”形，避免了“L”型指尖密封的悬臂梁结构，从而大大增加了升力靴10的支撑刚度。所以与其他非接触指尖密封相比，双梁指尖密封的径向变形更小，且变形在轴向方向上更为均匀，从而降低密封装置的泄漏量，提高升力靴10底部气膜的承压能力，减小升力靴10与密封跑道之间的摩擦发热量，提高整个密封装置的使用温度及使用寿命。

请参阅图4，其是本发明双梁指尖密封第二实施方式的结构示意图。本实施方式中，所述双梁指尖密封装置由前挡板1、中间支板2、后挡板3、双梁指尖片4及单梁指尖片5组成。中间支板2与第一实施方式相比，简化了零件结构，其作用仅是对双梁指尖片4进行支撑。双梁指尖片4安装于双梁指尖密封装置的高压侧。当气体力对升力靴10产生一个向下的静压作用力时，使升力靴10产生一个向密封跑道方向的变形，而由于双梁指尖片4自身的结构，升力靴10在指身7指尖部位的变形最大，指身7根部的变形最小，因此就会在指身7与转子9之间形成一层楔形气膜(参阅图5)，而由于转子9转速和楔形气膜的作用，就会对升力靴10产生一个向上的动压作用力。升力靴10在气体的静压和动压作用力的共同作用下，一方面保证升力靴10与转子9之间的间隙不会增大，从而保证了气体泄漏量不会增大，另一方面，避免了升力靴10在径向方向上翘曲的问题，也就减少了升力靴10与转子9碰磨的风险，并减少了气体泄漏量，提高了密封性能。本实施方式中，密封直径60mm，指尖片厚度1.5mm，指身数量36个，指身长度10mm，双梁指尖片总宽度5mm，双梁指尖片升力靴厚度2mm，单梁指尖片数量2个，双梁指尖片与转子之间的间隙0.008mm。

上述两个实施方式揭示了本发明双梁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。如本发明双梁指尖密封装置中单梁指尖片的层数可根据实际需求添加或减少，双梁指尖片的个数也不限于一片，且最多个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。此外，双梁指尖片也可根据实际需要置于密封装置的不同位置，中间支板的结构也可根据实际需求进行改动(参阅图6)，双梁指尖片的尺寸也不一定要与单梁指尖片相同，可根据实际需要进行调整，还可根据需求在双梁指尖片上开引气槽(参阅图7)，双梁指尖片与转子之间的间隙也可根据实际需要进行调整。

Claims (6)

1.一种双梁指尖密封装置，其特征在于，包括前挡板(1)、中间支板(2)、后挡板(3)、双梁指尖片(4)及单梁指尖片(5)；其中，单梁指尖片(5)从其内径处开有缝隙，缝隙之间为指身和密封靴，双梁指尖片(4)的截面为“U”形，从其内径处开有缝隙，缝隙之间为指身和升力靴，每个升力靴前后有两个指身；单梁指尖片(5)和双梁指尖片(4)上设有若干装配孔(11)，且相邻单梁指尖片(5)或双梁指尖片(4)之间成对的装配孔(11)交错排列；每个单梁指尖片(5)或双梁指尖片(4)的指身间的缝隙正好位于相邻单梁指尖片(5)或双梁指尖片(4)指身的正中位置；单梁指尖片(5)和双梁指尖片(4)上还开有若干通气孔。

2.根据权利要求1所述的双梁指尖密封装置，其特征在于，所述的单梁指尖片(5)和双梁指尖片(4)由金属或C/C复合材料制成。

3.根据权利要求1所述的双梁指尖密封装置，其特征在于，所述双梁指尖片(4)的两个指身中间设有环形结构的中间支板(2)，所述中间支板(2)的作用是对双梁指尖片(4)进行支撑。

4.根据权利要求1所述的双梁指尖密封装置，其特征在于，所述单梁指尖片(5)、双梁指尖片(4)、中间支板(2)、前挡板和后挡板(3)采用铆钉铆接或焊接方式连接。

5.根据权利要求1所述的双梁指尖密封装置，其特征在于，所述双梁指尖片(4)与轴或转子采用间隙配合。

6.根据权利要求1所述的双梁指尖密封装置，其特征在于，所述前挡板、后挡板(3)均为环形的板状结构，其作用是对单梁指尖片(5)或双梁指尖片(4)进行支撑和保护，所述后挡板(3)上开有环形或弧线形的压力平衡腔。