CN105972216A - 圆周石墨密封装置 - Google Patents

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CN105972216A CN201610584960.6A CN201610584960A CN105972216A CN 105972216 A CN105972216 A CN 105972216A CN 201610584960 A CN201610584960 A CN 201610584960A CN 105972216 A CN105972216 A CN 105972216A
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王晓燕
力宁
周坤
李齐飞
翁泽文
潘君
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Abstract

本发明公开一种圆周石墨密封装置，其包括密封壳体及石墨环组件；密封壳体呈环状结构且固定于轴承腔的安装座，密封壳体至少包括沿径向向密封跑道延伸的径向密封部；石墨环组件呈环状结构且至少包括一个石墨环，石墨环具有朝向径向密封部的径向密封面以及朝向密封跑道的轴向密封面；其中，石墨环组件通过一定位组件定位于密封壳体，使径向密封面抵顶于径向密封部而形成密封，并使轴向密封面与密封跑道的外壁之间形成密封，且轴向密封面与密封跑道的外壁之间具有一间隙。本发明将石墨环组件套设于轴承腔与密封跑道之间，由于石墨环与密封跑道之间为非接触式密封，则允许有少量气体泄漏到轴承腔，进而提升滑油密封效果，且能够减小石墨环的磨损。

Description

圆周石墨密封装置
技术领域
本发明涉及航空涡轴发动机的密封技术领域，具体而言，涉及一种圆周石墨密封装置。
背景技术
航空发动机的主轴承腔密封装置的主要功用是将发动机转子系统的轴承腔与发动机的气流环境有效地隔离，保护轴承和润滑油免受气流流路环境损害，并防止轴承腔内的润滑油泄漏。
现有的主轴承腔密封，能够保护轴承和润滑油免受高压侧高温气体损害，一是需要避免轴承腔内的润滑油进入到高压侧，二是允许有少量高压侧气体进入到轴承腔，防止轴承腔内滑油向外泄漏，同时保证轴承腔内的压力，不致造成回油困难。在现有航空发动机的研发使用中，多采用篦齿密封装置对主轴承腔进行密封。如图1所示，图1中代表性地示出了一种现有的篦齿密封装置的轴向剖视图。篦齿密封装置由封严圈101、耐磨涂层102、篦齿密封件103等组成，一般情况下，篦齿密封件103作为转子，封严圈101和耐磨涂层102作为静子，以防转子和静子相接触产生磨损，因此转子和静子间留有一定间隙，当高压侧300气体进入到转子与静子的间隙时，在篦齿齿间形成漩涡流，使流体产生自密封效应，进而各齿间的流体压力逐级削弱，达到密封效果。同时篦齿齿腔内的漩涡流，在齿腔内产生气动弹性力，该气动弹性力在一定条件下会表现为一种负阻尼力，会引起转子的自激振动，成为造成高速转子振动的重要原因之一，为有效改善气动弹性力对转子振动的影响，采用合理的篦齿密封结构形式，如阶梯式结构、迷宫式结构等，经过多年的发展，提高篦齿密封装置的密封性能的空间较为有限，发动机性能的提升潜力愈发减小。
上述篦齿密封装置属于非接触式密封结构，静子与转子间有间隙，泄漏量大，而且在发动机以慢车状态向最大功率状态的加速过程中，因离心力作用转子急骤膨胀，静子和转子间隙变小，由于篦齿密封装置中转子和静子间无跟随作用，轴的振动和偏移使得篦齿齿尖和涂层磨损，造成不可复原的永久性的间隙增大，封严效果下降。
发明内容
本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种密封效果较佳且寿命较长的圆周石墨密封装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供一种圆周石墨密封装置，密封于航空发动机的轴承腔与高压侧之间，所述航空发动机还包括设于所述轴承腔与所述高压侧之间的密封跑道；其中，所述圆周石墨密封装置包括密封壳体以及石墨环组件；所述密封壳体呈环状结构且固定于所述轴承腔的安装座，所述密封壳体至少包括沿径向向所述密封跑道延伸的径向密封部；所述石墨环组件呈环状结构且至少包括一个石墨环，所述石墨环具有朝向所述径向密封部的径向密封面以及朝向所述密封跑道的轴向密封面；其中，所述石墨环组件通过一定位组件定位于所述密封壳体，使所述径向密封面抵顶于所述径向密封部而形成密封，并使所述轴向密封面与所述密封跑道的外壁之间形成密封，且所述轴向密封面与所述密封跑道的外壁之间具有一间隙。
根据本发明的其中一个实施方式，所述密封壳体包括固定部以及密封部；所述固定部固定于所述安装座；所述密封部连接于所述固定部，所述密封部的轴向截面呈L型，其具有沿轴向向所述高压侧延伸的轴向密封部以及所述径向密封部。
根据本发明的其中一个实施方式，所述定位组件设于所述密封壳体的轴向密封部。
根据本发明的其中一个实施方式，所述定位组件包括弹性卡圈；所述弹性卡圈固定于所述密封壳体且沿径向向所述密封跑道延伸；其中，所述石墨环具有朝向所述高压侧的定位面，所述弹性卡圈抵顶于所述定位面而定位所述石墨环。
根据本发明的其中一个实施方式，所述定位组件还包括波纹弹簧；所述波纹弹簧设于所述弹性卡圈与所述石墨环的定位面之间。
根据本发明的其中一个实施方式，所述定位组件还包括两块环状垫片；所述两块环状垫片分别垫设于所述波纹弹簧与所述弹性卡圈之间以及所述波纹弹簧与所述石墨环的定位面之间。
根据本发明的其中一个实施方式，所述石墨环组件还包括环套；所述环套呈环状结构且套设于所述石墨环的外周。
根据本发明的其中一个实施方式，所述石墨环与所述环套为过盈配合。
根据本发明的其中一个实施方式，所述环套的接触所述石墨环的内圈表面上开设有呈环状的卸荷槽。
根据本发明的其中一个实施方式，所述卸荷槽将所述环套的内圈表面分隔出两个径向间隔的环状接触面，所述两个环状接触面经过吹砂处理。
由上述技术方案可知，本发明提出的圆周石墨密封装置的优点和积极效果在于：
本发明提出的圆周石墨密封装置，利用密封壳体设置石墨环组件，且石墨环组件套设于轴承腔与高压侧之间，使石墨环与密封壳体之间形成径向密封，并使石墨环与密封跑道之间形成轴向密封。通过上述结构设计，本发明提出的圆周石墨密封装置在应用于例如航空涡轴发动机时，能够提供较佳的密封效果。同时，由于石墨环与密封跑道之间为非接触式密封，则允许有少量气体泄漏到轴承腔，进而提升滑油密封效果，且能够减小石墨环的磨损，提高圆周石墨密封装置的使用寿命。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施方式的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是一种现有的篦齿密封装置的轴向剖视图；
图2是根据一示例性实施方式示出的一种圆周石墨密封装置的轴向剖视图；
图3是图2中示出的圆周石墨密封装置的石墨环组件的轴向剖视图；
图4是图3中示出的石墨环组件的环套的轴向剖视图。
其中，附图标记说明如下：
101.封严圈；102.耐磨涂层；103.篦齿密封件；200.轴承腔；201.安装座；300.高压侧；400.密封跑道；500.圆周石墨密封装置；510.密封壳体；511.固定部；5121.径向密封部；5122.轴向密封部；520.石墨环组件；521.石墨环；522.环套；5221.卸荷槽；530.定位组件；531.弹性卡圈；532.波纹弹簧；533.环状垫片；540.固定件；A.径向密封面；B.轴向密封面；C.定位面；D.环状接触面。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本发明。
在对本发明的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“端部”、“之间”、“侧”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。
参阅图2，图2中代表性地示出了能够体现本发明的原理的圆周石墨密封装置500的抽象剖视图。在该示例性实施方式中，本发明提出的圆周石墨密封装置500是以航空涡轴发动机为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将该圆周石墨密封装置500应用于其他种类的发动机中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的圆周石墨密封装置500的原理的范围内。
如图2所示，在本实施方式中，本发明提出的圆周石墨密封装置500能够密封于航空发动机的轴承腔200与高压侧300之间，该航空发动机可例如为航空涡轴发动机，其包括设于轴承腔200与高压侧300之间的密封跑道400。其中，本发明提出的圆周石墨密封装置500主要包括密封壳体510、石墨环组件520以及定位组件530。配合参阅图3和图4，图3中代表性地示出了能够体现本发明的原理的圆周石墨密封装置500的石墨环组件520的轴向剖视图；图4中代表性地示出了能够体现本发明的原理的圆周石墨密封装置500的石墨环组件520的环套522的轴向剖视图。以下结合图2至图4，对本发明提出的圆周石墨密封装置500的各主要结构进行详细说明。
需要说明的是，在以下描述中，为了便于理解与说明，是以航空涡轴发动机的转子的转轴方向为轴向，并以其垂直于该轴向的径向方向为径向而进行说明的。
如图2所示，在本实施方式中，密封壳体510固定于轴承腔200的安装座201上，且以径向的圆周方向环绕密封于密封跑道400与轴承腔200的安装座201(安装座201环绕于密封跑道400轴向上一侧设置)之间，以在位于密封跑道400轴向的两侧的轴承腔200与高压侧300之间形成圆周状密封。其中，密封壳体510主要包括固定部511以及密封部。具体而言，在本实施方式中，固定部511通过例如螺栓的固定件540可拆卸地固定在安装座201上，密封部连接于固定部511。密封部的轴向截面呈L型，其具有沿轴向向高压侧300延伸的轴向密封部5122以及沿径向向密封跑道400延伸的径向密封部5121，且径向密封部5121环绕于密封跑道400而不与其接触。本领域技术人员容易理解的是，为设置该密封壳体510，使其能够固定在安装座201上，且至少具有一径向密封部5121以与石墨环组件520配合形成径向密封(以下将予以详述)，而对上述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的圆周石墨密封装置500的原理的范围内。例如，在本发明的另一示例性实施方式中，密封壳体510的密封部的轴向截面亦可为“工”字型或其它形状。又如，在本发明的其他示例性实施方式中，密封壳体510的密封部亦可不设置轴向密封部5122，而通过其他结构供定位组件530设置于密封壳体510上，并不以此为限。
如图2至图4所示，在本实施方式中，石墨环组件520呈环状结构且包括一个石墨环521和一个环套522。其中，石墨环521呈整环结构且具有朝向径向密封部5121的径向密封面A以及朝向密封跑道400的轴向密封面B。环套522呈环状结构且套设于石墨环521的外周。具体而言，在本实施方式中，石墨环521的截面大致呈方矩形，方矩形的四边分别大致对应径向密封面A、轴向密封面B(即内侧环面)、与定位组件530配合的定位面C以及与环套522配合的外侧环面。优选地，上述定位面C的面积大于径向密封面A的面积，即上述方矩形的截面的朝向定位组件530的一边尺寸大于与其相对的朝向密封壳体510的一边尺寸，从而相对地减小石墨环521与密封壳体510的接触面的面积，相对地增大石墨环521与壳体间的压力，更好地起到二次密封的效果。并且，石墨环521与环套522之间为过盈配合，使得石墨环521在工作温度下与环套522之间不会发生相对转动而影响密封或固定效果。本领域技术人员容易理解的是，为设置该石墨环组件520，使其能够与密封壳体510形成径向密封，并使其能够与密封跑道400的外壁形成轴向密封，而对上述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的圆周石墨密封装置500的原理的范围内。例如，在本发明的其他示例性实施方式中，亦可以其他结构替代环套522，或不设置环套522，并不以此为限。
如图2所示，在本实施方式中，定位组件530能够将石墨环组件520定位于密封壳体510，使石墨环521的径向密封面A抵顶于密封壳体510的径向密封部5121而在径向上形成密封，并使石墨环521的轴向密封面B与密封跑道400的外壁之间在轴向上形成密封，且轴向密封面B与密封跑道400的外壁之间具有一间隙。具体而言，在本实施方式中，定位组件530包括弹性卡圈531、波纹弹簧532以及两块环状垫片533。其中，弹性卡圈531固定于密封壳体510且沿径向向密封跑道400延伸，弹性卡圈531抵顶于石墨环521的朝向高压侧300的定位面C而定位石墨环521。波纹弹簧532设于弹性卡圈531与石墨环521的定位面C之间。两块环状垫片533分别垫设于波纹弹簧532与弹性卡圈531之间以及波纹弹簧532与石墨环521的定位面C之间，使得波纹弹簧532的弹性力不会直接作用到石墨环521的定位面C上，而避免石墨环521的结构被挤压或破坏。由于波纹弹簧532是为整件结构，其提供的弹性力较为均匀，且结构紧凑、所需安装空间小，能降低石墨环组件520的振动及轴向窜动，减小工作噪音，延长圆周石墨密封装置500的使用寿命。通过上述例如波纹弹簧532的弹性定位结构，能让定位组件530通过弹性力使石墨环组件520接触经过研磨的密封壳体510内，形成二次密封面限制径向滑油的泄漏，同时允许石墨环组件520产生径向浮动，适应转子偏心，跟随跑道跳动，因此装设的波纹弹簧532提供合适弹性力，满足石墨环组件520的定位和密封要求。另外，弹性卡圈531能够限制石墨环组件520的轴向位移量。本领域技术人员容易理解的是，为定位该石墨环组件520，使其能够产生径向浮动，并保证径向密封和轴向密封效果，而对上述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的圆周石墨密封装置500的原理的范围内。
另外，在本实施方式中，环套522的材质可以优选为GH4169材料，波纹弹簧532的材质可以优选为GH145材料，使该圆周石墨密封装置500能够适用于较高温度的工作环境，并不以此为限。
需要说明的是，通过上述轴向密封面B与密封跑道400之间具有间隙的密封结构，使本发明提出的圆周石墨密封装置500形成一种非接触式的圆周密封结构，这种结构设计能够满足石墨环521内径较大或工作转速较高时的密封要求，线速度可以达到180m/s。具体而言，基于上述石墨环521与密封跑道400的间隙配合，能填补工作温度下密封跑道400和石墨环521的膨胀量，且保证在工作温度下，石墨环521与密封跑道400仍有一定的间隙值，而减小石墨环521的磨损，提高石墨环521的寿命。由于石墨环组件520可以在密封壳体510内径向移动，在刚开始旋转时，由于零组件装配及安装的误差，石墨环组件520与密封跑道400可能具有不同轴的现象，少许高压侧300的气体进入到间隙中，密封跑道400的旋转作用使得密封跑道400与石墨环组件520之间形成动压浮升力，将石墨环组件520悬浮起来，使得石墨环组件520逐渐与密封跑道400同轴，因此石墨环组件520能适应转子偏心，且能跟随跑道跳动。同时上述间隙的存在允许少许高压侧300的气体进入到轴承腔200，阻止轴承腔200内滑油向外泄漏。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的圆周石墨密封装置500仅仅是能够采用本发明原理的许多种圆周石墨密封装置500中的一个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的圆周石墨密封装置500的任何细节或圆周石墨密封装置500的任何部件。
举例来说，如图3和图4所示，在本实施方式中，环套522的接触石墨环521的内圈表面上开设有呈环状的卸荷槽5221。该卸荷槽5221将环套522的内圈表面分隔出两个径向间隔的环状接触面D，两个环状接触面D经过吹砂处理而过盈配合于石墨环521的外侧环面。通过上述结构设计，进一步增大石墨环521与环套522之间的摩擦力，使其不易脱离环套522，在石墨环521与密封壳体510间的摩擦力及石墨环521与密封跑道400的浮升力共同作用下，使得石墨环组件520与密封跑道400处于同轴状态，且不会任意窜动。
然而，并非在本发明的每一个实施方式中，都必须设置上述卸荷槽5221或必须进行上述吹砂处理。本领域技术人员容易理解的是，为增大石墨环521与环套522之间的摩擦力，而对上述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的圆周石墨密封装置500的原理的范围内。
综上所述，本发明提出的圆周石墨密封装置500，利用密封壳体510设置石墨环组件520，且石墨环组件520套设于轴承腔200与密封跑道400之间，使石墨环521与轴承腔200之间形成径向密封，并使石墨环521与密封跑道400之间形成轴向密封。通过上述结构设计，本发明提出的圆周石墨密封装置500在应用于例如航空涡轴发动机时，能够提供较佳的密封效果。同时，由于石墨环521与密封跑道400之间为非接触式密封，则允许有少量气体泄漏到轴承腔200，进而提升滑油密封效果，且能够减小石墨环521的磨损，提高圆周石墨密封装置500的使用寿命。
以上详细地描述和/或图示了本发明提出的圆周石墨密封装置的示例性实施方式。但本发明的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
虽然已根据不同的特定实施例对本发明提出的圆周石墨密封装置进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明的实施进行改动。

Claims (10)

1.一种圆周石墨密封装置(500)，密封于航空发动机的轴承腔(200)与高压侧(300)之间，所述航空发动机还包括设于所述轴承腔(200)与所述高压侧(300)之间的密封跑道(400)；其特征在于，所述圆周石墨密封装置(500)包括：
密封壳体(510)，呈环状结构且固定于所述轴承腔(200)的安装座(201)，所述密封壳体(510)至少包括沿径向向所述密封跑道(400)延伸的径向密封部(5121)；以及
石墨环(521)组件(520)，呈环状结构且至少包括一个石墨环(521)，所述石墨环(521)具有朝向所述径向密封部(5121)的径向密封面(A)以及朝向所述密封跑道(400)的轴向密封面(B)；
其中，所述石墨环(521)组件(520)通过一定位组件(530)定位于所述密封壳体(510)，使所述径向密封面(A)抵顶于所述径向密封部(5121)而形成密封，并使所述轴向密封面(B)与所述密封跑道(400)的外壁之间形成密封，且所述轴向密封面(B)与所述密封跑道(400)的外壁之间具有一间隙。
2.根据权利要求1所述的圆周石墨密封装置(500)，其特征在于，所述密封壳体(510)包括：
固定部(511)，固定于所述安装座(201)；以及
密封部，连接于所述固定部(511)，所述密封部的轴向截面呈L型，其具有沿轴向向所述高压侧(300)延伸的轴向密封部(5122)以及所述径向密封部(5121)。
3.根据权利要求2所述的圆周石墨密封装置(500)，其特征在于，所述定位组件(530)设于所述密封壳体(510)的轴向密封部(5122)。
4.根据权利要求1所述的圆周石墨密封装置(500)，其特征在于，所述定位组件(530)包括：
弹性卡圈(531)，固定于所述密封壳体(510)且沿径向向所述密封跑道(400)延伸；
其中，所述石墨环(521)具有朝向所述高压侧(300)的定位面(C)，所述弹性卡圈(531)抵顶于所述定位面(C)而定位所述石墨环(521)。
5.根据权利要求4所述的圆周石墨密封装置(500)，其特征在于，所述定位组件(530)还包括：
波纹弹簧(532)，设于所述弹性卡圈(531)与所述石墨环(521)的定位面(C)之间。
6.根据权利要求5所述的圆周石墨密封装置(500)，其特征在于，所述定位组件(530)还包括：
两块环状垫片(533)，分别垫设于所述波纹弹簧(532)与所述弹性卡圈(531)之间以及所述波纹弹簧(532)与所述石墨环(521)的定位面(C)之间。
7.根据权利要求1至6任一项所述的圆周石墨密封装置(500)，其特征在于，所述石墨环(521)组件(520)还包括：
环套(522)，呈环状结构且套设于所述石墨环(521)的外周。
8.根据权利要求7所述的圆周石墨密封装置(500)，其特征在于，所述石墨环(521)与所述环套(522)为过盈配合。
9.根据权利要求7所述的圆周石墨密封装置(500)，其特征在于，所述环套(522)的接触所述石墨环(521)的内圈表面上开设有呈环状的卸荷槽(5221)。
10.根据权利要求9所述的圆周石墨密封装置(500)，其特征在于，所述卸荷槽(5221)将所述环套(522)的内圈表面分隔出两个径向间隔的环状接触面(D)，所述两个环状接触面(D)经过吹砂处理。
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