CN106761956B - 一种利用轴向与径向篦齿相结合的航空发动机转静系密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用轴向与径向篦齿相结合的航空发动机转静系密封方法，属于航空发动机转静封严技术领域。所述的密封方法在轴向篦齿的基础上增加了径向篦齿和径向篦齿封严衬套，径向篦齿的转盘B中心线与轴向篦齿的转盘A中心线一致，径向篦齿分布方向与轴向篦齿分布方向垂直；径向篦齿封严衬套也紧贴着轴向篦齿封严衬套安装固定，最终形成的封闭的结构。本发明利用径向篦齿结构，径向篦齿封严衬套设计成带一圈一圈挡板形式，大大降低了篦齿的直通效应，同时气流流向不断发生变化，产生了较大的局部损失以及更多的旋涡耗散，最终可达到降低泄漏量的目的。

Description

一种利用轴向与径向篦齿相结合的航空发动机转静系密封 装置

技术领域

本发明涉及一种利用轴向与径向篦齿相结合的航空发动机转静系密封装置，属于航空发动机转静封严技术领域。

背景技术

航空发动机是飞机的心脏，其对飞机性能起着决定性的作用。随着现代航空工业的发展，航空发动机“三高四低一长”的发展趋势已经形成(高安全性，高可靠性，高性能，低油耗，低噪声，低污染，低维修成本和长寿命)，这使得航空发动机内流系统面临着更大的挑战。“三高四低一长”的发展要求带来的发动机内部温度与压力的大幅升高，导致整个内流系统泄漏量增加，而封严技术又是影响发动机性能的关键因素。因此为了减少内流系统泄漏量，设计和改进封严部件以及封严方法的工作显得尤为重要。

目前而言，篦齿封严被广泛应用于航空发动机内流系统中，其属于非接触密封，主要用于旋转件与静止件之间的密封。篦齿封严的主要原理是：利用一系列突扩突缩的流道实现流体能量的转换与耗散，从而达到减少流体的整体动能，最终实现减少泄漏的目的。篦齿封严具有结构简单、成本低、易于维护以及可靠性高等优点，这也就意味着其在旋转机械的密封中仍存在很大的优势，同时也说明篦齿封严结构的改型将会对整个航空发动机的内流泄漏问题产生重大影响。

国内外研究表明，篦齿封严效果的好坏对未来整个发动机的性能的提高起着决定性的作用。而目前对于涡轮部件转静件之间的封严篦齿结构上的改型主要针对以下几个参数：节流间隙c，齿距B，齿高H，齿顶厚t，齿数N以及齿倾斜角度α，这些结构上的改型主要利用了轴向空间来对轴向流动进行限制，而实际上只利用轴向空间进行改型的篦齿，其密封性能也已经无法取得较大的突破。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种轴向与径向篦齿相结合的航空发动机转静系密封的装置，主要通过改变气流流向来增加局部损失以及增加旋涡耗散的手段，达到减少篦齿泄漏量的目的。

在利用轴向与径向篦齿相结合进行密封的装置中，包括的具体结构有：轴向篦齿及轴向篦齿封严衬套，径向篦齿及径向篦齿封严衬套。轴向篦齿加工在转盘A外缘面上，轴向篦齿封严衬套安装固定于发动机静止件上，径向篦齿加工在转盘B的一侧端面，转盘B另一侧端面紧贴着轴向篦齿的转盘A安装固定，进一步，径向篦齿封严衬套也紧贴着轴向篦齿封严衬套安装固定，最终形成的封闭的结构。

轴向篦齿与径向篦齿的齿数相同。轴向篦齿封严衬套为薄壁管状结构，而径向篦齿封严衬套在径向方向分布着一圈一圈的挡板，装配完成后，其余挡板与径向篦齿交叉分布。

篦齿的工作环境是其进出口具有较大的压差，以轴向篦齿为高压进口端，径向篦齿为低压出口端进行原理分析。高压气体经过轴向篦齿封严间隙时，压力势能转化为动能，同时由于封严间隙出口速度很高，下游齿腔将形成旋涡，部分动能通过湍流旋涡耗散为热能。

高速气流通过轴向篦齿后，进入衬套腔室，同时在衬套腔室内形成旋涡，由于最外层的挡板存在，流向发生变化并进入过渡腔，由于挡板和径向篦齿的存在，迫使气流不断的改变流向，在径向篦齿齿腔底部(挡板顶部与篦齿根部形成的空间)以及径向篦齿封严衬套底部(篦齿顶部与挡板底部形成的空间)产生了一系列的旋涡，增加了湍流旋涡耗散。CFD计算结果表明，利用轴向与径向篦齿结合的方法，迫使气流方向不断变化，产生局部损失以及更多的旋涡，能够切实有效的减少篦齿的泄漏量。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明着眼于利用径向篦齿结构，迫使气流流向发生变化，产生局部损失以及更多的旋涡耗散，从而达到降低泄漏量的目的。

(2)考虑到航空发动机转轴允许微小的轴向移动，经过计算发现，如果径向篦齿的封严衬套是光滑的圆形板状结构，即径向不带挡板，一旦径向篦齿的封严间隙加大，则其直通效应明显增强，旋涡耗散明显不足，导致其封严效果几乎没有意义。因此为了满足航空发动机转轴允许有微小轴向移动的要求，径向篦齿的封严衬套设计成带一圈一圈挡板形式的，计算发现，这样的设计不仅对轴向移动不敏感，同时产生了更好的封严效果，其原因就是大大降低了篦齿的直通效应，同时气流流向不断发生变化，产生了较大的局部损失以及更多的旋涡耗散，最终可达到降低泄漏量的目的。

附图说明

图1是轴向篦齿的结构示意图；

图2是轴向篦齿封严衬套的结构示意图；

图3是径向篦齿的结构示意图；

图4是径向篦齿封严衬套的结构示意图；

图5是本发明中轴向篦齿和径向篦齿相结合进行密封的总体结构示意图。

图中：

1.轴向篦齿； 2.转盘A； 3.轴向篦齿封严衬套； 4.径向篦齿；

5.转盘B； 6.径向篦齿封严衬套； 7.挡板； 8.衬套顶盘；

9.齿腔； 10.衬套腔室； 11.过渡腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供一种利用轴向与径向篦齿相结合的航空发动机转静系密封装置进行详细说明。

本发明提供一种利用轴向与径向篦齿相结合进行密封的装置，所述的密封装置在轴向篦齿的基础上增加了径向篦齿和径向篦齿封严衬套，径向篦齿的转盘B中心线与轴向篦齿的转盘A中心线一致，径向篦齿分布方向与轴向篦齿分布方向垂直。

如图1和图2所示，所述的轴向篦齿1加工在转盘A1的外缘面上，所述的轴向篦齿封严衬套3为薄壁管状结构，轴向篦齿封严衬套3内径大于转盘A的齿顶圆外径，轴向篦齿封严衬套3径向长度大于转盘A2径向厚度。所述的轴向篦齿封严衬套3套在轴向篦齿1外侧，并安装固定于发动机静止件上。如图3和图4所示，所述的径向篦齿4加工在转盘B5的一侧端面，为与转盘B5同轴的多个圆环凸起结构，转盘B5另一侧端面与转盘A2的一侧端面紧密贴合固定。所述的径向篦齿封严衬套6的结构包括衬套顶盘8和挡板7，所述的挡板7加工在衬套顶盘8的一侧端面，为与衬套顶盘8同轴的一圈一圈的圆环形凸起结构。所述的挡板7的数量比径向篦齿4数量多一个，最外层的挡板7最长，该最长挡板所处位置半径介于轴向篦齿转盘A半径与轴向篦齿齿顶圆半径之间，其余挡板等间距设置。安装完成后，其余挡板7与径向篦齿交错分布。在最外层的挡板7两侧分别形成衬套腔室10和过渡腔11。所述的转盘A2的齿根圆直径等于转盘B5的外径。衬套顶盘8的外径等于轴向篦齿封严衬套3的外径。径向篦齿封严衬套6的边缘与轴向篦齿封严衬套3的端面紧密贴合安装固定，最终形成的结构如图5所示，轴向篦齿1和径向篦齿4同时封严在所述的径向篦齿封严衬套6与轴向篦齿封严衬套3形成的结构的内部。所述的转盘A2、转盘B5和衬套顶盘8同轴安装。

如图5所示的实施例中，轴向篦齿1与径向篦齿4的齿数都为3，径向篦齿封严衬套6上挡板7数量为四个。径向篦齿4延伸长度小于转盘B5的径向厚度，转盘B5的径向厚度小于转盘A2的径向厚度。轴向篦齿1与轴向篦齿封严衬套3之间形成2个齿腔9。在轴向篦齿封严衬套3和径向篦齿封严衬套6的连接处形成一个衬套腔室10，径向篦齿封严衬套6上的第一个长挡板7即位于所述的衬套腔室10内，长挡板的高度为短挡板高度与径向齿盘B5厚度之和，轴向高度大于转盘A2的齿根圆直径，小于转盘A2的齿顶圆直径。

工作原理：

篦齿的工作环境是进出口具有较大的压差，以轴向篦齿1为高压进口端，径向篦齿4为低压出口端进行原理分析。高压气体经过轴向篦齿1和轴向篦齿封严衬套3的间隙时，压力势能转化为动能，同时由于轴向篦齿1和轴向篦齿封严衬套3之间的间隙出口速度很高，下游齿腔9内将形成旋涡，部分动能通过湍流旋涡耗散为热能。

如图5所示，高速气流通过轴向篦齿1后，进入衬套腔室10，同时在衬套腔室10内形成旋涡，由于最外层的挡板7存在，流向发生变化并进入过渡腔11，由于挡板7和径向篦齿4的存在，迫使气流不断的改变流向，在径向篦齿4齿腔底部(挡板顶部与篦齿根部形成的空间)以及径向篦齿封严衬套6底部(篦齿顶部与挡板底部形成的空间)产生了一系列的旋涡，增加了湍流旋涡耗散。CFD计算结果表明，利用轴向篦齿1与径向篦齿4结合的方法，迫使气流方向不断变化，产生局部损失以及更多的旋涡，能够切实有效的减少篦齿的泄漏量。

具体实施步骤如下：

第一步：安装轴向篦齿及其封严衬套。首先是加工好的轴向篦齿1与转动件连接好，保证其转动中心与转轴的转动中心一致。其次是将轴向篦齿封严衬套3与静止件连接，并保证轴向篦齿1与轴向篦齿封严衬套3的间隙为发动机设计值。

轴向篦齿1安装成功后，最基本的航空发动机篦齿封严结构就完成了，气流经过轴向篦齿1后会通过旋涡耗散等损失部分能量，流出轴向篦齿1时具有较大的轴向速度。

第二步：安装径向篦齿及其封严衬套。径向篦齿1通过焊接或螺栓固定在轴向篦齿1的侧面，而径向篦齿封严衬套6通过焊接或螺栓固定在轴向篦齿封严衬套3上。安装时注意径向篦齿封严衬套6与径向篦齿4之间、径向篦齿封严衬套6和第3级轴向篦齿(即图5中最左侧的轴向篦齿)之间应当预留一定的距离(此距离需结合不同型号发动机转子所允许的轴向移动距离才能给出，以不发生碰摩为基准)，以满足转子的轴向移动，防止出现径向篦齿4与径向篦齿封严衬套6相互接触摩擦的情况出现。

径向篦齿安装成功后，从轴向篦齿1出来的高速气流受到径向篦齿封严衬套6的阻碍，不得不被迫改变流向，产生较大的局部损失，同时在衬套腔室10形成旋涡。改变方向的气流再沿着径向进入径向篦齿4与径向篦齿封严衬套6形成的弯曲流道，之后由于挡板7的存在，气流流向仍然会不断发生变化，产生了较大的局部损失以及更多的旋涡耗散，最终使得通过上述设计件的泄漏流量远远小于仅有轴向篦齿的情况。

Claims (1)

1.一种利用轴向与径向篦齿相结合的航空发动机转静系密封装置，其特征在于：所述的密封装置在轴向篦齿和轴向篦齿封严衬套的基础上增加了径向篦齿和径向篦齿封严衬套，径向篦齿的转盘B中心线、径向篦齿封严衬套的衬套顶盘中心线与轴向篦齿的转盘A中心线一致，径向篦齿分布方向与轴向篦齿分布方向垂直；

所述的轴向篦齿加工在转盘A的外缘面上，所述的轴向篦齿封严衬套为薄壁管状结构，轴向篦齿封严衬套内径大于转盘A的齿顶圆外径，轴向篦齿封严衬套径向长度大于转盘A径向厚度；所述的轴向篦齿封严衬套套在轴向篦齿外侧，并安装固定于发动机静止件上；所述的径向篦齿加工在转盘B的一侧端面，为与转盘B同轴的多个圆环凸起结构，转盘B另一侧端面与转盘A的一侧端面紧密贴合固定；

所述的径向篦齿封严衬套的结构包括衬套顶盘和挡板，所述的挡板加工在衬套顶盘的一侧端面，为与衬套顶盘同轴的一圈一圈的圆环形凸起结构；所述的挡板的数量比径向篦齿数量多一个，最外层的挡板最长，最外层的挡板所处位置的半径介于轴向篦齿转盘A半径与轴向篦齿齿顶圆半径之间，其余挡板等间距设置；安装完成后，其余挡板与径向篦齿交错分布；在最外层的挡板两侧分别形成衬套腔室和过渡腔；

所述的转盘A的齿根圆直径等于转盘B的外径；衬套顶盘的外径等于轴向篦齿封严衬套的外径；径向篦齿封严衬套的边缘与轴向篦齿封严衬套的端面紧密贴合安装固定，轴向篦齿和径向篦齿同时封严在所述的径向篦齿封严衬套与轴向篦齿封严衬套形成的结构的内部；

以轴向篦齿为高压进口端，径向篦齿为低压出口端，高压气体经过轴向篦齿和轴向篦齿封严衬套的间隙时，压力势能转化为动能，同时轴向篦齿和轴向篦齿封严衬套之间的间隙内将形成旋涡，通过湍流旋涡耗散为热能；高速气流通过轴向篦齿后，进入衬套腔室，同时在衬套腔室内形成旋涡，由于最外层的挡板存在，流向发生变化并进入过渡腔，由于其余挡板和径向篦齿的存在，迫使气流不断的改变流向，在径向篦齿齿腔底部以及径向篦齿封严衬套底部产生了一系列的旋涡，增加了湍流旋涡耗散；所述径向篦齿封严衬套底部为径向篦齿顶部与其余挡板底部形成的空间。