CN107084244A - 篦齿和浮环组合密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种密封组件，用于轴承腔内润滑油的密封，旋转轴通过设置在轴承腔内的轴承支撑在安装座上，所述密封组件包括：篦齿环，所述篦齿环套在所述旋转轴上，在所述篦齿环的径向外表面上设置有多个篦齿；浮环，所述浮环在径向上设置在所述安装座与所述篦齿环之间，所述浮环的径向内表面与在所述篦齿环的径向外表面上设置的多个篦齿径向地相对。本发明的篦齿环和浮环密封组件涉及航空发动机密封动力学领域，用于航空发动机轴承腔润滑油的高效密封。该结构包括篦齿环和浮环。篦齿环布置在旋转轴上，径向对应静止的浮环，结合了篦齿密封和浮环密封的优点，可以大大提高密封效率，减少润滑油泄漏量。

Description

篦齿和浮环组合密封结构

技术领域

本发明涉及一种适用于航空发动机轴承腔的密封结构。该结构是由篦齿密封和浮环密封组成的新型密封结构，能够满足现代高性能航空发动机对轴承腔内润滑油的密封要求。

背景技术

对于现代高性能航空发动机来说，为了追求更高的推重比和热效率，降低耗油率，控制污染物排放并提高工作寿命，需要不断突破密封技术。研究表明，密封泄漏量每减少1％，可使发动机推力增加1％，耗油率降低0.1％。篦齿密封作为一种传统的密封结构，广泛应用到各型号发动机上。篦齿密封属于非接触密封，利用密封间隙的突扩和突缩增加流阻来阻隔流体泄漏。同时，用来密封液体时，间隙内的液体在高速旋转轴的离心力作用下，可形成一道屏障，从而进一步提升密封效果。篦齿密封的优点是结构简单，性能可靠；其缺点是发动机起停过程中容易发生碰磨，使密封间隙增大进而导致泄漏量大。

与篦齿密封相比，浮环密封的密封间隙相对较小，如果旋转轴和浮环相碰时，浮环可上下浮动而不会磨损，因而密封效果较好，且不会在工作中碰磨使工作间隙加大。发动机正常工作状态时，浮环密封性能可靠，不会出现问题。但是，当发动机停车后，如果润滑油没有全部抽回，而在密封间隙内积存时，就会在高温作用下结焦形成积炭，卡在浮环与旋转轴之间，使浮环不能浮动，在轴的磨损作用下形成大的间隙，引起润滑油量消耗增大进而导致密封失效。

本发明提出篦齿环和浮环密封组件，分别克服了篦齿密封和浮环密封各自的缺点，同时将两者的优点集于一身，整体结构比较简单，加工难度与传统的密封结构无异，但是密封性能却得到大幅提升，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明提出了一种用于航空发动机轴承腔润滑油密封的密封组件，其包括：篦齿环、浮环，二者共同组成一个组合密封单元体，其主要特征是：篦齿环与浮环配对使用，篦齿环与浮环间隙δ按浮环密封结构设计，篦齿环齿顶宽约为传统篦齿环齿顶宽度的2～3倍，使间隙内形成流体膜，同时浮环可以在篦齿环上浮动，充分发挥浮环的作用，保证密封性能和运行可靠性。另一方面，在离心力的作用下，润滑油可以沿篦齿环甩出，以在间隙内形成径向油膜，这进一步加强了密封性能。发动机停车后，润滑油可以流到齿腔内，防止形成积炭并导致磨损，增强了密封结构的寿命。

本发明提出了一种密封组件，用于轴承腔内润滑油的密封，旋转轴通过设置在轴承腔内的轴承支撑在安装座上，密封组件包括：

篦齿环，篦齿环套在旋转轴上，在篦齿环的径向外表面上设置有多个篦齿；

浮环，浮环在径向上设置在安装座与篦齿环之间，浮环的径向内表面与在篦齿环的径向外表面上设置的多个篦齿径向地相对。

根据本发明的密封组件，其中篦齿环与旋转轴一起旋转。

根据本发明的密封组件，其中在篦齿环与浮环之间形成的径向密封间隙在0.02至0.1mm之间。

根据本发明的密封组件，其中篦齿环的多个篦齿的齿高是相等的。

根据本发明的密封组件，其中篦齿环的多个篦齿的齿高呈阶梯状分布。

根据本发明的密封组件，其中在篦齿环的多个篦齿之间形成的篦齿环齿腔的大小是相等的。

根据本发明的密封组件，其中在篦齿环的多个篦齿之间形成的篦齿环齿腔的大小呈阶梯状分布。

根据本发明的密封组件，其中浮环由石墨制成。

根据本发明的密封组件，其中环状挡板与安装座连接，用于限制浮环的轴向运动。

根据本发明的密封组件，其中环状挡板的朝向轴承的表面与浮环接触，环状挡板的远离轴承的表面被弹簧加载。

根据本发明的密封组件，其中弹簧是波形弹簧。

本发明密封结构结合了篦齿环和浮环的优点，同时克服了各自的缺点。体现在：

1、结构简单，布局合理，加工方便，成本可控；

2、浮环可以随篦齿环上下浮动，降低了发生碰磨的概率，提高了运行可靠性；

3、发动机停车后，密封件附近的润滑油可以排走，而密封间隙内的润滑油可以流到齿腔内，避免在密封件周围积存形成积炭导致磨损，保证了浮环密封的运行可靠性。

附图说明

通过参照附图详细描述本发明的实施例，本发明将变得更加清楚，其中：

图1为本发明结构的剖视图；和

图2为篦齿环和浮环单元体的局部放大图。

附图中的附图标记说明如下：

1.旋转轴

2.封严腔

3.篦齿环

4.浮环

5.螺旋挡圈

6.波形弹簧

7.挡板

8.安装座

9.轴承腔

10.轴承

11.封严气

12.润滑油

13.篦齿环齿腔

14.篦齿环和浮环单元体

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图作进一步详细说明。

如图1所示，本发明是一种适用于航空发动机轴承腔的密封组件。其中篦齿环3与浮环4配对使用是本发明区别于其它密封结构的突出特征。本发明的密封组件由篦齿环3、浮环4、螺旋挡圈5、波形弹簧6和挡板7构成。

航空发动机运行过程中，轴承腔9内的轴承10需要一定量的润滑油12进行润滑冷却，为防止润滑油12泄漏，轴承腔9外部布置有密封装置，通过在封严腔2内引入一股压力较高的封严气11来进行密封。将篦齿密封和浮环密封组合起来，即可以充分利用篦齿环3的节流作用，保证密封性能，同时在变工况条件下，浮环4还可以随旋转轴1的旋转而上下浮动，避免了转静碰磨，保证了密封结构的运行可靠性。此外，浮环密封本身密封性能较好，结合篦齿密封以后，在离心力的作用下，润滑油可以沿篦齿环3甩出去，在密封间隙内形成径向油膜，尤其是高转速下，可以有效阻隔润滑油12泄漏。

传统篦齿密封间隙δ一般取0.2～0.3mm，齿顶宽A一般为0.2mm。而浮环密封间隙一般小于0.1mm。因此，此种结构可以采用比传统篦齿密封间隙更小的浮环密封间隙。同时，此种结构用篦齿环3不同于传统篦齿环结构，篦齿环3齿顶宽约为传统篦齿环齿顶宽度的2～3倍。一方面，防止齿顶太尖锐划伤浮环4；另一方面，有利于密封间隙内形成流体膜，充分发挥浮环密封的作用，进一步提升密封性能。本发明经过了CFD和实验验证，在相同供油量条件下，其密封效果比传统篦齿密封的密封效果提高了140％～170％，比浮环密封的密封效果提高了70～80％。

通过上述论述，完全有效地实现了本发明的目的。一般情况下，篦齿环3包括4个齿，也可以是少于4个或多于4个。篦齿环3齿高可以相等，也可以呈阶梯状分布。篦齿环齿腔13大小可以相等，也可以呈阶梯状分布。篦齿环倾斜角α分布在3～15°之间，篦齿环齿距在1～5mm范围内。浮环宽度B在4～9mm之间，浮环高度H在4～8mm范围内，篦齿环与浮环之间的密封间隙δ在0.02～0.1mm之间。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容，篦齿环齿高h、齿顶宽A、齿间距S、篦齿环倾斜角α、浮环宽度B、高度H以及篦齿环与浮环之间的密封间隙δ等均可以改变，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

根据本发明的一个实施例的一种密封组件，用于轴承10的密封，轴承10设置在安装座8和旋转轴1之间，密封组件包括：

篦齿环3，篦齿环3套在旋转轴1上，在篦齿环3的径向外表面上设置有多个篦齿；

浮环4，浮环4设置在安装座8与篦齿环3之间，浮环4的径向内表面与在篦齿环3的径向外表面上设置的多个篦齿径向地相对。

如附图1所示，安装座包括第一安装段和第二安装段。旋转轴通过设置在轴承腔9内的轴承10支撑在安装座8的第一安装段上。浮环4在安装座8的第二安装段处设置在安装座8与篦齿环3之间。

安装座的第二安装段具有向内突起的环状凸台。浮环4的朝向轴承10的一侧抵靠着安装座的第二安装段的环状凸台。浮环4的远离轴承10的一侧抵靠着挡板7，挡板7用于限制浮环4的轴向运动。

根据本发明的一个实施例的密封组件，其中篦齿环3与旋转轴1一起旋转。篦齿环3与旋转轴1之间包括但不限于过盈连接。参照附图1所示，篦齿环3包括环状第一部分，环状第一部分与旋转轴1过盈连接，使得篦齿环3能够与旋转轴1一起旋转。篦齿环3还包括环状第二部分，篦齿环3的环状第二部分从篦齿环3的环状第一部分径向地向外延伸。篦齿环3的环状第二部分的外部径向表面上设置有多个篦齿，在附图1和2中显示出了4个篦齿。如附图2所示，4个篦齿在轴向上的总宽度大致与浮环4在轴向上的宽度一致。因而，篦齿环3的环状第二部分在轴向上的宽度大于浮环4在轴向上的宽度。

根据本发明的一个实施例的密封组件，其中在篦齿环3与浮环4之间形成的径向密封间隙在0.02至0.1mm之间。

根据本发明的一个实施例的密封组件，其中篦齿环3的多个篦齿的齿高h是相等的。

根据本发明的另一个实施例的密封组件，其中篦齿环3的多个篦齿的齿高h呈阶梯状分布。

根据本发明的一个实施例的密封组件，其中在篦齿环3的多个篦齿之间形成的篦齿环齿腔13的大小是相等的。根据本发明的另一个实施例的密封组件，其中在篦齿环3的多个篦齿之间形成的篦齿环齿腔13的大小可以是不相等的。

根据本发明的一个实施例的密封组件，其中浮环4由石墨制成。参照附图2所示，浮环4的内环由石墨制成，外环由金属制成。浮环4的外环在保证浮环4的内环的径向固定的同时，还要保证在变工况条件下，浮环4可以随篦齿环3的旋转而上下浮动。在浮环4的轴向两个外表面上分别地设置有突起，在朝向轴承腔9的一侧上的突起抵靠着安装座8，在朝向封严腔2的一侧上的突起抵靠着环状挡板7。

根据本发明的一个实施例的密封组件，其中在浮环4与安装座8之间轴向地设置有环状挡板7。

根据本发明的一个实施例的密封组件，其中环状挡板7的内表面与浮环4接触，环状挡板7的外表面被弹簧6加载。

根据本发明的一个实施例的密封组件，其中弹簧6是波形弹簧。

参照附图1所示，从封严腔2到轴承腔9依次设置有螺旋挡圈5，波形弹簧6和环状挡板7。环状挡板7在轴向上接触浮环4的朝向封严腔2的一侧上的突起，螺旋挡圈5和波形弹簧6在轴向上为浮环4提供弹性支撑。

已经参照示范性实施例描述了本发明。不过，显而易见，本领域技术人员在上述描述的教导下可明显得出多种可选择的变型和改变。因而，本发明包含落入所附权利要求的精神和范围之内的所有可选择的变型和改变。

虽然已经通过对于结构部件和/或方法作用特定的语言描述了本主题，但是应该理解本文中公开的概念不受限于描述的特定实施例。而是，在上文描述的特定的部件和作用被作为示例形式公开。公开的概念的修改形式的其它示例在没有脱离公开的概念的范围的情况下也是可能的。

Claims (10)

1.一种密封组件，用于轴承腔内润滑油的密封，旋转轴通过设置在轴承腔内的轴承支撑在安装座上，所述密封组件包括：

篦齿环，所述篦齿环套在所述旋转轴上，在所述篦齿环的径向外表面上设置有多个篦齿；

浮环，所述浮环在径向上设置在所述安装座与所述篦齿环之间，所述浮环的径向内表面与在所述篦齿环的径向外表面上设置的多个篦齿径向地相对。

2.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述篦齿环与所述旋转轴一起旋转。

3.根据权利要求1所述的密封组件，其中在所述篦齿环与浮环之间形成的径向密封间隙在0.02至0.1mm之间。

4.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述篦齿环的多个篦齿的齿高是相等的。

5.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述篦齿环的多个篦齿的齿高呈阶梯状分布。

6.根据权利要求1所述的密封组件，其中在所述篦齿环的多个篦齿之间形成的篦齿环齿腔的大小是相等的。

7.根据权利要求1所述的密封组件，其中在所述篦齿环的多个篦齿之间形成的篦齿环齿腔的大小呈阶梯状分布。

8.根据权利要求1所述的密封组件，其中所述浮环由石墨制成。

9.根据权利要求1所述的密封组件，其中环状挡板与所述安装座连接，用于限制所述浮环的轴向运动。

10.根据权利要求9所述的密封组件，其中所述环状挡板通过波形弹簧限制所述浮环的轴向运动。