CN107435592A - 用于燃气涡轮发动机的轴间密封系统及其组装方法 - Google Patents

用于燃气涡轮发动机的轴间密封系统及其组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮发动机的轴间密封系统及其组装方法。用于在可在涡轮发动机(10)内围绕公共轴线(12)旋转的内轴(108)与外轴(106)之间使用的密封组件(104)包括一对端环(122、124)和在一对端环之间联接的多个密封元件(126)。各端环包括沿轴向方向延伸的凸缘(134、136)，并且，各密封元件包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩(170、172)。密封组件还包括一对保持环(128、130)。各保持环定位于一对台肩中的一个台肩与一对端环凸缘中的对应的一个端环凸缘之间。

Description

用于燃气涡轮发动机的轴间密封系统及其组装方法
关于联邦政府资助的研究和开发的声明
在政府支持下，根据由美国空军授予的合同编号FA8650-09-D-2922而作出本发明。政府享有本发明中的某些权利。
技术领域
本公开总体上涉及飞机发动机中的轴间密封的系统及方法。更具体地，本公开涉及能够提供可围绕公共轴线旋转的内轴与外轴之间的密封的轴间密封组件。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮发动机，比如涡扇，包括风扇、核心发动机以及动力涡轮。核心发动机包括以串流的关系联接在一起的至少一个压缩机、燃烧器以及高压涡轮。更具体地，压缩机和高压涡轮通过轴而联接，以形成高压转子组件。使进入燃烧器的空气与燃料混合而点燃，以形成高能气流。高能气流流过高压涡轮，从而可旋转地驱动高压涡轮，使得轴可旋转地驱动压缩机。随着气流流过定位于高压涡轮的后部的动力或低压涡轮，气流膨胀。低压涡轮包括转子组件，转子组件具有与驱动轴联接的风扇。低压涡轮通过驱动轴而可旋转地驱动风扇。
压缩机和涡轮通常通过包括至少一个轴间环密封组件的一些同轴式轴而联接。至少一些已知的环密封件与内轴联接，且与内轴一起旋转。当环密封件安装于轴间系统内时，密封件将小的力施加至外轴的内径上。在运行的期间，至少一些已知的环密封件与外轴接触，并且，在形成于内轴中的通道内自旋。沿着环密封件的径向载荷受到轴间的压力和作用于密封件上的离心力的影响。沿着环密封件的轴向载荷受到压力构件的影响。
发明内容
在一个方面，提供用于在可在涡轮发动机内围绕公共轴线旋转的内轴与外轴之间使用的密封组件。密封组件包括一对端环和在一对端环之间联接的多个密封元件。各端环包括沿轴向方向延伸的凸缘，并且，各密封元件包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩。密封组件还包括一对保持环。各保持环定位于一对台肩中的一个台肩与一对端环凸缘中的对应的一个端环凸缘之间。
在另一方面，提供用于具有集油槽区域的燃气涡轮发动机的密封系统。密封系统包括内轴和可与内轴一起围绕公共轴线旋转的外轴。密封系统还包括密封组件，密封组件与内轴联接，并且，配置成将集油槽区域的高压区从集油槽区域的低压区密封。密封组件包括一对端环和在一对端环之间联接的多个密封元件。各端环包括沿轴向方向延伸的凸缘，并且，各密封元件包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩。密封组件还包括一对保持环。各保持环定位于一对台肩中的一个台肩与一对端环凸缘中的对应的一个端环凸缘之间。
在又一方面，提供组装用于涡轮发动机的密封系统的方法。方法包括将外轴从内轴向外沿径向定位，以将间隙限定于其间，使得内轴和外轴可围绕公共轴线旋转。方法还包括将一对端环与内轴联接，其中，各端环包括沿轴向方向延伸的凸缘。多个密封元件在端环之间联接，其中，各密封元件包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩。该方法还包括，将一对保持环联接在一对台肩中的一个台肩与一对端环凸缘中的一个端环凸缘之间。
根据本发明，提供了以下实施方案。
实施方案1．一种用于在可在涡轮发动机(10)内围绕公共轴线(12)旋转的内轴(108)与外轴(106)之间使用的密封组件(104)，所述密封组件包括：
一对端环(122、124)，各个所述端环包括沿轴向方向延伸的凸缘(134、136)；
联接在所述端环之间的多个密封元件(126)，其中，各密封元件包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩(170、172)；以及
一对保持环(128、130)，其中，各保持环定位于所述一对台肩中的一个台肩与所述一对端环凸缘中的一个端环凸缘之间。
实施方案2．根据实施方案1所述的密封组件(104)，其中，所述一对台肩(170、172)包括前台肩(170)和后台肩(172)，并且，所述一对保持环(128、130)包括前保持环(128)和后保持环(130)。
实施方案3．根据实施方案2所述的密封组件(104)，其中，所述前保持环(128)包括第一厚度，并且，所述后保持环(130)包括与所述第一厚度大致相等的第二厚度。
实施方案4．根据实施方案2所述的密封组件(104)，其中，所述前保持环(128)包括第一直径，并且，所述后保持环(130)包括比所述第一直径更小的第二直径。
实施方案5．根据实施方案2所述的密封组件(104)，其中，所述前台肩(170)从所述后台肩(172)沿径向偏置。
实施方案6．根据实施方案1所述的密封组件(104)，其中，所述一对端环(122、124)和所述一对保持环(128、130)由相同的材料形成。
实施方案7．根据实施方案1所述的密封组件(104)，进一步包括：间隔环(132)，其与所述一对端环(122、124)联接，并且从所述一对端环和所述多个密封元件(126)沿径向向内定位。
实施方案8．根据实施方案1所述的密封组件(104)，其中，各密封元件(126)包括主体部分(162)，所述一对台肩(170、172)从该主体部分沿所述轴向方向延伸，所述主体部分包括密封面(168)，使得间隙(110)限定于所述密封面与所述外轴(106)之间。
实施方案9．一种用于具有集油槽区域(100)的燃气涡轮发动机(10)的密封系统(102)，所述密封系统包括：
内轴(108)；
外轴(106)，可与所述内轴一起围绕公共轴线(12)旋转；以及
密封组件(104)，与所述内轴联接，并且，配置成将所述集油槽区域的高压区(P1)从所述集油槽区域的低压区(P2)密封，所述密封组件包括：
一对端环(122、124)，各个所述端环包括沿轴向方向延伸的凸缘(134、136)；
联接在所述端环之间的多个密封元件(126)，其中，各密封元件包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩(170、172)；以及
一对保持环(128、130)，其中，各保持环定位于所述一对台肩中的一个台肩与所述一对端环凸缘中的一个端环凸缘之间。
10．根据实施方案9所述的密封系统(102)，其中，所述一对台肩(170、172)包括前台肩(170)和后台肩(172)，并且，所述一对保持环(128、130)包括前保持环(128)和后保持环(130)。
实施方案11．根据实施方案10所述的密封系统(102)，其中，所述前保持环(128)包括第一直径，并且，所述后保持环(130)包括比所述第一直径更小的第二直径。
实施方案12．根据实施方案9所述的密封系统(102)，其中，所述一对端环(122、124)和所述一对保持环(128、130)由相同的材料形成。
实施方案13．根据实施方案9所述的密封系统(102)，进一步包括：间隔环(132)，其与所述一对端环(122、124)和所述多个密封元件(126)联接，并且从所述一对端环(122、124)和所述多个密封元件(126)沿径向向内定位。
实施方案14．根据实施方案9所述的密封系统(102)，其中，各密封元件(126)包括主体部分(162)，所述一对台肩(170、172)从该主体部分沿所述轴向方向延伸，所述主体部分包括密封面(168)，使得间隙(110)限定于所述密封面与所述外轴(106)的内表面(114)之间。
实施方案15．根据实施方案9所述的密封系统(102)，其中，所述内轴(108)包括配置成支撑所述密封组件(104)的密封件载体(116)。
根据本发明，还提供了以下技术方案。
技术方案1．一种用于在可在涡轮发动机内围绕公共轴线旋转的内轴与外轴之间使用的密封组件，所述密封组件包括：
一对端环，各个所述端环包括沿轴向方向延伸的凸缘；
联接在所述端环之间的多个密封元件，其中，各密封元件包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩；以及
一对保持环，其中，各保持环定位于所述一对台肩中的一个台肩与所述一对端环凸缘中的一个端环凸缘之间。
技术方案2．根据技术方案1所述的密封组件，其中，所述一对台肩包括前台肩和后台肩，并且，所述一对保持环包括前保持环和后保持环。
技术方案3．根据技术方案2所述的密封组件，其中，所述前保持环包括第一厚度，并且，所述后保持环包括与所述第一厚度大致相等的第二厚度。
技术方案4．根据技术方案2所述的密封组件，其中，所述前保持环包括第一直径，并且，所述后保持环包括比所述第一直径更小的第二直径。
技术方案5．根据技术方案2所述的密封组件，其中，所述前台肩从所述后台肩沿径向偏置。
技术方案6．根据技术方案1所述的密封组件，其中，所述一对端环和所述一对保持环由相同的材料形成。
技术方案7．根据技术方案1所述的密封组件，进一步包括：间隔环，其与所述一对端环联接，并且从所述一对端环和所述多个密封元件沿径向向内定位。
技术方案8．根据技术方案1所述的密封组件，其中，各密封元件包括主体部分，所述一对台肩从该主体部分沿所述轴向方向延伸，所述主体部分包括密封面，使得间隙限定于所述密封面与所述外轴之间。
技术方案9．一种用于具有集油槽区域的燃气涡轮发动机的密封系统，所述密封系统包括：
内轴；
外轴，可与所述内轴一起围绕公共轴线旋转；以及
密封组件，其与所述内轴联接，并且配置成将所述集油槽区域的高压区从所述集油槽区域的低压区密封，所述密封组件包括：
一对端环，各个所述端环包括沿轴向方向延伸的凸缘；
联接在所述端环之间的多个密封元件，其中，各密封元件包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩；以及
一对保持环，其中，各保持环定位于所述一对台肩中的一个台肩与所述一对端环凸缘中的一个端环凸缘之间。
技术方案10．根据技术方案9所述的密封系统，其中，所述一对台肩包括前台肩和后台肩，并且，所述一对保持环包括前保持环和后保持环。
技术方案11．根据技术方案10所述的密封系统，其中，所述前保持环包括第一直径，并且，所述后保持环包括比所述第一直径更小的第二直径。
技术方案12．根据技术方案9所述的密封系统，其中，所述一对端环和所述一对保持环由相同的材料形成。
技术方案13．根据技术方案9所述的密封系统，进一步包括：间隔环，其与所述一对端环和所述多个密封元件联接，并且从所述一对端环和所述多个密封元件沿径向向内定位。
技术方案14．根据技术方案9所述的密封系统，其中，各密封元件包括主体部分，所述一对台肩从该主体部分沿所述轴向方向延伸，所述主体部分包括密封面，使得间隙限定于所述密封面与所述外轴的内表面之间。
技术方案15．根据技术方案9所述的密封系统，其中，所述外轴包括从所述密封组件沿径向向外定位的密封件运转体(seal runner)。
技术方案16．根据技术方案14所述的密封系统，其中，所述外轴包括从所述密封组件沿径向向内定位的油分配器。
技术方案17．根据技术方案9所述的密封系统，其中，所述内轴包括配置成支撑所述密封组件的密封件载体。
技术方案18．一种组装用于涡轮发动机的密封系统的方法，所述方法包括：
将外轴从内轴沿径向向外定位，以将间隙限定于其间，使得所述内轴和所述外轴可围绕公共轴线旋转；
将一对端环与所述内轴联接，各端环包括沿轴向方向延伸的凸缘；
将所述端环之间的多个密封元件联接，其中，各密封元件包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩；以及
将一对保持环联接在所述一对台肩中的一个台肩与所述一对端环凸缘中的一个端环凸缘之间。
技术方案19．根据技术方案18所述的方法，其中，密封元件的联接包括将密封元件联接，使得间隙限定于所述密封元件的密封面与所述外轴的径向内表面之间。
技术方案20．根据技术方案18所述的方法，进一步包括将间隔环与所述内轴联接且与所述一对端环联接，使得所述间隔环从所述密封元件沿径向向内定位，从而将间隙限定于其间。
附图说明
在参考附图来阅读以下的详述时，将更清楚地理解本公开的这些及其他特征、方面以及优点，其中，在所有的附图中，相同的字符表示相同的零件，其中：
图1是示例性的燃气涡轮发动机的示意性截面图。
图2是图示了示例性的密封系统的图1中所示出的示例性的燃气涡轮发动机的核心的集油槽区域的示意性截面侧视图。
图3是可以与图2中所示出的密封系统一起使用的示例性的密封组件的截面图。
图4是图3中所示出的密封组件的透视分解图。
零部件清单：
燃气涡轮发动机........................................................ 10
中心线 ............................................................... 12
风扇区段.............................................................. 14
核心涡轮发动机........................................................ 16
外壳.................................................................. 18
环形入口.............................................................. 20
LP压缩机.............................................................. 22
HP压缩机.............................................................. 24
燃烧区段.............................................................. 26
HP涡轮................................................................ 28
LP涡轮................................................................ 30
排气喷嘴区段.......................................................... 32
HP轴.................................................................. 34
LP轴.................................................................. 36
核心空气流路.......................................................... 37
风扇.................................................................. 38
风扇叶片.............................................................. 40
前毂.................................................................. 48
外短舱................................................................ 50
出口引导导叶.......................................................... 52
下游区段.............................................................. 54
旁通空气流通路........................................................ 56
空气.................................................................. 58
入口.................................................................. 60
第一部分的空气........................................................ 62
第二部分的空气........................................................ 64
燃气 ................................................................. 66
HP涡轮定子导叶........................................................ 68
HP涡轮转子叶片........................................................ 70
LP涡轮定子导叶........................................................ 72
LP涡轮转子叶片........................................................ 74
风扇喷嘴排气区段...................................................... 76
热气路径.............................................................. 78
集油槽区域........................................................... 100
密封系统............................................................. 102
密封组件............................................................. 104
外轴................................................................. 106
内轴................................................................. 108
径向间隙............................................................. 110
密封件运转体......................................................... 112
油分配器............................................................. 113
内表面............................................................... 114
密封件载体........................................................... 116
凹槽................................................................. 118
固位特征............................................................. 120
前端环............................................................... 122
后端环............................................................... 124
密封元件............................................................. 126
前保持环............................................................. 128
后保持环............................................................. 130
间隔环............................................................... 132
前凸缘............................................................... 134
后凸缘............................................................... 136
前环主体部分......................................................... 138
后环主体部分......................................................... 140
外表面............................................................... 142
内表面............................................................... 144
外表面............................................................... 146
内表面............................................................... 148
内表面............................................................... 150
外表面............................................................... 152
内表面............................................................... 154
凸起部............................................................... 156
内表面............................................................... 158
环形间隙............................................................. 160
主体部分............................................................. 162
前表面............................................................... 164
后表面............................................................... 166
外表面............................................................... 168
前台肩............................................................... 170
后台肩............................................................... 172
通孔................................................................. 173
间隙................................................................. 174
槽................................................................... 175
外表面............................................................... 176
外表面............................................................... 180
外表面............................................................... 182
间隙................................................................. 184
第一周向端部......................................................... 186
第二周向端部......................................................... 188
槽部分............................................................... 190
舌状部分............................................................. 192
驱动特征 ………………………………………………………………………………194。
除非另有指示，否则本文中所提供的附图旨在图示本公开的实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或更多个实施例的各种各样的系统中。正因如此，附图不旨在包括本领域普通技术人员已知的实施本文中所公开的实施例所要求的所有的常规的特征。
具体实施方式
现在，将对本发明的本实施例详细地作出参考，在附图中，图示本发明的一个或更多个示例。详述使用数字标示和字母标示来指附图中的特征。附图和描述中的相同或类似的标示用于指本发明的相同或类似的零件。
单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数的引用，除非上下文明确地另有所指。
“可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情形可能发生或可能不发生，并且，描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
如在本文中在整个说明书和所有的权利要求中所使用的近似的语言可以应用于修改能够容许变化的任何数量表示，而不导致有关的基本功能的改变。因此，通过比如“大约”、“近似”和“大致”之类的一个用语或多个用语而修改的值不限于所指定的精确的值。在至少一些实例中，近似的语言可以与用于对该值进行测量的仪器的精度相对应。在此，在整个说明书和所有的权利要求中，可以使范围限制结合且/或互换；这样的范围被识别，并且，包括其中所包括的所有的子范围，除非上下文或语言另有指示。
如本文中所使用的，用语“第一”、“第二”以及“第三”可以能互换地用于将构件彼此区分开，并且，不旨在表明个别的构件的位置或重要性。用语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”是指流体流自的方向，并且，“下游”是指流体流至的方向。
如本文中所使用的，用语“轴向”和“沿轴向”是指与涡轮发动机的中心线大致平行地延伸的方向和取向。此外，用语“径向”和“沿径向”是指与涡轮发动机的中心线大致垂直地延伸的方向和取向。而且，用语“前”和“后”在本文中用于指通过发动机的流体流的一般方向和取向，其中，“前”朝向发动机入口端，并且，“后”朝向发动机排气端。
本文中所描述的示例性的设备和方法克服用于在燃气涡轮发动机中使用的已知的密封系统的至少一些缺点。此外，本文中所描述的密封系统及方法允许涡轮发动机中的共转或逆转轴之间的密封。更具体地，本文中所描述的密封系统包括内轴、外轴，以及在内轴与外轴之间联接的密封组件。密封组件包括一对端环，这一对端环各自包括沿轴向方向延伸的凸缘。多个密封元件在端环之间联接，并且，各自包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩。密封组件还包括一对保持环，使得各保持环定位于一对密封元件台肩中的一个台肩与一对端环凸缘中的一个凸缘之间。
本文中所描述的系统及方法的优点包括与常规的迷宫式密封件相比而减少内轴与外轴之间的泄漏的量的能力。相同或类似的高压差下的这样的泄漏减少导致从压缩机排出更少流体，导致更高的发动机效率。另外，上述的轴间密封系统与常规的活塞环密封件相比而具有更长的使用寿命，导致发动机的运行及维护成本的降低。上述的轴间密封系统的另一优点是与常规的周向或面吸气式碳密封件相比而减轻的重量，尤其是，具有分别用于内轴和外轴的两个独立的固定密封件的系统。减轻的重量还导致提高发动机效率。
现在，参考附图，其中，在所有的图中，同一数字指示相同的元件，图1是根据本公开的示例性的实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面图。更具体地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是在本文中被称为“涡扇发动机10”的高旁通涡扇喷气发动机10。如图1中所示出的，涡扇发动机10限定轴向方向A(与为了参考而提供的纵向中心线12平行地延伸)和径向方向R。通常，涡扇10包括风扇区段14和设置于自风扇区段14起的下游的核心涡轮发动机16。
在图1中总体描绘的核心涡轮发动机16包括大致管状的外壳18，外壳18限定环形入口20。外壳18将以下的部件以串流的关系包覆：压缩机区段，包括增压或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；以及喷气排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或卷轴34将HP涡轮28与HP压缩机24以驱动式连接。低压(LP)轴或卷轴36将LP涡轮30与LP压缩机22以驱动式连接。压缩机区段、燃烧区段26、涡轮区段以及喷嘴区段32一起限定核心空气流路37。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括风扇38，风扇38具有多个风扇叶片40。可旋转的前毂48根据空气动力学而制定轮廓，从而促进空气流通过风扇叶片40，并且，定位于风扇区段14的前端处。另外，示例性的风扇区段14包括环形风扇壳体或外短舱50，环形风扇壳体或外短舱50沿周向环绕风扇38和/或至少一部分的核心涡轮发动机16。应当意识到，短舱50可以配置成相对于核心涡轮发动机16而由多个沿周向隔开的出口引导导叶52支撑。此外，在一个实施例中，短舱50的下游区段54遍布于核心涡轮发动机16的外部部分，以便于将旁通空气流通路56限定于其间。
在涡扇发动机10的运行的期间，大量空气58通过短舱50的相关联的入口60和/或风扇区段14而进入涡扇10。随着大量空气58横穿风扇叶片40，如箭头62所指示的第一部分的空气58被指引或导引至旁通空气流通路56中，并且，如箭头64所指示的第二部分的空气58被指引或导引至核心空气流路37中，或更具体地，LP压缩机22中。第一部分的空气62与第二部分的空气64之间的比一般被称为旁通比。然后，随着第二部分的空气64被导引通过高压(HP)压缩机24而到达燃烧区段26中，第二部分的空气64的压力增加，其中，在燃烧区段26中，使第二部分的空气64与燃料混合而燃烧，以提供燃气 66。
燃气 66被导引通过HP涡轮28，其中，经由与外壳18联接的相继的多级HP涡轮定子导叶68和与HP轴或卷轴34联接的HP涡轮转子叶片70，提取来自燃气 66的一部分的热能和/或动能，因而导致HP轴或卷轴34旋转，从而支持HP压缩机24的运行。然后，燃气 66被导引通过LP涡轮30，其中，经由与外壳18联接的相继的多级 LP涡轮定子导叶72和与LP轴或卷轴36联接的LP涡轮转子叶片74，从燃气 66提取第二部分的热能和动能，因而导致LP轴或卷轴36旋转，从而支持LP压缩机22的运行和/或风扇38的旋转。
随后，燃气 66被导引通过核心涡轮发动机16的喷气排气喷嘴区段32，以提供推进推力。同时地，在第一部分的空气62从涡扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前，随着第一部分的空气62被导引通过旁通空气流通路56，第一部分的空气62的压力大致增加，从而还提供推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30以及喷气排气喷嘴区段32至少部分地限定热气路径78，热气路径78用于将燃气 66导引通过核心涡轮发动机16。
应当意识到，然而，图1中所描绘的涡扇发动机10仅经由示例而提供，并且，在其他示例性的实施例中，涡扇发动机10可以具有任何其他合适的配置。例如，在其他实施例中，涡扇发动机10可以配置为齿轮式涡扇发动机，使得LP轴 36驱动风扇38横过动力齿轮箱。另外或备选地，涡扇发动机10可以是非管道输送式/开放式转子涡扇发动机。还应当意识到，在一些其他示例性的实施例中，可以将本公开的方面合并至任何其他合适的燃气涡轮发动机中。例如，在其他示例性的实施例中，可以将本公开的方面合并至例如涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮核心发动机、涡轮喷气发动机、电力推进系统等中。
现在，参考图2，提供燃气涡轮发动机10(在图1中示出)的核心16的集油槽区域100的示意性截面侧视图，图2图示了示例性的密封系统102，密封系统102包括密封组件104。如图2中所示出的，密封系统102将密封组件104的前侧的较高的压力区域P1从密封组件104的后侧的较低的压力区域P2密封。在示例性的实施例中，密封系统102包括外轴106和内轴108，外轴106和内轴108围绕轴线12以逆转或共转方式旋转。密封组件104与内轴108联接，使得径向间隙110限定于密封组件104与外轴106之间。更具体地，外轴106包括密封件运转体112，密封件运转体112从密封组件104沿径向向外定位，并且具有在发动机10的某些运行条件的期间与密封组件隔开的内表面114，以至少部分地限定间隙110。而且，外轴106还包括油分配器113，油分配器113从密封组件104沿径向向内定位，用于促进油在集油槽区域100内的流动。备选地，密封组件104在任何类型的内轴与外轴之间使用，而不限于在贮油槽内使用。
另外，内轴108包括密封件载体116，密封件载体116支撑密封组件104。更具体地，密封件载体116形成凹槽118，凹槽118接纳密封组件104。备选地或另外，密封件载体116包括固位特征120，固位特征120将密封组件保持于轴向位置。在示例性的实施例中，固位特征120包括与内轴108或密封件载体116构成整体的机械止动件或者与内轴108或密封件载体116中的一个联接的独特的锁定环中的至少一个。通常，固位特征120是允许如本文中所描述的密封组件104的运行的任何特征。
图3是可以与图2中所示出的密封系统102一起使用的密封组件104的截面图，并且，图4是图3中所示出的密封组件104的透视分解图。在示例性的实施例中，密封组件104将密封组件104的前侧的较高的压力区域P1从密封组件104的后侧的较低的压力区域P2密封，并且，包括前端环122、后端环124、多个密封元件126、前保持环128、后保持环130以及间隔环132。
在示例性的实施例中，各端环122和124包括凸缘134和136，凸缘134和136分别沿轴向方向延伸，以便于具有大致L状的截面。端环122和124定位成关于密封元件126而大致对称的布置，并且，各自分别包括主体部分138和140，凸缘134和136从主体部分138和140延伸，以便凸缘134和136定位成与外轴106的运转体112紧邻，但不接触。另外，在示例性的实施例中，前凸缘134包括外表面142和内表面144，外表面142最接近于外轴106的运转体112，使得将凸缘厚度T1限定于其间。类似地，后凸缘136包括外表面146和内表面148，外表面146最接近于外轴106的运转体112，使得将凸缘厚度T2限定于其间，凸缘厚度T2比前凸缘134的凸缘厚度T1更大。
在示例性的实施例中，前环主体部分138包括内表面150，内表面150与间隔环132的外表面152接触。类似地，后环主体部分140包括内表面154，内表面154与间隔环132的外表面152接触。正因如此，端环122和124通过间隔环132而与内轴108隔开，且更具体地，与密封件载体116隔开。而且，各端环122和124可以包括位于相应的凸缘134和136与主体部分138和140的周向交叉部分处的凸起部156。凸起部156促进防止或减轻端环122和124内的应力集中和关于密封元件126的配合和磨损问题。凸起部156可以是半径、倒角或任何其他消除应力的形状。
如图3中所示出的，间隔环132在内轴108的密封件载体116的凹槽118内联接。在示例性的实现方案中，间隔环132是密封组件104的沿径向定位于最里面的构件。更具体地，间隔环132的外表面152从各密封元件126的内表面158沿径向向内定位，使得环形间隙160限定于表面152与表面158之间。间隙160如此定制尺寸，以便于避免内轴106和外轴108的偏置的期间的密封元件126的内表面158与间隔环132的外表面152之间的接触。
在示例性的实施例中，各密封元件126包括主体部分162，主体部分162具有前表面164、后表面166、外表面168以及内表面158。密封元件126还包括沿轴向方向从前表面164延伸的前台肩170和沿轴向方向从后表面166延伸的后台肩172，使得台肩170和台肩172以及主体部分162可以整体地形成。在示例性的实施例中，前台肩170从后台肩172沿径向偏置。更具体地，前台肩170相对于轴线12而具有比后台肩172更大的直径。这样的偏置促进使密封元件126平衡的压力而减少后表面166上的轴向压力，并且，允许密封件段126在压力下更容易地上下移动。外表面168是密封组件104的密封面，并且，定位成最接近于外轴106的运转体112的内表面114，使得间隙110被外表面168和内表面114限定。间隙110的尺寸足以限制外轴106的运转体112与密封元件126之间的接触且使横过密封组件104的气体泄漏最小化。
而且，主体部分162可以包括多个通孔173，通孔173倾斜地贯穿最接近于凸缘134和136的主体部分162。更具体地，后表面166包括限定于其中的槽175，并且，孔173从前表面164通过主体部分162而延伸至槽175。在示例性的实现方案中，各密封元件126包括三个通孔173。备选地，各密封元件126包括任意数量的通孔173，以促进如本文中所描述的密封组件104的运行。在运行中，高压流体流过孔173，并且，冲击于后凸缘136上，以提供防止密封元件126以大的力碰撞后端环124的缓冲。
如图3中所示出的，密封元件126沿轴向定位于端环122与端环124之间。在一些实施例中，间隙174限定于前凸缘134与前表面164(如图3中所示出)之间和后凸缘136与后表面166之间中的至少一个，以确保密封元件126浮动于密封组件104的内侧，并且，具有足以根据比如压力、温度和速度之类的发动机运行效果而适当地调整的轴向运动。在其他实施例中，间隙174能够分别限定于端环122和端环124的相邻的竖直壁中的至少一个与对应的台肩170和台肩172之间。
在示例性的实施例中，前保持环128定位于前台肩170与前端环122的凸缘134之间。类似地，后保持环130定位于后台肩172与后端环124的凸缘136之间。更具体地，前保持环128与前台肩170的外表面176联接，并且，后保持环130与后台肩172的外表面178联接。如图3中所示出的，前保持环128包括厚度T3，厚度T3大致与后保持环130的厚度T4相等。备选地，保持环128和130包括促进如本文中所描述的密封组件104的运行的任何厚度。通常，保持环128和130包括促进如本文中所描述的密封组件104的运行的任何厚度。
另外，前保持环128包括外表面180，外表面180从后保持环130的外表面182沿径向向外定位。正因如此，前保持环128包括相对于轴线12而比后保持环130的直径更大的直径。在示例性的实施例中，在发动机10的某些运行条件下，间隙184限定于前保持环128的外表面180与凸缘134的内表面144之间和后保持环130的外表面182与凸缘136的内表面148之间中的至少一个。例如，间隙184属于大约0.01英寸(英寸)和大约0.050英寸的范围内。更具体地，间隙184属于大约0.02英寸和大约0.04英寸的范围内。还更具体地，间隙184为大约0.030英寸。虽然未在图3中示出，但在示例性的实施例中，间隙184比间隙110更大。另外，间隙160比间隙184更大，以防止表面152和表面158的接触。
在运行中，间隙184允许环128和130以及密封元件126在不同的运行条件的期间沿径向移动。在内轴108的旋转的期间，离心力导致多个密封元件126表现为结实的环(solidring)，而不是多个单独的段。在低偏心距的发动机运行条件下，密封元件126以及保持环128和130沿径向向外移动，直到将间隙110局部地封闭为止，这导致外表面168以低的力碰撞密封件运转体112的内表面114。密封件以该方式运行，直到发动机运行条件造成比间隙184的初始的间隙尺寸设置更大的偏心距值为止。当超过该间隙尺寸时，密封元件126的单独的段将不再由保持环128和130支承。那些段将局部地封闭间隙110，导致外表面168以该单独的段上的大的力碰撞密封件运转体112的内表面114。
而且，在示例性的实施例中，密封元件126可以由非金属的碳材料形成。另外，端环122和124、保持环128和130以及间隔环132可以由相同的材料形成。更具体地，端环122和124、保持环128和130以及间隔环132可以由相同的材料形成，使得这些环具有类似的热膨胀系数，从而允许端环122和124、保持环128和130以及间隔环132以类似的速率膨胀和收缩。在示例性的实施例中，端环122和124、保持环128和130以及间隔环132由含碳的镍铬超合金形成。备选地，端环122和124、保持环128和130以及间隔环132由促进如本文中所描述的密封组件104的运行的任何材料形成。
如图4中所示出的，各密封元件126还包括第一周向端部186和相对的第二周向端部188。第一周向端部186包括凹陷的槽部分190，并且，第二周向端部188包括配置成沿周向延伸的紧密配合的舌状部分192。正因如此，一个密封元件126的第二端部舌状部分192补充沿周向相邻的密封元件126的第一端部槽部分190，使得舌状部分192和槽部分190在相邻的密封元件126之间形成零空隙的密封。另外，间隔环132包括多个驱动特征194，驱动特征194与密封元件126联接，从而迫使密封元件126与内轴108的旋转一起旋转。更具体地，各密封元件126通过最接近于周向端部186和188中的至少一个的驱动特征194而接合。在示例性的实施例中，驱动特征194包括如下的突耳或销钉中的至少一个：将密封元件126接合，从而驱动密封元件126与间隔环132的旋转，并且，防止密封元件126相对于间隔环132的旋转。
本文中所描述的示例性的设备和方法克服用于在燃气涡轮发动机中使用的已知的密封系统的至少一些缺点。此外，本文中所描述的密封系统及方法允许涡轮发动机中的共转或逆转轴之间的密封。更具体地，本文中所描述的密封系统包括内轴、外轴以及在内轴与外轴之间联接的密封组件。密封组件包括一对端环，这一对端环各自包括沿轴向方向延伸的凸缘。多个密封元件在端环之间联接，并且，各自包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩。密封组件还包括一对保持环，使得各保持环定位于一对密封元件台肩中的一个台肩与一对端环凸缘中的一个凸缘之间。
上述的轴间密封系统的技术效果是与常规的迷宫式密封件相比而减少内轴与外轴之间的泄漏的量的能力。相同或类似的高压差下的这样的泄漏减少导致从压缩机排出更少流体，导致更高的发动机效率。另外，上述的轴间密封系统与常规的活塞环密封件相比而具有更长的使用寿命，导致发动机的运行及维护成本的降低。上述的轴间密封系统的另一优点是与常规的周向或面密封式碳密封件相比而减轻的重量，尤其是，具有分别用于内轴和外轴的两个独立的固定密封件的系统。减轻的重量还导致提高发动机效率。
在上文中详细地描述轴间密封系统的示例性的实施例。轴间密封系统和组装这样的系统和装置的方法不限于本文中所描述的具体的实施例，而宁可说是，系统的构件和/或方法的步骤可以独立于本文中所描述的其他构件和/或步骤且与其他构件和/或步骤分开而利用。例如，方法还可以与要求轴间密封系统的其他系统组合而使用，并且，不限于仅利用如本文中所描述的涡轮发动机系统及方法来实施。
虽然本公开的各种实施例的具体的特征可以在某些附图中示出，而不在其他附图中示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本公开的原理，可以将一个附图的任何特征与任何其他附图的任何特征组合而引用且/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开实施例，包括最佳模式，并且，还允许本领域任何技术人员实施实施例，包括制作并使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本公开的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员所想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言无差异的结构元件，或如果这些示例包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这些示例旨在属于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于在可在涡轮发动机(10)内围绕公共轴线(12)旋转的内轴(108)与外轴(106)之间使用的密封组件(104)，所述密封组件包括：
一对端环(122、124)，各个所述端环包括沿轴向方向延伸的凸缘(134、136)；
联接在所述端环之间的多个密封元件(126)，其中，各密封元件包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩(170、172)；以及
一对保持环(128、130)，其中，各保持环定位于所述一对台肩中的一个台肩与所述一对端环凸缘中的一个端环凸缘之间。
2.根据权利要求1所述的密封组件(104)，其中，所述一对台肩(170、172)包括前台肩(170)和后台肩(172)，并且，所述一对保持环(128、130)包括前保持环(128)和后保持环(130)。
3.根据权利要求2所述的密封组件(104)，其中，所述前保持环(128)包括第一厚度，并且，所述后保持环(130)包括与所述第一厚度大致相等的第二厚度。
4.根据权利要求2所述的密封组件(104)，其中，所述前保持环(128)包括第一直径，并且，所述后保持环(130)包括比所述第一直径更小的第二直径。
5.根据权利要求2所述的密封组件(104)，其中，所述前台肩(170)从所述后台肩(172)沿径向偏置。
6.根据权利要求1所述的密封组件(104)，其中，所述一对端环(122、124)和所述一对保持环(128、130)由相同的材料形成。
7.根据权利要求1所述的密封组件(104)，进一步包括：间隔环(132)，其与所述一对端环(122、124)联接，并且从所述一对端环和所述多个密封元件(126)沿径向向内定位。
8.根据权利要求1所述的密封组件(104)，其中，各密封元件(126)包括主体部分(162)，所述一对台肩(170、172)从该主体部分沿所述轴向方向延伸，所述主体部分包括密封面(168)，使得间隙(110)限定于所述密封面与所述外轴(106)之间。
9.一种用于具有集油槽区域(100)的燃气涡轮发动机(10)的密封系统(102)，所述密封系统包括：
内轴(108)；
外轴(106)，可与所述内轴一起围绕公共轴线(12)旋转；以及
密封组件(104)，与所述内轴联接，并且，配置成将所述集油槽区域的高压区(P1)从所述集油槽区域的低压区(P2)密封，所述密封组件包括：
一对端环(122、124)，各个所述端环包括沿轴向方向延伸的凸缘(134、136)；
联接在所述端环之间的多个密封元件(126)，其中，各密封元件包括沿相对的轴向方向延伸的一对台肩(170、172)；以及
一对保持环(128、130)，其中，各保持环定位于所述一对台肩中的一个台肩与所述一对端环凸缘中的一个端环凸缘之间。
10.根据权利要求9所述的密封系统(102)，其中，所述一对台肩(170、172)包括前台肩(170)和后台肩(172)，并且，所述一对保持环(128、130)包括前保持环(128)和后保持环(130)。
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