CN107762569B - 非接触式篦齿封严结构及航空发动机、燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式篦齿封严结构及航空发动机、燃气轮机，篦齿封严结构包括：具有同一轴线(3)且相对转动的外圈(2)和内圈(1)，外圈(2)的内侧设有外圈篦齿(21)，内圈(1)的外侧设有内圈篦齿(11)，外圈篦齿(21)和内圈篦齿(11)之间形成有包括台阶形摩擦段的通流间隙(4)。本发明内外圈高速相对旋转时，由于此时流体周向流动导致的摩擦压降已成为导致压力损失的主要因素，因此篦齿封严结构的通流间隙中设置的台阶形摩擦段可以有效提高流体的摩擦压降，进而提高篦齿封严结构的封严性能。另一方面，对于具有相同封严能力的篦齿封严机构，本发明由于采用了台阶形摩擦段，因此在保证封严能力时可以减小轴向长度，节省轴向空间。

Description

非接触式篦齿封严结构及航空发动机、燃气轮机

技术领域

本发明涉及旋转机械技术，尤其涉及一种非接触式篦齿封严结构及航空发动机、燃气轮机。

背景技术

在航空发动机和燃气轮机等旋转机械中，轴承腔主轴旋转件和静止衬套、轴承腔机匣之间的气体泄漏会导致发动机整体推动效率下降、滑油消耗量增大。对于航空发动机来说，增大轴承腔外压力能够避免在密封段出现逆压差情况下腔内滑油从密封通流间隙泄漏，为此航空发动机中常从高压压气机引气到轴承腔附近形成高压空气外围。但这不可避免的导致了密封段进出口压差增大、空气泄漏量增大，进而引发以下问题：

a.回油泵的工作负荷增大；

b.通风器的气液分离效率有限，较大的空气泄漏量导致较大滑油消耗；

c.高温泄露气体流量增大，增大了滑油在轴承腔内燃烧和结焦危险。

因此，提高密封段的封严能力，增大密封段前后压差同时减少从密封段进入轴承腔的高温外围气体，有减小轴承腔热负荷和减少滑油消耗的工程意义。

在目前的航空发动机中，航空发动机的动静件之间通常采用非接触式的篦齿封严结构。相对于其他密封结构，篦齿封严结构更为简单、便于安装且寿命较长。篦齿作为一种迷宫式封严结构，其通流间隙的轮廓对密封性能的影响至关重要，因此改善篦齿封严结构是提高其封严能力的关键。

篦齿封严结构引起篦齿内流体压力下降主要有三种机制：齿腔内涡流导致的湍流压力损失、齿顶处的节流损失和主轴旋转引起的气流随旋转件周向流动的摩擦损失。现有的篦齿封严存在以下的缺陷：

1.目前采用的篦齿封严往往只考虑了低转速条件或无转动条件的封严工况，此时湍流压力损失和摩擦损失导致的压降较小，主要靠节流效应进行流体封严。然而随转速的增大，流体轴向速度减小，节流作用减弱，因此现有的普通篦齿结构在高速条件下封严能力较低，气体泄漏量较大。

2.目前采用的普通篦齿结构的封严能力较弱，进出口压差较小，导致了滑油在密封段泄露可能增大，由于通风器分离效率有限，空气泄漏量过大导致滑油消耗量增大。

3.现有的普通篦齿结构齿形较长，机械强度不高、容易折断，且齿腔底部气体滞留减弱了封严能力，齿腔底部流速不大、换热系数较小，篦齿内外圈可能热膨胀不一致引起篦齿、衬套间摩擦危险。

发明内容

本发明的目的是提出一种非接触式篦齿封严结构及航空发动机、燃气轮机，能够提高在高速条件下的封严能力，减少气体泄漏量。

为实现上述目的，本发明提供了一种非接触式篦齿封严结构，包括：具有同一轴线且相对转动的外圈和内圈，所述外圈的内侧设有外圈篦齿，所述内圈的外侧设有内圈篦齿，所述外圈篦齿和所述内圈篦齿之间形成有包括台阶形摩擦段的通流间隙。

进一步的，所述通流间隙的流体入口处的径向距离大于所述通流间隙的流体出口处的径向距离。

进一步的，所述台阶形摩擦段包括沿从所述通流间隙的流体入口到流体出口的方向交替设置的第一摩擦段和第二摩擦段，所述第一摩擦段与所述第二摩擦段相交，且所述第一摩擦段与所述第二摩擦段之间的夹角为锐角。

进一步的，所述第一摩擦段与所述轴线平行。

进一步的，所述第一摩擦段与所述第二摩擦段之间的夹角为20°～70°。

进一步的，所述通流间隙的宽度为0.1～0.3mm。

进一步的，所述通流间隙还包括：位于所述通流间隙的流体入口处、且平行于所述轴线的进口平直段和/或位于所述通流间隙的流体出口处、且平行于所述轴线的出口平直段，所述进口平直段和/或所述出口平直段的径向宽度不大于所述台阶形摩擦段的径向宽度。

进一步的，所述第二摩擦段的长度为所述第一摩擦段的长度的0.5～2倍。

进一步的，所述通流间隙中还设有垂直于所述轴线的垂直段，所述垂直段的轴向宽度不大于所述台阶形摩擦段的轴向宽度。

进一步的，所述通流间隙的流体出口处还设有甩液斜角。

进一步的，所述台阶形摩擦段包括至少两级，各级的台阶形摩擦段到所述轴线的径向距离沿从所述通流间隙的流体入口到流体出口的方向逐级减小。

进一步的，各级的台阶形摩擦段的几何参数相同。

为实现上述目的，本发明提供了一种航空发动机，包括前述的非接触式篦齿封严结构。

进一步的，所述非接触式篦齿封严结构设置在涡轮、压气机和/或轴承腔的旋转件和静止件之间。

为实现上述目的，本发明提供了一种燃气轮机，包括前述的非接触式篦齿封严结构。

进一步的，所述非接触式篦齿封严结构设置在涡轮、压气机和/或轴承腔的旋转件和静止件之间。

基于上述技术方案，在本发明非接触式篦齿封严结构的外圈和内圈之间高速相对旋转时，由于此时流体周向流动导致的摩擦压降已成为导致压力损失的主要因素，因此篦齿封严结构的通流间隙中设置的台阶形摩擦段可以有效提高流体的摩擦压降，进而提高篦齿封严结构的封严性能。另一方面，对于具有相同封严能力的篦齿封严机构，本发明非接触式篦齿封严结构由于采用了台阶形摩擦段，因此在保证封严能力时可以减小轴向长度，节省轴向空间。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明非接触式篦齿封严结构的一实施例的整体示意图。

图2为图1中A-A截面的示意图。

图3为图2中双点划线圆圈所标出的区域C的放大示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

对于篦齿封严结构来说，随着空气泄漏流量、进出口压差、旋转件转速不同，引起篦齿压降的主要机制并不相同。通过流体力学计算表明，现有的普通篦齿的通流间隙的泄露流体流量较小、气流轴向速度小，湍流引起的压力损失相比于节流和摩擦可以忽略。工程中为增大节流压降，最常见做法是减小通流间隙，然而实际运行中内外圈热膨胀不一致，这可能导致通流间隙可能进一步减小(内圈膨胀大于外圈)，从而导致内外圈摩擦和碰撞损坏篦齿，因此实际设计中篦齿间隙不能太小从而限制了节流的压降作用。

另一方面，节流作用导致的压力损失与泄露气体流量、进出口压差和节流间隙相关，试验和流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)计算都表明随主轴转速增大，泄露流量下降，密封泄露流体轴向速度减小而周向速度增大，因此高速旋转时节流压降下降，摩擦压降增大。

对应航空发动机来说，当其处于高转速条件下，流体轴向速度较低且周向速度相对远大于轴向流速，此时的周向旋转的摩擦损失已成为引起压力损失的主要因素，此外高转速下的离心力还会产生径向上的压差。

基于上述分析，发明人在设计非接触式篦齿封严结构(后也简称篦齿封严结构)时考察了高转速下的封严工况下引起压力损失的主要因素，设计了能够有效增加周向旋转的摩擦损失的结构，进而提高篦齿封严结构的封严能力，减少流体的泄漏。

如图1所示，为本发明非接触式篦齿封严结构的一实施例的整体示意图。结合图2所示的A-A截面和图3所示的放大的区域C，非接触式篦齿封严结构包括：具有同一轴线3且相对转动的外圈2和内圈1，外圈2的内侧设有外圈篦齿21，内圈1的外侧设有内圈篦齿11，外圈篦齿21和内圈篦齿11之间形成有包括台阶形摩擦段的通流间隙4。

在本实施例中，外圈2和内圈1之间能够相对同轴转动，这包括了一方静止，另一方转动，或者两者同时转动但转向或转速不同。以航空发动机和燃气轮机举例，可以将外圈2安装在静止件上，而内圈1安装在旋转件上，由旋转件带动内圈1相对于外圈2转动。或者将外圈2安装在旋转件上，而内圈1安装在静止件上。

对于外圈2和内圈1上设置的篦齿来说，两者之间形成的可供流体流通的通流间隙中包括有台阶形摩擦段，这里的流体可以包括气体、液体或气液混合物等。例如在航空发动机和燃气轮机中，流体可以为高压空气或者含有润滑油液滴的空气等。台阶形摩擦段即为外圈篦齿21和内圈篦齿11之间形成的交错的且有径向距离变化的通流路径。相比于直通篦齿的直线形式的通流间隙，台阶形摩擦段可以增加通流路径的长度和通流阻力，增加篦齿壁面的边界层厚度，从而有效提高流体的摩擦压降，进而提高非接触式篦齿封严结构的封严性能。另一方面，对于具有相同封严能力的篦齿封严机构，由于台阶形摩擦段的摩擦压降更大，因此本实施例可以在轴向上具有更紧凑的结构，节省了轴向空间。

以航空发动机的实际运行工况举例，流体在篦齿内的周向流速远大于轴向流速，例如在3500rpm的转速下，周向转速是轴向转速的十余倍，流体的周向流动导致的摩擦压降此时成为了导致压力损失的主要因素，远大于普通篦齿的其他两种压力损失，即轴向流动的齿腔内湍流损失和齿顶节流损失。本实施例为了进一步适应这种高转速下的封严要求，设计了由外圈篦齿和内圈篦齿围成的包含台阶形摩擦段的通流间隙，使得高速旋转的流体在流经台阶形摩擦段时产生很高的压降，而且转速越高，则能够实现的摩擦压降就会随之增加，进而有效的利用了摩擦力所导致的流动压力损失来提高篦齿结构的封严能力。

在本实施例中，通流间隙中的台阶形摩擦段可以为单独的一级，也可以包括至少两级。对于单独一级的台阶形摩擦段，则在加工和装配上比较容易和方便。而至少两级的台阶形摩擦段可由多级的外圈篦齿和内圈篦齿所围成，更多级的台阶形摩擦段可以有效地提升篦齿封严结构的封严性能。优选台阶形摩擦段不低于三级。

当外圈和内圈之间发生高速相对转动时，通流间隙内的流体会因为周向流动而形成很强的径向压差，径向上远离轴线处的压力会大于靠近轴线处的压力。这种不同径向距离下的压力差能够形成较大的流动阻力，其中流体出口距离轴线距离越近，流动阻力越大。利用这一特性，本发明非接触式篦齿封严结构可以进一步将所述通流间隙4的流体入口处的径向距离设计为大于所述通流间隙4的流体出口处的径向距离，即形成从流体入口到流体出口的向心式结构。通过这种结构，能够利用流体旋转时的离心力来增加流动阻力，进而有效的提高封严压差。而通过提高封严压差，可以减少篦齿封严结构外部的流体对内部的泄漏量，并减小出口处液体通过篦齿泄漏到进口的可能性，降低对通风器分离效率的要求。

此外，当基于例如回油泵抽吸能力不足或处于飞行过渡态等原因而导致轴承腔内积蓄滑油时，该向心式结构则能够使流体出口与轴承腔内远离轴线位置的集油池保持较远的距离，进而在一定程度上避免轴承腔内的残余积油从篦齿渗出腔外。

前面已经提到了台阶形摩擦段在本发明中的重要作用，接下来介绍一种台阶形摩擦段的具体实现形式，即台阶形摩擦段包括沿从所述通流间隙4的流体入口到流体出口的方向交替设置的第一摩擦段41和第二摩擦段42，所述第一摩擦段41与所述第二摩擦段42相交，且所述第一摩擦段41与所述第二摩擦段42之间的夹角43为锐角。在本实施例中，第一摩擦段41和第二摩擦段42分别构成了一级台阶形状的两条边。第一摩擦段41和第二摩擦段42相交并形成的夹角43优选为锐角，从而使流体在经过第一摩擦段41和第二摩擦段42时，锐角形的夹角43可以有效地增加流体的流动阻力。经CFD分析可以看到，夹角处的压差会随夹角的角度的减小而增加，流体在夹角的尖处能够形成较强的漩涡和流动分离，因此较小的夹角43能够有效的提高封严压差。除了考虑获得更好的封严性能之外，为了兼顾篦齿封严结构的加工和装配的便利性要求，优选夹角43的取值范围为20°～70°。

第一摩擦段41和第二摩擦段42的长度及长度比例关系可根据实际工况要求进行选择，优选设置第二摩擦段42的长度为所述第一摩擦段41的长度的0.5～2倍。

在图3示出的篦齿封严结构中，第一摩擦段41与所述轴线3平行，可称之为平行摩擦段，当流体经过平行摩擦段时会产生很强的压降，转速越高，相应地压降越大。在其他实施例的篦齿封严结构中，第一摩擦段41也可以与轴线3之间形成不等于0°的预设夹角。采用平行摩擦段可以强化该段的压降作用，相应的第二摩擦段42可称之为倾斜摩擦段，其相对于平行摩擦段形成预设的倾角。

在本发明非接触式篦齿封严结构中，通流间隙4的宽度可根据普通篦齿的通流间隙的宽度尺寸进行设定，优选设为0.1～0.3mm。

在外圈篦齿21和内圈篦齿1之间形成的通流间隙4中，除了台阶形摩擦段之外，还可以进一步包括：位于所述通流间隙4的流体入口处、且平行于所述轴线3的进口平直段44和/或位于所述通流间隙4的流体出口处、且平行于所述轴线3的出口平直段45。进口平直段44或出口平直段45可以独立于台阶形摩擦段，也可以与台阶形摩擦段的部分结构平滑连接或一体形成，例如如图3所示的进口平直段44与第一级的平行摩擦段两者平滑连接或者一体形成，或者将其视为由第一级平行摩擦段作为进口平直段44。而图3所示的出口平直段45与最后一级的平行摩擦段之间间隔了垂直段46，两者相互独立，并不直接相接。

进口平直段44和/或出口平直端45的设置能够起到保护篦齿结构的作用。将进口平直段44和/或出口平直段45的径向宽度设置成不大于所述台阶形摩擦段的径向宽度，当内圈1和外圈2两者之间发生径向窜动时(例如发生震动时)，由于进口平直段和/或出口平直段45的径向宽度的限制，内圈篦齿11和外圈篦齿21之间不容易发生径向上的强烈碰撞，进而尽量避免了篦齿的齿形的损伤。

为了保护篦齿结构，还可以在通流间隙4中进一步设置垂直于所述轴线3的垂直段46，垂直段46的轴向宽度不大于所述台阶形摩擦段的轴向宽度。这样当内圈1和外圈2两者之间发生轴向窜动时(例如发生震动时)，由于垂直段46的轴向宽度的限制，内圈篦齿11和外圈篦齿21之间不容易发生轴向上的强烈碰撞，进而尽量避免了篦齿的齿形的损伤。

这里需要说明的是，径向宽度是指形成通流间隙的外圈篦齿21的内齿面和内圈篦齿11的外齿面之间的、沿轴线3的径向方向上的直线距离，而轴向宽度是指形成通流间隙的外圈篦齿21的内齿面和内圈篦齿11的外齿面之间的、沿轴线3的轴向方向上的直线距离。

另外，考虑到篦齿封严结构的内侧的液态物质，例如滑油等，在另一个实施例中可以在通流间隙4的流体出口处设置甩液斜角47。该甩液斜角47的外侧可以向篦齿封严结构的内侧扩大张角，从而利用高速离心作用将进入到通流间隙4的液态物质甩出。

对于通流间隙4的流体入口处的径向距离大于所述通流间隙4的流体出口处的径向距离的实施例，如果台阶形摩擦段包括至少两级，则各级的台阶形摩擦段的径向距离可沿从所述通流间隙4的流体入口到流体出口的方向逐级减小。为了加工方便，优选各级的台阶形摩擦段的几何参数相同。这里的几何参数包括但不限于：各级的第一摩擦段41的长度、各级的第二摩擦段42的长度、各级的第一摩擦段41和第二摩擦段42之间形成的夹角43等。在其他实施例中，各级的台阶形摩擦段各自的几何参数可以参考篦齿封严结构的安装位置、工况和安装空间等因素进行选择。

前面对本发明的非接触式篦齿封严结构的较强封严能力进行了论述，下面对该篦齿封严结构的换热作用继续说明。从其结构来看，其换热面积接近或大于普通的直通篦齿的换热面积，而且前面也已提到了该篦齿封严结构内部会形成较强的湍流，这就使得其周向流动雷诺数大于普通直通篦齿，因此具有更高的换热系数，从而换热作用更充分，热膨胀也更均匀，进而其可由空气带走更多的热量累积，防止篦齿内外壁之间热变形所导致的摩擦。此外，对于轴承腔等需要封严的结构来说，其外部的高压空气往往具有较高的温度，如果泄漏到轴承腔内的高温空气过多会造成轴承腔内的高温和滑油结焦风险的增加，而前面提到的篦齿封严结构所实现的较好的封严作用能够减少泄漏到轴承腔内的高温空气，进而有效降低轴承腔温度并减少滑油从篦齿的泄漏。

本发明的上述非接触式篦齿封严结构可应用于存在封严需求的设备中，尤其是各类具有较高转速、且要求封严流体泄漏量较低的旋转机械，例如适用于航空发动机或燃气轮机。因此，本发明还提供了一种航空发动机，包括前述的非接触式篦齿封严结构。相应的，该非接触式篦齿封严结构实施例可设置在涡轮、压气机和/或轴承腔等的旋转件和静止件之间，从而实现更强的封严能力、安装便利性和换热效果。

本发明还提供了一种燃气轮机，包括前述的非接触式篦齿封严结构。相应的，该非接触式篦齿封严结构可设置在涡轮、压气机和/或轴承腔的旋转件和静止件之间，从而获得更强的封严能力和换热效果，并节省安装的轴向空间。

以采用前述的非接触式篦齿封严结构的航空发动机为例，下面对非接触式篦齿封严结构的功能实现进行进一步的说明。在航空发动机中，高压空气流体可由高压压气机引气到篦齿封严结构的流体入口，而篦齿封严结构的流体出口侧为轴承腔。轴承腔内部由油喷嘴供油，与篦齿封严结构泄露的空气流体混合为油气混合物和壁面油膜结构，再通过回油泵抽吸腔内流体，轴承腔上时常用通风管进行通风将腔内空气导入前腔，再由通风器进行油气分离。

若该篦齿封严结构用于双转子发动机的低压轴承腔密封时，不同工况下主轴转速可能在1000到4000rpm之间；若用于高压轴承腔密封时，不同工况下转速可能在11000到17000rpm之间。

以低压涡轮轴轴承腔的高温起飞工况为例(假设此时主轴转速3700rpm，温度500K)，内圈和主轴转速一致，外圈静止。空气经过图3所示的进口平直段和多级的台阶形摩擦段之后，周向速度增大、压力和密度下降。节流导致的压力下降效应从入口到出口减弱，壁面摩擦作用下通流间隙内流体平均周向速度增大、内圈边界层变厚，摩擦效应导致的粘性损失和压降从入口到出口增强。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (13)

1.一种非接触式篦齿封严结构，其特征在于，包括：具有同一轴线(3)且相对转动的外圈(2)和内圈(1)，所述外圈(2)的内侧设有外圈篦齿(21)，所述内圈(1)的外侧设有内圈篦齿(11)，所述外圈篦齿(21)和所述内圈篦齿(11)之间形成有包括台阶形摩擦段的通流间隙(4)，所述台阶形摩擦段包括沿从所述通流间隙(4)的流体入口到流体出口的方向交替设置的第一摩擦段(41)和第二摩擦段(42)，所述第一摩擦段(41)与所述第二摩擦段(42)相交，且所述第一摩擦段(41)与所述第二摩擦段(42)之间的夹角(43)为锐角；

所述通流间隙(4)还包括：位于所述通流间隙(4)的流体入口处、且平行于所述轴线(3)的进口平直段(44)和/或位于所述通流间隙(4)的流体出口处、且平行于所述轴线(3)的出口平直段(45)，所述进口平直段(44)和/或所述出口平直段(45)的径向宽度不大于所述台阶形摩擦段的径向宽度。

2.根据权利要求1所述的非接触式篦齿封严结构，其特征在于，所述通流间隙(4)的流体入口处的径向距离大于所述通流间隙(4)的流体出口处的径向距离。

3.根据权利要求1所述的非接触式篦齿封严结构，其特征在于，所述第一摩擦段(41)与所述轴线(3)平行。

4.根据权利要求1所述的非接触式篦齿封严结构，其特征在于，所述通流间隙(4)的宽度为0.1～0.3mm。

5.根据权利要求1所述的非接触式篦齿封严结构，其特征在于，所述第二摩擦段(42)的长度为所述第一摩擦段(41)的长度的0.5～2倍。

6.根据权利要求1所述的非接触式篦齿封严结构，其特征在于，所述通流间隙(4)中还包括垂直于所述轴线(3)的垂直段(46)，所述垂直段的轴向宽度不大于所述台阶形摩擦段的轴向宽度。

7.根据权利要求1所述的非接触式篦齿封严结构，其特征在于，所述通流间隙(4)的流体出口处还设有甩液斜角(47)。

8.根据权利要求2所述的非接触式篦齿封严结构，其特征在于，所述台阶形摩擦段包括至少两级，各级的台阶形摩擦段到所述轴线(3)的径向距离沿从所述通流间隙(4)的流体入口到流体出口的方向逐级减小。

9.根据权利要求8所述的非接触式篦齿封严结构，其特征在于，各级的台阶形摩擦段的几何参数相同。

10.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求1～9任一所述的非接触式篦齿封严结构。

11.根据权利要求10所述的航空发动机，其特征在于，所述非接触式篦齿封严结构设置在涡轮、压气机和/或轴承腔的旋转件和静止件之间。

12.一种燃气轮机，其特征在于，包括权利要求1～9任一所述的非接触式篦齿封严结构。

13.根据权利要求12所述的燃气轮机，其特征在于，所述非接触式篦齿封严结构设置在涡轮、压气机和/或轴承腔的旋转件和静止件之间。

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