CN108266236B - 一种周向变截面篦齿封严结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种周向变截面篦齿封严结构，包括转轴,转轴外同轴套设有封严衬套，其中：转轴上设置有多个轴向排布的周向变截面封严篦齿，周向变截面封严篦齿的外周面与封严衬套内环面间隙配合，每个周向变截面封严篦齿的封严壁面表面均加工深度逐渐变化的浅槽，相邻周向变截面封严篦齿之间的浅槽位置交错布置，使相邻周向变截面封严篦齿之间的齿间周向流通面积在连续收缩与扩张之间变化，使沿周向变截面封严篦齿周向流动的气流在连续收缩、扩张流动中降低流动能量。同时,在本发明具有能有效增大了气流周向流动耗散，削弱气流流动总动能的优点。浅槽内部布置交错分布的间断扰流肋,对泄漏流进行第二次阻碍,进一步增强流动耗散,降低流体泄漏量。
Description
技术领域
本发明属于航空宇航发动机密封的技术领域，具体涉及一种周向变截面篦齿封严结构。
背景技术
随着航空事业的发展，对飞机的机动性、可靠性和经济性的要求越来越高，因此迫切需要改进航空发动机的各个部件，以保证发动机高性能的要求。低油耗、高推比、高可靠性和耐久性是现代航空燃气涡轮发动机的发展趋势，但是发动机内部的温度和压比逐渐升高，使得内流系统的泄漏日趋严重，而封严的性能直接影响到航空发动机燃油消耗率、飞行成本、推重比等工作性能。为了减少泄漏损失，提高发动机的整体性能，在许多部位改进原有的封严装置显得尤为重要。国内外研究表明未来航空发动机性能的提高一半将取决于封严技术的改善和泄漏量的降低。因此，人们对高性能密封结构的要求越来越迫切，改进和发展新的封严装置对减少耗油率、提高发动机效率具有重要的实用价值和意义。
篦齿封严是航空发动机长期以来广泛的一种封严结构，主要应用于轴承腔、压气机级间、涡轮的级间、燃气隔离和冷却流路等部位。研究表明：国内外现役发动机机中空气密封设备主要采用篦齿封严结构，其密封性能的进一步改进主要集中在主要齿形参数（包括）的优化设计，主要着眼点为减少气流的轴向流动。目前篦齿封严结构参数的优化主要着眼于减少气流的轴向流动，但是实际工况中，涡轮转子部件处于高速旋转中，篦齿封严的周向速度能够达到50m/s以上，气流周向流动不可忽略，因此，降低气流的周向流动能够起到明显的降低总流量的目的。而传统的篦齿封严结构周向为光滑流道，流阻较小，难以起到强化周向耗散，衰减流动能量的作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能有效增大了气流周向流动耗散，削弱气流流动总动能的一种周向变截面篦齿封严结构。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种周向变截面篦齿封严结构，包括转轴,转轴外同轴套设有封严衬套，其中：转轴上设置有多个轴向排布的周向变截面封严篦齿，周向变截面封严篦齿的外周面与封严衬套内环面间隙配合，每个周向变截面封严篦齿的封严壁面表面均加工深度逐渐变化的浅槽，相邻周向变截面封严篦齿之间的浅槽位置交错布置，使相邻周向变截面封严篦齿之间的齿间周向流通面积在连续收缩与扩张之间变化，使沿周向变截面封严篦齿周向流动的气流在连续收缩、扩张流动中降低流动能量。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的每个周向变截面封严篦齿上的浅槽由若干组渐变槽单元组成，每组渐变槽单元包括依次设置的高阶台、渐扩浅槽、深槽以及渐缩浅槽，且槽深度深槽＞渐扩浅槽=渐缩浅槽＞高阶台，相邻渐变槽单元首尾相接，形成交替的渐扩渐缩通道。
上述的深槽、渐扩浅槽以及渐缩浅槽均为矩形槽，深槽的深度是渐扩浅槽或渐缩浅槽的两倍，渐扩浅槽与渐缩浅槽形状相同，渐扩浅槽的长度与深度之比小于6.5，大于1.7；渐扩浅槽的宽度与深度度之比小于3.6，大于1.5。
上述的相邻渐变槽单元之间的周向角度在30°至60°之间。
上述的渐扩浅槽与高阶台之间通过第一引导曲面连接，第一引导曲面使渐扩浅槽1与高阶台之间平滑过渡，以便流体进入渐扩浅槽1。
上述的深槽与渐扩浅槽之间通过第二引导曲面连接，第二引导曲面使深槽与渐扩浅槽之间平滑过渡，以便流体进入深槽。
上述的深槽上设置两个周向扰流肋,周向扰流肋之间间隙配合，周向扰流肋的宽度与深槽宽度相等，高度与渐扩浅槽或渐缩浅槽的槽底齐平。
上述的两个周向扰流肋之间设置一径向扰流肋，径向扰流肋的宽度与深槽宽度相等，高度与渐扩浅槽或渐缩浅槽的槽底齐平。
上述的转轴在最前的周向变截面封严篦齿的前面设置一环形封严篦齿。
本发明的周向变截面篦齿封严结构为了强化篦齿轴向流动耗散，在相邻封严之间的光滑环形流道中形成连续的突缩、突扩相邻交替的变截面通道结构，使气流形成扩张、收缩流动，有效增大了气流周向流动耗散，削弱了气流流动总动能，使得轴向流动随之降低。轴向相邻两道篦齿之间形成非等距齿间距排布,相邻篦齿的收缩\扩张结构在周向上形成一定的交错角度,进一步增强齿间轴向间距的变化，使得相邻封严间的轴向流动阻力增强。通过周向流动增强和轴向流动减弱达到降低泄漏量的目的。在底部槽内布置了轴向与周向的交错分布的矩形扰流肋，进一步增大变截面通道底部的轴向与周向流动阻力，减小了泄漏量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是周向变截面封严篦齿的位置示意图；
图3是图2的A-A剖视图。
其中的附图标记为：转轴1、封严衬套2、周向变截面封严篦齿3、浅槽4、高阶台41、渐扩浅槽42、深槽43、渐缩浅槽44、第一引导曲面45、第二引导曲面46、周向扰流肋5、径向扰流肋6、环形封严篦齿7。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明的一种周向变截面篦齿封严结构，包括转轴1,转轴1外同轴套设有封严衬套2，其中：转轴1上设置有多个轴向排布的周向变截面封严篦齿3，周向变截面封严篦齿3的外周面与封严衬套2内环面间隙配合，每个周向变截面封严篦齿3的封严壁面表面均加工深度逐渐变化的浅槽4，相邻周向变截面封严篦齿3之间的浅槽4位置交错布置，使相邻周向变截面封严篦齿3之间的齿间周向流通面积在连续收缩与扩张之间变化，使沿周向变截面封严篦齿3周向流动的气流在连续收缩、扩张流动中降低流动能量。
实施例中，每个周向变截面封严篦齿3上的浅槽4由若干组渐变槽单元组成，每组渐变槽单元包括依次设置的高阶台41、渐扩浅槽42、深槽43以及渐缩浅槽44，且槽深度深槽43＞渐扩浅槽42=渐缩浅槽44＞高阶台41，相邻渐变槽单元首尾相接，形成交替的渐扩渐缩通道。
实施例中，深槽43、渐扩浅槽42以及渐缩浅槽44均为矩形槽，深槽43的深度是渐扩浅槽42或渐缩浅槽44的两倍，渐扩浅槽42与渐缩浅槽44形状相同，渐扩浅槽42的长度与深度之比小于6.5，大于1.7；渐扩浅槽42的宽度与深度度之比小于3.6，大于1.5。
实施例中，相邻渐变槽单元之间的周向角度在30°至60°之间。
实施例中，渐扩浅槽42与高阶台41之间通过第一引导曲面45连接，第一引导曲面45使渐扩浅槽42与高阶台41之间平滑过渡，以便流体进入渐扩浅槽42。
实施例中，深槽43与渐扩浅槽42之间通过第二引导曲面46连接，第二引导曲面46使深槽43与渐扩浅槽42之间平滑过渡，以便流体进入深槽43。
实施例中，深槽43上设置两个周向扰流肋5,周向扰流肋5之间间隙配合，周向扰流肋5的宽度与深槽43宽度相等，高度与渐扩浅槽42或渐缩浅槽44的槽底齐平。
实施例中，两个周向扰流肋5之间设置一径向扰流肋6，径向扰流肋6的宽度与深槽43宽度相等，高度与渐扩浅槽42或渐缩浅槽44的槽底齐平。
实施例中，转轴1在最前的周向变截面封严篦齿3的前面设置一环形封严篦齿7。
本发明在周向变截面封严篦齿3表面上加工间隔布置的一定尺寸的浅槽；浅槽以渐变槽单元周期排布，每个渐变槽单元为连续分布的2级浅槽，形成2次突扩与2次突缩结构；渐变槽单元周向间隔30°至60°；二级浅槽(即深槽43)宽度W2与一级浅槽(即渐扩浅槽42与渐缩浅槽44)W1相同，一级浅槽深度与二级浅槽深度2H1=H2，长度L1=L2。渐扩浅槽42与高阶台41之间通过第一引导曲面45，深槽43与渐扩浅槽42之间通过第二引导曲面46连接，第一引导曲面45和第二引导曲面46利用双曲线函数设计。本发明的渐扩浅槽42和渐缩浅槽44结构相同，二者的区别在于气流从高阶台41流向渐扩浅槽42，而渐缩浅槽44则相反，气流从渐缩浅槽44流向高阶台41。
本发明的周向变截面篦齿封严结构在相邻封严之间的光滑环形流道中形成连续的突缩、突扩相邻交替的变截面通道结构，同时在轴向相邻两道篦齿之间形成非等距齿间距排布,双重作用对周向流动的气流进行阻碍，有效增大了气流周向流动耗散，削弱气流流动总动能，减少气体泄漏。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种周向变截面篦齿封严结构，包括转轴(1),所述的转轴(1)外同轴套设有封严衬套(2)，其特征是：所述的转轴(1)上设置有多个轴向排布的周向变截面封严篦齿(3)，所述的周向变截面封严篦齿(3)的外周面与封严衬套(2)内环面间隙配合，每个周向变截面封严篦齿(3)的封严壁面表面均加工深度逐渐变化的浅槽(4)，相邻周向变截面封严篦齿(3)之间的浅槽(4)位置交错布置，即每个周向变截面封严篦齿(3)上的浅槽(4)由若干组渐变槽单元组成，每组渐变槽单元包括依次设置的高阶台(41)、渐扩浅槽(42)、深槽(43)以及渐缩浅槽(44)，且槽深度深槽(43)＞渐扩浅槽(42)=渐缩浅槽(44)＞高阶台(41)，相邻渐变槽单元首尾相接，形成交替的渐扩渐缩通道，使相邻周向变截面封严篦齿(3)之间的齿间周向流通面积在连续收缩与扩张之间变化，使沿周向变截面封严篦齿(3)周向流动的气流在连续收缩、扩张流动中降低流动能量。
2.根据权利要求1所述的一种周向变截面篦齿封严结构，其特征是：所述的深槽(43)、渐扩浅槽(42)以及渐缩浅槽(44)均为矩形槽，深槽(43)的深度是渐扩浅槽(42)或渐缩浅槽(44)的两倍，所述的渐扩浅槽(42)与渐缩浅槽(44)形状相同，渐扩浅槽(42)的长度与深度之比小于6.5，大于1.7；渐扩浅槽(42)的宽度与深度之比小于3.6，大于1.5。
3.根据权利要求2所述的一种周向变截面篦齿封严结构，其特征是：相邻渐变槽单元之间的周向角度在30°至60°之间。
4.根据权利要求3所述的一种周向变截面篦齿封严结构，其特征是：所述的渐扩浅槽(42)与高阶台(41)之间通过第一引导曲面(45)连接，所述的第一引导曲面(45)使渐扩浅槽(42)与高阶台(41)之间平滑过渡，以便流体进入渐扩浅槽(42)。
5.根据权利要求4所述的一种周向变截面篦齿封严结构，其特征是：所述的深槽(43)与渐扩浅槽(42)之间通过第二引导曲面(46)连接，所述的第二引导曲面(46)使深槽(43)与渐扩浅槽(42)之间平滑过渡，以便流体进入深槽(43)。
6.根据权利要求5所述的一种周向变截面篦齿封严结构，其特征是：所述的深槽(43)上设置两个周向扰流肋(5),周向扰流肋(5)之间间隙配合，周向扰流肋(5)的宽度与深槽(43)宽度相等，高度与渐扩浅槽(42)或渐缩浅槽(44)的槽底齐平。
7.根据权利要求6所述的一种周向变截面篦齿封严结构，其特征是：两个周向扰流肋(5)之间设置一径向扰流肋(6)，径向扰流肋(6)的宽度与深槽(43)宽度相等，高度与渐扩浅槽(42)或渐缩浅槽(44)的槽底齐平。
8.根据权利要求1所述的一种周向变截面篦齿封严结构，其特征是：转轴(1)在最前的周向变截面封严篦齿(3)的前面设置一环形封严篦齿(7)。
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