CN109563744B - 带有吸气面密封的涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮发动机（10），带有具有沿轴向间隔开的第一结构元件（120）和第二结构元件（122）的定子（118），以及转子（110）和转子与定子之间的面密封（100），面密封（100）包括联接至第一结构元件和第二结构元件的非旋转气体轴承面（128）以及联接至转子且面对非旋转气体轴承面的旋转气体轴承面（114）。将空气流引入到该密封的一个或多个部分以均衡第一结构元件与第二结构元件之间的瞬态热响应来防止旋转气体轴承面与非旋转气体轴承面之间的接触。

Description

带有吸气面密封的涡轮发动机

本发明的背景

涡轮发动机且特别是燃气涡轮发动机或燃烧涡轮发动机是从穿过发动机到多个旋转涡轮叶片上的燃烧气体流获得能量的旋转式发动机。发动机包括形成转子的多个旋转部分和形成定子的多个固定部分。在两个部分之间密封是必要的以防止泄漏且促进沿必要方向的流动。

吸气面密封（Aspirating face seal）用来最大限度地减少通过两个构件之间的间隙的泄漏和从较高压力区域到较低压力区域的泄漏。吸气面密封设计成最大限度地减少流体（诸如，燃气涡轮发动机中的转子与定子之间的压缩空气或燃烧气体）的泄漏。吸气面密封可便于补偿可能存在于构件之间的间隙中的瞬态变化。吸气面密封通过限制从较高压力的区域到较低压力的区域的流体流来控制发动机中的流体泄漏，且定位在发动机固定部件与发动机内的旋转部件之间。

通过燃气涡轮发动机密封组件的流体泄漏可显著地增加燃料消耗且不利地影响发动机效率。此外，流体泄漏可导致对其他构件的损坏且/或增加总体的发动机维护成本。因此期望只要有可能就增加比燃料消耗。

吸气面密封是可减少泄漏的技术。此密封依赖非旋转部件与旋转部件之间微小且被良好控制的空隙来可靠地起作用。因为极端的温度变化，在非旋转部件和旋转部件接触处可能出现影响空隙的锥角（coning）。因此将有益的是减少任何锥角出现，从而增加比燃料消耗（SFC）和形成吸气面密封的部分的寿命。

本发明的简要描述

在一个方面，实施例涉及一种涡轮发动机，其包括：定子，该定子具有可称为前横撑（crossbar）和后横撑的沿轴向间隔开的第一结构元件和第二结构元件；转子；转子与定子之间的面密封，其包括联接至第一结构元件和第二结构元件的非旋转气体轴承面以及联接至转子且面对非旋转气体轴承面的旋转气体轴承面；以及空气流回路，其使与第一结构元件和第二结构元件中的任一个接触的空气流动以在操作上均衡第一结构元件和第二结构元件的瞬态热响应来最大限度地减小热变形且保持旋转轴承面与非旋转轴承面之间较恒定的间隙。

在另一方面，实施例涉及一种用于涡轮发动机的面密封，该面密封包括：具有沿径向间隔开的横撑的滑动件；由横撑支撑的非旋转面密封；面对非旋转面密封的旋转面密封；以及空气流回路，其使与横撑中的一个流体接触的空气流动以在操作上均衡横撑的瞬态热响应。

在还有另一方面，实施例涉及一种操作涡轮发动机的空气密封的方法，该方法包括向支撑非旋转气体面的两个沿径向间隔开的横撑中的一个供应空气以均衡横撑之间的瞬态热响应。

附图的简要描述

在附图中：

图1为用于飞行器的涡轮发动机的示意性截面图。

图2为发动机处于关闭位置中时在图1的涡轮发动机的定子与转子的一部分之间形成的面密封。

图3为带有梯度的来自图2的面密封。

图4为图2的面密封的第二实施例。

图5为图2的面密封的第三实施例。

图6为图2的面密封的第四实施例。

本发明的实施例的描述

本发明的描述的实施例针对在滑动件的两个结构元件中的至少一个内具有流动空气的吸气面密封（本文中称为面密封），该滑动件具有面密封的非旋转面。为了说明的目的，将关于用于飞行器燃气涡轮发动机的涡轮描述本发明。然而，将理解的是，本发明不如此限制，且可在包括压缩机的发动机内以及在非飞行器的应用（诸如，其他移动应用和非移动的工业、商业和居住应用）中具有普遍适用性。

如在本文中使用的那样，用语“前部”或“上游”是指沿朝发动机入口的方向移动，或者构件与另一构件相比相对较接近于发动机入口。连同“前部”或“上游”使用的用语“后部”或“下游”是指朝发动机的后部或出口的方向，或与另一构件相比相对较接近于发动机出口。

此外，如在本文中使用的那样，用语“径向”或“沿径向”是指在发动机的中心纵向轴线与外部发动机周边之间延伸的尺寸。

所有的方向参考（例如，径向、轴向、近侧、远侧、上、下、向上、向下、左、右、侧向、前方、后方、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、前部、后部等）仅用于标识的目的以帮助读者对本发明的理解，且不产生限制（特别是关于本发明的位置、定向或用途）。除非另外指示，连接参考（例如，附接、联接、连接和接合）应被宽泛地解释且可包括一系列元件之间的中间部件和元件之间的相对运动。因而，连接参考不一定意味着两个元件直接地连接且彼此处于固定关系。示例性附图仅为了说明的目的，且在附于此的附图中所反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可变化。

图1为用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意性截面图。发动机10具有大体上沿纵向延伸的轴线或中心线12（前部14延伸到后部16）。发动机10包括（成下游串流关系）：包括风扇20的风扇区段18；包括增压器或低压（LP）压缩机24和高压（HP）压缩机26的压缩机区段22；包括燃烧器30的燃烧区段28；包括HP涡轮34和LP涡轮36的涡轮区段32；以及排气区段38。

风扇区段18包括包绕风扇20的风扇壳体40。风扇20包括围绕中心线12沿径向设置的多个风扇叶片42。HP压缩机26、燃烧器30和HP涡轮34形成发动机10的核心44，其生成燃烧气体。核心44由可与风扇壳体40联接的核心壳体46包绕。

围绕发动机10的中心线12同轴地设置的HP轴或转轴（spool）48使HP涡轮34传动地连接至HP压缩机26。在较大直径的环形HP转轴48内围绕发动机10的中心线12同轴地设置的LP轴或转轴50使LP涡轮36传动地连接至LP压缩机24和风扇20。转轴48, 50可围绕发动机中心线旋转且联接至多个可旋转元件，其可共同地限定转子51。

LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52, 54，其中成组的压缩机叶片56, 58相对于对应组的静态压缩机静叶60, 62（也称喷嘴）旋转以压缩或加压通过该级的流体流。在单个压缩机级52, 54中，多个压缩机叶片56, 58可设置在环中且可相对于中心线12从叶片平台沿径向向外延伸到叶片末端，而对应的静态压缩机静叶60, 62定位在旋转叶片56, 58的上游且邻近于旋转叶片56, 58。注意，图1中示出的叶片、静叶和压缩机级的数量选择成仅用于说明的目的，且其他数量是可能的。

用于压缩机级的叶片56, 58可安装至盘61，该盘61安装至HP转轴48和LP转轴50中对应的一个，其中每级具有它自身的盘61。用于压缩机级的静叶60, 62可以以周向布置安装至核心壳体46。

HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64, 66，其中成组的涡轮叶片68, 70相对于对应组的静态涡轮静叶72, 74（也称喷嘴）旋转以从通过该级的流体流获得能量。在单个涡轮级64, 66中，多个涡轮叶片68, 70可设置在环中且可相对于中心线12从叶片平台沿径向向外延伸到叶片末端，而对应的静态涡轮静叶72, 74定位在旋转叶片68, 70的上游且邻近于旋转叶片68, 70。注意，图1中示出的叶片、静叶和涡轮级的数量选择成仅用于说明的目的，且其他数量是可能的。

用于涡轮级的叶片68, 70可安装至盘71，该盘71安装至HP转轴48和LP转轴50中对应的一个，其中每级具有专用的盘71。用于压缩机级的静叶72, 74可以以周向布置安装至核心壳体46。

互补于转子部分，发动机10的固定部分（诸如，压缩机区段22与涡轮区段32之中的静态静叶60, 62, 72, 74）也单独地或共同地称为定子63。因而，定子63可指发动机10各处的非旋转元件的组合。

在操作中，离开风扇区段18的空气流分开使得空气流的一部分被引导到LP压缩机24中，LP压缩机24然后向HP压缩机26供应加压空气流76，HP压缩机26进一步加压空气。来自HP压缩机26的加压空气流76在燃烧器30中与燃料混合且点燃，从而生成燃烧气体。一些功由HP涡轮34从这些气体获得，HP涡轮34驱动HP压缩机26。燃烧气体排出到LP涡轮36中，LP涡轮36获得额外的功以驱动LP压缩机24，且排气最终经由排气区段38从发动机10排出。LP涡轮36的驱动将LP转轴50驱动以使风扇20和LP压缩机24旋转。

可从压缩机区段22吸出一部分加压空气流76作为放出空气77。放出空气77可从加压空气流76吸出且提供至需要冷却的发动机构件。进入燃烧器30的加压空气流76的温度显著地增加。因而，由放出空气77提供的冷却对于此类发动机构件在升高的温度环境中的操作是必要的。

空气流78的剩余部分绕过LP压缩机24和发动机核心44，且通过固定的静叶排（且更特别是在风扇排气侧84处的包括多个翼型引导静叶82的出口引导静叶组件80）离开发动机组件10。更特别地，邻近风扇区段18使用周向排的沿径向延伸的翼型引导静叶82来施加对空气流78的一些方向控制。

由风扇20供应的空气中的一些可绕过发动机核心44，且可用于冷却发动机10的部分（特别是热的部分），和/或用来冷却飞行器的其他方面或向飞行器的其他方面供能。在涡轮发动机的上下文中，发动机的热的部分通常在燃烧器30的下游，特别是涡轮区段32，其中HP涡轮34是最热的部分，因为它直接在燃烧区段28的下游。冷却流体的其他源可为（但不限于）从LP压缩机24或HP压缩机26排出的流体。

图2描绘转子51与定子63之间的面密封100。初级密封齿102、起动器密封齿104和偏转器密封齿106一起形成从转子51的可旋转部件110沿径向向外延伸的密封齿108。初级齿102和起动器齿104形成环形曲径密封齿以在操作的对应点处接合不可旋转的部件112上对应的初级密封区（seal land）103和起动器密封区105。周向旋转轴承面114关于可旋转部件110和密封齿108形成。

定子63包括定子臂116，滑动件118沿轴向且滑动地安装至定子臂116。滑动件118具有第一结构元件和第二结构元件，其包括横撑120, 122以支撑邻近于初级齿102且在初级齿102的径向内侧的周向非旋转气体轴承面128的沿径向间隔开的部分124, 126。非旋转气体轴承面128面对旋转气体轴承面114，其中在面对的轴承面114, 128之间形成轴承间隙130。

在发动机首次开动时，起动器齿104产生闭合力。在启动（未示出）时，初级齿102与区103之间的间隙大于起动器齿104与区105的间隙。在此打开条件下，几乎所有压降跨过起动器齿104出现，而很小的压降跨过初级齿102出现。跨过起动器齿104的压降导致密封闭合。

在发动机运转且如示出的那样处于关闭位置中时，初级齿102提供密封。在此情况下，初级齿102与区103之间的间隙小于起动器齿104与区105之间的间隙。几乎所有的压降跨过初级齿102出现，且很小的压降跨过起动器齿104出现。

在操作期间，包绕横撑120, 122的带有相对高压力的区域H与轴承间隙130附近的带有相对较低压力的区域L之间的高压和低压差在轴承间隙130内产生空气膜。此空气膜提供低摩擦滑动表面132以用于在非旋转气体轴承面128旁边但不接触该非旋转气体轴承面128的旋转气体轴承面114的平稳旋转。

空气流回路134（其包括在横撑120的内部138内形成的至少一个管道136）包括倾斜的供给孔140和空气轴承供给孔142。空气流回路134可包括穿过非旋转气体轴承面128的多个管道136，其形成环形空气流回路134，该空气流回路134使与横撑120接触的空气流动。此外，排放孔144可使初级齿102附近的区域146流体地连接至沿轴向邻近定子臂116的排放腔148。

转子51和定子63包括（但不限于）可旋转部件110和不可旋转部件112、横撑120,122、滑动件118以及密封齿108。这些部分在论述图3时将共同地称为“构件”，且可由钢或具有热膨胀特性的其他材料形成。

转到图3，在操作期间存在瞬态温度条件，其中构件的温度可沿着梯度（gradient）G1、G2和G3变化。期望使所有的这些变化的温度同时到相同的温度（本文中称为热响应率）。在带有瞬态温度条件的环境中，如沿着梯度G1、G2和G3所需要的那样，空气的策略性布置可增加或降低特定位置处的热响应率。引入空气作为在这些构件附近或包绕这些构件的空气流可确保热响应率对于沿着梯度G1、G2和G3的不同位置具有类似的幅值。

梯度G1横跨横撑120的轴向端部160处的区域到轴承间隙130，且梯度G2从轴承间隙继续到横撑122上的点162。梯度G3是G1和G2的合成，横跨从轴向端部160的区域到点162。尽管所有的梯度G1、G2和G3影响弯曲或挠曲的量，但合成的梯度G3在此特定的实施例中被认为是最重要的，因为它横跨滑动件118的最大的部分。因此，沿着G3出现最大的瞬态温度差。应理解的是，还可构想出沿着梯度G1、G2和G3（连同未论述但理解成存在的其他梯度）中的任一个的差，且沿着G3的瞬态温度差是示例性的且不意在限制。

取决于沿着梯度G1、G2或G3的位置，热响应率可显著地变化。热响应率取决于多个因素，包括：热传导率；每单位时间每单位面积可通过给定量的材料传导的热量的量；材料的初始温度；以及周围空气的温度。在不引入空气流的情况下，热响应率将显著地变化，这可能造成构件中的弯曲和挠曲。

当非旋转气体轴承面128和旋转气体轴承面114中的任一个弯曲从而产生锥角形状时，构件的弯曲或挠曲可产生锥角效应156。例如，如果横撑122比横撑120更冷，则G2梯度小于G1。这导致周向非旋转气体轴承面128上的差动拉力，从而导致它变形，在此示例中导致它沿逆时针方向（在看如图3中描绘的截面时）弯曲。这导致周向非旋转气体轴承面128的下端部朝旋转气体轴承面114移动。在其中横撑122比横撑120更热的另一示例中，可能出现沿相反方向的变形。在任一种情况下，存在最小轴承间隙130空隙的减小，从而增大两个轴承面114, 128将接触和在彼此上磨损的可能性。因此，期望调节热响应率以便控制锥角效应156。

空气流回路134中的流动空气158改变横撑120和122中的热瞬态率。通过调整空气流158以实现对于相应位置160, 162和其间的那些所期望的热响应率，可控制温度梯度G1,G2, G3以产生可接受水平的轴承面锥角。

当操作条件导致构件比周围空气152更热时，期望使温度梯度G1, G2, G3到均衡（其中构件内沿着梯度的温度差△T尽可能接近于零）。通过横撑120中的管道136的流动空气158在操作上均衡对于第一结构元件120和第二结构元件122的瞬态热响应，使△T尽可能接近于零，且降低或消除前述锥角效应156。因此，防止旋转表面114与非旋转表面128之间的接触。

转到图4、图5和图6，类似的备选实施例示为带有由相似标号（以100递增）标识的相似部分，其中要理解的是第一实施例的相似部分的描述应用于额外的实施例（除非要另外注意）。

图4示出具有管道236的滑动件218，该管道236在包括横撑222的第二结构元件中形成。很像本文中所论述的第一实施例，管道236在横撑222的内部238形成。在其中前横撑222对周围空气252的温度中的改变响应得比后横撑220更慢的情况下，期望在横撑222中提供流动空气258。这增加前横撑222的瞬态热响应且最大限度地减小梯度G3，导致轴承间隙230处较低的热引起锥角。

图5示出带有与图2的第一实施例相同功能的第三实施例，其中管道336在带有金属板390的横撑320的外部339形成，该金属板390可钎焊、焊接或另外附接至滑动件318的第一部分392和第二部分394。湍流器393可设置在管道336内以通过引起更湍流的流来增进热传递。金属板390与外部339之间的间隙空间337可基于压降和期望的瞬态热响应形成。

图6示出第四实施例，其具有与图5的第二实施例相同的功能且在结构上类似于图6的第三实施例。金属板490可钎焊至滑动件418的第三部分496和第四部分498以形成用于流动空气458的管道436，该流动空气458跨过包括横撑422的第二结构元件的外部439。湍流器493可设置在管道436内，以通过引起更湍流的流来增进热传递。金属板490与外部439之间的间隙空间437可基于压降和期望的瞬态热响应形成。

操作面密封100的方法包括向两个沿径向间隔开的横撑120, 122中的一个供应空气158，横撑120, 122支撑非旋转气体面128以均衡横撑120, 122之间的瞬态热响应。供应空气158包括向横撑120, 122中的较热的一个供应冷却空气，或供应空气包括向横撑120,122中的较冷的一个供应较热的空气。

在操作的不同点期间执行的分析示出了在减小温度差△T方面的显著改进。在爆发操作和再爆发操作期间的益处比在稳态操作期间的那些更大。发现稳态操作期间的温度差△T在管道136中执行流动空气158之前和之后均较接近于零，因此对于稳态操作较小的梯度益处。

连同本文中所描述的益处，面密封100减小热梯度引起的锥角、减小压力锥角、包括易于制造的形式且减小变形。此减小的变形允许密封设计成具有较小的空气轴承间隙130，其允许初级齿102与初级齿区103之间的空隙中对应的减小。在发动机操作期间，初级密封是对于流的主要限制，故空隙的减小导致较低的密封流。

应了解的是，所公开的设计的应用不限于带有风扇区段和增压器区段的涡轮发动机，而是也适用于涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和其他涡轮机（诸如，压缩机或蒸汽涡轮）。还应进一步了解的是，尽管本文中所描述的实施例具有给定的定向，但实施例可沿其他方向和/或定向定位。

此书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这样的其他示例在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种涡轮发动机，其包括：

具有沿轴向间隔开的第一结构元件和第二结构元件的定子；

转子；

所述转子与所述定子之间的面密封，其包括联接至所述第一结构元件和所述第二结构元件的非旋转气体轴承面以及联接至所述转子且面对所述非旋转气体轴承面的旋转气体轴承面；以及

空气流回路，其使与所述第一结构元件和所述第二结构元件中的一个接触的空气流动以在操作上均衡所述第一结构元件和所述第二结构元件的瞬态热响应来防止所述旋转气体轴承面与所述非旋转气体轴承面之间的接触。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述空气流回路穿过所述非旋转气体轴承面。

3.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述空气流回路包括关于所述第一结构元件和所述第二结构元件中的一个形成的管道。

4.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其特征在于，所述管道在所述第一结构元件和所述第二结构元件中的所述一个的外部形成。

5.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其特征在于，所述管道在所述第一结构元件和所述第二结构元件中的所述一个的内部形成。

6.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述定子包括滑动件，且所述滑动件具有支撑所述非旋转气体轴承面的所述第一结构元件和所述第二结构元件，且所述空气流回路穿过所述非旋转气体轴承面以在所述旋转气体轴承面与所述非旋转气体轴承面之间提供气体。

7.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，所述非旋转气体轴承面是周向的，且第一结构元件和第二结构元件包括横撑，所述横撑支撑所述非旋转气体轴承面的沿径向间隔开的部分。

8.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其特征在于，所述空气流回路包括穿过所述非旋转气体轴承面的多个管道。

9.根据权利要求8所述的涡轮发动机，其特征在于，所述多个管道沿着所述横撑中的一个的外部行进。

10.根据权利要求8所述的涡轮发动机，其特征在于，所述多个管道穿过所述横撑中的一个。

11.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述转子包括在所述非旋转气体轴承面附近的密封齿。

12.一种用于涡轮发动机的面密封，其包括：

具有沿径向间隔开的横撑的滑动件；

由所述横撑支撑的非旋转气体轴承面；

面对所述非旋转气体轴承面且与其间隔开以限定轴承间隙的旋转气体轴承面；以及

限定通路的空气流回路，所述通路沿着所述沿径向间隔开的横撑中的至少一个且空气通过所述通路供应，以在操作上均衡所述横撑的瞬态热响应来防止所述旋转气体轴承面与所述非旋转气体轴承面之间的接触。

13.根据权利要求12所述的面密封，其特征在于，所述空气流回路穿过所述非旋转气体轴承面。

14.根据权利要求13所述的面密封，其特征在于，所述空气流回路包括关于所述横撑中的一个形成的管道。

15.根据权利要求14所述的面密封，其特征在于，所述管道在所述横撑中的所述一个的外部形成。

16.根据权利要求14所述的面密封，其特征在于，所述管道在所述横撑中的所述一个的内部形成。

17.根据权利要求14所述的面密封，其特征在于，密封齿邻近所述非旋转气体轴承面定位。

18.一种操作涡轮发动机的空气密封的方法，所述方法包括向支撑非旋转气体轴承面的两个沿径向间隔开的横撑中的一个供应空气以均衡所述横撑之间的瞬态热响应。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，供应所述空气包括向所述横撑中较热的一个供应冷却空气。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，供应所述空气包括向所述横撑中较冷的一个供应较热的空气。

Images