CN109578587A - 用于密封轴承腔的圆周石墨密封组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于密封轴承腔的圆周石墨密封组件，包括：密封座，固定于静子支架上；石墨密封，安装于该密封座内，通过压紧组件在轴向上被压紧至该密封座的径向部分以获得径向密封面，且套在旋转轴上并与该旋转轴上的密封跑道之间形成轴向密封面；以及指尖密封，安装在该密封座的轴向部分与该石墨密封的外圆周面之间，以在该密封座、石墨密封和指尖密封之间形成压力调节腔用于平衡该石墨密封的内外圆周面上的径向力差。

Description

用于密封轴承腔的圆周石墨密封组件

技术领域

本发明一般涉及航空发动机的轴承技术领域，尤其涉及一种用于密封轴承腔的圆周石墨密封组件。

背景技术

航空发动机使用轴承完成静子与转子之间的连接，常用的滚动轴承包括承受径向力的滚子轴承与承受轴向力的滚珠轴承。为保证轴承正常使用性能与寿命，需要滑油不间断对其润滑与散热。为了能够保证轴承的润滑与散热，以及滑油存储在轴承腔中不至于流到各处造成污染以及灾难，轴承腔需要合理安排以及设计。

由于转子与轴承高速旋转产生的搅油与甩油作用，轴承腔内被滑油油滴与空气混合的油雾环境填满。与轴承内环相连的转子以及与轴承外环相连的静子之间需要密封防止滑油泄漏。密封一侧是压力较低的轴承腔内油雾环境，另一侧是压力较高的封严空气。由于密封不可能完全阻止两侧流体通过，允许少量封严空气通过密封吹到轴承腔中，而避免轴承腔中油雾从轴承腔泄漏到封严空气流路造成污染甚至带来火灾等事故。常用性能较好的密封是圆周石墨密封，圆周石墨密封的密封性能比较优异，并且有破损安全性，在航空发动机的主轴轴承腔中广泛使用。

圆周石墨密封需要径向拉簧将其箍紧在跑道上，需要一个轴向压簧将其压紧在密封座上。这有一个缺点，就是径向所受的气体力无法平衡掉。圆周石墨密封与跑道之间摩擦力与其径向受力成正比，而径向受力为气体力与径向拉簧的箍紧力之和。气体力越大，摩擦越大，磨损越严重，导致圆周石墨密封寿命缩短。

除了圆周石墨密封以外，有一种指尖密封，虽然没有在航空发动机中使用，但实验证明是一种非常有前途的密封形式。但是指尖密封有迟滞性以及对跑道磨损较大的缺点。迟滞性会导致跑道在跳动过程造成密封面产生间隙造成泄漏，而指尖密封硬度较大造成的跑道损伤也是降低密封寿命的重要因素。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种用于密封轴承腔的圆周石墨密封组件，包括：

密封座，固定于静子支架上；

石墨密封，安装于该密封座内，通过压紧组件在轴向上被压紧至该密封座的径向部分以获得径向密封面，且套在旋转轴上并与该旋转轴上的密封跑道之间形成轴向密封面；以及

指尖密封，安装在该密封座的轴向部分与该石墨密封的外圆周面之间，以在该密封座、石墨密封和指尖密封之间形成压力调节腔用于平衡该石墨密封的内外圆周面上的径向力差。

在一实例中，该石墨密封的外圆周面上绕圆周设有凹槽，该指尖密封的指尖片末端设置在该凹槽内，在该指尖密封的指尖片末端与该凹槽的底面之间形成密封。

在一实例中，该凹槽内设有耐磨环，该指尖密封的指尖片末端与该耐磨环接触。

在一实例中，该耐磨环为聚四氟乙烯材料。

在一实例中，该指尖密封在径向上通过该密封座的轴向部分被压紧至该石墨密封的外圆周面，在轴向上通过压紧轴套被压紧至该密封座的该径向部分。

在一实例中，该压紧轴套通过该压紧组件提供压力。

在一实例中，该压力调节腔的压力大小被设计为使得该石墨密封的内外圆周面上的径向力差为零。

在一实例中，该压力调节腔的压力大小至少与该指尖密封的结构参数有关。

在一实例中，该压紧组件包括卡圈、压板和轴向弹簧，该轴向弹簧一端压紧该石墨密封，另一端连接该压板的一侧，该压板的另一侧被该卡圈固定，该压紧轴套的一端压紧该指尖密封，另一端被该压板压紧。

在一实例中，该卡圈固定于该密封座的该轴向部分。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了使用常规圆周石墨密封组件的轴承腔的部分剖面示意图；

图2示出了圆周石墨密封组件的外观示意图；

图3示出了根据本发明的一方面的圆周石墨密封组件的剖面局部放大图；

图4示出了根据本发明的一方面的圆周石墨密封组件的侧视图；

图5a-5d示出了根据本发明的一方面的圆周石墨密封组件的受力分析图；以及

图6示出了根据本发明的一方面的圆周石墨密封组件的气体泄漏流图的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

航空发动机中利用轴承支撑转子，从而将转子的力传递到发动机支架上。为保证轴承正常工作，通过滑油的润滑作用降低轴承摩擦、散热作用降低其温度。轴承滚子或滚珠、保持架以及转子高速旋转将滑油搅成油雾充斥轴承腔，转静子之间需要封严避免轴承腔内滑油泄漏到空气流路中，以免滑油消耗造成污染甚至发生火灾。常用封严结构中效果较好的一种是圆周石墨密封，但是其径向有一部分力无法平衡掉，如果密封环境压差很大，会造成径向力加大，磨损严重。

图1示出了使用常规圆周石墨密封组件的轴承腔的部分剖面示意图，具体地是某型航空发动机中某支点后的轴承腔内部的部分结构图。图2示出了圆周石墨密封组件的外观示意图。

如图1所示，常规的圆周石墨密封组件可包括带螺旋轴套的密封座18以及安装在密封座内的石墨密封11。轴承腔内部以I表示，轴承腔I外侧的增压腔以II表示。

当轴7高速旋转时，滚子轴承的内圈5通过花键8的连接随着轴7的旋转而高速旋转。为了轴7的定位，将静子轴承外圈1通过滚子2、内圈5以及花键8、花键26与转子轴7相连。为了给轴承提供滑油润滑和散热，在滑油油路6处由喷嘴或者收油环提供的滑油顺着孔25、花键8以及孔4，由于离心作用进入滚子2与内圈5、滚子2与保持架3、滚子2与外圈1、保持架3与内圈5之间的接触面间形成油膜，并随着滑油流动将摩擦产生的热量带走。由于保持架3、滚子2以及内圈5高速搅油，油滴将甩向轴承腔各个方向。

为了阻止轴承腔I内的滑油泄漏，在轴承腔I与增压腔II之间设有圆周石墨密封组件，同时增压腔II的空气压力高于轴承腔I压力，通过空气吹向轴承腔I避免滑油从密封11处泄漏。圆周石墨密封组件包括密封座18和安装在密封座18内的石墨密封11。

密封座18由压紧螺母16压在静子支架17上。密封座18包括螺旋轴套181、径向部分182和轴向部分183。石墨密封11与密封座18的径向部分之间形成径向密封面21。由于气体压力以及压紧组件的作用，将圆周石墨密封11压在轴承座18的径向部分上，可避免在径向密封面21处产生间隙导致泄漏。

在图1的示例中，压紧组件可包括轴向弹簧13、压板14和卡圈15。卡圈15固定于密封座18的轴向部分，轴向弹簧13的一端连接压板14，压板14再被卡圈15限位。轴向弹簧13的另一端伸入石墨密封11中的弹簧孔中以对石墨密封11产生轴向压力。

石墨密封11套在轴7上，并且在石墨密封11与轴7上的密封跑道19之间紧密接触以形成轴向密封面22。为了轴向密封面22受压力均匀，存在均压槽23以及通气孔24。

当油滴喷在带甩油盘的密封跑道19上，由于高速旋转的离心力作用，油滴被径向甩开避免顺着间隙窜入落到石墨密封11上。由于密封跑道19与石墨密封11之间高速摩擦产热，需要滑油进行散热。滑油油路6处滑油通过花键26间的间隙，再通过空隙10，被离心力甩到密封跑道19上通过开豁口的支撑9对石墨密封11进行散热，避免石墨密封11温度过高造成磨损严重降低寿命。

阻止轴承腔I中滑油泄漏主要依靠增压腔II空气压力，而航空发动机过渡态下增压腔II气体压力会降低到轴承腔I压力以下，此时石墨密封11受到反压。此时如果轴向弹簧13的力不够大，反压会推开径向密封面21造成滑油泄漏。

另一方面，由于发动机在运行过程中，密封跑道19会随轴7有轻微跳动。为了避免将石墨密封11弹开，并且为了克服在径向密封面21上产生的摩擦力以避免石墨密封11产生悬挂效应从而在轴向密封面22间产生间隙，需要有周向弹簧12将石墨密封11箍在密封跑道19上。

由于石墨密封11外径受到增压腔II的压力，而轴向密封面22存在由轴承腔I压力到增压腔II压力的压力梯度，因此受力无法平衡，石墨密封11受到一个径向的气体力，因此石墨密封11与密封跑道19之间的径向压力为周向拉簧12与气体力共同给予的。由于跑道19高速旋转，与石墨密封11之间产生摩擦并生热磨损，温度升高会降低石墨密封11性能，加快磨损。

为了避免让圆周石墨密封具有密封高压压差能力，本发明提出一种利用类似指尖密封的结构51(下称，指尖密封51)代替周向拉簧12提供径向载荷，如图3所示。指尖密封51另外一个作用是与径向密封面21一起产生一个平衡压腔III。以下结合图3详细描述指尖密封51的结构及作用。

与图1类似，图3中的密封座18固定于静子支架17上。石墨密封11安装于密封座18内。石墨密封11通过防转栓53保持不会发送转动。石墨密封11通过压紧组件在轴向上被压紧至密封座11的径向部分以获得径向密封面21。另外，石墨密封11套在旋转轴7上并与旋转轴7上的密封跑道19之间形成轴向密封面22。

压紧组件可包括卡圈15、压板14和轴向弹簧13。轴向弹簧13一端压紧石墨密封11，另一端连接压板14的一侧，压板14的另一侧被卡圈15固定。卡圈15可固定于密封座的轴向部分。

特别地，本发明的圆周石墨密封组件还设计有指尖密封51。指尖密封51安装在密封座18的轴向部分与石墨密封11的外圆周面之间。

在径向上指尖密封51通过密封座18的轴向部分被压紧至石墨密封11的外圆周面，在轴向上通过压紧轴套55被压紧至密封座18的径向部分。压紧轴套55通过压紧组件提供压力。具体地，压紧轴套55的一端压紧指尖密封51，另一端被压板14压紧。指尖密封结构51的结构示意如图4所示。

由于指尖密封51的密封作用，在密封座18、石墨密封11和指尖密封51的相应部分之间形成了压力调节腔III(如图3所示)。

压力调节腔III的压力一定介于轴承腔I压力与增压腔II压力之间，但是可通过改变指尖密封结构51控制。压力调节腔的压力大小与指尖密封51的结构参数有关，可通过调节指尖密封51的结构参数来调节压力调节腔III的压力大小。指尖密封的结构参数及具体设计方法为本领域所公知，在此不再赘述。

在一实施例中，石墨密封11的外圆周面上绕圆周设有凹槽，指尖密封51的指尖片末端设置在凹槽内，在指尖密封51的指尖片末端与凹槽的底面之间形成紧密接触，以起到密封。

由于石墨密封11会跟随跑道19跳动，因此与之接触会产生微动摩擦，进而产生磨损。因此可在凹槽内设置耐磨环52直接与指尖密封51(具体地为指尖密封51的指尖片末端)以及圆周石墨密封11接触。耐磨环52可由耐磨性能较好的材料制成，分瓣安装。若环境温度不高于200℃可以使用聚四氟乙烯(PTFE)。

如图6所示，气体泄漏通过径向密封面21时要通过指尖密封结构51，因此指尖密封51可节流降压，进而使压力调节腔III起到平衡石墨密封11的内外圆周面上的径向力差的作用。

如图5a、图5b是传统圆周石墨密封结构的受力分析。具体地，图5a中示出石墨密封在径向上分别受到的向上和向下的力。图5b中示出石墨密封在径向上受到的合力P₁-P₀，径向力由轴向密封面的压力梯度引起而无法平衡，即表现为径向上的合力不为零。

图5c和图5d是本发明中石墨密封径向上的受力分析。具体地，图5c中示出石墨密封在径向上分别受到的向上和向下的力。图5d中示出石墨密封在径向上受到的合力。从图5d的径向合力可以看出，通过改变压力调节腔的压力P_m可以将压差的影响完全抵消，即使径向上受力平衡(径向力差为零)，进而达到密封高压差气体而磨损降低的目的。合需的P_m可通过预先设计指尖密封的结构参数来获得。

同时由于指尖密封结构51的存在，又增加一道密封，使圆周石墨密封的密封效果更好。

相比于传统的圆周石墨密封，本发明的圆周石墨密封组件可以提高密封效果，使泄漏率更低，且可以密封较大的压差，而磨损率不会增加太多，延长了密封寿命。因此，本发明比一般的圆周石墨密封以及指尖密封泄漏率低、寿命延长，从而降低轴承腔中的油雾泄漏。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种用于密封轴承腔的圆周石墨密封组件，包括：

密封座，固定于静子支架上；

石墨密封，安装于所述密封座内，通过压紧组件在轴向上被压紧至所述密封座的径向部分以获得径向密封面，且套在旋转轴上并与所述旋转轴上的密封跑道之间形成轴向密封面；以及

指尖密封，安装在所述密封座的轴向部分与所述石墨密封的外圆周面之间，以在所述密封座、石墨密封和指尖密封之间形成压力调节腔用于平衡所述石墨密封的内外圆周面上的径向力差。

2.如权利要求1所述的圆周石墨密封组件，其特征在于，所述石墨密封的外圆周面上绕圆周设有凹槽，所述指尖密封的指尖片末端设置在所述凹槽内，在所述指尖密封的指尖片末端与所述凹槽的底面之间形成密封。

3.如权利要求2所述的圆周石墨密封组件，其特征在于，所述凹槽内设有耐磨环，所述指尖密封的指尖片末端与所述耐磨环接触。

4.如权利要求3所述的圆周石墨密封组件，其特征在于，所述耐磨环为聚四氟乙烯材料。

5.如权利要求1所述的圆周石墨密封组件，其特征在于，所述指尖密封在径向上通过所述密封座的轴向部分被压紧至所述石墨密封的外圆周面，在轴向上通过压紧轴套被压紧至所述密封座的所述径向部分。

6.如权利要求5所述的圆周石墨密封组件，其特征在于，所述压紧轴套通过所述压紧组件提供压力。

7.如权利要求1所述的圆周石墨密封组件，其特征在于，所述压力调节腔的压力大小被设计为使得所述石墨密封的内外圆周面上的径向力差为零。

8.如权利要求7所述的圆周石墨密封组件，其特征在于，所述压力调节腔的压力大小至少与所述指尖密封的结构参数有关。

9.如权利要求5所述的圆周石墨密封组件，其特征在于，所述压紧组件包括卡圈、压板和轴向弹簧，所述轴向弹簧一端压紧所述石墨密封，另一端连接所述压板的一侧，所述压板的另一侧被所述卡圈固定，所述压紧轴套的一端压紧所述指尖密封，另一端被所述压板压紧。

10.如权利要求9所述的圆周石墨密封组件，其特征在于，所述卡圈固定于所述密封座的所述轴向部分。