CN109611160B - 转动件流体封严“马蹄型”篦齿 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转动件流体封严“马蹄型”篦齿，属于密封结构设计技术领域。具体为在梯形平顶的篦齿的齿顶中间位置开槽，形成齿顶槽，齿顶槽开口向上，齿顶槽的槽底部所在圆直径大于篦齿齿底圆直径，齿顶槽的槽底部所在圆直径小于篦齿齿顶圆直径。利用本发明所提供的蓖齿，能够在不占用更多篦齿放置空间、不提高加工工艺复杂程度的前提下，实现封严效果好，熵产高的效果。

Description

转动件流体封严“马蹄型”篦齿
技术领域
本发明属于密封结构设计技术领域，具体涉及一种转动件流体封严“马蹄型”篦齿。
背景技术
篦齿密封是一种常见的密封装置，利用流道的突扩和突缩，消耗流体的动能增加流阻以限制或阻止流体泄漏。它主要应用于军用、民用航空发动机、燃气轮发动机空气系统中的气体密封，如：高压压气机出口、轴承腔封严，以及压气机级间和涡轮级间的空气密封，由于其结构简单，性能可靠等特点，使得其仍然在现役和在研航空发动机中广泛使用。对于燃气轮机，压气机或涡轮盘有多处需要两个转速不同的部件相连接，而由于相对转速的存在，各部件的连接处无法完全密封，而部件前后通常存在较大的压差与温差，因此在连接处需要设计并使用篦齿用以封堵气流通过。目前的篦齿无法做到绝对的封严，因此如何提高篦齿的封严效果一直是燃气轮机，尤其是航空燃气轮机的重要研究方向之一。对于不同工作条件及尺寸约束条件，通常有针对性地对篦齿结构进行结构或尺寸优化，从而得到各种异形齿，而常规的梯形篦齿仍然广泛应用于燃气轮机中。
现有典型篦齿通常是篦齿两侧以对称的角度倾斜，随着半径增大而相应减小宽度，保证近似等强度设计，齿顶以平顶为主，篦齿两侧壁与齿顶加以圆角过度。这种梯形篦齿拥有结构简单，齿厚接近等强度设计，易加工等优势，在燃气轮机的设计与制造方面受到广泛应用，然而其封严效果在许多工作环境下并不理想。常规的梯形篦齿结构密封泄漏量较大，使得发动机效率损失大、燃油油耗高。
发明内容
为解决现有技术中常规的梯形篦齿泄漏量较大和密封性差的问题，本发明提出一种转动件流体封严“马蹄型”篦齿，加工工艺与常规的梯形平顶的篦齿相似，在提供更好的密封性的同时并不会增加加工工艺的复杂程度，同时在篦齿可放置的空间受限的情况下提供更好的封严效果。
一种转动件流体封严“马蹄型”篦齿，具体为在梯形平顶的篦齿的齿顶中间位置开槽，形成齿顶槽。所述齿顶槽开口向上，所述齿顶槽的槽底部所在圆直径大于篦齿齿底圆直径，齿顶槽的槽底部所在圆直径小于篦齿齿顶圆直径。
齿顶槽所在篦齿的左侧平顶齿和右侧平顶齿的齿厚均大于等于1毫米，齿顶槽的槽宽在满足齿顶槽左右两侧平顶齿齿厚的情况下取最大值，齿顶槽的槽深与槽宽相等，齿顶槽的两侧内侧壁的倾斜角度为所在篦齿左侧壁面倾斜角度和篦齿右侧壁面倾斜角度的平均值，篦齿左侧壁面的倾斜角度为45°～90°，篦齿右侧壁面与篦齿左侧壁面之间的夹角为20°。
每个梯形平顶的篦齿上齿顶槽的个数为1-3个。
利用本发明所提供的转动件流体封严“马蹄型”蓖齿，能够在不占用更多篦齿放置空间、不提高加工工艺复杂程度的前提下，实现封严效果好，熵产高的效果。
附图说明
图1为现有的常规的梯形平顶篦齿结构示意图；
图2为本发明所提供的一种转动件流体封严“马蹄型”篦齿的结构示意图；
图3为本发明所提供的一种转动件流体封严“马蹄型”篦齿局部气流流线图。
图中：
1、篦齿；2、齿顶槽；3、篦齿齿腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出一种转动件流体封严“马蹄型”篦齿，在梯形平顶篦齿的顶端开槽，以提高封严效果。本发明对现有技术中的常规的梯形平顶的篦齿(参考文献【1】张留祥,陈俊东,耿旭辉,et al.直通式篦齿密封性能的数值模拟与试验研究[J].润滑与密封,2013(10):51-54.)做出改进，通过调整篦齿齿顶形态、篦齿倾斜角度等参数，配合封严环，达到提高篦齿封严效率的效果，解决现有篦齿结构泄漏量大、密封性差等问题，同时利用本发明所提供的“马蹄型”篦齿，在同等空间下提供更好的封严效果，使得外部环境或约束如压力差、总温、可加工尺寸等参数相同的情况下，篦齿前后的气体流量即泄漏量更小，可以在空间受限的情况下提供较高的封严效率，主要应用于燃气轮机封严，针对燃气轮机中涡轮或压气机部件存在相对转速，且前后腔存在压差时对气体的封严，以进一步降低腔体间的泄漏量。
如图1所示，现有的常规的梯形平顶的篦齿1的顶端是平顶，本发明具体为在梯形平顶的篦齿1的齿顶中间位置开槽，如图2，形成齿顶槽2，使气流流经篦齿齿顶时在齿顶槽2内形成涡流，利用突缩突扩增强篦齿封严效果，如图3。
如图2，本发明所提供的“马蹄型”篦齿，齿顶槽2开口向上，所述齿顶槽2的槽底部所在圆直径大于篦齿齿底圆直径，齿顶槽2的槽底部所在圆直径小于篦齿1齿顶圆直径，在设计时保证每个齿顶槽2左侧平顶的齿厚以及齿顶槽2右侧平顶的齿厚满足强度要求，齿顶槽2所在篦齿1的左侧平顶齿和右侧平顶齿的齿厚均大于等于1毫米，齿顶槽2的槽宽在满足齿顶槽左右两侧平顶齿齿厚的情况下取最大值，齿顶槽2的槽深与齿顶槽2的槽宽相等，齿顶槽2的槽宽越宽越好，而齿顶槽2的槽深取决于齿顶槽2的槽宽。例如，齿顶槽2的槽宽如果是2mm，那么齿顶槽2的槽深就取2mm；如果齿顶槽2的槽宽是3mm，那么齿顶槽2的槽深就取3mm，其他条件相同的情况下，齿顶槽2的槽宽3mm和槽深3mm的情况下的封严效果要优于齿顶槽2槽宽2mm和槽深2mm的情况，齿顶槽2的两侧内侧壁的倾斜角度为所在篦齿1左侧壁面倾斜角度和篦齿1右侧壁面倾斜角度的平均值，为保证强度，一方面保留篦齿1两侧倾斜角度近似等强度结构，篦齿1左侧壁面的倾斜角度为45°～90°，优选地篦齿1左侧壁面的倾斜角度为45°，向来流方向倾斜；篦齿1右侧壁面与篦齿1左侧壁面之间的夹角为20°左右。
齿顶槽2的形状可以采用多种结构，齿顶槽2的形状为U型槽或V型槽，根据实验结果来看，U型槽的效果较好，但是某些情况下，篦齿的高度受限或加工工艺受限，需要采用V型槽。所述的齿顶槽2可以采用非对称结构，齿顶槽2可以使不同工况下的篦齿得到性能的提升。如图2所示，本实施例中，齿顶槽2的形状为U型槽，U型槽的深度与宽度均为1mm，U型槽两侧内壁的倾斜角度根据具体情况选择，具体地，根据现有的几次模拟实验结果，齿顶槽2两侧内侧壁的倾斜角度为篦齿1左侧壁面倾斜角度和篦齿1右侧壁面倾斜角度的平均值时综合性能最好，优选地，篦齿1左侧壁面的倾斜角度为90°，篦齿1右侧壁面的倾斜角度为70°，齿顶槽2两侧内侧壁的倾斜角度为80°；齿顶槽2的深度小于篦齿高度。气流由左向右经过齿顶槽2时，由于齿顶与封严环间横截面积突然增大，突扩现象提高篦齿封严效果，同时气流受压，流入U型槽，并受U型槽体结构影响，将在U型槽内形成漩涡，如图3所示，在篦齿齿腔3和篦齿1的齿顶槽2内均形成漩涡，漩涡的形成辅助篦齿封严气体。同时在U型槽体后部，由于横截面积突然减小，气流发生流束收缩效应，再一次提高篦齿封严效果。
另一方面，齿顶槽2的个数也可根据加工水平进行调整，每个梯形平顶的篦齿上齿顶槽2的个数为1-3个，在梯形平顶的篦齿1的顶端加工单槽、双槽或三槽等结构都讲对封严效果产生正面影响，图1所示，本实施例中，齿顶槽2的个数为1个，为单槽结构，近似马蹄状。
进一步，篦齿1两侧的倾斜角度也可针对工况不同适当调整，具体为篦齿1左侧壁面的倾斜角度为45°～90°，篦齿1右侧壁面与篦齿1左侧壁面之间的夹角为20°；如图1所示，本实施例左侧壁面与篦齿平顶面垂直，相比现有技术中两侧壁面对称结构的篦齿进一步提高了篦齿封严效果。在另一种优选的实施例中，篦齿1左侧壁面和篦齿1右侧壁面在保持中间夹角为20度左右的情况下，左侧壁面和右侧壁面均向左调整45°。
封严环的结构同样将对本发明的篦齿封严效果产生影响，与篦齿相对应的封严环的横截面可以采用多种适合的结构，如平封严环、三角封严环、蜂窝封严环或矩形封严环等，不同封严环的结构配合齿顶槽的结构，可以进一步扩大气流流经齿顶槽时的突缩突扩现象，从而改善篦齿封严效果。
为验证本发明使用效果，使用本发明“马蹄型”篦齿配合平封严环与现有技术中典型梯形平顶篦齿配合平封严环在某数值模拟算力同样工作环境下进行控制变量法泄漏量对比，在本实施例中，使用“马蹄齿型”篦齿进行的模拟结果相比典型梯形平顶篦齿的模拟结果，气体泄漏量降低了18.9％。
进一步，将上述数值模拟算例同样工作环境中的两个篦齿的平封严环更换为尺寸相同的蜂窝封严环，使用“马蹄型”篦齿时的气流泄漏量下降28.6％。
在更换多个压比、多个转速及多个篦齿间隙进行不同工况验证时，“马蹄型”篦齿也在不同的情况下达到了不同程度的封严效果的提高。

Claims (8)

1.转动件流体封严篦齿，其特征在于，在梯形平顶的篦齿的齿顶中间位置开槽，形成齿顶槽；所述齿顶槽开口向上，所述齿顶槽的槽底部所在圆直径大于篦齿齿底圆直径，齿顶槽的槽底部所在圆直径小于篦齿齿顶圆直径。
2.如权利要求1所述的转动件流体封严篦齿，其特征在于，齿顶槽所在篦齿的左侧平顶齿和右侧平顶齿的齿厚均大于等于1毫米，齿顶槽的槽宽在满足齿顶槽左右两侧平顶齿齿厚的情况下取最大值，齿顶槽的槽深与槽宽相等，齿顶槽的两侧内侧壁的倾斜角度为所在篦齿左侧壁面倾斜角度和篦齿右侧壁面倾斜角度的平均值，篦齿左侧壁面的倾斜角度为45°～90°，篦齿右侧壁面与篦齿左侧壁面之间的夹角为20°。
3.如权利要求2所述的转动件流体封严篦齿，其特征在于，篦齿左侧壁面的倾斜角度为45°，向来流方向倾斜。
4.如权利要求2所述的转动件流体封严篦齿，其特征在于，篦齿左侧壁面的倾斜角度为90°，篦齿右侧壁面的倾斜角度为70°，齿顶槽两侧内侧壁的倾斜角度为80°。
5.如权利要求1所述的转动件流体封严篦齿，其特征在于，每个梯形平顶的篦齿上齿顶槽的个数为1-3个。
6.如权利要求1所述的转动件流体封严篦齿，其特征在于，齿顶槽的形状为U型槽或V型槽。
7.如权利要求6所述的转动件流体封严篦齿，其特征在于，U型槽的深度与宽度均为1mm。
8.如权利要求1所述的转动件流体封严篦齿，其特征在于，与篦齿相对应的封严环的横截面采用平封严环、三角封严环、蜂窝封严环或矩形封严环。
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