CN111512022B - 飞行器涡轮机的两个转子之间的动态密封装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有纵向轴线A的飞行器涡轮机，包括：齿轮减速机、至少一个涡轮轴、风扇、和动态密封装置(14)，齿轮减速机的输入轴(8)与涡轮轴的上游端连接，齿轮减速机的输出轴与风扇的一个轴(3)连接，动态密封装置位于所述齿轮减速机的输入轴与风扇轴之间，其特征在于：所述密封装置包括环形罩(15)，该环形罩的轴向截面为大致U形形状的，在所述风扇轴上固定连接有所述环形罩的外部环形分支(15a)，所述环形罩的内部环形分支(15b)支撑至少一个环形密封接合件，该密封接合件与齿轮减速机的输入轴配合，罩相对于轴线A可在径向上弹性变形。

Description

飞行器涡轮机的两个转子之间的动态密封装置

技术领域

本发明涉及一种飞行器涡轮机两转子间的动态密封装置，更具体来说涉及一种装有行星齿轮减速机、两转子间设置有动态密封装置的飞行器涡轮机。

背景技术

现有技术文件主要为FR-A1-2 983 908、WO-A1-2015/075345、US-A1-2017/241290、US-A1-2017/051823、US-A1-2015/300255和WO-A1-2015/075355。

在传统意义上，涡轮风扇发动机等涡轮机包括一个带有风扇的进气口，该风扇的出口空气流一部分进入发动机并形成热流或初级流，另一部分围绕发动机流动并形成次级流。

在气体流动方向上，发动机从上游至下游通常包括压缩机、燃烧室、涡轮及排气喷嘴，燃烧气体离开涡轮，形成初级流，在排气喷嘴中与次级流混合。

在带有减速器的涡轮喷气发动机中，涡轮轴通过减速器驱动风扇轴，减速器被润滑且置于上游润滑装置中。根据所用减速齿轮类型(如行星齿轮)，风扇轴的旋转方向与涡轮相同或相反，并且风扇轴的旋转速度比涡轮轴的旋转速度低。

润滑装置外端设有密封装置，以防止漏油，并将其优先引导至脱气装置。例如，WO-A1-2015/075355号文件描述了一种设置在风扇轴与齿轮减速机输入轴之间的迷宫型动态密封装置。

本发明提出了现有技术的改进方案。

发明内容

一方面，本发明涉及一种以轴线A为纵轴的飞行器涡轮机，包括一个齿轮减速机，其中，齿轮减速机的输入轴与涡轮轴的上端连接，齿轮减速机的输出轴与风扇的风扇轴连接，所述齿轮减速机的输入轴与所述风扇轴之间设有动态密封装置，其特征在于：所述动态密封装置包括U形盖板，在所述风扇轴上固定连接有所述U形盖板的外部环形分支，所述U形盖板的内部环形分支设有与所述齿轮减速机的输入轴相对应设置的环形密封件，所述U形盖板相对于所述轴线A可在径向上弹性变形。

由于U形盖板可在径向上弹性变形，密封装置在该方向上具有一定的灵活性，即使在操作过程中轴出现错位情况，也不会影响装置效果。密封件的效果因此得到提升，从而限定通风空气流速，和/或控制齿轮减速机输入轴与输出轴之间的油路通道。

本发明提供的飞行器涡轮机可具有以下一个或多个特征，以下特征可独立或结合实现：

-所述U形盖板向下设有一环形开口；

-所述外部环形分支下端与风扇轴固定连接；

-所述外部环形分支与所述风扇轴之间设有流体流动的环形空间，所述环形空间与所述风扇轴的通孔流体连接；

-所述外部环形分支下端设有油路通道连接口；

-所述外部环形分支下端设有环形壳体，所述环形壳体径向向内延伸，被设置成防止油飞溅，和/或保证油路通畅；

-所述内部环形分支包含或设有外部环形肋，外部环形肋被设置成防止油飞溅，和/或保证油路通畅；

-所述内部环形分支至少部分地径向延伸在所述齿轮减速机的输入轴内部；

-所述环形密封件包括密封环，在所述内部环形分支的环形槽中滑动安装有所述密封环，所述密封环外周支撑连接有所述齿轮减速机的输入轴；

-所述密封环轴向截面为近似矩形，拐角为凸形圆角；

-所述齿轮减速机的输入轴包括硬化的圆柱形轨道，用于与密封件相配合，和/或与油路通道的径向通口相配合。

另一方面，本发明涉及一种飞行器涡轮机两转子间的动态密封装置，包括两个转子，其中，所述两转子围绕同一轴线，并以不同速度旋转，所述两转子彼此围绕，且至少部分地向彼此延伸，所述两转子间设有动态密封装置，其特征在于：

-所述密封装置包括密封环，围绕所述轴线设置有所述密封环，在所述转子中的第一转子上、相对于所述轴线径向滑动安装有所述密封环，并且所述密封环外周支撑连接有所述转子中的第二转子，所述第二转子至少部分地环绕所述第一转子，并且还包括：

-排油装置，包括在所述第二转子中形成的环形空腔，所述环形空腔在所述密封装置附近向内开口，与置于所述环形空腔底部、穿过所述第二转子的油路通道孔流体连接。

本发明提供的动态密封装置可将两种功能结合起来，优化密封性能。第一个功能由密封环实现，可通过设置密封环的数量来保证最佳的密封效果。例如，密封环可通过设置，构建控制油路通道，和/或限定润滑装置中通风气流流速。第二个功能由环形空腔及油路通道孔实现，可以进行排油。

本发明提供的动态密封装置可具有以下一个或多个特征，以下特征可独立或结合实现：

-所述密封装置包括三个至六个密封环；

-所述密封环独立地滑动安装在所述第一转子的环形槽中；

-所述密封环轴向截面为近似矩形，拐角为凸形圆角；

-所述密封环以两个或三个成对分布；

-所述密封环位于所述环形腔的一侧，或分布在所述环形腔的两侧；

-所述第二转子包括硬化的圆柱形轨道，所述圆柱形轨道上支撑有所述密封环；

-所述圆柱形轨道轴向一端与一个圆锥形表面相连，以便实现所述第一转子和第二转子的插入安装；

-本发明提供的动态密封装置还包括径向外侧的导油环肋，由所述第一转子承载或在所述第一转子上安装有所述导油环肋，通过配置可将油引导至所述环形腔；

-所述密封装置由多个同轴安装在所述第一转子的密封环组装而成，并通过固定在所述第一转子上的螺母相互轴向夹紧。

附图说明

附图有助于对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。在附图中：

-图1是装有齿轮减速机的飞行器涡轮机的轴向剖视图。

-图2是图1的局部放大图，展示了现有技术条件下的密封装置。

-图3和图4是本发明提供的飞行器涡轮机的局部轴向剖视图。

-图5是本发明提供的动态密封装置的局部轴向剖视图。

-图6是本发明提供的动态密封装置的一个实施例的局部轴向剖视图。

-图7是图6的细节放大图。

-图8和图9是与图6类似的示意图，展示了动态密封装置的其它实施例。

-图10是图5的细节放大图。

具体实施方式

图1所示为一种装有齿轮减速机的飞行器涡轮机1，其通常包括一个风扇S，一个低压压缩机1a，一个高压压缩机1b，一个燃烧室1c，一个高压涡轮1d，一个低压涡轮1e。高压压缩机1b的转子与高压涡轮1d的转子通过高压轴5连接，并形成高压体(HP)。低压压缩机1a的转子与低压涡轮1e的转子通过低压轴4连接，并形成低压体(BP)。齿轮减速机7通过低压轴4驱动风扇S的风扇轴3。

高压轴和低压轴沿A轴设置，所述A轴为涡轮机1的旋转轴线。在以下描述中，纵向或径向、外部或内部的概念均以该轴线为参照。

涡轮机1包括结构壳体。高压体(HP)由两个结构壳体固定：压缩机间壳体及涡轮机间壳体。低压体(BP)由至少两个结构壳体固定：中间壳体2及涡轮机间壳体和/或排气壳体6。

中间壳体2为低压轴4的轴承提供支撑，所述轴承位于标注为E1的前部或上游壳体中。排气壳体6为低压轴4的轴承提供支撑，所述轴承位于标注为E2的后部或下游壳体中。

齿轮减速机7采用的是行星齿轮。图1展示了所述齿轮减速机行星齿轮的空间要求。齿轮减速机7包括输入轴8，所述输入轴在低压轴4上向上游设置，由所述低压轴的下游承轴10引导。所述齿轮减速机7的输出扭矩以常规连接方式传递至风扇轴3，例如，在行星齿轮减速机中，可在齿轮减速机输出轴的行星架上固定所述风扇轴3。齿轮减速机输出轴采用轴承11a和轴承11b进行引导，优选地，轴承11a为滚动轴承，轴承11b为球轴承。

如图3和图4所示，轴承10、轴承11a、轴承11b以及齿轮减速机7位于由实线T为界的前部润滑装置E1内。

润滑装置E1的外壁包括固定壁和可移动壁。轴承底座形成固定壁，轴形成可移动壁。

齿轮减速机的输入轴8和风扇轴3以不同的速度旋转，所述输入轴8与所述风扇轴3间安装有密封装置。图2展示了现有技术条件下的迷宫式密封装置12，在此设计条件下，加压气体可在操作期间流通进入壳体内部(箭头13)。

图3和图4展示了本发明提供的密封装置14，是在现有技术基础上改进后的装置。

在示例中，密封装置14部分地限定了润滑装置E1的范围，包括U形盖板15，在所述风扇轴3上固定连接有所述U形盖板15(capot)的外部环形分支15a，所述U形盖板15的内部环形分支15b设有与所述齿轮减速机的输入轴8相对应设置的环形密封件16。

所述U形盖板15相对于所述轴线A可在径向上弹性变形，并可在风扇轴3和输入轴8未对准的情况下灵活调位，同时在环形密封件16的作用下保证轴与轴之间的密封效果。

如图4所示，轴承10、轴承11a、轴承11b及齿轮减速机7都经过润滑，以达到最佳的运行状态。通过适当装置注入润滑油(箭头17)。这些装置通常为对准待润滑元件的管道和喷嘴。轴承10、轴承11a位于润滑装置E1的轴向两端。轴承底座上设有通风口，通风空气可经过通风口通过装置。润滑装置E1通过设置，可以使在润滑装置内形成油雾状的气-油混合物限制在装置内部。在润滑装置的转子壁和定子壁之间，可以在装置的上下两端设置密封装置(如迷宫式)，以容纳润滑油，并通过空气回路为密封装置加压，以防止漏油。密封装置同样可以设置在两个活动壁之间，比如在两轴间设置，尤其是在风扇轴3与输入轴8之间的密封装置。气流从涡轮机的低压压缩机或高压压缩机中抽取，为润滑装置E1的所有密封装置加压。箭头19展示了气流的供应路径，所述气流分成了若干气流(箭头20、箭头21、箭头22)为不同密封件加压。

此后，润滑装置E1被加压(空气不断进入其中，驱赶出任何可能通过毛细作用从密封件中逸出的油)，轴承在油气混合的环境中运行。润滑油仍然处于润滑系统的油路通道中。对轴承的润滑通过供油管实现，润滑油的回收由专用的回收管实现，所述回收管一般位于密封装置底部。为避免润滑装置内的气压过高，并使进入的空气持续流动，装置内部的气压应低于进入密封圈气流的气压。此气流中含有润滑油颗粒，应首先经过处理，回收其中含有的几乎所有油。为实现以上操作，含油气体将先进入除油器中，所述除油器将空气与其所携带的油分离开，并将除油后的气体排出发动机外。

图5更具体地展示了密封装置14的实施例，图10是图5细节的大比例放大图。

U形盖板15设有一环形开口，在示例中，所述环形开口向下游方向开口。所述开口通向润滑装置E1，因此构成所述装置的一部分。所述环形开口在操作过程中会含有油雾。

U形盖板15的外部环形分支15a为圆柱形或圆锥形，平行于风扇轴3并以小的径向距离设置。外部环形分支15a与风扇轴3间设有一环形空间23。风扇轴3由一排环形通孔24组成，所述环形通孔24向上游方向通向环形空间23，向下游方向通向润滑装置E1。因此，环形空间23与润滑装置E1之间通过通孔24流体连接。在示例中，环形通孔24自上游至下游方向径向设置。在操作过程中，进入环形空间23的油将被输送至环形通孔24，从而返回润滑装置E1内(箭头F1)。

外部环形分支15a在其下游方向端设有与风扇轴3相连的固定装置。在示例中，所述固定装置包括外部径向环形凸缘25，所述环形凸缘25呈锯齿状，并在齿间设有一排轴向缺口。所述下游方向端与设置在风扇轴3上的互补圆柱形凸缘26相互卡合。所述圆柱形凸缘26齿间设有一排径向缺口。环形凸缘25的齿与圆柱形凸缘26的缺口啮合，圆柱形凸缘26的齿与环形凸缘25的缺口啮合。齿与齿之间相互配合，形成防转装置。每个环形凸缘25、圆柱形凸缘26的齿数设置在1至10之间。

通过简单的轴向平移、直至上述齿啮合的方式，即可将U形盖板15安装在风扇轴3上。

U形盖板15与风扇轴3通过密封环49与圆柱形凸缘26的环形凹槽啮合，二者在轴向上彼此相对固定，所述环形凹槽向内径向开口。

外部环形分支15a在其下游方向端还设有外部环形凹槽，所述外部环形凹槽向外径向开口，O形密封件27位于所述外部环形凹槽中，所述外部环形凹槽底部与风扇轴3之间夹有所述O形密封件27。在此处，所述外部环形凹槽是由外部环形分支15a的径向悬空处形成的，包括外部圆柱形表面，所述外部圆柱形表面与同风扇轴3互补的内部圆柱形表面28相互配合，可以使U形盖板15定中心。在组装过程中，U形盖板15可以通过收缩所述圆柱形表面进行轴向固定。内部圆柱形表面28在环形空间23的通孔24与风扇轴3下游方向表面之间进行轴向设置。

在外部圆柱形表面与环形凸缘25之间，外部环形分支15a可设有外部径向环形凹槽29。所述外部环形分支15a中设有径向通孔30，所述径向通孔30向环形凹槽29开放，从而使得油从内侧向外侧径向通过，自U形盖板15的开口流向润滑装置E1的其余部分(箭头F2)。然后，润滑油将在所述环形凸缘25及所述圆柱形凸缘26的齿之间流动。

所述外部环形分支15a的下游端设有环形壳体31，所述环形壳体31向内径向设置，通过配置可防止油飞溅，和/或保证油路通畅。在此处，环形壳体31包括径向外侧部分31a，向上游呈扩口状的中间部分31b，和一个径向内侧部分31c。径向外侧部分31a通过风扇S紧贴在外部环形分支15a的环形凸缘25上。径向外侧部分31a为锯齿状，其齿与环形凸缘25的齿相对齐，并与环形凸缘25的齿啮合，位于圆柱形凸缘26的齿之间。所述环形壳体31的径向外侧部分31a还设有圆柱形凸缘33，所述圆柱形凸缘向上游方向凸起，通过定心操作与外部环形分支15a下游端的内部圆柱形表面相配合。

因此，尽管设有环形壳体31，但是进入U形盖板15的油并不会滞留在环形壳体中，而是通过径向通孔30、环形凸缘25和圆柱形凸缘26的齿排出。

所述环形壳体31的径向内侧部分31c基本与齿轮减速机输入轴8的上游端处于同一直线。

U形盖板15的上游端轴向截面为近似圆形。U形盖板15的内部环形分支15b包括下游端，所述下游端部分位于输入轴8上游端的径向内侧。环形密封件16位于所述端部之间形成的径向空间中。

内部环形分支15b在所述下游端包括径向外部环形肋34，所述环形肋34在此处设置在径向平面中，所述径向平面位于输入轴8的上游端，并穿过环形壳体31的中间部分。环形肋34形成了一个加强件，使内部环形分支15b保持良好的圆形度。环形肋34通过配置可防止油飞溅，和/或保证油路通畅。在示例中，环形肋34位于内部环形分支15b径向厚度更大部分的上游端。

内部环形分支15b的下游端设有一个外部圆柱形表面35，所述圆柱形表面35上安装有环形密封件16。所述圆柱形表面35轴向设置，上游方向为径向外部环形凸缘36，下游方向为外螺纹37(图6)。

图6和图7展示了密封件的第一实施例，所述密封件为密封环38。

密封环38在径向方向上滑动安装在内部环形分支15b上，通过设置，密封环38可在其外周上支撑齿轮减速机的输入轴8。

密封环38围绕轴线A设置，其内周在径向方向上滑动安装在径向环形槽39中。所述环形槽39由若干个环形部件组装而成。

每个环形槽39由两个轴向安装的环40a、环40b相互结合，并啮合在内部环形分支15b的外部圆柱形表面35上。一些环，如环40a，具有较小的轴向尺寸，位于轴向距离较小的两个相邻密封环38之间。另一些环，如环40b，具有较大的轴向尺寸，位于轴向距离较大的两个相邻密封环38之间。此设置可以使密封环38沿外部圆柱形表面35设置，并以两个、三个或其它方式成组分布。

在示例中，六个密封环38围绕内部环形分支15b设置。所述密封环38每三个为一组，第一组密封环位于上游方向，其中各密封环与环40a相互穿插设置，第二组密封环位于下游方向，其中各密封环由环40b相互隔开。

环40a的轴向截面为近似L形，环40b的轴向截面为近似U形。因此环40b形成了一个径向向外开口、位于两组密封环38之间的环形空间43。

环40a、环40b在外部圆柱形表面35上通过滑动啮合，并在最上层环40a轴向支撑的环形凸缘36和通过外螺纹37固定、轴向支撑最下层环40a的螺母41之间轴向相互夹紧。

密封环38的形状和尺寸经过设置，可在环形槽39中进行径向运动。所述密封环38的轴向截面为近似矩形，其拐角为凸形圆角，以此减少环40a、环40b和输入轴8接触时所产生的磨损。每个密封环均包括外周支撑表面，所述外周支撑表面截面为凸形弯曲形状，以保证在风扇轴3、输入轴8未对准的情况下，仍能保证正常运行。所述密封环的内径介于环形槽39的内径与外径之间，密封环的外径大于环形槽的外径，且略小于密封环径向支撑的圆柱形轨道42的内径。

在示例中，输入轴8的上游端围绕内部环形分支15b设置，包括设置在两个圆柱形轨道42之间的环形腔44，所述环形腔44径向向内开口，并与所述两组密封件38间形成的环形空间43径向对齐。所述环形腔44的底部设有一排油路通道的环形通孔45(箭头46)，以便在润滑装置E1内通过离心操作使油返回。因此，环形腔44与环形通孔45形成了排油装置。

圆柱形轨道42通过特殊涂层或特殊方式进行硬化处理，以此减少其与密封环38接触和摩擦时产生的磨损。

位于上游的圆柱形轨道42通过其上游端连接到向上游开口的圆锥形表面47上，通过将内部环形分支15b的下游端径向插入输入轴8内，所述圆锥形表面47可以优化涡轮机的安装步骤。

图8和图9展示了其它实施例。

图8展示了含有三个密封环38的密封装置，其中两个密封环为一对，位于环形腔44的上游端，另一个密封环位于所述环形腔44的下游端。

图9同样展示了含有三个密封环38的密封装置，但所述三个密封环为一组，位于环形腔44的上游端。环40a位于最下方密封环38与螺母41之间，所述环40a包括外部径向环形肋48，所述环形肋48与环形通孔45对齐。所述环形肋48通过配置和离心作用，可促进润滑油流入环形腔44内。

总之，润滑装置E1转子与转子间的密封由密封环38实现，所述密封环38于360°连续设置，由U形盖板15支撑，形成弹性销，此类设置可以允许齿轮减速机7的输入轴8有少许错位情况，可允许有若干毫米的错位，最多3毫米，优选地，错位情况在1.5毫米内。所述环形壳体31可在尽可能靠近齿轮减速机7的位置回收油，并使得油料向密封装置14的飞溅程度最小化。环形肋34可将U形盖板15加固，形成加强件，并且还可作为密封装置14的保护隔板。

密封环38可由碳或铸铁制成。

另外，所述密封环可拆分，甚至可由刷封或浮环代替。

除上述优点外，本发明所实现的有益效果在于，本发明可以保持涡轮机的模块化组装不变(如申请WO-A1-2015/075345所述)，本发明可以保持润滑装置E1之前部分的密封原理不变(如申请WO-A1-2015/075355所述)。

Claims (10)

1.一种以轴线A为纵轴的飞行器涡轮机(1)，包括一个齿轮减速机(7)，其中，齿轮减速机(7)的输入轴(8)与涡轮轴(4)的上端连接，齿轮减速机的输出轴与风扇的风扇轴(3)连接，所述齿轮减速机的输入轴与所述风扇轴之间设有动态密封装置(14)，其特征在于：所述动态密封装置包括U形盖板(15)，在所述风扇轴上固定连接有所述U形盖板的外部环形分支(15a)，所述U形盖板的内部环形分支(15b)设有与所述齿轮减速机的输入轴相对应设置的至少一个环形密封件，所述U形盖板相对于所述轴线A能够在径向上弹性变形。

2.根据权利要求1所述的飞行器涡轮机(1)，其特征在于：所述U形盖板(15)设有沿轴向向下敞开的一环形开口。

3.根据权利要求1或2所述的飞行器涡轮机(1)，其特征在于：所述外部环形分支(15a)的下端与风扇轴(3)固定连接。

4.根据权利要求3所述的飞行器涡轮机(1)，其特征在于：所述外部环形分支(15a)与所述风扇轴(3)之间设有流体流动的环形空间(23)，所述环形空间与形成在所述风扇轴(3)中的环形通孔(24)流体连接。

5.根据权利要求3所述飞行器涡轮机(1)，其特征在于：所述外部环形分支(15a)的下端设有油路通道连接口(30)。

6.根据权利要求3所述的飞行器涡轮机(1)，其特征在于：所述外部环形分支(15a)的下端设有环形壳体(31)，所述环形壳体径向向内延伸，被设置成防止油飞溅，和/或保证油路通畅。

7.根据权利要求1或2所述的飞行器涡轮机(1)，其特征在于：所述内部环形分支(15b)包含或设有径向外部环形肋(34)，该径向外部环形肋被设置成防止油飞溅，和/或保证油路通畅。

8.根据权利要求1或2所述的飞行器涡轮机(1)，其特征在于：所述内部环形分支(15b)至少部分地径向地延伸在所述齿轮减速机(7)的输入轴(8)内部。

9.根据权利要求1或2所述的飞行器涡轮机(1)，其特征在于：所述至少一个环形密封件包括一个或多个密封环(38)，在所述内部环形分支(15b)的环形槽(39)中滑动安装有所述密封环，所述密封环外周支撑连接有所述齿轮减速机(7)的输入轴(8)。

10.根据权利要求1或2所述的飞行器涡轮机(1)，其特征在于：所述齿轮减速机(7)的输入轴(8)包括至少一个硬化的圆柱形轨道(42)，用于与至少一个密封件相配合，和/或与油路通道的径向环形通口(45)相配合。

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