CN111927633B - 一种带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构，涉及发动机轴承腔密封领域，特别适用于例如航空发动机轴承腔中滑油的高效密封。该结构主要是在石墨密封环的内圆周面开设环形内槽，环形内槽将石墨密封环的内圆周面划分为主密封面和副密封面，副密封面上开设一侧与轴承腔外部连通、另一侧与环形内槽连通的反鱼骨型动压槽。当转子高速运行时，反鱼骨型动压槽内可以产生压力，提升石墨密封的封严性能；同时，开设反鱼骨型动压槽，减少了石墨密封环与密封跑道的接触面积，降低摩擦耗功和摩擦热，有利于提升石墨密封的寿命；此外，可以提高运行线速度，拓宽石墨密封的使用边界。该发明结构简单，加工方便，是一种很有应用前景的密封结构。

Description

一种带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构
技术领域
本发明属于发动机轴承腔密封领域，涉及一种带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构，适用于诸如航空发动机轴承腔的密封。该结构是在石墨密封环的内圆周面上开设环形内槽，环形内槽将石墨密封环的内圆周面划分为主密封面和副密封面，副密封面上开设反鱼骨型动压槽，用来提高封严性能、延长运行寿命的新型密封结构，能够满足例如现代高性能航空发动机等对轴承腔滑油的密封要求。
背景技术
对于现代高性能航空发动机来说，为了追求更高的推重比和热效率，降低耗油率，控制污染物排放并提高工作寿命，需要不断突破密封技术。研究表明，密封泄漏量每减少1％，可使发动机推力增加1％，耗油率降低0.1％。石墨密封是一种接触式密封结构，整体密封性能优于非接触式密封，一般用于轴承腔内的滑油封严。
首先，受限于材料许用温度和材料硬度等性能要求，石墨密封的工作范围有限，其运行线速度一般不超过150m/s；其次，石墨密封主密封面一般尺寸较小，高速运行过程中，如果受损极易导致密封失效；再次，由于石墨密封属于接触式密封，其摩擦耗功较大，摩擦热量高，长期运行磨损严重，影响石墨密封的使用寿命。
本发明提出在石墨密封副密封面开设反鱼骨型动压槽，克服了上述三方面缺点，整体结构比较简单，加工难度与传统的密封结构无异，但是密封性能和寿命却得到大幅提升，具有广泛的应用前景。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和不足，本发明提供了一种带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构，适用于发动机轴承腔中滑油的密封，特别适用于航空发动机轴承腔中滑油的石墨密封，该结构是在石墨密封环的内圆周面上开设环形内槽，环形内槽将石墨密封环的内圆周面划分为主密封面和副密封面，副密封面上开设反鱼骨型动压槽，反鱼骨型动压槽的左侧槽的尾部区域与轴承腔外部连通、右侧槽的尾部区域与环形内槽连通，用来提高封严性能、延长运行寿命的新型密封结构，能够满足例如现代高性能航空发动机等对轴承腔滑油的密封要求。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构，用以对所述发动机轴承腔中的滑油进行密封，所述发动机轴承腔中设有高速旋转的轴承，并充有对所述轴承进行润滑冷却的滑油，所述发动机轴承腔的轴向端部设有石墨密封组件，所述石墨密封组件包括一密封跑道和一与所述密封跑道配对使用的石墨密封环，所述密封跑道固定套设在旋转轴上，所述石墨密封环设置在一静止安装座中，且所述石墨密封环套设在所述密封跑道上，所述石墨密封环的内圆周面与所述密封跑道的外圆周面贴紧布置形成轴向密封面，其特征在于，
所述石墨密封环的内圆周面上开设一在轴向上临近所述发动机轴承腔的环形内槽，所述环形内槽将所述石墨密封环的内圆周面在轴向上划分为一临近所述发动机轴承腔的主密封面和一远离所述发动机轴承腔的副密封面，且所述副密封面的轴向宽度远大于所述主密封面的轴向宽度；
所述副密封面上开设一圈沿周向均匀间隔布置且朝向一致的反鱼骨型动压槽，每一所述反鱼骨型动压槽均包括相互连通所述并具有夹角的一左侧槽和一右侧槽，且每一所述反鱼骨型动压槽均包括一头部区域、一中部区域和一尾部区域，所述左侧槽的尾部区域与所述发动机轴承腔的外部连通，所述右侧槽的尾部区域与所述环形内槽连通，各所述反鱼骨型动压槽头部区域的朝向与所述旋转轴的旋转方向Ω相反。
优选地，所述静止安装座中至少设有一周向弹性件，所述周向弹性件抵接在所述石墨密封环的外圆周面上，使得所述石墨密封环的内圆周面与所述密封跑道的外圆周面贴紧布置以形成轴向密封面。
优选地，所述静止安装座中还设有轴向弹性件，所述轴向弹性件抵接在所述石墨密封环一侧的轴向端面上，使得所述石墨密封环另一侧的轴向端面与所述静止安装座的径向延伸表面贴紧布置以形成径向密封面。
优选地，所述发动机轴承腔的外部设置一封严腔，所述封严腔内的封严气的压力高于所述发动机轴承腔内的滑油压力，可进一步防止所述发动机轴承腔内的滑油向外部泄漏；且各所述反鱼骨型动压槽的左侧槽的尾部区域与所述封严腔连通，右侧槽的尾部区域与所述环形内槽连通。
优选地，每一所述反鱼骨型动压槽中，所述左侧槽、右侧槽之间的夹角α在100°～170°之间，一般取150°。
优选地，相邻两所述反鱼骨型动压槽在周向上的夹角β为3°～8°。
优选地，每一所述反鱼骨型动压槽中，反鱼骨型动压槽的宽度t在0.4～1mm之间，深度h在0.3～0.6mm之间，反鱼骨型动压槽的头部区域半径R1在1～6mm，左侧槽的尾部区域与封严腔连通，右侧槽的尾部区域与环形内槽连通，中部区域为直槽或曲面槽。
本发明的带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构中，石墨密封环与密封跑道配对使用，在石墨密封环的内圆周面上开设环形内槽，环形内槽将石墨密封环的内圆周面划分为主密封面和副密封面，副密封面开设有反鱼骨型动压槽，反鱼骨型动压槽的左侧槽的尾部区域与轴承腔外部连通、右侧槽的尾部区域与环形内槽连通。发动机工作状态下，石墨密封环一直保持静止状态，密封跑道随旋转轴转动，石墨密封环与密封跑道之间产生相对摩擦，发动机轴承腔的外部设置一封严腔，由于封严腔内封严气的压力高于发动机轴承腔内滑油的压力，从而对滑油产生封严作用，防止其泄漏。当发动机稳定运行时，石墨密封环副密封面上开设的反鱼骨型动压槽内可以产生压力，防止滑油泄漏，起到强化密封作用。石墨密封环的副密封面上开设反鱼骨型动压槽后，减少了石墨密封环的内圆周面与密封跑道外圆周面的接触面积，减少了磨损，有利于提高石墨密封组件的使用寿命。石墨密封环的副密封面开设反鱼骨型动压槽后，减少了石墨密封环与密封跑道的接触面积，减少了摩擦热和摩擦耗功，有利于提高石墨密封的运行线速度，拓宽石墨密封的使用边界。
同现有技术相比，本发明的带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构整体提升石墨密封的各项性能，体现在：1)结构简单，布局合理，加工方便，成本可控；2)在不增加封严气量的条件下，通过反鱼骨型动压槽补充压力来提高密封性能；3)减少了石墨密封环与密封跑道的摩擦接触面积，减少了磨损，延长了使用寿命；4)减少了石墨密封环与密封跑道的摩擦接触面积，降低了摩擦耗功和摩擦热，可进一步提高运行线速度，拓宽石墨密封的使用边界。
附图说明
图1为本发明的带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构示意图；
图2为带有反鱼骨型动压槽的石墨密封环的结构示意图；
图3为反鱼骨型动压槽的局部放大图；
图4为石墨密封环与密封跑道、旋转轴的截面图；
图中：1.旋转轴，2.封严腔，3.密封跑道，4.石墨密封环，5.轴向弹性件，6.弹性挡圈，7.挡板，8.圆周弹性件，9.静止安装座，10.轴承腔，11.轴承，12.封严气，13.滑油，14.反鱼骨型动压槽，15.左侧槽，16.右侧槽，17.头部区域，18.中部区域，19.尾部区域，20.主密封面，21.环形内槽，22.副密封面。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。
如图1和图2所示，本发明的带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构，特别适用于航空发动机轴承腔中滑油的石墨密封。发动机轴承腔10中设有高速旋转的轴承11，并充有对轴承11进行润滑冷却的滑油13，发动机轴承腔10的轴向端部设有石墨密封组件。石墨密封组件包括一密封跑道3和一与密封跑道3配对使用的石墨密封环4，密封跑道3固定套设在旋转轴1上，石墨密封环4设置在一静止安装座9中，且石墨密封环4套设在密封跑道3上，石墨密封环4的内圆周面与密封跑道3的外圆周面贴紧布置形成轴向密封面，且石墨密封环4的内圆周面上开设一在轴向上临近发动机轴承腔10的环形内槽21，环形内槽21将石墨密封环4的内圆周面在轴向上划分为一临近发动机轴承腔10的主密封面20和一远离发动机轴承腔10的副密封面22，且副密封面22的轴向宽度远大于主密封面20的轴向宽度；副密封面22上开设一圈沿周向均匀间隔布置且朝向一致的反鱼骨型动压槽14，每一反鱼骨型动压槽14均包括相互连通并具有夹角的一左侧槽15和一右侧槽16，且每一反鱼骨型动压槽14均包括一头部区域17、一中部区域18和一尾部区域19，每一反鱼骨型动压槽14的左侧槽15的尾部区域19与发动机轴承腔10的外部连通，右侧槽16的尾部区域19与石墨密封环4的环形内槽21连通，各反鱼骨型动压槽14的头部区域17的朝向与旋转轴1的旋转方向Ω相反。
本发明优选的实例中，发动机轴承腔10的外部设置一封严腔2，封严腔2内的封严气12的压力高于发动机轴承腔10内滑油13的压力，可进一步防止发动机轴承腔10内的滑油13向外部泄漏。
如图2所示，本发明的带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构中，石墨密封环4的副密封面22上开有反鱼骨型动压槽14是本发明区别于其它石墨密封结构的突出特征。本发明的反鱼骨型动压槽14包括左侧槽15和右侧槽16，每个反鱼骨型动压槽14由头部区域17、中部区域18和尾部区域19三部分构成，头部区域17的朝向与旋转轴1的旋转方向Ω相反，左侧槽15的尾部区域19与封严腔2连通，右侧槽16的尾部区域19与石墨密封环4的环形内槽21连通。
更加具体地，如图1所示，本发明的带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构中，与密封跑道3配套使用的石墨密封由石墨密封环4、轴向弹性件5、弹性挡圈6、挡板7和周向弹性件8构成。周向弹性件8抵接在石墨密封环4的外周表面上，使得石墨密封环4的内圆周面与密封跑道3的外圆周面贴紧布置以形成轴向密封面。轴向弹性件5依托弹性挡圈6、挡板7抵接在石墨密封环4一侧的轴向端面上，使得石墨密封环4另一侧的轴向端面与静止安装座9的径向延伸表面贴紧布置以形成径向密封面。
航空发动机运行过程中，发动机轴承腔10内的轴承11需要一定量的滑油13进行润滑冷却，为防止滑油13泄漏，发动机轴承腔10外部布置有封严腔2，通过在封严腔2内引入一股压力较高的封严气12来进行密封。
当密封跑道3随旋转轴1高速旋转时，石墨密封环4与密封跑道3之间形成密封摩擦面，防止滑油13泄漏。发动机正常运行时，石墨密封环4上开设的反鱼骨型动压槽14内可以产生压力，对原有密封作用形成补充，从而提高密封性能。当石墨密封环4的副密封面22上开设反鱼骨型动压槽14后，石墨密封环4与密封跑道3的接触面积减少，磨损削弱，有利于延长石墨密封的寿命。当石墨密封环4的副密封面22上开设反鱼骨型动压槽14后，石墨密封环4与密封跑道3的接触面积减少，摩擦热和摩擦耗功降低，有利于提高运行线速度，拓宽使用边界。
如图3和图4所示，本发明的带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构中，反鱼骨型动压槽14的宽度t一般取0.5mm，深度h一般取0.4mm，头部区域17的半径R1一般取1mm，每一反鱼骨型动压槽14的左侧槽15的尾部区域19与封严腔2连通，右侧槽16的尾部区域19与石墨密封环4的环形内槽21连通中部区域18是直槽或曲面槽，左侧槽15与右侧槽16的夹角α一般取150°。
如图4所示，每两个反鱼骨型动压槽14的夹角β为5°。
本发明经过了CFD和实验验证，在相同供油量条件下，带反鱼骨型动压槽结构的密封效果比传统结构的密封效果提高了8～15％，预测运行寿命提高了15～30％。
通过上述论述，完全有效地实现了本发明的目的。一般情况下，反鱼骨型动压槽宽度t在0.4～1mm之间，深度h在0.3～0.6mm之间，头部区域的半径R1在1～6mm，左侧槽的尾部区域与封严腔连通，右侧槽的尾部区域与石墨密封环的内槽连通，中部可以是直槽，也可以是曲面槽，左侧槽与右侧槽的夹角α在100°～170°之间，每两个反鱼骨型动压槽的夹角β为3°～8°。
反鱼骨型动压槽形状、数目、排列方式等均可以改变，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.一种带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构，用以对-发动机轴承腔中的滑油进行密封，所述发动机轴承腔中设有高速旋转的轴承，并充有对所述轴承进行润滑冷却的滑油，所述发动机轴承腔的轴向端部设有石墨密封组件，所述石墨密封组件包括一密封跑道和一与所述密封跑道配对使用的石墨密封环，所述密封跑道固定套设在旋转轴上，所述石墨密封环设置在一静止安装座中，且所述石墨密封环套设在所述密封跑道上，所述石墨密封环的内圆周面与所述密封跑道的外圆周面贴紧布置形成轴向密封面，所述发动机轴承腔的外部设置一封严腔，所述封严腔内的封严气的压力高于所述发动机轴承腔内的滑油压力，其特征在于，
所述石墨密封环的内圆周面上开设一在轴向上临近所述发动机轴承腔的环形内槽，所述环形内槽将所述石墨密封环的内圆周面在轴向上划分为一临近所述发动机轴承腔的主密封面和一远离所述发动机轴承腔的副密封面，且所述副密封面的轴向宽度大于所述主密封面的轴向宽度；
所述副密封面上开设一圈沿周向均匀间隔布置且朝向一致的反鱼骨型动压槽，每一所述反鱼骨型动压槽均包括相互连通-并具有夹角的一左侧槽和一右侧槽，且每一所述反鱼骨型动压槽均包括一头部区域、一中部区域和一尾部区域，其中所述左侧槽的尾部区域与所述发动机轴承腔外部的封严腔连通，所述右侧槽的尾部区域与所述环形内槽连通，各所述反鱼骨型动压槽头部区域的朝向与所述旋转轴的旋转方向相反；
所述左侧槽、右侧槽之间的夹角在100°～170°之间；
相邻两所述反鱼骨型动压槽在周向上的夹角为3°～8°；
每一所述反鱼骨型动压槽中，反鱼骨型动压槽的宽度在0.4～1mm之间，深度在0.3～0.6mm之间，反鱼骨型动压槽的头部区域半径在1～6mm，左侧槽的尾部区域与封严腔连通，右侧槽的尾部区域与环形内槽连通，中部区域为直槽或曲面槽。
2.根据权利要求1所述的带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构，所述静止安装座中至少设有一周向弹性件，所述周向弹性件抵接在所述石墨密封环的外圆周面上，使得所述石墨密封环的内圆周面与所述密封跑道的外圆周面贴紧布置以形成轴向密封面。
3.根据权利要求1所述的带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构，其特征在于，所述静止安装座中还设有轴向弹性件，所述轴向弹性件抵接在所述石墨密封环一侧的轴向端面上，使得所述石墨密封环另一侧的轴向端面与所述静止安装座的径向延伸表面贴紧布置以形成径向密封面。
4.根据权利要求1所述的带有反鱼骨型动压槽的石墨密封结构，其特征在于，所述左侧槽、右侧槽之间的夹角取150°。
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