CN112963542B - 一种适用于燃油冷却涡轮的机械密封结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种适用于燃油冷却涡轮的机械密封结构，涉及机械密封领域。其用于高温、高转速条件下油浸冷却轴承结构转静系之间的油‑气密封，解决轴承工作环境温度过高的难题。其包括固定底座、移动支座、橡胶弹簧、摩擦静环、摩擦动环及折流板。冷却用燃油经过输油管注入轴承腔中，绕流经过折流板，增强摩擦动、静环内腔区域的流动和换热。沿套筒和折流板中间夹层流进轴承环腔内，最后流出轴承腔。机械密封结构中采用橡胶弹簧部件，通过与端面壁面压紧配合，既能起到良好的密封效果，又可以提供摩擦静动环预紧所需要的轴向力。故机械密封结构具有工作温度和转速上限高、冷却换热效果好、轴承工作温度较低、结构简单可靠的特点。

Description

一种适用于燃油冷却涡轮的机械密封结构

技术领域

本申请涉及机械密封领域，特别是涉及一种带有橡胶弹簧且结构简单的适用于高温高转速燃油冷却涡轮的机械密封结构。

背景技术

机械密封，即端面密封，是一种利用弹性元件弹性力预紧和介质压力差对动环端面和静环端面压紧而达到密封效果的轴向端面密封装置。其依靠紧密贴合的动、静环端面相对滑动摩擦和辅助密封元件起到防止两边介质泄漏的作用。作为流体机械和动力机械中不可或缺的关键部件，机械密封的性能决定了机器的安全性、可靠性、耐久性、效率等至关重要的参数。

对于应用于高超声速飞行器中的发电涡轮，由于飞行器已无法提供高品位冷却空气，通常采用燃油作为热沉冷却轴承、电机和转轴等部件。而高超声速所带来的滞止高温空气入侵会导致涡轮转静盘腔处在高温环境，易造成常规的机械密封辅助密封元件——O型橡胶圈失效，最终导致密封效果差甚至密封破坏等严重后果。

因此，亟需需要设计一种能够在高温、高转速发电涡轮运行环境中可靠工作且结构简单的机械密封结构。

发明内容

本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。

本申请提供了一种适用于燃油冷却涡轮的机械密封结构，涡轮包括静止机匣，套设在所述静止机匣内的轴承和套筒，以及设置在所述静止机匣内的涡轮导叶、涡轮动叶、涡轮盘及盘腔挡板，所述套筒与所述轴承的内圈相接触，所述机械密封结构布置在所述静止机匣、所述轴承、所述盘腔挡板及所述涡轮盘之间，用于高温高速条件下油浸冷却轴承的转静系之间的油-气密封，所述机械密封结构包括：

固定底座，通过螺栓安装在静止机匣处，配置成支撑第一垫片及橡胶弹簧，还配置成限制移动支座周向转动；

移动支座，安装在所述固定底座与所述盘腔挡板之间的位置处，移动支座配置成支撑第一垫片及橡胶弹簧，还配置成辅助阻挡涡轮盘腔内热气灌入，还配置成减小固体由右向左的导热，还配置成限制移动支座周向转动；

橡胶弹簧，其两端处对应布置第一垫片，橡胶弹簧和对应的第一垫片安装在所述固定底座和所述移动支座之间；

摩擦静环和摩擦动环，顺序安装在所述移动支座与所述涡轮盘之间，在所述橡胶弹簧的作用下抵顶所述移动支座与所述涡轮盘，所述摩擦动环还与所述套筒相连；和

折流板，对应在在所述固定底座和所述移动支座处，并与所述静止机匣固定连接，配置成导流冷却油，以及增强所述摩擦静环和所述摩擦动环的内侧狭腔流动和换热。

可选地，所述固定底座为回转体，其由一端向另一端形成具有两级台阶结构，所述两级台阶结构中右侧的第一台阶的外表面与所述移动支座相接触的外圆周位置处设有凸齿；

所述移动支座为回转体，其内部由一端向另一端形成具有两级凸台结构，所述两级凸台的结构包括：

左端圆柱面，位于所述两级凸台结构的左侧，用于支撑所述第一垫片和所述橡胶弹簧，所述左端圆柱面的圆柱面处设有蓖齿，用于辅助阻挡涡轮盘腔内热气灌入，

内凹圆环空气夹层，位于所述两级凸台结构的中间，用于减小固体由右向左的导热，进而使所述橡胶弹簧处温度较低，

右侧外圆柱面，位于所述两级凸台结构的右侧，所述右侧外圆柱面沿其轴向分布的卡槽，所述卡槽与所述固定底座上的凸齿相配合，以限制所述移动支座的周向转动。

可选地，每一第一垫片均为聚四氟乙烯垫片。

可选地，所述折流板为类U型结构，具有顺序连接的第一边、第二边和第三边，第三边的长度大于第一边的长度，第一边的一端沿水平方向设置、另一端向左下方弯折，第二边垂直于水平方向，第三边的一端向右上方弯折、另一端沿水平方向设置，第一边位于所述固定底座的内部，第二边安装在所述静止机匣处，第三边位于所述移动支座的外部。

可选地，所述摩擦动环的盘心处布置有柔性石墨盘根。

可选地，所述摩擦动环与所述涡轮盘之间布置有第二垫片。

可选地，所述第二垫片为柔性石墨垫片。

可选地，所述固定底座与所述静止机匣之间设有第三垫片。

可选地，所述第三垫片为柔性石墨垫片。

可选地，在工作状态时，所述橡胶弹簧受到预紧力压缩，能够在密封的同时，提供所述摩擦静环和所述摩擦动环所需的预紧力，其中，所述机械密封结构中工作油压和所述橡胶弹簧压缩轴向力的合力为所述摩擦静环和所述摩擦动环提供的轴向配合力，进而保证了所述机械密封结构的密封效果。

本申请的适用于燃油冷却涡轮的机械密封结构，包括固定底座、移动支座、橡胶弹簧、摩擦静环、摩擦动环及折流板。冷却用燃油经过输油管注入轴承腔中，绕流经过折流板，增强摩擦动、静环内腔区域的流动和换热。沿套筒和折流板中间夹层流进轴承环腔内，最后流出轴承腔。机械密封结构中采用橡胶弹簧部件，通过与端面壁面压紧配合，既能起到良好的密封效果，又可以提供摩擦静动环预紧所需要的轴向力。故机械密封结构具有工作温度和转速上限高、冷却换热效果好、轴承工作温度较低、结构简单可靠的特点。

进一步地，采用移动支座外圆布置凹槽和固定底座的凸齿配合的方式限制周向转动，并能提供轴向位移补偿。

更进一步地，采用金属底座夹持碳化硅的摩擦动环的方式，保证其高速旋转时轴向稳定性，降低跳动程度。

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本申请一个实施例的一种适用于燃油冷却涡轮的机械密封结构的示意性主剖视图。

图中各符号表示含义如下：

1-涡轮导叶，2-涡轮动叶，3-涡轮盘，4-盘腔挡板，5-第二垫片，6-摩擦动环，7-柔性石墨盘根，8-摩擦静环，9-移动支座，10-第一垫片，11-橡胶弹簧，12-折流板，13-套筒，14-轴承，15-固定底座，16-第三垫片，17-输油孔；18-静止机匣，91-左端圆柱面，92-蓖齿，93-内凹圆环空气夹层，94-右侧外圆柱面，a-主流气体工质流动方向，b-冷却油流动入口和出口。

具体实施方式

图1是根据本申请一个实施例的一种适用于燃油冷却涡轮的机械密封结构的示意性主剖视图，其中，a为主流气体工质流动方向，b为冷却油流动入口和出口。本实施例提供了一种适用于燃油冷却涡轮的机械密封结构，其中，涡轮包括静止机匣18，套设在所述静止机匣18内的轴承14和套筒13，以及设置在所述静止机匣18内的涡轮导叶1、涡轮动叶2、涡轮盘3及盘腔挡板4。所述套筒13与所述轴承14的内圈相接触。所述盘腔挡板4的上端与涡轮导叶1底座相接，在涡轮盘腔起到阻挡转静间隙泄漏热气的作用，既能起到隔热、保护密封结构的作用，又可以防止旋转气流在盘腔大空间内形成大涡而导致振动。所述机械密封结构布置在所述静止机匣18、所述轴承14、所述盘腔挡板4及所述涡轮盘3之间，用于高温高速条件下油浸冷却轴承14的转静系之间的油-气密封。所述机械密封结构一般性可包括：固定底座15、移动支座9、橡胶弹簧11、摩擦静环8、摩擦动环6和折流板12。固定底座15通过螺栓安装在静止机匣18处，配置成支撑第一垫片10及橡胶弹簧11，还配置成限制移动支座9周向转动。移动支座9安装在所述固定底座15与所述盘腔挡板4之间的位置处，移动支座9配置成支撑第一垫片10及橡胶弹簧11，还配置成辅助阻挡涡轮盘腔内热气灌入，还配置成减小固体由右向左的导热，还配置成限制移动支座9周向转动。橡胶弹簧11的两端处对应布置第一垫片10，橡胶弹簧11和对应的第一垫片10安装在所述固定底座15和所述移动支座9之间。摩擦静环8和摩擦动环6顺序安装在所述移动支座9与所述涡轮盘3之间，在所述橡胶弹簧11的作用下抵顶所述移动支座9与所述涡轮盘3，所述摩擦动环6还与所述套筒13相连。折流板12对应在在所述固定底座15和所述移动支座9处，并与所述静止机匣18固定连接，配置成导流冷却油，以及增强所述摩擦静环8和所述摩擦动环6的内侧狭腔流动和换热。

本实施例中，所述橡胶弹簧11有合适的刚度系数，其前侧端面和后侧端面均与第一垫片10接触。在工作状态，橡胶弹簧11处在压缩状态，能够通过第一垫片10和移动支座9将预紧力传递到摩擦静环8上；同时压缩状态的橡胶弹簧11与左右端面压紧接触，能够起到良好的密封作用。

更具体地，所述第一垫片10对应布置在橡胶弹簧11前侧端面和后侧端面处，其作用使压紧力能够更均匀的加在橡胶弹簧11端面处，以防其产生不稳定形变。优选地，每一第一垫片10均为聚四氟乙烯垫片。在其他实施例中，每一第一垫片10还可为聚酯纤维垫片。

更具体地，所述摩擦静环8的材质可为石墨、碳化硅、硬质合金。更具体地，所述摩擦静环8的圆环外缘分布有轴向凹槽，与移动支座9凸齿相配合，用于限制摩擦静环8周向转动。所述摩擦静环8的左侧端面与移动支座9相接触，所述摩擦静环8的右侧端面与摩擦动环6进行动摩擦以密封。

更具体地，所述摩擦动环6为过盈配合在轴上，与轴一起转动。所述摩擦动环6的材质可为石墨、碳化硅、硬质合金。所述摩擦动环6的内环为金属底座夹紧耐磨材料，进一步地，采用金属底座夹持碳化硅的摩擦动环的方式，保证其高速旋转时轴向稳定性，降低跳动程度，并提供较好的轴向刚度防止轴向窜动。

更具体地，所述摩擦动环6的盘心处布置有柔性石墨盘根7，以压紧摩擦动环6的盘心，起到密封作用，进而防止轴间隙润滑油泄漏。进一步地，所述摩擦动环6的右端面与所述涡轮盘3之间布置有第二垫片5。更进一步地，所述第二垫片5为柔性石墨垫片。

所述摩擦动环6和所述摩擦静环8组合时，它们的材质可为石墨-碳化硅，石墨-硬质合金，硬质合金-硬质合金，且摩擦动环6和摩擦静环8的材质可以互换。本实施例中以石墨的摩擦静环8和碳化硅的摩擦动环6举例说明。

进一步地，所述固定底座15与所述静止机匣18之间设有第三垫片16。优选地，所述第三垫片16为柔性石墨垫片。

具体地，所述固定底座15为回转体，通过几个周向分布的螺栓与静止机匣18连接固定。所述固定底座15由一端向另一端形成具有两级台阶结构，所述两级台阶结构中右侧的第一台阶的外表面与所述移动支座9相接触的外圆周位置处设有凸齿。

具体地，所述移动支座9为回转体。所述移动支座9的内部由一端向另一端形成具有两级凸台结构。所述两级凸台的结构包括：左端圆柱面91、内凹圆环空气夹层93和右侧外圆柱面94。左端圆柱面91位于所述两级凸台结构的左侧，用于支撑所述第一垫片10和所述橡胶弹簧11。所述左端圆柱面91的圆柱面处设有蓖齿92，用于辅助阻挡涡轮盘腔内热气灌入。内凹圆环空气夹层93位于所述两级凸台结构的中间，用于减小固体由右向左的导热，进而使所述橡胶弹簧11处温度较低。右侧外圆柱面94位于所述两级凸台结构的右侧，所述右侧外圆柱面94沿其轴向分布的卡槽，所述卡槽与所述固定底座15上的凸齿相配合，以限制所述移动支座9的周向转动，并能提供轴向位移补偿。

具体地，所述折流板12为类U型结构，具有顺序连接的第一边、第二边和第三边。第三边的长度大于第一边的长度。第一边的一端沿水平方向设置、另一端向左下方弯折。第二边垂直于水平方向。第三边的一端向右上方弯折、另一端沿水平方向设置。第一边位于所述固定底座15的内部，第二边安装在所述静止机匣18处，第三边位于所述移动支座9的外部。折流板12引流润滑油冲入机械密封结构与轴间的狭小腔体，以增强在此处冷却油的流动和换热，防止产生流动死区而导致燃油结焦。故所述折流板12的作用为强制冷却油流入机械密封结构内腔，增强流动与换热，降低结构温度。

具体地，摩擦动环6和摩擦静环8，二者为压紧的动摩擦配合。在工作状态时，左侧轴承腔充满一定压力的冷却油，所述橡胶弹簧11受到预紧力压缩，能够在密封的同时，提供所述摩擦静环8和所述摩擦动环6所需的预紧力。此时，所述机械密封结构中工作油压和所述橡胶弹簧11压缩轴向力的合力为所述摩擦静环8和所述摩擦动环6提供的轴向配合力，进而保证了所述机械密封结构的密封效果。随着摩擦静环8的磨损，橡胶弹簧11逐渐伸长，此时仍要求油压和橡胶弹簧11的合力能够提供足够的摩擦配合压力。

本申请的适用于燃油冷却涡轮的机械密封结构，可用于高超声速飞行器涡轮发电装置中，高温、高转速条件下油浸冷却轴承14结构转静系之间的油-气密封，解决轴承工作环境温度过高的难题。所述机械密封结构包括固定底座15、移动支座9、橡胶弹簧11、摩擦静环8、摩擦动环6及折流板12。冷却用燃油经过静止机匣18的输油孔17注入轴承腔中，流经折流板12冲入机械密封摩擦动环6和摩擦静环8处，从而增强摩擦动、静环内腔区域的流动和换热，之后沿套筒13和折流板12中间夹层流进轴承环腔内，最后流出轴承腔流，对轴承14起到冷却润滑作用。机械密封结构中采用橡胶弹簧11部件，通过与端面壁面压紧配合，既能起到良好的密封效果，又可以提供摩擦静动环预紧所需要的轴向力。故机械密封结构具有工作温度和转速上限高、冷却换热效果好、轴承14工作温度较低、结构简单可靠的特点。故本申请能在高环境温度、高转速条件下实现良好、稳定的密封效果。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种适用于燃油冷却涡轮的机械密封结构，其特征在于，涡轮包括静止

机匣，套设在所述静止机匣内的轴承和套筒，以及设置在所述静止机匣内的涡

轮导叶、涡轮动叶、涡轮盘及盘腔挡板，所述套筒与所述轴承的内圈相接触，

所述机械密封结构布置在所述静止机匣、所述轴承、所述盘腔挡板及所述涡轮

盘之间，用于高温高速条件下油浸冷却轴承的转静系之间的油-气密封，所述机

械密封结构包括：

固定底座，通过螺栓安装在静止机匣处，配置成支撑第一垫片及橡胶弹簧，

还配置成限制移动支座周向转动，所述固定底座为回转体，其由左端向右端形

成有两级台阶结构，所述两级台阶结构中右侧的第一台阶的径向的内表面处设

有凸齿，第一垫片及橡胶弹簧设置在所述固定底座的左侧的第二台阶的径向内

侧；

移动支座，安装在所述固定底座与位于固定底座右侧的所述盘腔挡板之间

的位置处，移动支座配置成支撑所述第一垫片及所述橡胶弹簧，还配置成辅助

阻挡涡轮盘腔内热气灌入，还配置成减小固体由右向左的导热，所述移动支座

为回转体，其径向外侧由左端向右端形成有两级凸台结构，所述两级凸台的结

构包括：

左端圆柱面，位于左侧，用于侧向支撑设置在其左侧的所述第一垫片和所

述橡胶弹簧，所述第一垫片和所述橡胶弹簧设置在位于所述左端圆柱面的左侧

的移动支座的轴向延伸段的径向外侧，所述左端圆柱面的圆柱面处设有蓖齿，

用于辅助阻挡涡轮盘腔内热气灌入，

内凹圆环空气夹层，位于所述两级凸台结构的中间，用于减小固体由右向

左的导热，进而使所述橡胶弹簧处温度较低，

右侧外圆柱面，位于右侧，所述右侧外圆柱面的圆柱面处设有沿其轴向分

布的卡槽，所述卡槽与所述固定底座上的凸齿相配合，以限制所述移动支座的

周向转动；

橡胶弹簧，其左右两端处对应布置有第一垫片，橡胶弹簧和对应的第一垫

片安装在所述固定底座和所述移动支座之间；

摩擦静环和摩擦动环，顺序安装在所述移动支座与位于移动支座右侧的所

述涡轮盘之间，在所述橡胶弹簧的作用下抵顶所述移动支座与所述涡轮盘，所

述摩擦动环还与所述套筒相连；和

折流板，对应在所述固定底座和所述移动支座处，并与所述静止机匣固定

连接，配置成导流冷却油，以及增强所述摩擦静环和所述摩擦动环的内侧狭腔

流动和换热。

2.根据权利要求1 所述的机械密封结构，其特征在于，每一第一垫片均为

聚四氟乙烯垫片。

3.根据权利要求1 所述的机械密封结构，其特征在于，所述折流板为类U

型结构，具有顺序连接的第一边、第二边和第三边，第三边的长度大于第一边

的长度，第一边的右端沿水平方向设置、左端向左下方弯折并连接第二边，第

二边垂直于水平方向，第三边的连接第二边的一端向右下方弯折、另一端沿水

平方向设置，第一边位于所述固定底座的径向外部，第二边安装在所述静止机

匣处，第三边位于所述移动支座的径向内部。

4.根据权利要求1 所述的机械密封结构，其特征在于，所述摩擦动环的盘

心处布置有柔性石墨盘根。

5.根据权利要求1 所述的机械密封结构，其特征在于，所述摩擦动环与所

述涡轮盘之间布置有第二垫片。

6.根据权利要求5 所述的机械密封结构，其特征在于，所述第二垫片为柔

性石墨垫片。

7.根据权利要求1 所述的机械密封结构，其特征在于，所述固定底座与所

述静止机匣之间设有第三垫片。

8.根据权利要求7 所述的机械密封结构，其特征在于，所述第三垫片为柔

性石墨垫片。

9.根据权利要求1-8 中任一项所述的机械密封结构，其特征在于，在工作

状态时，所述橡胶弹簧受到预紧力压缩，能够在密封的同时，提供所述摩擦静

环和所述摩擦动环所需的预紧力，其中，所述机械密封结构中工作油压和所述

橡胶弹簧压缩轴向力的合力为所述摩擦静环和所述摩擦动环提供的轴向配合力，

进而保证了所述机械密封结构的密封效果。

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