CN113090342A - 基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构 - Google Patents

基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，包括：转子、梳齿座、梳齿、机匣和主动间隙控制结构，梳齿座为多个，沿转子的周向设置，梳齿为多排，固定设置于梳齿座的内部环形端面上，主动间隙控制结构与梳齿座对应设置，包括齿条、扇形齿轮、连杆、记忆合金丝和涡流管，齿条的一端穿过机匣与梳齿座连接，扇形齿轮为两个，分别配合设置于齿条的两侧，连杆与扇形齿轮的尾端连接，记忆合金丝连接于连杆和机匣之间，且设置于涡流管内，利用涡流管的即时制冷制热特性和记忆合金的温控形状记忆效应可实现静转子之间的密封间隙的主动调节。

Description

基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构
技术领域
本发明涉及旋转机械中的动密封结构，特别提供了一种基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构。
背景技术
转子与静子之间的密封是航空发动机、汽轮机等旋转机械的重要部件，起着防止工作介质泄漏和节能降耗的关键作用。近年来，随着航空发动机中涡轮盘温度、主轴转速和压气机压比的增加，发动机相关部位密封的工况环境进一步恶化，由密封引起的泄漏损失影响日益突出，直接影响着透平机械的工作效率。众所周知，当发动机由静止到起动的过程中，转速会迅速增加，高温燃气对转子叶片和涡轮盘加热，同时转子受到增大的离心力作用，转子迅速膨胀，而密封件膨胀的速度相对较慢，导致转静子之间的间隙变小，易产生碰磨；当进入巡航状态时，转子与静子间隙趋于平稳，但此时转子与静子间隙较大，泄漏量大，飞机巡航状态持续周期时间长，燃油消耗大；当进入停车阶段时，转子的跳动量变化较大，转子与静子间隙变小，易产生磨损。
有研究表明，密封泄漏量减小1%，航空发动机涡轮盘温度降低47℃，推力提高1.52吨，燃油消耗量降低10%，每年可节省燃油费20亿美元，NOx的排放量减少50%，机场的噪声降低5dB。为了得到相同性能的改善，改进透平机械气动设计的成本将是改进密封技术的4-5倍，先进密封技术是实现航空发动机燃料消耗减少40%、增加发动机轴功率与推重比到120%的重要手段。
因此，提出一种可跟随发动机工况变化而实时调节密封间隙的密封结构，成为亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，以解决传统的动密封结构不能实时调节密封间隙的问题。
本发明提供的技术方案是：基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，包括：转子、梳齿座、梳齿、机匣和主动间隙控制结构，其中，所述梳齿座为多个，沿转子的周向设置，所述梳齿为多排，固定设置于梳齿座的内部环形端面上，所述机匣位于所述梳齿座的外周，所述主动间隙控制结构与梳齿座对应设置，包括齿条、扇形齿轮、连杆、记忆合金丝和涡流管，所述齿条设置于所述机匣的外部且一端穿过机匣与梳齿座连接，所述扇形齿轮为两个，分别配合设置于所述齿条的两侧，所述扇形齿轮的尾端固定，所述连杆与所述扇形齿轮的尾端连接，所述记忆合金丝连接于连杆和机匣之间，且设置于涡流管内，所述涡流管用于调节所述记忆合金丝的温度。
优选，所述梳齿座交错式配合连接。
进一步优选，所述梳齿座和梳齿分别为高温合金梳齿座和高温合金梳齿。
进一步优选，所述梳齿的端部的强度小于转子的强度。
进一步优选，所述齿条的端部还套设有滑块，用于对其运动方向进行限位。
进一步优选，所述扇形齿轮的尾端通过铆钉固定。
进一步优选，所述记忆合金丝为Ti-50.8Ni-0.1Zr形状记忆合金丝。
本发明提供的一种基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，利用涡流管的即时制冷制热特性和记忆合金的温控形状记忆效应可实现静子与转子的间隙调节。
该篦齿密封结构，结构简单，重量轻，不需要复杂的动力装置，并且可以通过涡流管的即时制冷制热特性和记忆合金丝温控形状效应精确控制密封间隙的大小；该结构可直接利用现有的国家标准零件对梳齿密封与转子自适应同心进行研究，无需再设计复杂结构与零件，研究成本大大降低；该结构可以在不拆换密封装置的情况下调节静子与转子之间的密封间隙，可明显提高密封性能、降低使用成本，具有良好的经济效益。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明提供的基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构的结构示意图；
图2为梳齿座的连接图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
如图1所示，本发明提供了一种基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，包括：转子1、梳齿座2、梳齿3、机匣4和主动间隙控制结构，其中，所述梳齿座2为多个，沿转子1的周向设置，所述梳齿3为多排，固定设置于梳齿座2的内部环形端面上，所述机匣4位于所述梳齿座2的外周，所述主动间隙控制结构与梳齿座2对应设置，包括齿条5、扇形齿轮6、连杆7、记忆合金丝8和涡流管9，所述齿条5设置于所述机匣4的外部且一端穿过机匣4与梳齿座2连接，所述扇形齿轮6为两个，分别配合设置于所述齿条5的两侧，所述扇形齿轮6的尾端固定，所述连杆7与所述扇形齿轮6的尾端连接，所述记忆合金丝8连接于连杆7和机匣4之间，且设置于涡流管9内，所述涡流管9用于调节所述记忆合金丝8的温度。
该基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，利用涡流管的即时制冷制热特性和记忆合金的温控形状记忆效应可调节记忆合金丝的特性（收缩或伸长），记忆合金丝的收缩或伸长可带动连杆、扇形齿轮、齿条与梳齿座接近或远离转子，进而实现静子（梳齿座及梳齿）、转子之间的密封间隙的主动调节，该密封结构可改善因转子跳动而引起的摩擦、碰撞损失、泄漏量大等问题。
该基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构的间隙调节过程如下：
在发动机起动的过程中，转子的转速会迅速增加，高温燃气对转子叶片和涡轮盘加热，同时转子受到增大的离心力作用，转子会迅速膨胀，而静子膨胀的速度相对较慢，会导致转静子之间的间隙变小，为了防止转静子发生碰磨，可通过涡流管对记忆合金丝加热，使记忆合金丝收缩，进而带动连杆、扇形齿轮、齿条和静子向外移动，增加密封间隙，该调节方式可在保证泄漏量低的情况下尽量减小磨损量，以最大程度保护密封结构。
在巡航状态时，转子与静子间隙趋于平稳，此时，转子与静子间隙较大，导致泄漏量大，巡航状态持续周期时间长，燃油消耗大，因此需要减少密封间隙，此时，可通过引入风扇外涵道冷气经涡流管降温处理来使记忆合金丝伸长，进而带动连杆、扇形齿轮、齿条和静子向内移动，减小密封间隙。
当进入停车阶段时，转子的跳动量变化较大，若转子与静子的间隙过小则易产生磨损，因此，需要增加密封间隙，此时，通过涡流管对记忆合金丝加热，使得记忆合金丝收缩，进而带动连杆、扇形齿轮、齿条和静子向外移动，增加密封间隙。
综上，记忆合金丝在转子起动、稳定工作、停车三种状态下的长度调节均可通过控制涡流管内的高低温条件实现。
作为技术方案的改进，如图2所示，所述梳齿座2交错式配合连接。
作为技术方案的改进，所述梳齿座2和梳齿3分别为高温合金梳齿座和高温合金梳齿。
作为技术方案的改进，所述梳齿3的端部的强度小于转子1的强度。
作为技术方案的改进，如图1所示，所述齿条5的端部还套设有滑块10，用于对其运动方向进行限位。
作为技术方案的改进，如图1所示，所述扇形齿轮6的尾端通过铆钉11固定。
作为技术方案的改进，所述记忆合金丝8为Ti-50.8Ni-0.1Zr形状记忆合金丝，该记忆合金丝具有形状记忆效应和超弹性效应，在高温下由马氏体相态转变为奥氏体相态产生收缩特性，在低温下由奥氏体相态转变为马氏体相态产生伸长特性，利用马氏体和奥氏体相态之间的相互转变产生的形状效应，结合涡流管内温度的调节及连杆、扇形齿轮和齿条的连动关系，可将力逐步作用于静子上，进而调节密封间隙。
本发明的具体实施方式是按照递进的方式进行撰写的，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。
上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，其特征在于，包括：转子（1）、梳齿座（2）、梳齿（3）、机匣（4）和主动间隙控制结构，其中，所述梳齿座（2）为多个，沿转子（1）的周向设置，所述梳齿（3）为多排，固定设置于所述梳齿座（2）的内部环形端面上，所述机匣（4）位于所述梳齿座（2）的外周，所述主动间隙控制结构与所述梳齿座（2）对应设置，包括齿条（5）、扇形齿轮（6）、连杆（7）、记忆合金丝（8）和涡流管（9），所述齿条（5）设置于所述机匣（4）的外部且一端穿过机匣（4）与梳齿座（2）连接，所述扇形齿轮（6）为两个，分别配合设置于所述齿条（5）的两侧，所述扇形齿轮（6）的尾端固定，所述连杆（7）与所述扇形齿轮（6）的尾端连接，所述记忆合金丝（8）连接于连杆（7）和机匣（4）之间，且设置于涡流管（9）内，所述涡流管（9）用于调节所述记忆合金丝（8）的温度。
2.按照权利要求1所述的基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，其特征在于：所述梳齿座（2）交错式配合连接。
3.按照权利要求1所述的基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，其特征在于：所述梳齿座（2）和梳齿（3）分别为高温合金梳齿座和高温合金梳齿。
4.按照权利要求1所述的基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，其特征在于：所述梳齿（3）的端部的强度小于转子（1）的强度。
5.按照权利要求1所述的基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，其特征在于：所述齿条（5）的端部还套设有滑块（10），用于对其运动方向进行限位。
6.按照权利要求1所述的基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，其特征在于：所述扇形齿轮（6）的尾端通过铆钉（11）固定。
7.按照权利要求1所述的基于记忆合金丝的主动间隙控制篦齿密封结构，其特征在于：所述记忆合金丝（8）为Ti-50.8Ni-0.1Zr形状记忆合金丝。
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