CN113202929B - 一种端面刚度可控式干气密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种端面刚度可控式干气密封结构，包括动环、静环，所述动环为刚性端面，所述静环包括静环本体，所述静环本体端面嵌设若干环形均布的弹性件，还包括装配在静环本体端面上的环状平箔片，所述平箔片与所述弹性件接触，平箔片表面开设动压槽。本发明提供一种端面刚度可控式干气密封结构，以解决现有技术中刚性干气密封技术自适应能力较弱、在高参数服役环境下使用效果不足的问题，实现提高在高参数服役环境下的封严效果及轴系动力稳定性的目的。

Description

一种端面刚度可控式干气密封结构

技术领域

本发明涉及干气密封领域，具体涉及一种端面刚度可控式干气密封结构。

背景技术

航空轴端用密封装置可有效发挥腔内油气隔离、回流量及泄漏量控制等作用，但因其燃烧室内大多为高温燃气，转子在不稳定气流作用下高速旋转，高空行为姿态复杂多变，噪声激励冲击随机，因此，关键密封零部件在气动热力声的极端耦合环境效应下极易发生蠕变、疲劳等变形。同时，现有技术中采用的刚性干气密封结构，其摩擦副多为碳化钨、碳化硅等材料加工制造而成，抗干扰能力较差，端面摩擦磨损问题极易发生，最终导致密封机组失效。因此现有的干气密封技术在航空领域的运用具有明显不足。

特别是随着超高速、超高温、大振动、变工况、长寿命、多介质等航空发动机设计概念的提出，向轴端动密封的综合能力提出了更高的要求，因此迫切需要一种新型的高性能密封技术，通过控制端面刚度实现柔性支承，从而弥补刚性端面气膜密封的不足，保证高参数服役环境下的封严效果及轴系动力稳定性。

发明内容

本发明提供一种端面刚度可控式干气密封结构，以解决现有技术中刚性干气密封技术自适应能力较弱、在高参数服役环境下使用效果不足的问题，实现提高在高参数服役环境下的封严效果及轴系动力稳定性的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种端面刚度可控式干气密封结构，包括动环、静环，所述动环为刚性端面，所述静环包括静环本体，所述静环本体端面嵌设若干环形均布的弹性件，还包括装配在静环本体端面上的环状平箔片，所述平箔片与所述弹性件接触，平箔片表面开设动压槽。

针对现有技术中刚性干气密封技术自适应能力较弱、在高参数服役环境下使用效果不足的问题，本发明提出一种端面刚度可控式干气密封结构，对于干气密封结构而言，动环与静环是必备部件，且动环具有刚性端面也为现有技术，在此不作赘述。本申请对静环部分进行改进，本领域技术人员应当理解，其中静环本体的端面，即是静环本体朝向动环所在方向的一面。在静环本体端面上设置若干弹性件，且若干弹性件在静环本体端面上环形均布。本申请中静环本体端面为刚度可控式的柔性端面，具体的，在静环本体的顶层设置平箔片，动压槽开设在平箔片上，并使得平箔片与各弹性件进行接触。本申请在高参数(超高温、超高速、大振动、变工况)服役环境下，平箔片发生微小变形，该变形传递至弹性件上，挤压弹性件使其发生形变，且由于若干弹性件是环形均布的，因此相邻弹性件的节距从外径至内径逐渐减小，从而形成锲形间隙以增强干气密封的气膜开启力、以取得更好的封严效果；并且由平箔片所引起的轴向移动使密封结构更具包容性，显著增强了干气密封结构的自适应能力。此外，弹性件的弹性复位力反作用至平箔片上，能够保证平箔片有效复位，保证轴系动力的稳定性。本申请在具体使用时，可通过选择不同的弹性件来控制端面刚度，工况匹配性极高。本申请在此对弹性件不做限定，现有技术中任何能够被压缩的弹性装置均可适用于本申请中。

进一步的，所述静环本体端面内径侧设置环形凸起，所述平箔片的内径侧装配在所述环形凸起上。本方案中，环形凸起为平箔片提供安装工位，平箔片的内径侧与环形凸起的装配方式在此不做限定。

进一步的，所述环形凸起上设置环状凹槽，所述平箔片的内径侧设置与所述环状凹槽相匹配的第一延伸部，所述第一延伸部通过间隙配合卡持在所述环状凹槽内。本方案中通过第一延伸部插入至环状凹槽内，实现平箔片的装配。其中可通过调整环状凹槽的深度与第一延伸部的长度来对平箔片的安装进行定位。

进一步的，所述平箔片的外径侧设置第二延伸部，所述第二延伸部沿轴向方向的延伸长度，小于所述环形凸起的最小高度。本方案在使用时，平箔片的第二延伸部朝向静环本体方向延伸，使其延伸长度略小于环形凸起的最小高度，以用于实现干气密封结构的周向密封。

进一步的，所述环状凹槽将环形凸起分为靠近内径端的密封坝、靠近外径端的支撑坝；所述密封坝的高度大于支撑坝的高度。以环状凹槽为分界，环状凹槽内侧、靠近环形凸起内径处的区域为密封坝，环状凹槽外侧、靠近环形凸起外径处的区域为支撑坝。其中支撑坝用于对平箔片进行支撑，其高度低于密封坝的高度，有利于确保平箔片顶面与密封坝的齐平。

进一步的，所述密封坝与支撑坝的高度差等于平箔片的厚度。本方案能够充分确保平箔片的表面与所述密封坝处于同一平面内，使得本申请静环结构的密封端面保持良好的气动效果。

进一步的，所述静环本体端面开设若干环形均布的弧形凹槽，所述弧形凹槽的轴线沿静环本体径向方向分布，所述弹性件间隙配合在弧形凹槽内，且弹性件局部外露至静环本体端面所在平面之上。即是，本方案中，各弧形凹槽在静环本体端面呈放射状进行分布，每个弧形凹槽用于装配一个弹性件。弧形凹槽的轴线沿静环本体径向方向分布，进而充分确保相邻两个弹性件之间的节距，沿径向由外至内逐渐减小，从而使得静环端面的平箔片受到带压粘性气体的作用发生不均匀变形，静环端面与刚性动环端面之间形成楔形间隙，进而在密封间隙锲形效应和动压槽所产生的动压效应的共同作用下，形成具有一定刚度的气膜，将顶层的平箔片推开、分离摩擦副，实现非接触密封，实现气体润滑。其中弹性件局部外露至静环本体端面所在平面之上，以确保弹性件与平箔片之间的有效接触。

进一步的，所述弧形凹槽为圆心角大于180°的圆弧槽，所述弹性件为可压缩弹簧。弧形凹槽为圆心角大于180°的圆弧槽，能够有效实现弹性件的间隙配合，并且对弹性件进行充分限位，避免弹性件在静环本体轴向方向上大幅移动甚至脱落、也避免弹性件产生不必要的位移或形变，有效保证弹性件能够沿静环本体轴向方向产生形变，进而充分与平箔片自身的形变相配合，以提高封严效果及轴系动力稳定性。

进一步的，还包括设置在弹性件沿静环本体径向外端的限位组件，所述限位组件用于限制弹性件沿静环本体径向向外移动。本方案中通过限位组件限制弹性件向静环本体径向外侧方向的移动，以显著提高本申请安装和使用时的稳定性。

进一步的，所述限位组件包括开设在静环本体外圆周壁面上的装配槽、与所述装配槽相匹配的锁紧夹块、用于将锁紧夹块固定在装配槽内的紧定螺钉。本方案中，锁紧夹块可放入装配槽内，装配槽的槽壁对锁紧夹块进行限位，再通过紧定螺钉将锁紧夹块固定在装配槽内，从而将弹性件稳定且牢固的限制在弧形凹槽内。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种端面刚度可控式干气密封结构，在高参数(超高温、超高速、大振动、变工况)服役环境下，平箔片发生微小变形，形成锲形间隙以增强干气密封的气膜开启力、以取得更好的封严效果；并且由平箔片所引起的轴向移动使密封结构更具包容性，显著增强了干气密封结构的自适应能力。

2、本发明一种端面刚度可控式干气密封结构，通过弧形凹槽的设置，确保相邻两个弹性件之间的节距沿径向由外至内逐渐减小，使得静环端面的平箔片受到带压粘性气体的作用发生不均匀变形，静环端面与刚性动环端面之间形成楔形间隙，进而在密封间隙锲形效应和动压槽所产生的动压效应的共同作用下，形成具有一定刚度的气膜，将顶层的平箔片推开、分离摩擦副，实现非接触密封，实现气体润滑。

3、本发明一种端面刚度可控式干气密封结构，可通过选择不同的弹性件来控制端面刚度，工况匹配性极高；且由于静环端面的刚度可控性，对密封间隙产生直接作用，可在工作过程中实现动态调整，防止密封端面碰磨。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例中静环的爆炸示意图；

图2为本发明具体实施例中静环本体的等轴测视图；

图3为本发明具体实施例中静环本体的俯视图；

图4为过图3中A-A方向线的剖视图；

图5为图4中B处的局部放大图；

图6为本发明具体实施例中平箔片的等轴测视图；

图7为本发明具体实施例中平箔片的底部示意图；

图8为本发明具体实施例中弹性件的结构示意图；

图9为本发明具体实施例中弧形凹槽的截面示意图；

图10为本发明具体实施例中锁紧夹块的结构示意图；

图11为本发明具体实施例中紧定螺钉的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-静环本体，2-平箔片，201-第一延伸部，202-第二延伸部，3-弹性件，4-锁紧夹块，5-紧定螺钉，6-支撑坝，7-螺纹孔，8-环状凹槽，9-弧形凹槽，10-装配槽，11-密封坝，12-环形凸起，13-动压槽，14-沉头通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”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发明和简化描述，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保护范围的限制。

实施例1：

如图1与图2所示的一种端面刚度可控式干气密封结构，包括动环、静环，所述动环为刚性端面，所述静环包括静环本体1，所述静环本体1端面嵌设若干环形均布的弹性件3，还包括装配在静环本体1端面上的环状的平箔片2，所述平箔片2与所述弹性件3接触，平箔片2表面开设动压槽13。

本实施例中静环本体1端面内径侧设置环形凸起12、形成圆环高面，静环本体1端面外径侧则自动形成圆环低面；平箔片2的内径侧装配在所述环形凸起12上。

本实施例中的静环通过平箔片2与弹性件3的设置，形成柔性端面，与动环的刚性端面进行配合。

本实施例的工作原理包括：在系统高速运转时，由于密封环外径处的介质压力高于密封环内径处的大气压力，且相邻弹簧节距从外径至内径减小，因此，静环端面受到带压粘性气体的作用发生不均匀变形，静环柔性端面与刚性动环端面间形成楔形状间隙，在密封间隙锲形效应和动压槽动压效应的共同作用下，形成具有一定刚度的气膜，将顶层的平箔片推开分离摩擦副实现非接触密封，实现气体润滑。静环端面的刚度具有可控性，对密封间隙产生直接作用，可在工作过程中实现动态调整，防止密封端面碰磨。

本实施例通过在静环端面布置弹性件和平箔片以发生微小变形，形成锲形间隙增强气膜开启力，端面的轴向移动使密封结构更具包容性，增加了自适应能力。

本实施例中的平箔片可由现有任意耐磨耐热的金属材料制作而成。

优选的，本实施例中的动压槽13为经典螺旋槽。

本实施例特别适用于超高温、超高速、大振动、变工况、长寿命、多介质工作环境下的航空发动机领域，当然也可用于其余高参数或多姿态变化的服役环境中。

实施例2：

如图1至图7所示的一种端面刚度可控式干气密封结构，在实施例1的基础上，环形凸起12上设置环状凹槽8，平箔片2的内径侧设置与所述环状凹槽8相匹配的第一延伸部201，所述第一延伸部201通过间隙配合卡持在所述环状凹槽8内。平箔片2的外径侧设置第二延伸部202，所述第二延伸部202沿轴向方向的延伸长度，小于环形凸起12的最小高度。

本实施例中，环状凹槽8将环形凸起12分为靠近内径端的密封坝11、靠近外径端的支撑坝6；密封坝11的高度大于支撑坝6的高度，且密封坝11与支撑坝6的高度差等于平箔片2的厚度。

本实施例中，第二延伸部202的延伸长度略小于支撑坝6的高度。如图6与图7所示，第一延伸部201的延伸长度等于环状凹槽8的深度，使得第一延伸部201完全插入至环状凹槽8内时，平箔片2的表面与所述密封坝11处于同一平面内，且第二延伸部202正好位于静环本体1外径边缘的上方，且由于第二延伸部202的延伸长度略小于支撑坝6的高度，因此第二延伸部202底端与静环本体1外径边缘之间具有间隙，用于实现干气密封结构的周向密封。

本实施例中环状凹槽8的槽宽为平箔片2厚度。

作为一种优选的实施方式，第一延伸部201与第二延伸部202可分别由平箔片2的内、外两端向下弯折而成。

实施例3：

一种端面刚度可控式干气密封结构，在上述任一实施例的基础上，如图1至图11所示，所述静环本体1端面开设若干环形均布的弧形凹槽9，所述弧形凹槽9的轴线沿静环本体1径向方向分布。弹性件3间隙配合在弧形凹槽9内，且弹性件3局部外露至静环本体1端面所在平面之上；本实施例中弹性件3沿静环本体1轴向局部外露，保证了与平箔片2的有效接触。

如图9所示，所述弧形凹槽9为圆心角大于180°的圆弧槽，即图9中α小于180°。

本实施例中弹性件3为如图8所示的可压缩弹簧。

优选的，所述平箔片的厚度取0.15～0.25mm。

优选的，螺旋型的动压槽槽深为3～5μm。

优选的，静环端面在气膜压力作用下在发生变形时，可压缩弹簧在轴向方向的压缩量控制在20～200μm范围内。

实施例4：

一种端面刚度可控式干气密封结构，在上述任一实施例的基础上，还包括设置在弹性件3沿静环本体1径向外端的限位组件，限位组件用于限制弹性件3沿静环本体1径向向外移动。其中限位组件包括开设在静环本体1外圆周壁面上的装配槽10、与所述装配槽10相匹配的锁紧夹块4、用于将锁紧夹块4固定在装配槽10内的紧定螺钉5。

锁紧夹块4如图10所示，与方形凹槽的形状大小均相匹配。

本实施例中装配槽10为方形凹槽，装配槽10开设在弧形凹槽9外径端、与弧形凹槽9连通，便于弹性件3的安装或拆卸。本实施例中方形凹槽的截面边长略大于弧形凹槽9的直径，以确保弹性件3从静环本体1的外圆周壁面顺利装入至弧形凹槽9中，同时也能够避免锁紧夹块4进入弧形凹槽9内。

本实施例中锁紧夹块4上开设与紧定螺钉5相匹配的沉头通孔14，装配槽10内开设与紧定螺钉5相匹配的螺纹孔7，当锁紧夹块4安装在装配槽10时，沉头通孔14与螺纹孔7相互正对，便于通过紧定螺钉5进行锁紧。

本实施例工作时，弹性件3从静环本体1的外圆周壁面通过间隙配合卡持于弧形凹槽9中，锁紧夹块4从静环本体1的外圆周壁面通过间隙配合插入于方形的装配槽10中，紧定螺钉5通过沉头通孔14固定于螺纹孔7中。此时，弹性件3的两端分别抵靠在环形凸起12、锁紧夹块4上。

本实施例可通过选择不同的弹簧作为弹性件3，以此控制端面刚度，并且具有安装简单、工况匹配性高等优点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

Claims (3)

1.一种端面刚度可控式干气密封结构，包括动环、静环，所述动环为刚性端面，其特征在于，所述静环包括静环本体（1），所述静环本体（1）端面嵌设若干环形均布的弹性件（3），还包括装配在静环本体（1）端面上的环状平箔片（2），所述平箔片（2）与所述弹性件（3）接触，平箔片（2）表面开设动压槽（13）；

所述静环本体（1）端面内径侧设置环形凸起（12），所述平箔片（2）的内径侧装配在所述环形凸起（12）上；所述环形凸起（12）上设置环状凹槽（8），所述平箔片（2）的内径侧设置与所述环状凹槽（8）相匹配的第一延伸部（201），所述第一延伸部（201）通过间隙配合卡持在所述环状凹槽（8）内；

所述静环本体（1）端面开设若干环形均布的弧形凹槽（9），所述弧形凹槽（9）的轴线沿静环本体（1）径向方向分布，所述弹性件（3）间隙配合在弧形凹槽（9）内，且弹性件（3）局部外露至静环本体（1）端面所在平面之上；所述弧形凹槽（9）为圆心角大于180°的圆弧槽，所述弹性件（3）为可压缩弹簧；

所述平箔片（2）的外径侧设置第二延伸部（202），所述第二延伸部（202）沿轴向方向的延伸长度，小于所述环形凸起（12）的最小高度；所述环状凹槽（8）将环形凸起（12）分为靠近内径端的密封坝（11）、靠近外径端的支撑坝（6）；所述密封坝（11）的高度大于支撑坝（6）的高度；所述密封坝（11）与支撑坝（6）的高度差等于平箔片（2）的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种端面刚度可控式干气密封结构，其特征在于，还包括设置在弹性件（3）位于静环本体（1）径向外端的限位组件，所述限位组件用于限制弹性件（3）沿静环本体（1）径向向外移动。

3.根据权利要求2所述的一种端面刚度可控式干气密封结构，其特征在于，所述限位组件包括开设在静环本体（1）外圆周壁面上的装配槽（10）、与所述装配槽（10）相匹配的锁紧夹块（4）、用于将锁紧夹块（4）固定在装配槽（10）内的紧定螺钉（5）。

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