CN113891984A - 用于涡轮机的包括多层耐磨部件的动态密封件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于涡轮机的动态密封件，该动态密封件包括：固定部分(21)，该固定部分设置有至少一个耐磨的磨损部件(23)；以及可动部分，该可动部分包括至少一个唇部，该唇部被布置成在可动部分旋转期间与至少一个磨损部件(23)相互作用。根据本发明，至少一个磨损部件(23)包括形成空腔的结构，该空腔被布置成一个或多个系列，使得在每个系列中，该系列的空腔相对于中心轴线径向地重叠，所述结构被构造成限制或防止每一对径向相邻的空腔之间的气体流通。本发明还涉及用于对该动态密封件的固定部分(21)进行增材制造的方法。

Description

用于涡轮机的包括多层耐磨部件的动态密封件

技术领域

本发明涉及涡轮机的领域，特别地涉及用于飞行器的涡轮机的领域，更具体地涉及在这种涡轮机的涡轮或压缩机中实施的动态密封件。本发明适用于任何类型的涡轮机，例如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机。

背景技术

动态密封件通常通过减少增压气体的泄漏来优化涡轮机的性能。

图2示出了现有技术的飞行器涡轮机涡轮90。通常，该涡轮90包括多个级，该多个级用于回收一些燃烧能量以使涡轮的转子旋转。每个级包括：固定叶片91，该固定叶片属于涡轮90的定子；以及可动叶片92，该可动叶片构成转子的一部分。固定叶片91由内环形壁93径向向内地界定。动态密封件94通常被设置在该环形壁93的径向内部面的下方，以将气体流通限制在该环形壁的径向内侧。

图2中的密封件94包括与涡轮90的定子成一体的耐磨的磨损部件95，以及与转子成一体的一对带状密封件96。带状密封件96被布置成与磨损部件95相互作用，使得至少在涡轮机的磨合阶段期间，当转子、并因此当带状密封件96被旋转地驱动时，带状密封件96与磨损部件95的接触趋于使磨损部件磨损。

通常，磨损部件95由蜂窝状结构组成，这提高了磨损部件的耐磨性。这种结构通常形成孔格，这些孔格的深度限定了磨损部件95的厚度。

特别地，这种类型的动态密封件的一个缺点在于其会导致残余气体泄漏，该残余气体泄漏通常会通过在孔格内穿过而绕过带状密封件，从而限制了密封件的有效性。

本发明的目的在于通过减少在一个或多个带状密封件和磨损部件之间的接触区域处产生的残余泄漏来提高这种动态密封件的有效性。

本发明的另一目的在于提供一种动态密封件，该动态密封件的磨损部件具有良好的耐磨性，同时能够以降低的成本来制造该磨损部件。

发明内容

为此，本发明的一个目的在于一种用于飞行器涡轮机的动态密封件，该动态密封件包括固定部件以及能够围绕中心轴线旋转地运动的可动部件，该固定部件设置有至少一个耐磨的磨损部件，该可动部件包括至少一个带状密封件，该带状密封件被布置成在可动部件围绕中心轴线旋转期间与至少一个磨损部件相互作用。

根据本发明，至少一个磨损部件包括形成空腔的结构，该空腔被布置成一个或多个系列，使得在每个系列中，该系列的空腔相对于中心轴线径向地重叠，所述结构被成形为至少限制每一对径向相邻的空腔之间的气体流通，至少一个磨损部件的每个空腔在磨损部件的整个周向尺寸上构成相对于中心轴线周向地延伸的通道。

短语“[……]被成形为至少限制[……]”表示至少一个磨损部件的所述结构被成形为：

-例如通过空气流动横截面限制来限制每一对径向相邻的空腔之间的气体流通，

-或者，例如通过相对于这些空腔中的另一个空腔堵塞这些空腔中的一个空腔来防止每一对径向相邻的空腔之间的任何气体流通。

空腔的这种径向重叠使得无论磨损部件的厚度如何，都能够减小在密封件的可动部件旋转期间带状密封件接合在其中的空腔的有效体积。这是因为，例如，当磨损部件轻微磨损时，该空腔与另一个空腔径向相邻，该空腔通过磨损部件的结构的一部分与另一个空腔隔开，这限制或防止从这些空腔中的一个空腔到另一个空腔的气体流通。这使得能够减少带状密封件和磨损部件之间的接触区域处的残余泄漏，因为与不会径向地界定多个空腔的结构相比，可能通过穿过这种空腔而绕过带状密封件的气体具有减小的体积。

因此，本发明使得能够生产包括多层空腔的磨损部件，从而无论磨损部件的磨损程度如何都能减少残余泄漏。

根据第一替代实施例，至少一个磨损部件的所述结构可以在每一对径向相邻的空腔之间形成实心的壁，该实心的壁防止从这些空腔中的一个空腔到另一个空腔的任何气体流通。

根据第二替代实施例，至少一个磨损部件的所述结构可以在每一对径向相邻的空腔之间形成障碍部，该障碍部在这些空腔之间提供了开口，以限制从这些空腔中的一个空腔到另一个空腔的气体流通。

事实上，不需要完全隔离两个径向相邻的空腔以显著减少残余泄漏。在两个径向相邻的空腔之间留有开口的横截面限制可能足以防止绕过带状密封件的一些或全部气体穿过这种开口，这当然取决于这种开口相对于空腔尺寸的尺寸。这种开口通常可以用于排出在制造磨损部件时积聚在空腔中的粉末。

优选地，至少一个磨损部件可以包括相对于中心轴线周向地延伸的多个系列的空腔。

动态密封件的固定部件可以设置有单个磨损部件，该单个磨损部件形成以所述中心轴线为中心的环。

在这种情况下，该单个磨损部件的所述周向尺寸是360°。

可替代地，固定部件可以设置有多个磨损部件，该多个磨损部件沿周向首尾相接地布置，以共同形成以所述中心轴线为中心的环。

在这种情况下，该磨损部件中的每个磨损部件的所述周向尺寸小于360°。

本发明还涉及包括这种动态密封件的涡轮或压缩机，以及配备有这种涡轮和/或压缩机并且更一般地配备有这种动态密封件的涡轮机。

本发明的另一目的在于一种用于制造这种动态密封件的方法。

优选地，该方法可以包括对至少一个磨损部件进行增材制造的步骤。

增材制造使得能够以降低的成本获得具有良好结构质量和耐磨性的磨损部件。

与通过常规方法制造的磨损部件相比，如此制造的磨损部件的耐磨性得到改善。在现有技术中，耐磨的蜂窝状类型的磨损部件通常通过对压纹金属板进行焊接来制造，焊缝趋于使部件硬化，从而降低该部件的磨损能力。

在一个实施例中，该方法可以包括将用于动态密封件的固定部件的至少一个磨损部件和支撑元件增材制造成单件的步骤。

与通过钎焊进行组装(其特别是由于焊料芯吸而趋于使磨损部件硬化)相比，磨损部件及其支撑元件的一体式制造使得能够在磨损部件的整个厚度上实现良好的耐磨性。

通过以下详细的、非限制性的描述，本发明的其他优点和特征将变得显而易见。

附图说明

以下详细描述参考附图，在附图中：

[图1]是包括涡扇发动机类型的涡轮机的飞行器推进组件的示意性轴向横截面图；

[图2](已经描述)是包括现有技术的动态密封件的涡轮机的低压涡轮的局部示意性轴向横截面半视图；

[图3]是根据本发明的动态密封件的局部示意图；

[图4]是根据第一实施例的动态密封件的磨损部件的局部示意性透视图；

[图5]是根据第二实施例的动态密封件的磨损部件的局部示意性轴向横截面图；

[图6]是图5的磨损部件的局部示意图，示出了六边形形状的空腔；

[图7]是根据本发明的第三实施例的动态密封件的磨损部件的局部示意性透视图；

[图8]是图7的磨损部件的局部示意性轴向横截面图；

[图9]是根据本发明的第四实施例的动态密封件的磨损部件的局部示意性透视图；

[图10]是图9的磨损部件的局部示意性轴向横截面图；

[图11]是根据本发明的第五实施例的动态密封件的磨损部件的局部示意性透视图；

[图12]是图11的磨损部件的局部示意性轴向横截面图；

[图13]是根据本发明的第六实施例的动态密封件的磨损部件的局部示意性透视图；

[图14]是图13的磨损部件的局部示意性轴向横截面图。

具体实施方式

本发明涉及一种涡轮机，例如用于如图1所示的飞行器推进组件1的涡轮机(未示出)。在该示例中，被容纳在推进组件1的机舱11中的涡轮机10是航空领域中众所周知的涡扇发动机。当然，本发明不限于这种涡轮机，并且可以应用于任何类型的涡轮机，例如，诸如涡轮螺旋桨发动机。

涡轮机10具有中心纵向轴线A1，该涡轮机的各个组件该围绕该中心纵向轴线延伸，在这种情况下，涡轮机的各个组件从涡轮机10的上游到下游为：风扇2、低压压缩机3、高压压缩机4、燃烧室5、高压涡轮6以及低压涡轮7。压缩机3和压缩机4、燃烧室5以及涡轮6和涡轮7形成气体发生器。

通常，在这种涡扇发动机10运行期间，空气流8通过机舱11上游的进气口进入推进组件1，穿过风扇2，然后分成中心主流8A和次级流8B。主流8A在主流道9A中流动，该主流道用于使气体穿过压缩机3和压缩机4、燃烧室5以及涡轮6和涡轮7进行流通。次级流8B进而在次级流道9B中流动，该次级流道围绕涡轮喷气发动机10的气体发生器并且由机舱11径向向外地界定。

在本说明书中，术语“上游”和“下游”是相对于沿着轴向方向X穿过推进组件1的气流的主方向D1来定义的。术语“内”和“外”分别表示元件相对于中心轴线A1的相对接近和相对远离。轴向方向X是平行于涡轮机10的纵向中心轴线A1的方向；径向方向R在任一点处是与中心轴线A1正交并且穿过中心轴线的方向；并且周向方向或切线方向C在任一点处是与径向方向R和中心轴线A1正交的方向。

已经描述过的图2更详细地示出了现有技术的涡轮90的一部分。这种涡轮通常构成图1所示类型的推进组件的涡轮喷气发动机的低压涡轮6。

本发明更具体地涉及动态密封件，特别地，该动态密封件可以代替图2的涡轮90的动态密封件94、97和/或98。

图3中局部地示出了动态密封件20。该密封件20包括固定部件21和可动部件22。

密封件20的固定部件21将被连接到涡轮机定子，例如连接到压缩机3或压缩机4的定子，或者连接到涡轮机10的涡轮6或涡轮7的定子。参照图2的已知构造，密封件20的固定部件21因此可以被固定到涡轮90的固定叶片91的内环形壁93的径向内部面。

更确切地，密封件20的固定部件21包括磨损部件23和支撑元件24，该支撑元件用于相对于可动部件22固定地保持磨损部件23。仍然参照图2的已知构造，在此，可以通过将支撑元件24附接到内环形壁93的所述径向内部面来实现将密封件20的固定部件21附接到该壁93。

在该示例中，磨损部件23位于支撑元件24的径向内侧。

密封件20的可动部件22将被连接到涡轮机转子，例如连接到压缩机3或压缩机4的转子，或者连接到涡轮机10的涡轮6或涡轮7的转子。参照图2的已知构造，密封件20的可动部件22可以被连接到环形凸缘99，该环形凸缘与可动叶片92连接。因此，密封件20的可动部件22可以被固定到转子，从而围绕涡轮机10的中心轴线A1旋转。

在图3所示的示例中，密封件20的可动部件22包括两个环形带状密封件25，这两个环形带状密封件被布置成在可动部件22围绕中心轴线A1旋转期间与磨损部件23相互作用。

每个带状密封件25包括加工端部26，该加工端部被布置成面对磨损部件23并且与磨损部件相距一短的距离，从而以密封迷宫的方式尽可能地限制密封件20的固定部件21和可动部件22之间的气流。

以本身已知的方式，带状密封件25和磨损部件23由各自的材料制成，从而使得带状密封件25在转子旋转期间能够通过该带状密封件的加工端部26对磨损部件23进行加工。换言之，磨损部件23是耐磨的。

更具体地，本发明的特征在于磨损部件23的结构，图7至图14中示出了该磨损部件的多个实施例。

图4至图6示出了磨损部件23的不属于本发明的一部分的其它实施例。

在图4至图14中的每个实施例中，磨损部件23具有形成多层空腔的结构。

更具体地，参照图4中的实施例，磨损部件23包括沿径向方向R间隔开的多层空腔。

在该示例中，对于每一层，空腔轴向地(即沿轴向方向X)且周向地(即沿周向方向C)延伸。

换言之，磨损部件23的空腔被布置成多个系列，使得在每个系列中，该系列的空腔相对于中心轴线A1径向地重叠。

磨损部件23被成形为限制或防止每一对径向相邻的空腔之间的气体流通，即限制或防止从属于这些层中的一个层的第一空腔到径向相邻的第二空腔的气体流通，该第二空腔属于与包括第一空腔的层相邻的层。

在图4至图6的实施例中，每个层具有蜂窝状结构，因此磨损部件23形成包括蜂窝状类型的孔格芯部的重叠的结构。每个系列的空腔分别包括孔格芯部的相应孔格。

在图4的示例中，磨损部件23包括两两之间由壁231分开的五个芯部A41至A45。壁231包括孔232，每个孔在两个径向相邻的空腔之间形成开口。在该示例中，孔232具有菱形的横截面并且用于排出粉末(见下文)。孔232的尺寸被设计成使得能够进行这种粉末排出，同时限制可能从一个空腔流到另一个空腔的气体的流率。当然，根据所使用的制造方法，这种孔232可能是不必要的，因此，在未示出的实施例中，壁231可以是实心的并且相对于彼此完全堵塞空腔。

在图5和图6的示例中，磨损部件23包括两两之间由壁231分开的三个芯部A51至A53。在该示例中，壁231包括具有六边形横截面的孔232，每个孔在两个径向相邻的空腔之间形成开口。这些孔的功能类似于在图4的实施例中的孔的功能(见上文)。

在图7至图14中的根据本发明的实施例中，每个空腔在磨损部件23的整个周向尺寸上形成相对于中心轴线A1周向地延伸的通道。

在图7和图8的实施例中，磨损部件23包括周向的条状部223。每个条状部233包括中心部分234和沿径向间隔开的分支部235，以限定通向彼此的空腔C1至C4。分支部235在径向相邻的空腔之间形成空气流动横截面限制(参见图8)。在示出的示例中，每个分支部235是枞树形状的。

换言之，分支部235在每一对径向相邻的空腔之间形成障碍部，在这些空腔之间提供开口，以限制从这些空腔中的一个空腔到另一个空腔的气体流通。

设置在径向相邻的空腔之间的开口具有尺寸D1，考虑到这些空腔本身的尺寸，这些开口的尺寸能够显著限制这些空腔之间的气体流通。当然，特别是当磨损部件23是环形的并且通过粉末床激光熔融(见下文)通过增材制造方法制造而成时，这些开口也可以用于排出粉末。

在图9和图10的实施例中，磨损部件23具有轴向地界定空腔的壁236以及径向地界定空腔的壁237。

在该示例中，壁236和壁237是实心的，从而防止相邻空腔之间的任何气体流通。

在一个未示出的实施例中，壁237可以包括位于径向相邻的空腔之间的用于去粉末(见下文)的孔或开口。

参照图10，该磨损部件23的空腔具有基本上矩形的横截面，壁236沿径向方向R基本上是笔直的，并且壁237沿轴向方向X基本上是笔直的。

图11和图12的实施例与图9和图10的实施例的不同之处在于壁237的形状：径向地界定两个相邻空腔的每个壁237包括两个部分2371和2372，每个部分均沿着轴向方向X和径向方向R延伸，使得空腔具有“V”形的轴向横截面。

当然，这些不同的实施例的壁236和壁237可以具有不同的形状，因此磨损部件23的空腔可以具有赋予磨损部件23执行其功能的能力的任何形状的横截面。

在图13和图14的实施例中，磨损部件23具有在平面X-R中是基本上笔直的并且彼此垂直的壁238和壁239，每个壁均沿着轴向方向X和径向方向R延伸，使得空腔各自具有基本上正方形的横截面。

在该示例中，空腔中的大多数空腔各自与至少三个其他空腔径向地相邻。例如，空腔C5与空腔C6、C7以及C8相邻。空腔C5和C8由交点N1界定，该交点由两个壁238和239相交形成。空腔C5通过壁238与空腔C6隔开，并且通过壁239与空腔C7隔开。

壁238和壁239是实心的，从而防止相邻空腔之间的任何气体流通。

磨损部件23的轴向尺寸特别取决于带状密封件25的数量和尺寸。

磨损部件23的周向尺寸可以根据固定部件21设置有单个磨损部件23还是多个磨损部件23而变化。在第一种情况下，磨损部件23通常形成以中心轴线A1为中心的环，在这种情况下，磨损部件的周向尺寸等于360°。在第二种情况下，固定部件21可以包括多个磨损部件23，多个磨损部件沿周向首尾相接地布置，以共同形成以所述中心轴线A1为中心的环，在这种情况下，磨损部件23中的每个磨损部件的周向尺寸小于360°。无论上述实施例如何，适用于这两种情况。

关于磨损部件23的制造，这可以通过增材制造来进行，特别是通过对金属粉末层进行选择性地激光熔融的方法来进行。

在磨损部件23制造完成后，空腔很可能含有必须在实施动态密封件之前排出的残余粉末。

粉末可以通过以下部件排出：

-在图4至图6的示例中，粉末可以通过孔232排出，

-在图7和图8的示例中，粉末可以通过由分支部235形成的开口排出，和/或在磨损部件23未形成闭合的环的情况下，粉末可以通过空腔的周向端部排出，

-在图9至图14的示例中，在磨损部件23未形成闭合的环的情况下，粉末可以通过空腔的周向端部排出，和/或粉末可以通过相邻空腔之间的开口(未示出)排出。

用于排出粉末的空腔或开口的横截面可以是任何形状的，例如菱形、正方形、圆形、三角形或六边形，只要空腔或开口足够小以限制径向相邻的空腔之间的气体流通即可。

为了提高磨损部件23的耐磨性，固定部件21的磨损部件23和支撑元件24均可以使用增材制造方法制造为单件。

以上描述的示例绝不是限制性的。

通过示例的方式，限定两个相邻空腔的壁的厚度可以为约0.08mm，并且空腔的径向尺寸可以介于0.8mm至2mm之间。

Claims (8)

1.用于飞行器涡轮机(10)的动态密封件(20)，所述动态密封件包括固定部件(21)和能够围绕中心轴线(A1)旋转地运动的可动部件(22)，所述固定部件设置有至少一个耐磨的磨损部件(23)，所述可动部件(22)包括至少一个带状密封件(25)，所述带状密封件被布置成在所述可动部件(22)围绕所述中心轴线(A1)旋转期间与所述至少一个磨损部件(23)相互作用，其特征在于，所述至少一个磨损部件(23)包括形成空腔的结构，所述空腔被布置成一个或多个系列，使得在每个系列中，所述系列的空腔相对于所述中心轴线(A1)径向地重叠，所述结构被成形为至少限制每一对径向相邻的空腔之间的气体流通，所述至少一个磨损部件(23)的每个空腔在所述磨损部件(23)的整个周向尺寸上构成相对于所述中心轴线(A1)周向地延伸的通道。

2.根据权利要求1所述的动态密封件(20)，其中，所述至少一个磨损部件(23)的所述结构在每一对径向相邻的空腔之间形成实心的壁(237)，所述实心的壁防止从这些空腔中的一个空腔到另一个空腔的任何气体流通。

3.根据权利要求1所述的动态密封件(20)，其中，所述至少一个磨损部件(23)的所述结构在每一对径向相邻的空腔之间形成障碍部(235)，所述障碍部在这些空腔之间提供了开口(D1)，以限制从这些空腔中的一个空腔到另一个空腔的气体流通。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的动态密封件(20)，其中，所述至少一个磨损部件(23)包括相对于所述中心轴线(A1)周向地延伸的多个系列的空腔。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的动态密封件(20)，其中，所述固定部件(21)设置有单个磨损部件(23)，所述单个磨损部件形成以所述中心轴线(A1)为中心的环。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的动态密封件(20)，其中，所述固定部件(21)设置有多个磨损部件(23)，所述多个磨损部件沿周向首尾相接地布置，以共同形成以所述中心轴线(A1)为中心的环。

7.飞行器涡轮机(10)，所述飞行器涡轮机包括根据权利要求1至6中任一项所述的动态密封件(20)。

8.用于制造根据权利要求1至6中任一项所述的动态密封件(20)的方法，其特征在于，所述方法包括对至少一个磨损部件(23)进行增材制造的步骤。

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