CN115030822A - 一种轴承腔密封装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种轴承腔密封装置，包括：壳体，通过设置法兰与轴承座固定连接，内部设置有封严腔；对瓣式石墨环，安装设置在所述壳体的封严腔内，所述对瓣式石墨环的内孔面作为主密封面与封严转子外圆的封严转子密封面相配合阻止油气轴向泄漏，所述对瓣式石墨环朝向轴承的端面作为辅助密封面与壳体内的壳体主密封面密封配合，所述主密封面和辅助密封面均设置有封严气通道；弹性装置，设置在所述壳体内，通过弹性力将对瓣式石墨环的辅助密封面与壳体的壳体主密封面压紧贴合阻止油气径向泄漏。本申请的轴承腔密封装置适应能力强、低磨损、长寿命，且能适应转子瞬时偏移或跳动，而始终保持良好性能，具有很高的工程和市场应用价值。

Description

一种轴承腔密封装置

技术领域

本申请涉及发动机密封技术领域，特别地，涉及一种轴承腔密封装置。

背景技术

航空发动机及辅助动力装置中的主轴承腔滑油密封的主要功能在于，将发动机转子系统的轴承腔与发动机的气流环境有效地隔离，保护轴承和滑油免受气流环境的损害，防止滑油泄漏出轴承腔外。按密封面是否接触，主轴承腔密封分为接触式密封和非接触式密封，接触式密封一般有圆周石墨密封和端面石墨密封，非接触式密封一般有篦齿密封和浮环密封。

接触式圆周石墨密封石墨环通过周向拉伸弹簧紧箍在密封跑道上，当转子因热膨胀、离心膨胀及跳动等因素造成转子偏移，石墨环可跟随转子偏移，当转子复位后，石墨环在周向弹簧作用下也随之复位，从而保证在整个过程中与转子始终保持接触，因此限制气体泄漏是高效的。

端面石墨密封是靠一对或几对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力(或磁力)保持接合并配以辅助密封而达到阻漏的密封装置，广泛使用于液体与气体等介质的密封中，其拥有和圆周石墨密封相近的密封性，功耗相对较小，与圆周石墨密封相比，制造成本低，对滑油焦化敏感性小，在工况相对恶劣的密封部位可考虑使用。

篦齿密封由于其结构相对简单，成本较低，篦齿密封属于非接触式密封，一般情况下，篦齿密封件作为转子，封严圈和耐磨涂层作为静子，为防止转子和静子相接触产生磨损，转子和静子间留有一定间隙，当封严侧气体进入到转子与静子的间隙时，在篦齿齿间形成漩涡流，使流体产生自密封效应，进而各齿间的流体压力逐级削弱，达到密封效果。

浮环石墨密封是非接触式圆周石墨密封，石墨环与封严跑道设计有一定间隙，靠流体间小间隙的流动阻力限制泄漏，正常工作中可排除硬性接触摩擦。浮环石墨密封工作时，密封缝隙内流体对密封环产生动压浮升力，当动压浮升力比石墨环的重力、浮动运动的惯性力以及石墨环与壳体端面接触负荷的摩擦力的联合作用力大时，则石墨环与旋转圆柱表面之间被流体膜隔开，故可达到很长的寿命。浮环密封适宜于高线速度工况。

圆周石墨密封和端面石墨密封有着接触式密封普遍的使用限制，即承受的线速度低，过高的线速度会造成石墨环的急剧磨损，大量的摩擦热造成接触面温度升高，导致滑油结焦，结焦的颗粒夹杂在密封面之间产生磨粒磨损，大大降低了密封装置使用寿命。

为了控制接触面温度，圆周石墨密封不得不设计Γ形封严跑道，并专门设计滑油喷嘴对跑道进行冷却，因而结构复杂；此外石墨环分段处需设计倾斜搭接口，在螺旋弹簧作用下，石墨环始终保持了收缩趋势，直至石墨环内径收缩至与封严转子外径一致并紧密贴合，此时接触面存在较大接触应力，工作时，转子膨胀将石墨环由冷接触状态推至热接触状态，接触应力大幅增加，石墨环磨损严重；鉴于Γ形跑道、喷油嘴、倾斜式搭接口等设计均需一定的径向空间，故该种密封不适宜用于径向尺寸较小的封严，一般在轴径≤50mm的封严处很少见到。端面石墨密封对接触面Pv值敏感，占用空间较大，难以适应较大的静子与转子之间的轴向位移等，诸上因素也限制了其使用的范围。

篦齿密封在发动机工作时，在热膨胀和离心力作用下，静子和转子间隙变小，由于篦齿密封装置中转子和静子间无跟随作用，转子的振动和偏移使得篦齿齿尖和耐磨涂层磨损，造成不可复原的永久性的间隙增大，封严效果下降。

浮环密封为整环式石墨环，为保证工作时石墨环与转子非接触，初始间隙在考虑热膨胀、离心膨胀及跳动等因素后，仍需留有一定的裕度，故初始间隙较大，泄漏量大于接触式密封，同时在整机不同状态下，由于间隙浮动范围广导致密封性能波动剧烈。此外，石墨环不能随转子偏移而弹性扩张和退让，在非稳定状态下，转子较大的偏移或跳动引起转子与石墨环碰磨，瞬间的撞击常常导致石墨环掉块和断裂等故障。

随着航空燃气涡轮发动机及辅助动力装置性能的不断提高，密封装置工作的环境愈发恶劣，寻找一种工况适应能力强、低磨损、长寿命，且能适应转子瞬时偏移或跳动，而始终保持良好性能的密封装置也成了研究人员一直关注的重点。

发明内容

本发明提供了一种轴承腔密封装置，以解决目前接触式圆周石墨密封装置易磨损、寿命短、不适用于小轴径封严，以及非接触式密封泄漏量大、石墨环碰磨的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种轴承腔密封装置，包括：

壳体，通过设置法兰与轴承座固定连接，内部设置有封严腔；

对瓣式石墨环，安装设置在所述壳体的封严腔内，所述对瓣式石墨环的内孔面作为主密封面与封严转子外圆的封严转子密封面相配合阻止油气轴向泄漏，所述对瓣式石墨环朝向轴承的端面作为辅助密封面与壳体内的壳体主密封面密封配合，所述主密封面和辅助密封面均设置有封严气通道；

弹性装置，设置在所述壳体内，通过弹性力将对瓣式石墨环的辅助密封面与壳体的壳体主密封面压紧贴合阻止油气径向泄漏。

进一步地，所述对瓣式石墨环由完整的石墨环对称切割后均分的两部分，再通过螺旋弹簧将所述两部分箍紧组成，箍紧后石墨环内径等于或按设定值小于封严转子外径与其热膨胀量、离心膨胀量之和，正常工作时初始间隙与转子热膨胀和离心膨胀相抵消。

进一步地，所述对瓣式石墨环的主密封面设置有封严气通道，所述封严气通道包括沿轴向均匀设置有若干主密封面轴向引气槽，所述主密封面内朝向所述辅助密封面的一端设置有与各主密封面轴向引气槽相连通的主密封面环形平衡槽。

进一步地，辅助密封面的边缘沿径向均匀设置有若干辅助密封面放射式引气槽，所述辅助密封面的中部设置有与所有辅助密封面放射式引气槽相连通的辅助密封面环形平衡槽。

进一步地，所述辅助密封面与密封配合的壳体的内端面平面度为0.001～0.005，表面光洁渡Ra为0.1～0.3。

进一步地，所述对瓣式石墨环的边缘沿分割线对称设置有防转槽，所述壳体内壁设置有与所述防转槽相配合的防转销。

进一步地，所述壳体朝向轴承腔的一侧还一体式地设置有伸入轴承腔内的螺旋密封，用于借助转子外表面的旋转搅风作用，把抛到槽中的油滴沿螺旋返回到油腔，所述螺旋密封的螺纹方向由封严转子旋转方向以及滑油流动的期望方向共同确定。

进一步地，所述壳体朝向轴承腔的一侧还设置有伸入轴承腔内、且与所述螺旋密封同轴的孔板环，位于轴承腔内的转子上设置有利用离心力将从轴承腔内的滑油甩至孔板环进行撞击提高油气分离效率的甩油盘。

进一步地，所述弹性装置包括两个垫片、设置在两个垫片之间的弹性元件、设置在壳体内的卡槽内限制所述弹性元件和两个垫片轴向位置的限位元件。

进一步地，所述壳体内的封严腔入口设置有篦齿密封，所述篦齿密封的旋转部分与设置有转子引气孔的封严转子一体式设计，其静止部分通过法兰安装于轴承座上，封严引气由转子引气孔引入篦齿密封与对瓣式石墨环之间。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的轴承腔密封装置具有如下其优点：(1)工作时石墨环与转子始终保持良好的接触状态，保证了优良的密封性能；(2)封严跑道无需特殊设计，无需专门滑油冷却；(3)转子瞬时跳动或过大的偏心涡动时，石墨环能够产生弹性退让，避免了石墨环的碰磨、撞断等；(4)石墨环利用线切割分为两部分，搭接口无需特殊设计，组合后内径恰等于封严转子外径与其热膨胀量以及离心膨胀量之和，有效避免了密封面接触应力，实现了石墨环低磨损；(5)与现有接触式密封相比，具有优良密封效果和结构完整性的同时，结构和工艺更简单，所需径向空间小，成功实现了接触式密封在较小轴径封严中的应用；与非接触式密封相比，大大提高了封严效果，避免了工作时密封副的碰磨、撞断等。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的对瓣式石墨环右视示意图。

图2是本发明优选实施例的对瓣式石墨环主剖视示意图。

图3是本发明优选实施例的对瓣式石墨环左视示意图。

图4是本申请优选实施例的轴承腔密封装置结构示意图。

图5是本申请另一优选实施例的轴承腔密封装置结构示意图。

图中：1、辅助密封面放射式引气槽；2、辅助密封面环形平衡槽；3、螺旋弹簧；4、辅助密封面；5、主密封面环形平衡槽；6、主密封面；7、防转槽；8、分割线；9、主密封面轴向引气槽；10、孔板环；11、壳体；12、防转销；13、弹性元件；14、限位元件；15、垫片；16、对瓣式石墨环；17、螺旋密封；18、封严腔；19、轴承腔密封装置；20、轴承座；21、轴承腔；22、轴承；23、甩油盘；24、壳体主密封面；25、封严转子密封面；26、封严转子；27、封严引气；28、篦齿密封。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1至图5，本发明的优选实施例提供了一种轴承腔密封装置，包括壳体11、对瓣式石墨环、弹性装置，其中：

所述壳体11通过设置法兰与轴承座20固定连接，内部设置有封严腔18；

所述对瓣式石墨环16安装设置在所述壳体11的封严腔18内，所述对瓣式石墨环的内孔面作为主密封面6与封严转子外圆的封严转子密封面25相配合阻止油气轴向泄漏，所述对瓣式石墨环朝向轴承22的端面作为辅助密封面4与壳体11内的壳体主密封面24密封配合，所述主密封面6和辅助密封面4均设置有封严气通道；

所述弹性装置设置在所述壳体11内，通过弹性力将对瓣式石墨环的辅助密封面4与壳体11的壳体主密封面24压紧贴合阻止油气径向泄漏。

本实施例提供的轴承腔密封装置具有如下其优点：(1)工作时石墨环与转子始终保持良好的接触状态，保证了优良的密封性能；(2)封严跑道无需特殊设计，无需专门滑油冷却；(3)转子瞬时跳动或过大的偏心涡动时，石墨环能够产生弹性退让，避免了石墨环的碰磨、撞断等；(4)石墨环利用线切割分为两部分，搭接口无需特殊设计，组合后内径恰等于封严转子外径与其热膨胀量以及离心膨胀量之和，有效避免了密封面接触应力，实现了石墨环低磨损；(5)与现有接触式密封相比，具有优良密封效果和结构完整性的同时，结构和工艺更简单，所需径向空间小，成功实现了接触式密封在较小轴径封严中的应用；与非接触式密封相比，大大提高了封严效果，避免了工作时密封副的碰磨、撞断等。

在本申请的优选实施例中，所述对瓣式石墨环由完整的石墨环对称切割后均分的两部分，再通过螺旋弹簧3将所述两部分箍紧组成，箍紧后石墨环内径等于或按设定值小于封严转子外径与其热膨胀量、离心膨胀量之和，正常工作时初始间隙与转子热膨胀和离心膨胀相抵消，从而保证对瓣式石墨环16与封严转子26零接触，或通过初期简单跑合达到对瓣式石墨环16与封严转子26零接触，实现密封装置的低泄漏和低磨损。

在本申请的优选实施例中，所述对瓣式石墨环16的主密封面6设置有封严气通道，所述封严气通道包括沿轴向均匀设置有若干主密封面轴向引气槽9，所述主密封面6内朝向所述辅助密封面4的一端设置有与各主密封面轴向引气槽9相连通的主密封面环形平衡槽5。

本实施例中，在对瓣式石墨环16的内孔面即主密封面6处设置有主密封面轴向引气槽9和主密封面环形平衡槽5，高压封严气通过主密封面轴向引气槽9进入主密封面环形平衡槽5，一方面用于平衡对瓣式石墨环16外圆的介质压力，保证转子瞬时跳动或偏心涡动时，对瓣式石墨环16能够灵活的退让，同时也在靠近轴承腔21处的主密封面环形平衡槽5内形成整圆周的均匀高压的封严气，阻止油气轴向泄漏。

在本申请的优选实施例中，辅助密封面4的边缘沿径向均匀设置有若干辅助密封面放射式引气槽1，所述辅助密封面4的中部设置有与所有辅助密封面放射式引气槽1相连通的辅助密封面环形平衡槽2。

本实施例中，高压封严气通过辅助密封面放射式引气槽1进入辅助密封面环形平衡槽2，一方面用于平衡对瓣式石墨环16高压侧的介质压力，减小辅助密封面4的接触压力和滑动摩擦力，保证对瓣式石墨环16能够灵活的退让和复位，同时也在靠近轴承腔21处的辅助密封面环形平衡槽2内形成整圆周的均匀高压的封严气，阻止油气径向泄漏。

在本申请的优选实施例中，所述辅助密封面4与密封配合的壳体11的内端面平面度为0.001～0.005，表面光洁渡Ra为0.1～0.3，以确保密封效果。

在本申请的优选实施例中，所述对瓣式石墨环16的边缘沿分割线8对称设置有防转槽7，所述壳体11内壁设置有与所述防转槽7相配合的防转销12，从而避免对瓣式石墨环16与壳体11之间发生相对转动而影响密封效果。

在本申请的优选实施例中，所述壳体11朝向轴承腔21的一侧还一体式地设置有伸入轴承腔21内的螺旋密封17，用于借助转子外表面的旋转搅风作用，把抛到槽中的油滴沿螺旋返回到油腔，所述螺旋密封17的螺纹方向由封严转子26旋转方向以及滑油流动的期望方向共同确定。

完好状态下的对瓣式石墨环16工作时，对瓣式石墨环16内孔面与封严转子26外圆的封严转子密封面25恰好紧密贴合(或通过简单磨合达到该状态)，当封严转子26发生瞬时跳动或偏心涡动时，对瓣式石墨环16产生弹性退让以避免严重磨损或碰撞，当封严转子26复位后，对瓣式石墨环16在螺旋弹簧3作用下跟随封严转子26复位，从而始终保持良好的接触状态。当对瓣式石墨环16产生弹性退让后，此时接头间隙是对瓣式石墨环16的主要泄漏源，为减少滑油泄漏，本实施例在对瓣式石墨环16基础上增加螺旋密封17，借助转子外表面的旋转搅风作用，把抛到槽中的油滴沿螺旋返回到油腔，螺旋密封17的螺纹旋向需根据转子旋转方向确定。

在本申请的优选实施例中，所述壳体11朝向轴承腔21的一侧还设置有伸入轴承腔21内、且与所述螺旋密封17同轴的孔板环10，位于轴承腔21内的转子上设置有利用离心力将从轴承腔21内的滑油甩至孔板环10进行撞击提高油气分离效率的甩油盘23。

本实施例中，为防止轴承腔腔压升高导致油气泄漏，在螺旋密封上方设计孔板环，孔板环10设计为沿周向均布的多排小孔结构，不同排的小孔沿周向交错排列，孔板环10一般成形后与壳体11焊接，孔板环11与甩油盘23配合使用，利用甩油盘23将流向密封装置的滑油利用旋转离心力甩至孔板环10，高速滑油与孔板环10撞击，油中气泡被击破，气泡中气体与滑油分离，提高了油气分离效率，更有利于通过排气孔排放。

在本申请的优选实施例中，所述弹性装置包括两个垫片15、设置在两个垫片15之间的弹性元件13、设置在壳体11内的卡槽内限制所述弹性元件13和两个垫片15轴向位置的限位元件14，由于限位元件14不能移动，因此，位于右侧的垫片15在弹性元件13的作用下向右移动，将对瓣式石墨环的辅助密封面4与壳体11的壳体主密封面24压紧贴合阻止油气径向泄漏。

在本申请的优选实施例中，所述壳体11内的封严腔18入口设置有篦齿密封28，所述篦齿密封28的旋转部分与设置有转子引气孔的封严转子26一体式设计，其静止部分通过法兰安装于轴承座20上，封严引气27由转子引气孔引入篦齿密封28与对瓣式石墨环之间。

本实施例为了为保证封严引气27的压力，在对瓣式石墨环16的高压侧设计一级篦齿密封28，篦齿密封28的旋转部分与封严转子26一体式设计，其静环部分通过法兰与壳体11连接安装于轴承座20上，当密封装置工作时，封严引气27通过封严转子26上的转子引气孔进入由篦齿密封28和石墨环16构成的封严腔18，封严气27通过辅助密封面放射式引气槽1和主密封面轴向引气槽9分别进入主密封面6和辅助密封面4的主密封面环形平衡槽5和辅助密封面环形平衡槽2，在主密封面6和辅助密封面4形成整圆周的均匀高压的封严气，限制滑油的轴向和径向泄漏。

上述实施例的轴承腔密封装置解决了目前接触式圆周石墨密封装置易磨损、寿命短、不适用于小轴径封严，以及非接触式密封泄漏量大、石墨环碰磨的技术难题。其拥有较小的初始间隙，同时具有能够随转子偏移产生弹性扩张和退让，且工作时始终与转子保持接触的能力，具有很高的工程和市场应用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轴承腔密封装置，其特征在于，包括：

壳体(11)，通过设置法兰与轴承座(20)固定连接，内部设置有封严腔(18)；

对瓣式石墨环，安装设置在所述壳体(11)的封严腔(18)内，所述对瓣式石墨环的内孔面作为主密封面(6)与封严转子外圆的封严转子密封面(25)相配合阻止油气轴向泄漏，所述对瓣式石墨环朝向轴承(22)的端面作为辅助密封面(4)与壳体(11)内的壳体主密封面(24)密封配合，所述主密封面(6)和辅助密封面(4)均设置有封严气通道；

弹性装置，设置在所述壳体(11)内，通过弹性力将对瓣式石墨环的辅助密封面(4)与壳体(11)的壳体主密封面(24)压紧贴合阻止油气径向泄漏。

2.根据权利要求1所述的轴承腔密封装置，其特征在于，所述对瓣式石墨环由完整的石墨环对称切割后均分的两部分，再通过螺旋弹簧(3)将所述两部分箍紧组成，箍紧后石墨环内径等于或按设定值小于封严转子外径与其热膨胀量、离心膨胀量之和，正常工作时初始间隙与转子热膨胀和离心膨胀相抵消。

3.根据权利要求2所述的轴承腔密封装置，其特征在于，所述对瓣式石墨环的主密封面(6)设置有封严气通道，所述封严气通道包括沿轴向均匀设置有若干主密封面轴向引气槽(9)，所述主密封面(6)内朝向所述辅助密封面(4)的一端设置有与各主密封面轴向引气槽(9)相连通的主密封面环形平衡槽(5)。

4.根据权利要求3所述的轴承腔密封装置，其特征在于，辅助密封面(4)的边缘沿径向均匀设置有若干辅助密封面放射式引气槽(1)，所述辅助密封面(4)的中部设置有与所有辅助密封面放射式引气槽(1)相连通的辅助密封面环形平衡槽(2)。

5.根据权利要求4所述的轴承腔密封装置，其特征在于，所述辅助密封面(4)与密封配合的壳体(11)的内端面平面度为0.001～0.005，表面光洁渡Ra为0.1～0.3。

6.根据权利要求5所述的轴承腔密封装置，其特征在于，所述对瓣式石墨环的边缘沿分割线(8)对称设置有防转槽(7)，所述壳体(11)内壁设置有与所述防转槽(7)相配合的防转销(12)。

7.根据权利要求6所述的轴承腔密封装置，其特征在于，所述壳体(11)朝向轴承腔(21)的一侧还一体式地设置有伸入轴承腔(21)内的螺旋密封(17)，用于借助转子外表面的旋转搅风作用，把抛到槽中的油滴沿螺旋返回到油腔，所述螺旋密封(17)的螺纹方向由封严转子(26)旋转方向以及滑油流动的期望方向共同确定。

8.根据权利要求7所述的轴承腔密封装置，其特征在于，所述壳体(11)朝向轴承腔(21)的一侧还设置有伸入轴承腔(21)内、且与所述螺旋密封(17)同轴的孔板环(10)，位于轴承腔(21)内的转子上设置有利用离心力将从轴承腔(21)内的滑油甩至孔板环(10)进行撞击提高油气分离效率的甩油盘(23)。

9.根据权利要求1所述的轴承腔密封装置，其特征在于，所述弹性装置包括两个垫片(15)、设置在两个垫片(15)之间的弹性元件(13)、设置在壳体(11)内的卡槽内限制所述弹性元件(13)和两个垫片(15)轴向位置的限位元件(14)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的轴承腔密封装置，其特征在于，所述壳体(11)内的封严腔(18)入口设置有篦齿密封(28)，所述篦齿密封(28)的旋转部分与设置有转子引气孔的封严转子一体式设计，其静止部分通过法兰安装于轴承座(20)上，封严引气由转子引气孔引入篦齿密封(28)与对瓣式石墨环之间。

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