CN115218223A - 陶瓷基火焰筒出口密封结构、涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷基火焰筒出口密封结构，包括均呈环形的转接构件、弹性密封件；转接构件设置于火焰筒的尾端和导向器组件的外环面之间，弹性密封件设置于转接构件的外环面并与转接构件共同配合连接至火焰筒的尾端，弹性密封件还设置于导向器组件的外环面和转接构件的内环面之间，用于在不同温度状态下保持转接构件和导向器组件、火焰筒的密封配合。转接构件经弹性密封件在各温度状态下适应二者不同的膨胀或收缩量而保持贴合密封，协调陶瓷基复合材料与金属材料之间线膨胀系数差异带来的零件冷、热态尺寸差异，避免火焰筒与涡轮连接部位的配合间隙过大造成过多的空气从配合间隙进入火焰筒内部，影响火焰筒燃烧流场组织。

Description

陶瓷基火焰筒出口密封结构、涡轮发动机

技术领域

本发明涉及火焰筒技术领域，特别地，涉及一种陶瓷基火焰筒出口密封结构及涡轮发动机。

背景技术

涡轴发动机采用的径流燃烧室具有结构紧凑、发动机轴系短等技术优势。同时，随着发动机技术的发展，燃烧室火焰筒工作温度逐渐提高，要求火焰筒材料在满足重量轻、可靠性高、寿命长等要求的基础上，材料的耐温能力进一步提高。因此，采用陶瓷基复合材料替代传统高温合金材料是提高发动机燃烧室部件耐温能力和发动机效率的较佳途径。

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料，陶瓷基复合材料具有耐高温、高强度、高刚度、相对重量轻、抗腐蚀等优异性能。但是由于陶瓷基复合材料与金属材料的热膨胀性能存在巨大差异，因此需解决陶瓷基复合材料零部件的安装和冷热态协调等问题。

发明内容

本发明提供了一种陶瓷基火焰筒出口密封结构，以解决径流燃烧室陶瓷基复合材料火焰筒的尾端与涡轮部件连接存在冷热态尺寸差异导致漏气影响火焰筒流场组织的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：一种陶瓷基火焰筒出口密封结构，用于陶瓷基复合材料的火焰筒的尾端与涡轮部件之间的连接及密封，所述火焰筒具有与涡轮部件连接的尾端，所述涡轮部件包括导向器组件，所述密封结构包括：呈环形的转接构件，呈环形的第一弹性密封件和呈环形的第二弹性密封件；所述转接构件设置于所述火焰筒的尾端和所述导向器组件的外环面之间，所述第一弹性密封件设置于所述转接构件的外环面并与所述转接构件共同配合连接至所述火焰筒的尾端，用于在不同温度状态下保持所述转接构件和所述火焰筒的尾端的密封配合；所述第二弹性密封件设置于所述导向器组件的外环面和所述转接构件的内环面之间，用于在不同温度状态下保持所述转接构件和所述导向器组件的密封配合。

作为一种优选方式，所述转接构件靠近所述火焰筒的内腔的一端形成有径向向外延伸的挡边；所述挡边的第一端面朝向所述火焰筒的内腔，所述挡边的第二端面抵接于所述火焰筒的尾端内壁；所述第一弹性密封件抵接于所述火焰筒的尾端外壁以及所述转接构件的外环面。

作为一种优选方式，所述第一弹性密封件具有用于贴合所述转接构件的外环面设置的密封部以及由所述密封部近所述火焰筒的一端径向向外弯折延伸形成的抵接部，所述抵接部抵接于所述火焰筒的尾端外壁组合构成弹性抵接结构；所述火焰筒尾端端面、所述挡边的第二端面、所述转接构件的外环面以及所述抵接部上靠近所述火焰筒的端面共同围绕形成环形腔。

作为一种优选方式，所述转接构件远离所述火焰筒内腔的一端向外弯折形成有夹紧部，所述夹紧部的内壁和所述转接构件的外环面围绕形成凹腔构造，所述第一弹性密封件的密封部的远离所述火焰筒内腔的端部嵌入所述凹腔构造内。

作为一种优选方式，所述夹紧部径向开设有用于穿设销钉小端的第一通孔，所述转接构件对应所述第一通孔径向开设有第二通孔；或者所述夹紧部径向开设有用于穿设螺钉小端的第一通孔，所述转接构件对应所述第一通孔径向开设有螺纹孔。

作为一种优选方式，所述密封结构上设置有冷却结构，所述冷却结构用于使所述环形腔与外部导通并引入冷却气，并将所述环形腔内的冷却气导出至所述转接构件的表面和/或所述导向器组件的表面。

作为一种优选方式，所述冷却结构包括径向开设于所述挡边的第二端面的缝槽，所述环形腔经所述缝槽与所述火焰筒的内腔连通，所述缝槽用于引入环形腔内的冷却气随火焰筒内热气流动至所述挡边的第一端面表面形成保护气膜。

作为一种优选方式，所述冷却结构包括径向开设于所述转接构件的气膜孔，所述气膜孔用于将所述环形腔连通至所述转接构件的内环面，所述气膜孔用于引导所述环形腔内的冷却气流动至所述导向器组件的端面并在所述导向器组件的端面形成保护气膜。

作为一种优选方式，所述冷却结构包括开设于所述第一弹性密封件的通气槽，所述通气槽由所述第一弹性密封件的密封部外表面导通至所述环形腔，用于将外部冷却气引入至所述环形腔内。

另一方面，还提供一种涡轮发动机，应用有以上任一所述的陶瓷基火焰筒出口密封结构。

本发明具有以下有益效果：本密封结构通过设置一转接构件分别经第一弹性密封件与火焰筒尾端连接、经第二弹性密封件与涡轮部件进行连接，转接构件部分可轴向移动的贴合火焰筒尾端内壁，第一弹性密封件固定于转接构件外环面可随转接构件轴向移动并在其弹力作用下保持与火焰筒尾端的外壁贴合，进而使火焰筒尾端可轴向移动带动转接构件和第一弹性密封件轴向移动进而保持轴向面贴合，同时火焰筒尾端可于转接构件和第一弹性密封件之间径向移动在弹性密封件的弹力作用下与二者保持贴合；第二弹性密封件在其弹力作用下保持与转接构件的内环面及涡轮部件的外环面贴合，进而使转接构件的内环面可相对第二弹性密封件进行轴向移动并保持贴合；进而在各温度状态下火焰筒和涡轮部件膨胀/伸缩量不同时，转接构件随火焰筒尾端轴向移动可相对火焰筒尾端径向移动并在第一弹性密封件轴向同步移动及其弹力作用下保持密封贴合，在第二弹性密封件的弹力作用下相对转接构件可相对导向器组件轴向和/或径向移动同时经弹性密封件保持密封贴合，转接构件经弹性密封件在各温度状态下即可适应二者不同的膨胀或收缩量而保持贴合密封，以协调陶瓷基复合材料与金属材料之间线膨胀系数差异带来的零件冷、热态尺寸差异，避免火焰筒与涡轮连接部位的配合间隙过大造成过多的空气从配合间隙进入火焰筒内部，影响火焰筒燃烧流场组织；基于本密封结构，陶瓷基火焰筒的尾端不需设计为复杂的连接结构，有利于火焰筒进行简单结构设计进而便于制造，保证其强度，避免产生裂纹。

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是本现有技术中的金属基火焰筒和涡轮导向器组件连接结构示意图；

图2是本发明优选实施例的陶瓷基火焰筒与导向器组件连接结构部分剖面示意图；

图3是图2的局部放大图；

图4是本发明优选实施例的部分结构示意图；

图5是本发明优选实施例的转接构件和第一弹性构件拆分示意图；

11、机匣 23、火焰筒 25、尾端 26、转接构件 27、第一弹性密封件 28、销钉 31、导向器 32、导向器外罩 33、第二弹性密封件 40、密封结构 42、环形腔 210、通气槽 211、缝槽 212、气膜孔 213、销钉孔 215、夹紧部 216、密封部 218、限位槽

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2至图5，本发明的优选实施例提供了一种陶瓷基火焰筒出口密封结构40，用于陶瓷基复合材料的火焰筒23的尾端25与涡轮部件之间的连接及密封，火焰筒23具有尾端25，涡轮部件包括导向器组件，密封结构包括：呈环形的转接构件26，呈环形的第一弹性密封件27和呈环形的第二弹性密封件33；转接构件26设置于火焰筒23的尾端25和导向器组件的外环面之间，第一弹性密封件27设置于转接构件26的外环面并与转接构件26共同配合与火焰筒23的尾端25连接，用于在不同温度状态下保持转接构件26和火焰筒23的尾端25的密封配合；第二弹性密封件33设置于导向器组件的外环面和转接构件26的内环面之间，用于在不同温度状态下保持转接构件26和导向器组件的密封配合。

应当理解的是，本实施例中导向器组件具体包括导向器31和设置于导向器31外环面的导向器外罩32，导向器组件为金属材料；本实施例的转接构件26为金属材料制成，膨胀系数与涡轮部件相同或接近；金属材料的涡轮部件和转接构件26受热膨胀量和受冷收缩量均大于陶瓷基火焰筒23；

本密封结构通过设置一转接构件26分别经第一弹性密封件27与火焰筒23尾端25连接、经第二弹性密封件33与涡轮部件进行连接，转接构件26部分可轴向移动的贴合火焰筒23尾端25内壁，第一弹性密封件27固定于转接构件26外环面可随转接构件26轴向移动并在其弹力作用下保持与火焰筒23尾端25的外壁贴合，进而使火焰筒23尾端25可轴向移动带动转接构件26和第一弹性密封件27轴向移动进而保持轴向面贴合，同时火焰筒23尾端25可于转接构件26和第一弹性密封件27之间径向移动在弹性密封件的弹力作用下与二者保持贴合；第二弹性密封件33在其弹力作用下保持与转接构件26的内环面及涡轮部件的外环面贴合，进而使转接构件26的内环面可相对第二弹性密封件33进行轴向移动并保持贴合；进而在各温度状态下火焰筒23和涡轮部件膨胀/伸缩量不同时，转接构件26随火焰筒23尾端25轴向移动可相对火焰筒23尾端25径向移动并在第一弹性密封件27轴向同步移动及其弹力作用下保持密封贴合，在第二弹性密封件33的弹力作用下相对转接构件可相对导向器组件轴向和/或径向移动同时经弹性密封件保持密封贴合，转接构件26经弹性密封件在各温度状态下即可适应二者不同的膨胀或收缩量而保持贴合密封，以协调陶瓷基复合材料与金属材料之间线膨胀系数差异带来的零件冷、热态尺寸差异，避免火焰筒23与涡轮连接部位的配合间隙过大造成过多的空气从配合间隙进入火焰筒23内部，影响火焰筒23燃烧流场组织；

基于本密封结构，陶瓷基火焰筒23的尾端25不需设计为复杂的连接结构，有利于火焰筒23进行简单结构设计进而便于制造，保证其强度，避免产生裂纹。

在本实施例中，转接构件26靠近火焰筒23的内腔的一端形成有径向向外延伸的挡边，挡边的第一端面朝向火焰筒23的内腔，挡边的第二端面抵接于火焰筒23的尾端25内壁；第一弹性密封件27保持抵接于火焰筒23的尾端25外壁以及转接构件26的外环面；即挡边在轴向上贴紧火焰筒23的尾端25内壁，在第一弹性密封件27的弹力作用下使火焰筒23尾端25保持与转接构件26贴合，同时使转接构件26与火焰筒23的尾端25具有径向的相对移动空间，进而满足转接构件26的径向膨胀需求；另外，第二弹性密封件33设置于转接构件26的内环面和导向器组件的外环面之间，第二弹性密封件33的内环面和外环面在其弹性作用下保持与转接构件26、导向器组件贴合，因此，在火焰筒23和导向器组件受热膨胀量或受冷收缩量不一致时，转接构件26可保持贴合火焰筒23并同步相对导向器组件轴向移动；基于上述结构，导向器组件可相对火焰筒23轴向和径向活动，通过转接构件26和弹性密封件避免了火焰筒23和涡轮部件的硬连接，解决二者零部件间的冷热态匹配问题。

进一步的，第二弹性密封件33为一弹簧挡圈；导向器组件的外环面开设有用于嵌入第二弹性密封件33的环形槽，环形槽的深度小于第二弹性密封件33的径向宽度，即转接构件26和导向器组件相对轴向移动时，环形槽对第二弹性密封件33进行轴向限位，避免第二弹性密封件33滑移；同时，常态安装环境下，第二弹性密封件33与环形槽内环面具有径向间隙，进一步适配转接构件26的径向活动需求；

其中，第一弹性密封件27具有用于贴合转接构件26的外环面设置的密封部216以及由密封部216的近火焰筒23端径向向外弯折延伸形成的抵接部，抵接部抵接于火焰筒23的尾端25外壁，组合构成弹性抵接结构；火焰筒23的尾端25端面、挡边的第二端面、转接构件26的外环面以及抵接部近火焰筒23的端面共同围绕形成环形腔42，该环形腔42使转接环外环面与火焰筒23尾端25之间留有足够的径向间隙，进而满足转接构件26的径向活动需求。

进一步的，转接构件26远离火焰筒23内腔的一端向外弯折形成有夹紧部215，夹紧部215的内壁和转接构件26的外环面围绕形成凹腔构造，第一弹性密封件27的密封部216的远离火焰筒23内腔的端部嵌入并抵接于该凹腔构造内；

进一步的，夹紧部215径向开设有用于穿设销钉28小端的通孔，转接构件26对应第一通孔径向开设有销钉孔213；在本实施例中，第二弹性密封件33的密封部216的端部开设有限位槽218，密封部216嵌入凹腔构造内时，销钉28嵌入该限位槽218内，进而可对第一弹性密封件27轴向限位，使第一弹性密封件27保持与转接构件26的相对位置并使其抵接部保持抵接于火焰筒23尾端25；同时，限制第一弹性密封件27周向旋转，防止其滑脱；在一些实施例中，也可以于密封部216对应位置开设通孔替代限位槽218实现上述功能；

在一些实施例中，也可以是夹紧部215径向开设有用于穿设螺钉小端的通孔，转接构件26对应通孔径向开设螺纹孔。

在一些实施例中，在本密封结构的基础上还设置有冷却结构，用于使环形腔42与外部导通并引入冷却气，并将环形腔42内的冷却气导出至转接构件26的表面和/或导向器组件的表面形成冷却气膜，以防止零部件烧蚀；其中，冷却气即为火焰筒23外部的冷空气。

进一步的，冷却结构包括开设于第一弹性密封件27的通气槽210，多个通气槽210于第一弹性密封件27周向均匀布设，通气槽210具体为轴向开设于密封部216，进而可将外部气体导入至环形腔42内；

进一步的，冷却结构还包括径向开设于挡边的第二端面的缝槽211，多个缝槽211于第二弹性密封件33周向均匀布设，使得环形腔42经缝槽211与火焰筒23内腔连通，使引入的冷却气随火焰筒内的热气流流动，进而贴附于挡边的第一端面形成气膜防止烧蚀；其中，挡边的第一端面为弧形构造，更好的引导冷却气于第一端面形成气膜保护。

进一步的，挡边还相对转接构件26的端部径向向内延伸，冷却结构还包括开设于转接构件26的气膜孔212，气膜孔212的一端开口分别位于转接构件26的外环面与环形腔42导通，另一端开口位于转接构件26的内环面并位于挡边的第二端面和导向器组件之间，挡边径向向内延伸进而与导向器组件之间形成气路，以将环形腔42内的冷却气经气膜孔212引导至导向器外罩32的端面上形成气膜防止烧蚀。

应当理解的是，其他实施例中，冷却结构用于引入外部冷却气防止零部件烧蚀，对具体冷却结构应当不做限制；

本冷却机构对转接构件26和下游涡轮部件进行冷却，保护各零部件，避免发生烧蚀；同时，冷却结构基于前述密封结构设置，其能够基本保持与外部连通的开口间隙不变，进而使冷却气引入量可控，有效避免受热膨胀配合间隙扩大造成过多空气进入火焰筒23内部而影响火焰筒23流场组织。

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)

1.一种陶瓷基火焰筒出口密封结构，用于陶瓷基复合材料的火焰筒(23)的尾端与涡轮部件之间的连接及密封，所述火焰筒(23)具有与涡轮部件连接的尾端，所述涡轮部件包括导向器组件，其特征在于，所述密封结构包括：呈环形的转接构件(26)，呈环形的第一弹性密封件(27)和呈环形的第二弹性密封件(33)；所述转接构件(26)设置于所述火焰筒(23)的尾端和所述导向器组件的外环面之间，所述第一弹性密封件(27)设置于所述转接构件(26)的外环面并与所述转接构件(26)共同配合连接至所述火焰筒(23)的尾端，用于在不同温度状态下保持所述转接构件(26)和所述火焰筒(23)的尾端的密封配合；所述第二弹性密封件(33)设置于所述导向器组件的外环面和所述转接构件(26)的内环面之间，用于在不同温度状态下保持所述转接构件(26)和所述导向器组件的密封配合。

2.根据权利要求1所述的陶瓷基火焰筒出口密封结构，其特征在于，所述转接构件(26)靠近所述火焰筒(23)的内腔的一端形成有径向向外延伸的挡边；所述挡边的第一端面朝向所述火焰筒(23)的内腔，所述挡边的第二端面抵接于所述火焰筒(23)的尾端内壁；所述第一弹性密封件(27)抵接于所述火焰筒(23)的尾端外壁以及所述转接构件(26)的外环面。

3.根据权利要求2所述的陶瓷基火焰筒出口密封结构，其特征在于，所述第一弹性密封件(27)具有用于贴合所述转接构件(26)的外环面设置的密封部(216)以及由所述密封部(216)近所述火焰筒(23)的一端径向向外弯折延伸形成的抵接部，所述抵接部抵接于所述火焰筒(23)的尾端外壁组合构成弹性抵接结构；所述火焰筒(23)尾端端面、所述挡边的第二端面、所述转接构件(26)的外环面以及所述抵接部上靠近所述火焰筒(23)的端面共同围绕形成环形腔(42)。

4.根据权利要求3所述的陶瓷基火焰筒出口密封结构，其特征在于，所述转接构件(26)远离所述火焰筒(23)内腔的一端向外弯折形成有夹紧部(215)，所述夹紧部(215)的内壁和所述转接构件(26)的外环面围绕形成凹腔构造，所述第一弹性密封件(27)的密封部(216)的远离所述火焰筒(23)内腔的端部嵌入所述凹腔构造内。

5.根据权利要求4所述的陶瓷基火焰筒出口密封结构，其特征在于，所述夹紧部(215)径向开设有用于穿设销钉(28)小端的第一通孔，所述转接构件(26)对应所述第一通孔径向开设有第二通孔；或者所述夹紧部(215)径向开设有用于穿设螺钉小端的第一通孔，所述转接构件(26)对应所述第一通孔径向开设有螺纹孔。

6.根据权利要求3所述的陶瓷基火焰筒出口密封结构，其特征在于，所述密封结构上设置有冷却结构，所述冷却结构用于使所述环形腔(42)与外部导通并引入冷却气，并将所述环形腔(42)内的冷却气导出至所述转接构件(26)的表面和/或所述导向器组件的表面。

7.根据权利要求6所述的陶瓷基火焰筒出口密封结构，其特征在于，所述冷却结构包括径向开设于所述挡边的第二端面的缝槽(211)，所述环形腔(42)经所述缝槽(211)与所述火焰筒(23)的内腔连通，所述缝槽(211)用于引入环形腔(42)内的冷却气随火焰筒内热气流动至所述挡边的第一端面表面形成保护气膜。

8.根据权利要求6所述的陶瓷基火焰筒出口密封结构，其特征在于，所述冷却结构包括径向开设于所述转接构件(26)的气膜孔(212)，所述气膜孔(212)用于将所述环形腔(42)连通至所述转接构件(26)的内环面，所述气膜孔(212)用于引导所述环形腔(42)内的冷却气流动至所述导向器组件的端面并在所述导向器组件的端面形成保护气膜。

9.根据权利要求6所述的陶瓷基火焰筒出口密封结构，其特征在于，所述冷却结构包括开设于所述第一弹性密封件(27)的通气槽(210)，所述通气槽(210)由所述第一弹性密封件(27)的密封部(216)外表面导通至所述环形腔(42)，用于将外部冷却气引入至所述环形腔(42)内。

10.一种涡轮发动机，其特征在于，应用有权利要求1-9任一项所述的陶瓷基火焰筒出口密封结构。

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