CN115467717A - 封严主动控制系统、涡轮发动机和封严主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种封严主动控制系统、涡轮发动机和封严主动控制方法。该涡轮发动机包括该封严主动控制系统，该封严主动控制方法采用该封严主动控制系统，该封严主动控制系统用于控制设置在转子和静子之间的封严结构，封严结构包括设置于转子的第一封严结构和设置于静子的第二封严结构，第一封严结构与第二封严结构之间具有径向间隙，该封严主动控制系统包括滑动件、滑动件安装部、弹性件和引流通道，滑动件与第二封严结构固定连接，滑动件通过弹性件可径向移动地连接滑动件安装部，滑动件安装部和引流通道设置于静子，引流通道用于从封严结构的外部引入流体并将其导向滑动件，以通过调节引流通道内的流体的压力控制滑动件相对于静子的位移。

Description

封严主动控制系统、涡轮发动机和封严主动控制方法

技术领域

本发明涉及旋转密封和航空发动机技术领域，具体涉及一种封严主动控制系统、涡轮发动机和封严主动控制方法。

背景技术

航空发动机的封严结构的主要作用是防止转子和静子之间的高压气体向低压区域泄露，以提高发动机的效率，降低耗油率。迷宫封严结构是应用于航空发动机等旋转机械中的一种结构简单、性能可靠的非接触式封严结构，利用通道的突扩和突缩增加流阻以限制流体泄漏，蜂窝-篦齿组合封严结构是其中一种常用的迷宫封严结构。

传统的蜂窝-篦齿封严结构300如图1所示，通过篦齿301和蜂窝302隔绝高压区域和低压区域，蓖齿301与蜂窝302之间采用小间隙配合，可以抑制气体从高压区域流向低压区域，并避免蓖齿301与蜂窝302之间发生碰磨。发动机在不同工作状态下，由于零件的热胀冷缩以及转动部件在离心力作用下的径向拉伸，会导致篦齿301与蜂窝302间的间隙发生变化：在发动机状态升高(推力、转速增加)的过程中，各部件均升温，转子转速升高，转动部件大幅伸长，此时蓖齿301与蜂窝302间的间隙逐渐减小，极端情况下，蓖齿301会切入蜂窝302中，此时蓖齿301与蜂窝302均摩擦升温，有着火的风险，且由于蓖齿301很薄，结构脆弱，有断裂失效风险；反之在发动机状态降低(推力、转速降低)的过程中，转动部件径向收缩，导致蓖齿301与蜂窝302之间的间隙逐渐增加，在极端情况下，蓖齿301与蜂窝302之间的间隙很大，导致气体可以自由的从高压区域流向低压区域，使封严效果大大减弱。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种封严主动控制系统，可以根据需要调节封严结构的径向间隙，使径向间隙保持在合理的范围内。

为实现所述目的的封严主动控制系统，用于控制设置在转动配合的转子和静子之间的封严结构，所述封严结构包括设置于所述转子的第一封严结构和设置于所述静子的第二封严结构，所述第一封严结构与所述第二封严结构之间具有径向间隙，所述封严主动控制系统包括滑动件、滑动件安装部、弹性件和引流通道，所述滑动件与所述第二封严结构固定连接，所述滑动件通过所述弹性件可径向移动地连接所述滑动件安装部，所述滑动件安装部和所述引流通道设置于所述静子，所述引流通道用于从所述封严结构的外部引入流体并将其导向所述滑动件，以通过调节所述引流通道内的流体的压力控制所述滑动件相对于所述静子的位移。

在所述的封严主动控制系统的一个或多个实施方式中，所述滑动件安装部提供腔室，所述腔室位于所述径向间隙的一侧具有开口，所述滑动件可移动地设置在所述开口中，所述引流通道连通所述腔室。

在所述的封严主动控制系统的一个或多个实施方式中，所述腔室或/和所述滑动件设置有与所述径向间隙相通的通孔，所述引流通道内的流体的压力高于所述封严结构的轴向两侧的流体的压力。

在所述的封严主动控制系统的一个或多个实施方式中，所述封严主动控制系统还包括调节阀和控制器，所述调节阀用于调节所述引流通道内的流体的压力，所述控制器用于控制所述调节阀。

在所述的封严主动控制系统的一个或多个实施方式中，所述封严主动控制系统还包括传感器，用于测量所述径向间隙的实际值，以根据所述实际值对所述滑动件相对于所述静子的位移进行修正。

在所述的封严主动控制系统的一个或多个实施方式中，所述第一封严结构与所述第二封严结构组成迷宫封严结构。

该封严主动控制系统可以根据需要调节封严结构的径向间隙，使径向间隙保持在合理的范围内，以抑制转子和静子之间的流体从高压区域向低压区域泄露，并避免第一封严结构与第二封严结构相接触，导致封严结构的损伤甚至失效，从而能够保证稳定的封严效果，提高封严结构的使用寿命，且结构简单，便于加工制造和装配，经济性较好，操作便捷可靠，不但适用于涡轮发动机，也适用于其他需要旋转密封的流体机械设备。

本发明的另一个目的是提供一种涡轮发动机，可以根据需要调节封严结构的径向间隙，使径向间隙保持在合理的范围内。

为实现所述目的的涡轮发动机，包括前述的封严主动控制系统。

在所述的涡轮发动机的一个或多个实施方式中，所述封严主动控制系统还包括调节阀，用于调节所述引流通道内的流体的压力，所述涡轮发动机包括全权限数字控制系统，所述全权限数字控制系统控制所述调节阀。

在所述的涡轮发动机的一个或多个实施方式中，所述封严结构设置在所述涡轮发动机的静子叶片与所述涡轮发动机的转子之间。

该涡轮发动机通过采用该封严主动控制系统，可以根据需要调节封严结构的径向间隙，使径向间隙保持在合理的范围内，以抑制转子和静子之间的气体从高压区域向低压区域泄露，并避免第一封严结构与第二封严结构相接触，导致封严结构的损伤甚至失效，从而能够保证稳定的封严效果，提高封严结构的使用寿命，有效地提高发动机的效率，降低耗油率，提高发动机的安全性和可靠性。此外，该封严主动控制系统对涡轮发动机的结构和重量的影响较小，便于加工制造和装配，经济性较好，操作便捷可靠。

本发明的又一个目的是提供一种封严主动控制方法，可以根据需要调节封严结构的径向间隙，使径向间隙保持在合理的范围内。

为实现所述目的的封严主动控制方法，采用前述的封严主动控制系统，通过调节所述引流通道内的流体的压力控制所述滑动件相对于所述静子的位移。

在所述的封严主动控制方法的一个或多个实施方式中，所述滑动件设置有与所述径向间隙相通的通孔，所述引流通道内的流体的压力高于所述封严结构的轴向两侧的流体的压力。

在所述的封严主动控制方法的一个或多个实施方式中，所述引流通道内的流体的温度低于所述封严结构的轴向两侧的流体的温度。

在所述的封严主动控制方法的一个或多个实施方式中，所述封严主动控制系统用于涡轮发动机，根据所述涡轮发动机的运行状态控制所述引流通道内的流体的压力。

在所述的封严主动控制方法的一个或多个实施方式中，当所述涡轮发动机的转速或/和进口温度或/和供油量升高时，减小所述引流通道内的流体的压力，当所述转速或/和所述进口温度或/和所述供油量降低时，增大所述引流通道内的流体的压力。

在所述的封严主动控制方法的一个或多个实施方式中，根据所述涡轮发动机的加工或/和装配差异对所述引流通道内的流体的压力进行修正。

该封严主动控制方法通过调节引流通道内的流体的压力，控制滑动件相对于静子的位移，进而控制第一封严结构与第二封严结构之间的径向间隙，使径向间隙保持在合理的范围内，以抑制转子和静子之间的流体从高压区域向低压区域泄露，并避免第一封严结构与第二封严结构相接触，导致封严结构的损伤甚至失效，从而能够保证稳定的封严效果，提高封严结构的使用寿命。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是现有技术的篦齿封严结构的示意图。

图2是封严主动控制系统在发动机状态较高时的示意图。

图3是封严主动控制系统在发动机状态较低时的示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，本申请的一个或多个实施方式中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

根据本发明的一个或多个实施方式的封严主动控制系统100如图2和图3所示，用于控制封严结构3。

封严结构3设置在转子1和静子2之间，转子1和静子2之间具有间隙4，间隙4内的流体在轴向上具有压力梯度，封严结构3用于抑制间隙4内的流体从高压区域向低压区域泄露。

封严结构3包括设置于转子1的第一封严结构31和设置于静子2的第二封严结构32，第一封严结构31与第二封严结构32之间具有径向间隙33，第一封严结构31与第二封严结构32组成非接触式封严结构，例如迷宫封严结构，第一封严结构31与第二封严结构32的其中一个为篦齿封严结构，对应地，另一个为蜂窝封严结构或耐磨封严涂层等结构。在另一些实施方式中，第一封严结构31与第二封严结构32也可以组成其他非接触式封严结构。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“轴向”和“径向”分别指转子1或静子2的轴向和径向。

继续参照图2和图3，封严主动控制系统100包括滑动件6、滑动件安装部7、弹性件8、引流通道9、调节阀10和控制器11。滑动件6与第二封严结构32固定连接，例如第二封严结构32通过焊接、或卡接、或增材加工成型、或通过其他方式连接到滑动件6，或第二封严结构32与滑动件6为一体结构。滑动件6通过弹性件8可径向移动地连接滑动件安装部7，弹性件8例如可以是螺旋弹簧、或板簧、或碟形弹簧、或波形弹簧、或弹性膜片，等等。滑动件安装部7和引流通道9设置于静子2，引流通道9用于从封严结构3的外部引入流体，并将该流体导向滑动件6，从而通过该流体作用在滑动件6上的压力控制滑动件6相对于静子2的位移，详见后述。调节阀10设置于引流通道9，用于调节引流通道9内的流体的压力。控制器11与调节阀10信号连接，用于控制调节阀10的开度。

滑动件6受到由引流通道9引入的流体的压力、封严结构3的径向间隙33内的流体的压力以及弹性件8的弹力，由于弹性件8的弹力与其变形量有关，即与滑动件6相对于静子2的位移大小有关，因此，通过控制调节阀10的开度，从而调节引流通道9内的流体的压力，即可控制滑动件6相对于静子2的位移，进而控制第一封严结构31与第二封严结构32之间的径向间隙33。

例如，当增大调节阀10的开度时，引流通道9内的流体流量增大，压力升高，滑动件6在引流通道9内的流体和径向间隙33内的流体的压力差的作用下，克服弹性件8的弹力向径向内侧移动，并带动第二封严结构32一起移动，最终保持在一个平衡位置；反之，当减小调节阀10的开度时，引流通道9内的流体流量减小，压力降低，滑动件6带动第二封严结构32向径向外侧移动，并最终保持在另一个平衡位置。

该封严主动控制系统100可以根据需要调节封严结构3的径向间隙33，使径向间隙33保持在合理的范围内，以抑制转子1和静子2之间的流体从高压区域向低压区域泄露，并避免第一封严结构31与第二封严结构32相接触，导致封严结构3的损伤甚至失效，从而能够保证稳定的封严效果，提高封严结构3的使用寿命，且结构简单，便于加工制造和装配，经济性较好，操作便捷可靠，不但适用于涡轮发动机，也适用于其他需要旋转密封的流体机械设备。

继续参照图2和图3，可选地，滑动件安装部7提供腔室12，腔室12位于径向间隙33的一侧具有开口14，滑动件6可移动地设置在开口14中，引流通道9连通腔室12。由此，可以通过腔室12保持由引流通道9引入的流体的压力，减少压力损失，且腔室12的流体压力分布较为均匀，可以使滑动件6较为均匀地受力，避免由于偏载使滑动件6的移动发生卡滞。

在另一些实施方式中，引流通道9可以通过多个分歧通道(未图示)将引入的流体导向滑动件6，从而使滑动件6较为均匀地受力，滑动件安装部7可以不提供腔室，例如滑动件安装部7可以通过多个滑杆(未图示)或滑槽(未图示)或其他结构可移动地连接滑动件6，并对滑动件6的移动起导向作用。

继续参照图2和图3，可选地，腔室12或/和滑动件6设置有与径向间隙33相通的通孔13，从而使引流通道9内的流体可以通过通孔13流向径向间隙33，在径向间隙33内形成涡流，以进一步提高转子1和静子2之间的流体通过封严结构3的阻力，提高封严效果。

通过调节引流通道9内的流体的压力，可以使引流通道9内的流体的压力高于封严结构3的轴向两侧的流体的压力，即高于高压区域的流体压力，从而从源头上减少转子1和静子2之间的流体泄露的原始动力。

可选地，由引流通道9引入的流体的温度低于封严结构3的轴向两侧的流体的温度，由此，通过使引流通道9内的流体从通孔13流向径向间隙33，不但可以在径向间隙33内形成涡流，以提高封严结构3的封严效果，还可以对第一封严结构31和第二封严结构32起到冷却的作用，从而提高封严结构3的使用寿命。

可选地，该封严主动控制系统100还包括传感器(未图示)，用于测量第一封严结构31和第二封严结构32之间的径向间隙33的实际值，例如采用间隙测量传感器或测距传感器测量转子1与静子2(或转子1与滑动件6)之间的径向距离，根据传感器的测量结果结合转子1、静子2、封严结构3等的结构尺寸进行计算，即可获得径向间隙33的实际值，并根据该实际值对滑动件9相对于静子2的位移进行修正，从而更为精准地控制径向间隙33，使径向间隙33保持在合理的范围内。

根据本发明的一个或多个实施方式的涡轮发动机200如图2和图3所示，包括前述的封严主动控制系统100，前述的转子1和静子2分别为涡轮发动机2的转子和静子，封严主动控制系统100的引流通道9可以从涡轮发动机200的压气机或其他位置引气，或通过飞机供气，通过调节引流通道9内的流体的压力，即可控制滑动件6相对于静子2的位移，进而控制封严结构3的第一封严结构31与第二封严结构32之间的径向间隙33。

该涡轮发动机200通过采用该封严主动控制系统100，可以根据需要调节封严结构3的径向间隙33，使径向间隙33保持在合理的范围内，以抑制转子1和静子2之间的气体从高压区域向低压区域泄露，并避免第一封严结构31与第二封严结构32相接触，导致封严结构3的损伤甚至失效，从而能够保证稳定的封严效果，提高封严结构3的使用寿命，有效地提高发动机的效率，降低耗油率，提高发动机的安全性和可靠性。此外，该封严主动控制系统100对涡轮发动机200的结构和重量的影响较小，便于加工制造和装配，经济性较好，操作便捷可靠。

参照图2和图3，在一个实施方式中，封严结构3设置在涡轮发动机2的静子叶片5和转子1之间，封严主动控制系统100的引流通道9部分内置于静子叶片5，从而可以进一步简化该封严主动控制系统100和涡轮发动机200的结构。在另一些实施方式中，封严主动控制系统100和封严结构3也可以设置在涡轮发动机200的其他位置。

控制器11可以由涡轮发动机200的全权限数字控制系统(Full AuthorityDigital Electronic Control，简称FADEC)提供，以进一步简化涡轮发动机200的结构。

根据本发明的一个或多个实施方式的封严主动控制方法采用前述的封严主动控制系统100，通过调节引流通道9内的流体的压力，控制滑动件6相对于静子2的位移，进而控制第一封严结构31与第二封严结构32之间的径向间隙33，使径向间隙33保持在合理的范围内，以抑制转子1和静子2之间的流体从高压区域向低压区域泄露，并避免第一封严结构31与第二封严结构32相接触，导致封严结构3的损伤甚至失效，从而能够保证稳定的封严效果，提高封严结构3的使用寿命。

在一些实施方式中，该封严主动控制系统100用于涡轮发动机200，根据涡轮发动机200的运行状态控制引流通道9内的流体的压力，进而控制封严结构3的径向间隙33，详见后述。

该封严主动控制方法可以根据涡轮发动机200的机载传感器的参数判断涡轮发动机200的运行状态，例如通过控制器11与涡轮发动机200的转速传感器可通信地连接，以根据涡轮发动机200的转速N₂判断涡轮发动机200的运行状态，或者控制器11除了与转速传感器可通信地连接以外，还与其他类型的机载传感器，例如进口温度传感器、供油量传感器等机载传感器中的一个或多个可通信地连接，从而更加精确地判断涡轮发动机200的运行状态，进而提高径向间隙33的控制精度。

在一个实施方式中，调节阀10的开度θ设置为涡轮发动机200的转速N₂、进口温度T_t25和供油量W_f的函数，θ＝f(N₂,T_t25,W_f,c)，当涡轮发动机200的转速N₂、进口温度T_t25和供油量W_f中的一个或多个升高时，表明涡轮发动机200的状态升高，涡轮发动机200的各部件的温度升高，转子1的转速升高，转动部件在热应力和离心应力的共同作用下径向伸长，设置于转子1的第一封严结构31向径向外侧移动，使第一封严结构31与第二封严结构32之间的径向间隙33缩小，该封严主动控制方法通过控制器11减小调节阀10的开度，降低引流通道9内的流体的压力，使滑动件6带动第二封严结构32向径向外侧移动，进而使第一封严结构31与第二封严结构32之间的径向间隙33保持在合理的范围内，如图2所示；反之，当涡轮发动机200的转速N₂、进口温度T_t25和供油量W_f中的一个或多个降低时，表明涡轮发动机200的状态降低，涡轮发动机200的转动部件径向收缩，设置于转子1的第一封严结构31向径向内侧移动，使第一封严结构31与第二封严结构32之间径向间隙33增大，该封严主动控制方法通过控制器11增大调节阀10的开度，提高引流通道9内的流体的压力，从而使滑动件6带动第二封严结构32向径向内侧移动，进而使第一封严结构31与第二封严结构32之间的径向间隙33保持在合理的范围内，如图3所示。

由此，该封严主动控制方法在涡轮发动机200的不同运行状态下均能保证封严结构3的径向间隙33在合理的范围内，以抑制转子1和静子2之间的高压气体向低压区域泄露，并避免第一封严结构31与第二封严结构32相接触，导致封严结构3的损伤甚至失效，从而能够保证稳定的封严效果，提高封严结构3的使用寿命，有效地提高发动机的效率，降低耗油率，提高发动机的安全性和可靠性。

前述公式中的c是针对发动机的加工或/和装配差异的修正系数。即使对于同一型号的发动机，每台发动机在停车状态下的转子1与静子2之间的间隙4也存在差异，通过对发动机的实际尺寸的测量和计算，结合试验，可以获得对应该发动机的修正系数c，以对调节阀10的开度θ和引流通道9内的流体的压力进行修正，进而修正滑动件9相对于静子2的位移和封严结构3的径向间隙33，以消除不同发动机的加工或/和装配差异对封严结构3的径向间隙33的影响，更为精准地控制径向间隙33，保证径向间隙33在合理的范围内。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (15)

1.封严主动控制系统，用于控制设置在转动配合的转子和静子之间的封严结构，所述封严结构包括设置于所述转子的第一封严结构和设置于所述静子的第二封严结构，所述第一封严结构与所述第二封严结构之间具有径向间隙，其特征在于，所述封严主动控制系统包括滑动件、滑动件安装部、弹性件和引流通道，所述滑动件与所述第二封严结构固定连接，所述滑动件通过所述弹性件可径向移动地连接所述滑动件安装部，所述滑动件安装部和所述引流通道设置于所述静子，所述引流通道用于从所述封严结构的外部引入流体并将其导向所述滑动件，以通过调节所述引流通道内的流体的压力控制所述滑动件相对于所述静子的位移。

2.如权利要求1所述的封严主动控制系统，其特征在于，所述滑动件安装部提供腔室，所述腔室位于所述径向间隙的一侧具有开口，所述滑动件可移动地设置在所述开口中，所述引流通道连通所述腔室。

3.如权利要求2所述的封严主动控制系统，其特征在于，所述腔室或/和所述滑动件设置有与所述径向间隙相通的通孔，所述引流通道内的流体的压力高于所述封严结构的轴向两侧的流体的压力。

4.如权利要求1至3中任一项所述的封严主动控制系统，其特征在于，所述封严主动控制系统还包括调节阀和控制器，所述调节阀用于调节所述引流通道内的流体的压力，所述控制器用于控制所述调节阀。

5.如权利要求1至3中任一项所述的封严主动控制系统，其特征在于，所述封严主动控制系统还包括传感器，用于测量所述径向间隙的实际值，以根据所述实际值对所述滑动件相对于所述静子的位移进行修正。

6.如权利要求1至3中任一项所述的封严主动控制系统，其特征在于，所述第一封严结构与所述第二封严结构组成迷宫封严结构。

7.涡轮发动机，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的封严主动控制系统。

8.如权利要求7所述的涡轮发动机，其特征在于，所述封严主动控制系统还包括调节阀，用于调节所述引流通道内的流体的压力，所述涡轮发动机包括全权限数字控制系统，所述全权限数字控制系统控制所述调节阀。

9.如权利要求7或8所述的涡轮发动机，其特征在于，所述封严结构设置在所述涡轮发动机的静子叶片与所述涡轮发动机的转子之间。

10.封严主动控制方法，其特征在于，采用如权利要求1至6中任一项所述的封严主动控制系统，通过调节所述引流通道内的流体的压力控制所述滑动件相对于所述静子的位移。

11.如权利要求10所述的封严主动控制方法，其特征在于，所述滑动件设置有与所述径向间隙相通的通孔，所述引流通道内的流体的压力高于所述封严结构的轴向两侧的流体的压力。

12.如权利要求11所述的封严主动控制方法，其特征在于，所述引流通道内的流体的温度低于所述封严结构的轴向两侧的流体的温度。

13.如权利要求10至12中任一项所述的封严主动控制方法，其特征在于，所述封严主动控制系统用于涡轮发动机，根据所述涡轮发动机的运行状态控制所述引流通道内的流体的压力。

14.如权利要求13所述的封严主动控制方法，其特征在于，当所述涡轮发动机的转速或/和进口温度或/和供油量升高时，减小所述引流通道内的流体的压力，当所述转速或/和所述进口温度或/和所述供油量降低时，增大所述引流通道内的流体的压力。

15.如权利要求13所述的封严主动控制方法，其特征在于，根据所述涡轮发动机的加工或/和装配差异对所述引流通道内的流体的压力进行修正。

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