CN117948431A - 轴承腔密封装置及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种轴承腔密封装置及航空发动机，其中轴承腔密封装置包括轴承安装座、转子以及位于轴承安装座和转子之间的刷式密封，所述刷式密封包括前挡板和后挡板，所述前挡板和后挡板之间设置有一级刷丝束和二级刷丝束，所述一级刷丝束和二级刷丝束之间设置有隔离板；所述一级刷丝束和二级刷丝束的一端与轴承安装座配合，所述一级刷丝束和二级刷丝束的另一端与转子配合，使二级刷丝束与轴承之间形成第一压力腔、一级刷丝束与二级刷丝束之间形成二级压力腔、一级刷丝束远离轴承的一侧形成三级压力腔；所述后挡板位于靠近轴承的一侧，后挡板上开设有通气孔。本申请具有延长轴承密封装置使用寿命的效果。

Description

轴承腔密封装置及航空发动机

技术领域

本发明涉及发动机轴承密封技术领域，特别地，涉及一种轴承腔密封装置及航空发动机。

背景技术

随着航空发动机性能的不断提高，气体流路密封的泄漏已变成影响发动机性能的重要因素。刷式密封作为一种具有适应性的可过盈安装的密封形式，与传统的篦齿密封相比在密封性能的改善方面具有明显的优势，刷式密封装置由前挡板、刷丝和后挡板组成。后挡板总是处于气流的低压侧，前挡板处于气流的高压侧，刷丝与径向中心线成一定夹角，均匀有序紧密地排列于前、后挡板之间。由于刷式密封刷丝的柔顺性，使刷式密封能适应发动机转子和静子间瞬态径向间隙变化或转子偏心运动，不会像篦齿密封形成严重的永久性的磨损，因而不会显著地增大间隙，可使刷式密封长期维持优异密封特性。

一般情况下，单级刷式密封装置能承受的最大上下游压差为(0.3～0.35)MPa。近年来，随着航空发动机向高性能的方向发展，密封结构高低压侧压差不断增加。单级刷式密封因承压能力有限而无法满足先进航空发动机的工作需求，高压差工况下需要采用双级刷式密封装置。然而在工程应用中发现，传统的双级刷式密封装置存在提前失效寿命过短的问题，靠近下游级的刷丝会发生快速失效，快速失效又会转移到上一级刷丝，最终导致双级刷式密封整体失效。

发明内容

本发明提供了一种轴承腔密封装置，以解决现有双级刷式密封装置易失效，寿命较短的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种轴承腔密封装置，包括轴承安装座、转子以及位于轴承安装座和转子之间的刷式密封，所述刷式密封包括前挡板和后挡板，所述前挡板和后挡板之间设置有一级刷丝束和二级刷丝束，所述一级刷丝束和二级刷丝束之间设置有隔离板；所述一级刷丝束和二级刷丝束的一端与轴承安装座配合，所述一级刷丝束和二级刷丝束的另一端与转子配合，使二级刷丝束与轴承之间形成第一压力腔、一级刷丝束与二级刷丝束之间形成二级压力腔、一级刷丝束远离轴承的一侧形成三级压力腔；所述后挡板位于靠近轴承的一侧，后挡板上开设有通气孔，使一级压力腔与二级压力腔之间的压力差和二级压力腔与三级压力腔之间的压力差相等。

通过采用上述技术方案，研究表明，在各级结构相同的双级刷式密封中，各级刷丝束的压降分配存在着不均衡性，下游级刷丝束承担压降远大于上游级刷丝束承担压降(下游级承受约70％，上游级承受约30％)，这种非均衡级间压降引起各级刷丝承受气流力、接触力、摩擦力、摩擦热效应等负荷的不同，因此导致下游级刷丝束出现塑性变形、摩擦磨损、高温粘连熔断、疲劳断裂等提前失效故障，下游级刷丝束失效后，逐一传递至上游级，加速各级失效，最终导致双级刷式密封整体失效。采用相同结构的两个单级刷式密封串联而成的双级刷式密封在实际应用中存在各级压降不均衡性，靠近低压侧的刷丝承担了大部分的压降，导致低压侧的刷丝因负荷增加而提前失效，直接影响其封严特性和使用寿命；本方案中前挡板处于高压侧，后挡板处于低压侧，密封气体通过一级刷丝束和二级刷丝束由高压侧向低压侧泄漏。前挡板和后挡板的主要作用是夹持一级刷丝束和二级刷丝束，隔离挡板和后挡板的主要作用是支撑一级刷丝束和二级刷丝束并承受压力差，高压侧的气流经过第一级刷式束之后，气流压力会下降，再经过第二级的二级刷丝束，其通过逐级降低刷式密封承受的密封压差，以达到限制气流从双级刷式密封的高压侧向低压侧泄漏的目的，通过各级间均衡的承受来自高压侧的气体压力，使得一级刷丝束和二级刷丝束承受的气流力、摩擦磨损、摩擦热效应等负荷相当，保证各级刷丝束的寿命一致，避免某级刷丝束承担压降过大而提前失效，进而延长轴承密封装置的使用寿命。

可选的，所述通气孔沿圆周方向均匀分布有多个。

通过采用上述技术方案，均匀分布的通气孔能够使一级刷丝束和二级刷丝沿圆周的各个位置均能够实现等压差密封，密封效果较好，且不易因局部压差分布不均导致对应的刷丝束失效。

可选的，所述二级刷丝束与轴承径向方向的倾斜角度大于一级刷丝束与轴承径向方向的倾斜角度。

通过采用上述技术方案，这样增加了高压侧一级刷丝束的柔顺性，主要起降低高压侧气体压力的作用；通过改变倾斜角度而增加了低压侧二级刷丝束的刚度，防止刷丝的过度变形而使双级刷式密封的性能降低。

可选的，一级刷丝束与径向方向的倾斜角度为30°～45°，二级刷丝束与径向方向的倾斜角度为45°～60°。

可选的，所述二级刷丝束厚度大于一级刷丝束。

通过采用上述技术方案，通过减少二级刷丝束的厚度，增加二级刷丝束的气体泄漏量，进而降低二级刷丝束所承受的压力降，使得两级刷丝束所承受的压力降均衡，进而提高双级刷式密封的使用寿命。

可选的，所述转子与一级刷丝束和二级刷丝束配合的位置形成密封跑道，密封跑道设置有环形耐磨涂层。

通过采用上述技术方案，设置耐磨涂层能够减少转子的磨损，延长使用寿命。

可选的，二级刷丝束与转子为间隙配合，一级刷丝束与转子为过盈配合。

通过采用上述技术方案，通过增加二级刷丝束内径方向上与密封跑道之间的间隙值，使第二级刷丝束的气体泄漏量增加，进而降低第二级刷丝所承受的压力降，通过增加第二级刷丝束的泄漏量而使第一级刷丝束和第二级刷丝束所承受的压力降均衡，进而提高双级刷式密封的使用寿命。

可选的，所述前挡板远离轴承的一侧设置有篦齿结构，所述篦齿结构包括篦齿安装座、第一篦齿本体以及第一静子内环，所述第一篦齿本体位于转子上，第一静子内环位于篦齿安装座上，第一静子内环和第一篦齿本体配合，且所述第一篦齿本体和密封跑道与转子轴线的距离相等。

通过采用上述技术方案，第一篦齿和第一静子内环的配合能够限制高压侧的气体泄漏到低压侧，使整体的密封效果更好。

可选的，所述转子上形成有台阶面，所述台阶面上设置有第二篦齿本体，所述篦齿安装座上设有与第二篦齿本体配合的第二静子内环，所述第二篦齿本体与转子轴线的距离大于第一篦齿本体与转子轴线之间的距离。

通过采用上述技术方案，首先第一篦齿和第二篦齿能够分别起到密封作用，其次第一篦齿和第二篦齿之间形成台阶形的密封界面，能够进一步提升密封效果、降低泄漏量。

根据本发明的一个方面，提供一种航空发动机，包括上述的轴承腔密封装置。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.高压侧的气流经过第一级刷丝束之后，气流压力会下降，再经过第二级的二级刷丝束，其通过逐级降低刷式密封承受的密封压差，以达到限制气流从双级刷式密封的高压侧向低压侧泄漏的目的，通过各级间均衡的承受来自高压侧的气体压力，使得一级刷丝束和二级刷丝束承受的气流力、摩擦磨损、摩擦热效应等负荷相当，保证各级刷丝束的寿命一致，避免某级刷丝束承担压降过大而提前失效，进而延长轴承密封装置的使用寿命。

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轴承腔密封装置的刷式密封结构示意图；

图2是图1中后挡板的结构示意图；

图3是本发明优选实施例轴承腔密封装置整体的结构示意图。

图例说明：

1、轴承安装座；2、挡圈；3、前挡板；4、一级刷丝束；5、隔离板；6、二级刷丝束；7、后挡板；8、转子；9、篦齿安装座；10、第一篦齿本体；11、第一静子内环；12、第二篦齿本体；13、第二静子内环；14、轴承。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。

一方面，本申请实施例公开一种轴承腔密封装置。

参照图1，轴承腔密封装置包括轴承安装座1、转子8以及位于轴承安装座1和转子8之间的刷式密封，刷式密封包括前挡板3和后挡板7，前挡板3和后挡板7之间设置有一级刷丝束4和二级刷丝束6，一级刷丝束4和二级刷丝束6之间设置有隔离板5；通过焊接工艺将他们连成一体，形成双级刷式密封装置。前挡板3处于气体高压侧，后挡板7处于低压侧，双级刷式密封高压侧的气流经过一级刷丝束4之后，压力会下降，再经过二级刷丝束6，其通过逐级降低刷式密封承受的密封压差，以达到限制气流从双级刷式密封的高压侧向低压侧泄漏的目的，这样提高了双级刷式密封装置的耐压能力和密封性能。

前挡板3、一级刷丝束4、隔离板5、二级刷丝束6、后挡板7依次叠加并焊接为一体形成刷式密封。为了能够固定刷式密封，轴承安装座1上形成有安装台阶，后挡板7卡接于安装台阶位置，轴承座上还设置有挡圈2，挡圈2与前挡板3贴合，通过安装台阶和挡圈2的配合使刷式密封保持固定。

一级刷丝束4和二级刷丝束6的一端与轴承安装座1配合，一级刷丝束4和二级刷丝束6的另一端与转子8配合，使二级刷丝束6与轴承14之间形成第一压力腔、一级刷丝束4与二级刷丝束6之间形成二级压力腔、一级刷丝束4远离轴承的一侧形成三级压力腔；后挡板7位于靠近轴承14的一侧，后挡板7上开设有通气孔15，使一级压力腔与二级压力腔之间的压力差和二级压力腔与三级压力腔之间的压力差相等。通过两级间均衡的承受来自高压侧的气体压力，使得各级刷丝承受的气流力、摩擦磨损、摩擦热效应等负荷相当，保证各级刷丝束的寿命一致，避免某级刷丝束承担压降过大而提前失效，进而延长双级刷式密封的使用寿命。

构成一级刷丝束4和二级刷丝束6的金属刷丝不是径向垂直安装的，而是与径向方向形成一定的夹角，夹角方向与轴的转向相对应，用来提高刷丝束弯曲柔度和回弹性，使刷丝束能适应旋转密封跑道的径向相对跳动和偏心运动。可选的，二级刷丝束6与轴承径向方向的倾斜角度大于一级刷丝束4与轴承径向方向的倾斜角度，这样增加了高压侧一级刷丝束4的柔顺性，主要起降低高压侧气体压力的作用；通过改变倾斜角度而增加了低压侧二级刷丝束6的刚度，防止刷丝的过度变形而使双级刷式密封的性能降低。在一种具体的实施方式中，一级刷丝束4与径向方向的倾斜角度为30°～45°，二级刷丝束6与径向方向的倾斜角度为45°～60°。由于刷丝束具有相对较好的柔性，本发明的一级刷丝束4和二级刷丝束6能适应瞬态径向变形或转子8偏心运动，且不会造成严重的磨损而使密封间隙显著增大。

参照图2，通气孔15沿圆周方向均匀分布，根据高压侧气体的压力来调整圆孔的数量和面积。

为了增加二级刷丝束6的泄漏量，使二级的刷丝束的厚度小于一级刷丝束4的厚度。通过减少二级刷丝束6的厚度，增加二级刷丝束6的气体泄漏量，进而降低二级刷丝束6所承受的压力降，使得两级刷丝束所承受的压力降均衡，进而提高双级刷式密封的使用寿命。为了保证双级刷式密封装置的封严性能，可通过数值计算确定第二级刷丝束6的厚度值，使两级刷丝束所承受的压力降均衡，也要保证双级刷式密封装置的封严性能满足设计要求。

为了减少转子8工作过程中与刷丝束摩擦产生的磨损，转子8与一级刷丝束4和二级刷丝束6配合的位置形成密封跑道，密封跑道设置有环形耐磨涂层。可选的，在一种具体的实施方式中耐磨涂层为碳化铬涂层。

二级刷丝束6与转子8为间隙配合，一级刷丝束4与转子8为过盈配合。二级刷丝束6内径方向与密封跑道之间的间隙值可根据双级刷式密封封严性能而确定，在保证双级刷式密封封严性能的前提下，它们之间的间隙值尽可能小。通过增加二级刷丝束6内径方向上与密封跑道之间的间隙值，使第二级刷丝束6的气体泄漏量增加，进而降低第二级刷丝所承受的压力降，通过增加第二级刷丝束6的泄漏量而使第一级刷丝束4和第二级刷丝束6所承受的压力降均衡，进而提高双级刷式密封的使用寿命。

参照图3，为了进一步增强密封性，前挡板3远离轴承的一侧设置有篦齿结构，篦齿结构包括篦齿安装座9、第一篦齿本体10以及第一静子内环11；第一篦齿本体10位于转子8上，第一静子内环11位于篦齿安装座9上，第一静子内环11和第一篦齿本体10配合，且第一篦齿本体10和密封跑道与转子8轴线的距离相等。转子8上形成有台阶面，台阶面上设置有第二篦齿本体12，篦齿安装座9上设有与第二篦齿本体12配合的第二静子内环13，第二篦齿本体12与转子8轴线的距离大于第一篦齿本体10与转子8轴线之间的距离。篦齿安装座9上设置有与转子8台阶面对应的台阶，通过设置台阶面，使第一篦齿本体10和第二篦齿本次处于不同直径的圆周面上，增大了对高温高压气体的阻力，能够起到封严的效果。

第一静子内环11和第二静子内环13上均设置有石墨涂层或蜂窝结构，正常工作时第一篦齿本体10与第一静子内环11接触，第二篦齿本体12与第二静子内环13接触，柔性的蜂窝或石墨涂层可磨损保证了良好的密封性能。一方面，本发明还公开了一种航空发动机，包括上述的轴承腔密封装置。

通过高压侧的两级台阶型篦齿密封和两级刷式密封对高温高压气体进行封严，逐级降低高压侧的气体的压力和温度，使少量气体进入到轴承腔对滑油进行封严。通过篦齿密封泄漏进来的气体，形成双级刷式密封的高压侧，双级刷式密封有两层刷丝束组成，可有效的对气体进行封严。

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，

包括轴承安装座(1)、转子(8)以及位于轴承安装座(1)和转子(8)之间的刷式密封，所述刷式密封包括前挡板(3)和后挡板(7)，所述前挡板(3)和后挡板(7)之间设置有一级刷丝束(4)和二级刷丝束(6)，所述一级刷丝束(4)和二级刷丝束(6)之间设置有隔离板(5)；

所述一级刷丝束(4)和二级刷丝束(6)的一端与轴承安装座(1)配合，所述一级刷丝束(4)和二级刷丝束(6)的另一端与转子(8)配合，使二级刷丝束(6)与轴承之间形成第一压力腔、一级刷丝束(4)与二级刷丝束(6)之间形成二级压力腔、一级刷丝束(4)远离轴承的一侧形成三级压力腔；

所述后挡板(7)位于靠近轴承的一侧，后挡板(7)上开设有通气孔，使一级压力腔与二级压力腔之间的压力差和二级压力腔与三级压力腔之间的压力差相等。

2.根据权利要求1所述的轴承腔密封装置，其特征在于，

所述通气孔沿圆周方向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的轴承腔密封装置，其特征在于，

所述二级刷丝束(6)与轴承径向方向的倾斜角度大于一级刷丝束(4)与轴承径向方向的倾斜角度。

4.根据权利要求3所述的轴承腔密封装置，其特征在于，

一级刷丝束(4)与径向方向的倾斜角度为30°～45°，二级刷丝束(6)与径向方向的倾斜角度为45°～60°。

5.根据权利要求1所述的轴承腔密封装置，其特征在于：

所述二级刷丝束(6)厚度大于一级刷丝束(4)。

6.根据权利要求1所述的轴承腔密封装置，其特征在于，

所述转子(8)与一级刷丝束(4)和二级刷丝束(6)配合的位置形成密封跑道，密封跑道设置有环形耐磨涂层。

7.根据权利要求4所述的轴承腔密封装置，其特征在于，

二级刷丝束(6)与转子(8)为间隙配合，一级刷丝束(4)与转子(8)为过盈配合。

8.根据权利要求1所述的轴承腔密封装置，其特征在于，

所述前挡板(3)远离轴承的一侧设置有篦齿结构，所述篦齿结构包括篦齿安装座(9)、第一篦齿本体(10)以及第一静子内环(11)；

所述第一篦齿本体(10)位于转子(8)上，第一静子内环(11)位于篦齿安装座(9)上，第一静子内环(11)和第一篦齿本体(10)配合，且所述第一篦齿本体(10)和密封跑道与转子(8)轴线的距离相等。

9.根据权利要求8所述的轴承腔密封装置，其特征在于，

所述转子(8)上形成有台阶面，所述台阶面上设置有第二篦齿本体(12)，所述篦齿安装座(9)上设有与第二篦齿本体(12)配合的第二静子内环(13)，所述第二篦齿本体(12)与转子(8)轴线的距离大于第一篦齿本体(10)与转子(8)轴线之间的距离。

10.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的轴承腔密封装置。