CN203835470U - 具有间隙控制功能的叶片式密封装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型具有间隙控制功能的叶片式密封装置，安装在转子外围的静子上，包括上游环、叶片组件、下游环和控制环；叶片组件装设在上游环和下游环之间；控制环与下游环相邻。本实用新型可应用于各种旋转机械上，尤其适用于航空发动机、燃气轮机等设备上，不仅可快速响应设备状态并调整密封间隙，而且允许密封装置短时间与转子碰磨而不影响密封性能，使设备长期处于更为经济的状态运行。

Description

具有间隙控制功能的叶片式密封装置

技术领域

本实用新型涉及叶片式密封装置，尤其适用于航空发动机、燃气轮机等高速旋转机械上。

背景技术

密封技术在现代工业生产和科学技术发展中具有十分重要的作用。无论是提高科学技术发展和工业生产技术水平，还是在技术改造和设备改造与更新方面，密封技术都占据着重要的地位和承担着重要角色。此处以航空发动机为例，说明密封技术的重要性。

众所周知，无论对于军用航空发动机还是民用航空发动机，密封技术直接影响发动机的性能。主流道气流泄漏直接影响发动机各部件的效率；而对于空气系统，密封技术更是其成败的关键技术。

美国路易斯研究中心的研究认为，开发更为先进的密封技术所带来的回报是巨大的。对于商用飞机，可以减少大发动机3％的直接操作费用，区域发动机5％的直接操作费用，可以降低10％的燃油消耗量，可以降低超过50％的NOx排放量，可以减少7dB噪音(相当于减少3/4的声能)。另外，由于空气系统二次流密封的泄漏会使发动机内腔温度增加，进而导致各零部件性能降低，因此，更为先进的密封技术还可以大幅降低寿命期内的维护费用，延长各零部件的使用寿命。

航空发动机内设计的密封众多，此处以高压涡轮叶尖密封为例具体说明控制密封间隙在航空发动机上的重要性以及研究现状。

研究表明，高压涡轮叶尖间隙每减少0.254mm(0.01in)，燃油消耗率约降低1％，排气温度约减小10℃。由于排气温度的降低，可大幅增加各部件的使用寿命。

当发动机从慢车到最大转速的加速过程中,由于转子在机械负荷下的变形超过了机匣在热负荷下的径向伸长量，叶尖间隙迅速下降，出现一个最小值；在巡航状态时,转速已经达到基本稳定，涡轮的热响应也趋于饱和，随着机匣温度的逐渐上升，叶尖间隙也慢慢变大。当发动机减速时,叶尖间隙曲线的变化趋势和加速时恰好相反；反推力状态时，发动机再次加速使叶尖间隙达到最小；在飞机起飞和着落过程中，会分别出现间隙最小值的状态点，即最易碰磨的点。

基于上述叶尖间隙在一个飞行任务内间隙变化特性的分析，研制一种具有间隙控制功能的密封装置显得尤为重要。现有技术主要是通过冷却机匣来控制叶尖间隙，这种技术已经被部分国外航空发动机制造商所掌握并应用，但国内的研究与应用受到国外专利壁垒的限制，进展较为缓慢。

另外，由于通过冷却机匣来控制叶尖间隙的技术存在响应速度慢、从风扇或压气机的引气对发动机性能产生不利影响等不足，目前国内外科研人员一直在寻找实现快速响应的主动间隙控制技术的途径，但大多只是进行了一些概念性的研究，专题的深入研究还远远不够，更是缺乏易于实现的技术方案。

事实上，不仅仅在航空发动机上，在其它很多高速旋转机械上，密封间隙都是随着设备状态的改变而改变的。然而，常规的技术方案以篦齿密封为主，密封间隙在设备运转阶段无法调整，只能在安装调试阶段预留足够大的密封间隙，理论上保证设备处于任何状态下都不发生碰磨。然而，实际应用中，高速旋转机械仍常会遇到一些不可预测的瞬时恶性工况，篦齿密封发生短时间碰磨，密封间隙即会永久性扩大。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供具有间隙控制功能的叶片式密封装置，应用于各种旋转机械上，尤其适用于航空发动机、燃气轮机等设备上，可根据设备运转状态自动调整间隙，且属于一种柔性密封，一旦与转子接触可弹性退让，短时间的碰磨不会造成密封间隙的永久性扩大。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

具有间隙控制功能的叶片式密封装置，安装在转子外围的静子上，包括上游环、叶片组件、下游环和控制环；叶片组件装设在上游环和下游环之间；控制环与下游环相邻。

上述上游环、叶片组件、下游环和控制环是沿着轴向气流方向依次设置的，轴向气流方向为高压侧指向低压侧的方向。

上述叶片组件包括一片以上叶片元件，各叶片元件沿周向均匀排列，叶片元件一端为固定端，另一端为自由端，自由端形成密封内孔。

顺着转子的旋转方向上，上述叶片元件与转子径向夹角为0～60°；沿着轴向气流方向，上述叶片元件与转子的轴向夹角为0～45°；上述叶片元件自由端与下游环之间设有0～1mm的轴向间隙。

上述控制环包括支撑端面，且可相对叶片元件自由端沿轴向移动，支撑端面与叶片元件相对设置。在无压差情况下，支撑端面与叶片元件自由端侧面间的间距是可调的；实际应用中，由于压差的作用，叶片元件向低压侧弹性变形，叶片元件自由端与与控制环支撑端面相抵靠，即上述弹性变形量由控制环的轴向位置确定。

上述控制环的轴向移动可通过多种技术方案实现，包括机械驱动方式、压力驱动方式、热驱动方式以及相结合的方式等，只要能驱动控制环轴向移动即可。为了提高间隙控制的响应速度，并节约密封装置的安装空间，上述控制环优选通过压力驱动方式实现轴向移动。

上述间隙控制功能是通过调节若干叶片元件自由端形成的密封内孔大小实现的；上述控制环往高压侧移动，密封内孔扩大；往低压侧移动，密封内孔缩小。

申请人经研究发现，上述控制环往低压侧移动，叶片元件向低压侧变形时，叶片元件与转子径向夹角会变小，使密封内孔缩小，反之密封内孔扩大。

上述具有间隙控制功能的叶片式密封装置还包括伸缩器，伸缩器一端连接静子，另一端连接控制环。

上述伸缩器可沿轴向调整长度，驱动控制环轴向移动，进而使密封间隙得到及时合理调整，减少泄露。上述轴向指旋转机械转子的轴向。

优选，还包括驱动伸缩器伸缩的驱动系统，即驱动控制环沿轴向移动。驱动系统包括压力控制器、高压气源、加压阀、压力整定腔和减压阀，压力整定腔一端与伸缩器相通，另一端与高压气源连通，压力控制器、加压阀和减压阀设在压力整定腔与高压气源的连通处。

上述伸缩器为一个以上，优选，沿密封装置周向均布4个伸缩器，分别设在上、下、左、右位置，根据间隙测量情况分别调整伸缩器的长度，可分别调整对应位置的密封间隙。

采用上述技术方案，即使设备处于偏心状态下运行，也可在设备运行阶段通过调整不同位置的伸缩器来实现密封内孔与转子同心，不仅实现了高效密封，而且可抑制偏心带来的气流激振等问题。

伸缩器为带膨胀节的空腔结构，伸缩器上设有进气口，进气口上连通有驱动伸缩器的驱动系统。

优选，伸缩器一端封闭、另一端设有进气口，两端部之间设有膨胀节。

上述驱动系统通过调节空腔内气体压力来调节伸缩器的长度。

上述叶片组件包括遮流片，遮流片设在叶片元件上游、上游环和叶片元件之间，叶片元件自由端高出遮流片。

优选，上述遮流片内边缘沿径向设有开缝。遮流片整体的形状为沿转子周向设置的圆环状，采用上述技术方案可使遮流片在轴向压差作用下能与叶片元件侧面贴合。上述内边缘指遮流片的内径位置，即开缝是沿着径向是从遮流片内径往外径的方向开的。

优选，相邻两开缝之间的夹角为3～30°。

上述遮流片的设置是为了降低了叶片元件之间的泄漏，并增强了叶片元件在不稳定气流作用下的结构稳定性。

为了进一步提升密封性能，遮流片沿轴向设置两层，层叠设置，且两层遮流片的开缝错开。

优选，上述遮流片焊接在上游环上，并夹紧在上游环与叶片元件固定端之间。

为了适应上述叶片组件内外径差异，叶片组件还包括间隔片，间隔片设在叶片元件的固定端，每隔一个或多个叶片元件设置，间隔片的厚度和数量既需保证叶片元件自由端不拥挤，又需保证叶片元件自由端足够密实，在叶片元件自由端，各叶片元件之间能够相互遮蔽间隙，把泄漏降低至接近零的水平。

优选，上述径向夹角为30～50°，上述轴向夹角为15～35°，叶片元件自由端与下游环之间的轴向间隙为0.2～0.8mm。

申请人经研究发现，密封内孔大小的调整量主要由叶片元件与转子径向夹角、轴向夹角以及叶片元件自由端与下游环之间的轴向间隙确定，通过控制环调整上述轴向间隙即可达到调整密封内孔大小的目的，进而获得预期的密封间隙。上述轴向间隙的调整易于实现。

优选，叶片组件还包括前夹板和后夹板，叶片元件和间隔片设在在前夹板和后夹板之间，前夹板和后夹板设在上游环和下游环之间。这样便于加工制造和增加密封装置的易维护性。

优选，叶片元件和间隔片焊接在在前夹板和后夹板之间，叶片组件夹紧在上游环和下游环之间，上游环和下游环通过焊接的方式固定；进一步优选，上游环、叶片组件和下游环焊接为一整体。

优选，叶片元件的厚度为0.05～0.3mm，间隔片厚度为0.03～0.1mm，遮流片厚度0.1～0.5mm。

优选，上述叶片元件、间隔片和遮流片都选用金属薄片制作。

本实用新型未提及的技术均为现有技术。

上述密封装置应用于航空发动机高压涡轮叶尖密封处，装设在静子槽道内。在飞机起飞和着落状态，伸缩器较短，密封间隙较大；在飞机巡航状态，伸缩器较长，密封间隙变小，减少泄漏，节约燃油。

本实用新型具有间隙控制功能的叶片式密封装置，不仅可快速响应设备状态并调整密封间隙，而且允许密封装置短时间与转子碰磨而不影响密封性能，使设备长期处于更为经济的状态运行。

附图说明

图1为采用传统篦齿密封的航空发动机叶尖间隙在一个飞行任务内间隙变化特性曲线。

图2为本实用新型实施例1具有间隙调整功能的叶片式密封装置的径向断面与设备转子和静子的装配结构示意图，图中密封间隙处于上限。

图3为本实用新型实施例1具有间隙调整功能的叶片式密封装置安装固定在静子槽道内且与转子配合的示意图，图中密封间隙处于下限。

图4为本实用新型实施例1密封间隙处于上限时叶片元件的状态示意图。

图5为本实用新型实施例1密封间隙处于下限时叶片元件的状态示意图。

图6为本实用新型实施例1的叶片元件、间隔片和遮流片的装设方位示意图。

图7为本实用新型实施例1的伸缩器周向安装方位示意图。

图8为本实用新型实施例1的驱动系统的原理图。

图9为采用本实用新型实施例1所能实现的航空发动机叶尖间隙在一个飞行任务内间隙变化特性曲线。

图10为本实用新型实施例2的伸缩器处于缩短状态的结构示意图。

图11为本实用新型实施例2的伸缩器处于伸长状态的结构示意图。

图中，1为具有间隙控制功能的叶片式密封装置，2为静子，3为转子，4为气流，11为上游环，12为叶片组件，13为下游环，14为控制环，15为伸缩器，15a为缩短状态的伸缩器，15b为伸长状态的伸缩器，16为驱动系统，21为静子槽道，120为叶片元件自由端，121叶片元件，121a为自由状态叶片元件，121b为弹性变形状态叶片元件，122为间隔片，123为遮流片，124为开缝，125为密封内孔，141为支撑端面，151为左侧伸缩器，152为上侧伸缩器，161为压力控制器，162为高压气源，163为加压阀，164为压力整定腔，165为减压阀，c1为密封间隙上限，c2为密封间隙下限，x1为高压侧，x2为低压侧，A为起飞状态，B为巡航状态，C为着落状态，D为减速，E为反向加速，F为易碰磨点，H为间隙调整量，X为轴向，Y为径向，R为旋转方向。

具体实施方式

实施例1

具有间隙控制功能的叶片式密封装置，包括上游环、叶片组件、下游环、控制环、伸缩器和驱动系统；叶片组件镶嵌在上游环和下游环之间；控制环与下游环相邻；伸缩器一端连接静子，另一端连接控制环；驱动系统可驱动伸缩器伸缩。

上述伸缩器沿密封装置周向均布有4个，分别设在上、下、左、右位置，根据间隙测量情况分别调整伸缩器的长度，可分别调整对应位置的密封间隙。上述伸缩器长度的变化量与密封间隙的调整量基本呈线性关系。

伸缩器为带膨胀节的空腔结构，膨胀节为内凹式，伸缩器一端封闭、另一端设有进气口，膨胀节设在两端部之间。上述驱动系统可调节伸缩器内部压力，进而达到调节伸缩器长度的目的。

上述驱动系统包括压力控制器、高压气源、加压阀、压力整定腔和减压阀。压力控制器分别调节加压阀和减压阀，可以调节压力整定腔的压力，而压力整定腔与伸缩器相连通，即伸缩器内腔的压力也随之调整。

叶片组件包括叶片元件、间隔片、前夹板、后夹板和遮流片；叶片元件有两个以上，叶片元件一端为固定端，另一端为自由端；间隔片设在叶片元件的固定端之间；叶片元件和间隔片设在在前夹板和后夹板之间，前夹板和后夹板设在上游环和下游环之间。

遮流片设在叶片元件上游、上游环和叶片元件之间；叶片元件的自由端高出控制环和遮流片。

遮流片内边缘沿径向设有开缝；相邻两开缝之间的夹角为10°。

顺着转子的旋转方向上，上述叶片元件与转子径向夹角为40°；沿着轴向气流方向，上述叶片元件与转子的轴向夹角为20°；叶片元件自由端与下游环之间设有0.25mm的轴向间隙。叶片元件的厚度为0.1mm，间隔片厚度为0.06mm，遮流片厚度0.3mm。

经过计算，采用上述设计参数，伸缩器每伸长0.1mm，密封间隙减小约0.18mm，密封间隙的可调量约为0.45mm。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：伸缩器的膨胀节为外凸式；遮流片相邻两开缝之间的夹角为3°，且两片遮流片层叠设置，开缝相互错开。顺着转子的旋转方向上，上述叶片元件与转子径向夹角为30°；沿着轴向气流方向，上述叶片元件与转子的轴向夹角为20°；叶片元件自由端与下游环之间设有0.5mm的轴向间隙。叶片元件的厚度为0.08mm，间隔片厚度为0.03mm，遮流片厚度0.1mm。

经过计算，采用上述设计参数，伸缩器每伸长0.1mm，密封间隙减小约0.14mm，密封间隙的可调量约为0.7mm。

实施例3

与实施例1基本相同，所不同的是：遮流片相邻两开缝之间的夹角为30°；顺着转子的旋转方向上，上述叶片元件与转子径向夹角为52°；沿着轴向气流方向，上述叶片元件与转子的轴向夹角为27°；叶片元件自由端与下游环之间设有0.6mm的轴向间隙；叶片元件的厚度为0.3mm，间隔片厚度为0.1mm，遮流片厚度0.5mm。

经过计算，采用上述设计参数，伸缩器每伸长0.1mm，密封间隙减小约0.17mm，密封间隙的可调量约为1mm。

上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.具有间隙控制功能的叶片式密封装置，安装在转子外围的静子上，其特征在于：包括上游环、叶片组件、下游环和控制环；叶片组件装设在上游环和下游环之间；控制环与下游环相邻。

2.如权利要求1所述的具有间隙控制功能的叶片式密封装置，其特征在于：上述控制环包括支撑端面，且可相对叶片元件自由端沿轴向移动，支撑端面与叶片元件相对设置。

3.如权利要求1所述的具有间隙控制功能的叶片式密封装置，其特征在于：还包括伸缩器，伸缩器一端连接静子，另一端连接控制环。

4.如权利要求3所述的具有间隙控制功能的叶片式密封装置，其特征在于：伸缩器有四个，沿密封装置周向均布，分别设在上、下、左、右位置。

5.如权利要求1～4任意一项所述的具有间隙控制功能的叶片式密封装置，其特征在于：叶片组件包括叶片元件、间隔片和遮流片；叶片元件有两个以上，叶片元件一端为固定端，另一端为自由端；间隔片设在叶片元件的固定端之间；遮流片设在叶片元件上游、上游环和叶片元件之间。

6.如权利要求5所述的具有间隙控制功能的叶片式密封装置，其特征在于：叶片元件的自由端高出控制环和遮流片。

7.如权利要求3或4所述的具有间隙控制功能的叶片式密封装置，其特征在于：伸缩器为带膨胀节的空腔结构，伸缩器上设有进气口，进气口上连通有驱动伸缩器的驱动系统；驱动系统包括压力控制器、高压气源、加压阀、压力整定腔和减压阀，压力整定腔一端与伸缩器相通，另一端与高压气源连通，压力控制器、加压阀和减压阀设在压力整定腔与高压气源的连通处。

8.如权利要求5所述的具有间隙控制功能的叶片式密封装置，其特征在于：遮流片内边缘沿径向设有开缝，相邻两开缝之间的夹角为3～30°。

9.如权利要求8所述的具有间隙控制功能的叶片式密封装置，其特征在于：上游环与叶片元件之间设有两片遮流片，层叠设置，开缝相互错开。

10.如权利要求5所述的具有间隙控制功能的叶片式密封装置，其特征在于：顺着转子的旋转方向上，上述叶片元件与转子径向夹角为0～60°；沿着轴向气流方向，上述叶片元件与转子的轴向夹角为0～45°；上述叶片元件自由端与下游环之间设有0～1mm的轴向间隙。