CN209800031U - 一种篦齿封严系统及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的是提供一种篦齿封严系统及航空发动机。篦齿封严系统包括第一容腔、第二容腔、篦齿、转子件和静子件；静子件设置在转子件的径向上的外侧，转子件被设置成能够相对静子件转动；转子件与静子件限定出间隙；间隙连通第一容腔和第二容腔；篦齿固定设置在间隙中，以减少第一容腔的气流穿过间隙而进入第二容腔；篦齿封严系统还包括挡板；挡板设置在气流的流动路径上；挡板包括主体部和导流部；导流部连接在主体部上并与主体部成夹角设置；夹角为与气流的流动方向相对设置的锐角；主体部用于阻挡气流，以使气流流入夹角；导流部用于引导气流转向并流出夹角。挡板的设置增加气流动能的耗散，增大了气流的流阻，从而提高了篦齿封严的效果。

Description

一种篦齿封严系统及航空发动机

技术领域

本实用新型涉及航空发动机领域，更具体地，涉及一种篦齿封严系统及航空发动机。

背景技术

在航空发动机及地面燃机中，转动件和静止件之间不可避免的会留有间隙，气体泄漏必然发生，通常气体从高压侧通过该间隙漏向低压侧。对泄漏气体的封严及控制是现代发动机必不可少的组成部分。然而随着航空发动机性能的不断提高，发动机循环参数(压力、温度)的增高，转速的提高，封严技术已成为影响发动机性能和使用寿命的重要因素。通过对军用、民用发动机进一步提高性能的诸多潜力因素研究表明，与改进发动机气动部件的性能相比，改进和发展新的封严技术，是收益大而耗资少的途径。篦齿封严是现代航空发动机中最基本的一种封严技术，是各种旋转机械上普遍使用的封严方式，它是利用篦齿尖与封严环面之间的间隙节流和齿腔中涡流来增加通道的流阻，达到减少泄漏的目的。如压气机级间位于压气机主流道内部转子和静子之间的区域，随着压气机级数的增加，主流压力升高，部分主流气会通过压气机转静间(级间)反向泄漏，这股泄漏气流会干扰压气机主流的气动特性，降低压气机的效率。级间的风阻温升和旋流会进一步影响叶片强度、振动及温度场。

目前篦齿封严的设计多是采用设计齿形及缩小间隙的方法来减小泄漏量，单纯地设计齿形及缩小间隙的方法对封严能力的提高有限。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种篦齿封严系统，所述篦齿封严系统具有较高的封严能力。

本实用新型的目的还在于提供一种航空发动机，所述航空发动机包括上述篦齿封严系统。

为实现所述目的的篦齿封严系统，包括第一容腔、第二容腔、篦齿、转子件和静子件；

所述静子件设置在所述转子件的径向上的外侧，所述转子件被设置成能够相对所述静子件转动；所述转子件与所述静子件限定出间隙；所述间隙连通所述第一容腔和所述第二容腔；所述篦齿固定设置在所述间隙中，以减少所述第一容腔的气流穿过所述间隙而进入所述第二容腔；

所述篦齿封严系统还包括挡板；所述挡板设置在所述气流的流动路径上；所述挡板包括主体部和导流部；所述导流部连接在所述主体部上并与所述主体部成夹角设置；所述夹角为与所述气流的流动方向相对设置的锐角；所述主体部用于阻挡所述气流，以使所述气流流入所述夹角；所述导流部用于引导所述气流转向并流出所述夹角。

所述的篦齿封严系统，其进一步的特点是，所述挡板的数量为两个，其中一个设置在所述第一容腔中，另一个设置在所述第二容腔中。

所述的篦齿封严系统，其进一步的特点是，所述挡板的数量为两个，其中一个设置在所述间隙的入口处，另一个设置在所述间隙的出口处。

所述的篦齿封严系统，其进一步的特点是，所述主体部沿所述转子件的径向设置。

所述的篦齿封严系统，其进一步的特点是，所述导流部与所述主体部的连接处为圆弧过渡。

所述的篦齿封严系统，其进一步的特点是，以所述转子件的径向为参照，所述主体部具有主体内缘和主体外缘；

所述主体外缘连接在所述静子件上，所述导流部连接在所述主体内缘上。

所述的篦齿封严系统，其进一步的特点是，所述篦齿连接在所述转子件上，并且朝向与所述气流的流动方向相反的方向倾斜。

所述的篦齿封严系统，其进一步的特点是，以所述转子件的径向为参照，所述篦齿具有齿根和齿尖，所述齿根连接在所述转子件上，所述齿尖延伸至所述主体内缘的外侧。

所述的篦齿封严系统，其进一步的特点是，以所述转子件的径向为参照，所述导流部具有导流内缘和导流外缘，所述导流内缘与所述主体内缘连接，所述导流外缘位于所述导流内缘的外侧；所述齿尖延伸至所述导流外缘的外侧。

为实现所述目的的航空发动机，包括如上所述的篦齿封严系统。

本实用新型的积极进步效果在于：由于在气流的流动路径上设置有挡板，且挡板包括主体部和导流部，导流部连接在主体部上并与主体部成夹角设置，夹角为与气流的流动方向相对设置的锐角，使得气流被导流部引导转向后能够产生部分与气流的流动方向相反的反向流，从而在导流部的出口形成漩涡，增加气流动能的耗散，增大了气流的流阻，从而提高了篦齿封严的效果。

附图说明

本实用新型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为比较例中篦齿封严系统的示意图；

图2为本实用新型的一个实施例中篦齿封严系统的示意图；

图3为本实用新型的一个实施例中挡板的示意图；

图4为本实用新型的一个实施例中转子件与篦齿的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本实用新型的保护范围。

下述公开了多种不同的实施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，并非是对本实用新型的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

需要注意的是，图1至图4均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。

图1示出了一个比较例中的航空发动机的篦齿封严系统800。篦齿封严系统800包括第一容腔1、第二容腔2、篦齿3、转子件4和静子件5；静子件5设置在转子件4的径向上的外侧，转子件4被设置成能够相对静子件5转动；转子件4与静子件5限定出间隙G；间隙G连通第一容腔1和第二容腔2；篦齿3固定设置在间隙G中，以减少第一容腔1的气流F穿过间隙G而进入第二容腔2。在航空发动机的运行过程中，第一容腔1与第二容腔2之间会产生压力差，比如第一容腔1的压力会大于第二容腔2的压力。图1中的篦齿封严系统800为航空发动机的压气机的一部分，第一容腔1和第二容腔2分别为压气机的级间的容腔。压气机运行时，来自高压端的气流F会侵入第一容腔1，并穿过间隙G而泄露至第二容腔2。

比较例中的篦齿3的设置能够有效减少气流F的泄露量，但是封严的效果还是不够好。当气流F流过篦齿3时，气流F在篦齿3的齿顶被多次节流加速，一部分压力能转化为动能。当气流F进入篦齿腔，流动截面突然扩大，并在篦齿腔内形成强烈的漩涡，在湍流和黏性耗散的作用下大部分动能转化为热能耗散，从而减少泄漏。气流F经过前一级篦齿3节流加速后，流体的动能在其后的篦齿腔内未完全转化为热能而耗散，总有一部分流体速度不减少或者略微减少，直接越过后一级篦齿3。因此，气流能够顺利进入及排出篦齿封严结构。

为提高篦齿封严系统800的封严效果，本实用新型提供以下实施例。实施例与比较例相同的部件采用同样的附图标记。

如图2、3所示，篦齿封严系统900还包括挡板6；挡板6设置在气流F的流动路径上；挡板6包括主体部60和导流部61；导流部61连接在主体部60上并与主体部60成夹角α设置；夹角α为与气流F的流动方向相对设置的锐角；主体部60用于阻挡气流F，以使气流F流入夹角α；导流部61用于引导气流F转向并流出夹角α。在图2所示的实施例中，间隙G为转子件4的径向上的间隙，间隙G具有沿转子件4的轴向分布的入口和出口。第一容腔1内的气流F能够沿转子件4的轴向穿过间隙G而进入第二容腔2。

由于在气流的流动路径上设置有挡板，且挡板6包括主体部60和导流部61，导流部61连接在主体部60上并与主体部60成夹角α设置，夹角α为与气流F的流动方向相对设置的锐角，使得气流被导流部61引导转向后能够产生部分与气流F的流动方向相反的反向流，从而在导流部61的出口形成漩涡S，增加气流F动能的耗散，增大了气流F的流阻，从而提高了篦齿封严的效果。

如图3所示，挡板6的形状为环形，为了安装方便，挡板6也可以由两个半圆环对接形成。主体部60和导流部61可以一体成型，例如通过对一块环形板的内侧进行冲压，而形成主体部60和导流部61。导流部61还可以通过焊接的方式连接在主体部60上。

在一个未图示的实施例中，挡板6的数量为两个，其中一个设置在第一容腔1中，另一个设置在第二容腔2中。

在图2所示的实施例中，挡板6的数量为两个，其中一个设置在间隙G的入口处，另一个设置在间隙G的出口处。更具体地，主体部60沿转子件4的径向设置。

继续参考图2，为提升导流效果，导流部61与主体部60的连接处为圆弧过渡。

如图2所示，以转子件4的径向为参照，主体部60具有主体内缘60a和主体外缘60b；主体外缘60b连接在静子件5上，导流部61连接在主体内缘60a上。这一方案使得挡板6保持静止，不会对转子件4的转动造成干扰。

在未图示的实施例中，主体外缘60b也可以连接在转子件4上。

如图2所示，以转子件4的径向为参照，篦齿3具有齿根3a和齿尖3b，齿根3a连接在转子件4上，齿尖3b延伸至主体内缘60a的外侧。这一方案有助于当挡板6位于间隙G的入口处时，有助于提高气流F的流动阻力。

继续参考图2，篦齿3连接在转子件4上，并且朝向与气流F的流动方向相反的方向弯曲倾斜。这一方案有助于在气流F进入篦齿腔后，在篦齿3的齿顶间隙近齿尖3b处形成漩涡W，进一步增加气流F的动能耗散。这一方案还使得进入篦齿腔的气流被篦齿调整后与篦齿通流气流成钝角。

如图2所示，以转子件4的径向为参照，导流部61具有导流内缘61a和导流外缘61b，导流内缘61a与主体内缘60a连接，导流外缘61b位于导流内缘61a的外侧；齿尖3b延伸至导流外缘61b的外侧。这一方案有助于当挡板6位于间隙G的出口处时，气流F能够流入夹角α。

篦齿封严系统900的封严原理如下：以压气机为例，来自高压端的气流F侵入压气机级间容腔，如第一容腔1，经间隙G的入口处的挡板6的主体部60及导流部61，气流F中的一部分被夹角α引导成与气流F的流动方向相反的速度头，并在导流部61的出口处形成漩涡S，增加气流动能耗散。在进入间隙G后，因篦齿3朝向与气流F的流动方向相反的方向倾斜，因此也能在篦齿3的齿顶间隙近齿尖3b处形成漩涡W，进一步增加气流动能耗散。气流F在间隙G的出口处因主体部60及导流部61的作用，在篦齿3的出口形成漩涡E，继续增加耗散。经过多轮漩涡的耗散，大大增加了气流F的流阻，提高了篦齿封严的效果。

本实用新型提供的实施例不仅适用于压气机级间封严，更广泛适用于有封严需求的转静间。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种篦齿封严系统，包括第一容腔(1)、第二容腔(2)、篦齿(3)、转子件(4)和静子件(5)；

所述静子件(5)设置在所述转子件(4)的径向上的外侧，所述转子件(4)被设置成能够相对所述静子件(5)转动；所述转子件(4)与所述静子件(5)限定出间隙(G)；所述间隙(G)连通所述第一容腔(1)和所述第二容腔(2)；所述篦齿(3)固定设置在所述间隙(G)中，以减少所述第一容腔(1)的气流(F)穿过所述间隙(G)而进入所述第二容腔(2)；

其特征在于，所述篦齿封严系统(900)还包括挡板(6)；所述挡板(6)设置在所述气流(F)的流动路径上；所述挡板(6)包括主体部(60)和导流部(61)；所述导流部(61)连接在所述主体部(60)上并与所述主体部(60)成夹角(α)设置；所述夹角(α)为与所述气流(F)的流动方向相对设置的锐角；

所述主体部(60)用于阻挡所述气流(F)，以使所述气流(F)流入所述夹角(α)；所述导流部(61)用于引导所述气流(F)转向并流出所述夹角(α)。

2.如权利要求1所述的篦齿封严系统，其特征在于，所述挡板(6)的数量为两个，其中一个设置在所述第一容腔(1)中，另一个设置在所述第二容腔(2)中。

3.如权利要求1所述的篦齿封严系统，其特征在于，所述挡板(6)的数量为两个，其中一个设置在所述间隙(G)的入口处，另一个设置在所述间隙(G)的出口处。

4.如权利要求1所述的篦齿封严系统，其特征在于，所述主体部(60)沿所述转子件(4)的径向设置。

5.如权利要求1所述的篦齿封严系统，其特征在于，所述导流部(61)与所述主体部(60)的连接处为圆弧过渡。

6.如权利要求1所述的篦齿封严系统，其特征在于，以所述转子件(4)的径向为参照，所述主体部(60)具有主体内缘(60a)和主体外缘(60b)；

所述主体外缘(60b)连接在所述静子件(5)上，所述导流部(61)连接在所述主体内缘(60a)上。

7.如权利要求6所述的篦齿封严系统，其特征在于，所述篦齿(3)连接在所述转子件(4)上，并且朝向与所述气流(F)的流动方向相反的方向倾斜。

8.如权利要求7所述的篦齿封严系统，其特征在于，以所述转子件(4)的径向为参照，所述篦齿(3)具有齿根(3a)和齿尖(3b)，所述齿根(3a)连接在所述转子件(4)上，所述齿尖(3b)延伸至所述主体内缘(60a)的外侧。

9.如权利要求8所述的篦齿封严系统，其特征在于，以所述转子件(4)的径向为参照，所述导流部(61)具有导流内缘(61a)和导流外缘(61b)，所述导流内缘(61a)与所述主体内缘(60a)连接，所述导流外缘(61b)位于所述导流内缘(61a)的外侧；所述齿尖(3b)延伸至所述导流外缘(61b)的外侧。

10.一种航空发动机，其特征在于，所述航空发动机包括如权利要求1至9中任意一项权利要求所述的篦齿封严系统(900)。