一种轴间指式密封装置

摘要

本发明公开了一种轴间指式密封装置，由安装在内轴上的外伸轴间指式密封结构和安装在外轴上的内伸轴间指式密封结构组成。外伸轴间指式密封结构和内伸轴间指式密封结构分别包括多个指尖密封片、前挡板、后挡板和弹性元件，指尖密封片上加工有若干指尖曲梁和指尖靴，指尖曲梁型线为渐开线、圆弧或一般多项式函数曲线的任意一种；指尖靴与转轴表面接触构成封严界面；前挡板、后挡板与指尖密封片之间有径向间隙，且在间隙部位放置弹性元件，以补偿离心力作用下指尖曲梁外移及内外转轴的位移扰动；轴间指式密封装置采用柔性密封和耐磨性优良的碳碳复合材料制备，加工成本低，效率高，易于装配调整，提升了轴间密封的封严性和耐磨性。

权利要求

1.一种轴间指式密封装置，包括外伸轴间指式密封结构、内伸轴间指式密封结构、外轴、内轴、连接销，其特征在于:所述外伸轴间指式密封结构包括外伸前挡板、外伸弹性元件、外伸后挡板、外伸指尖密封片、指尖曲梁、指尖靴，所述外伸后挡板固定在内轴上，且与内轴一同转动；所述外伸指尖密封片为多个，每一个外伸指尖密封片沿外径周向加工有若干指尖曲梁和指尖靴，沿内径周向有多对装配孔，外伸指尖密封片位于外伸后挡板与外伸前挡板之间，外伸指尖密封片与外伸前挡板、外伸后挡板在靠近内径处通过连接销连接，外伸后挡板上的连接孔径大于连接销直径，连接销与外伸前挡板为紧配合，连接销与外伸指尖密封片之间为紧配合；外伸前挡板和外伸指尖密封片的内径处与外伸后挡板之间有径向间隙，且在间隙部位放置外伸弹性元件，以补偿离心力作用下指尖曲梁外移及内外转轴的位移扰动，外伸指尖密封片在连接时装配孔交错排列，使指尖曲梁之间的缝隙被相邻指尖密封片上的指尖曲梁所覆盖，指尖靴与转轴表面接触构成封严界面；

所述内伸轴间指式密封结构包括内伸前挡板、内伸后挡板、内伸指尖密封片、内伸弹性元件、指尖曲梁、指尖靴、密封座，所述内伸后挡板通过密封座固定在外轴上，且与外轴一同转动；所述内伸指尖密封片为多个，每一个内伸指尖密封片沿内径周向加工有若干指尖曲梁和指尖靴，沿外径周向有多对装配孔，内伸指尖密封片位于内伸前挡板与内伸后挡板之间，内伸指尖密封片与内伸前挡板、内伸后挡板在靠近外径处通过连接销连接，内伸后挡板上的连接孔径大于连接销直径，连接销与内伸前挡板为紧配合，连接销与内伸指尖密封片之间为紧配合，内伸前挡板和内伸指尖密封片的外径处与内伸后挡板之间有径向间隙，且在间隙部位放置内伸弹性元件，以补偿离心力作用下指尖曲梁外移及内外转轴的位移扰动；内伸指尖密封片在连接时装配孔交错排列，使指尖曲梁之间的缝隙被相邻指尖密封片上的指尖曲梁所覆盖，指尖靴与转轴表面接触构成封严界面。

2.根据权利要求1所述的轴间指式密封装置，其特征在于:所述外伸指尖密封片和所述内伸指尖密封片分别至少为2片。

3.根据权利要求1所述的轴间指式密封装置，其特征在于:每一个指尖密封片上指尖曲梁间的缝隙位于相邻密封片曲梁的正中位置。

4.根据权利要求1所述的轴间指式密封装置，其特征在于:所述指尖曲梁型线为渐开线、圆弧或一般多项式函数曲线的任意一种。

5.根据权利要求1所述的轴间指式密封装置，其特征在于:所述外伸指尖密封片和所述内伸指尖密封片为碳碳复合材料。

说明书

一种轴间指式密封装置

技术领域

[0001] 本发明涉及航空发动机轴间密封技术领域，具体地说，涉及一种用于航空发动机反转轴间指式密封装置。

背景技术

[0002] 在航空发动机中，为了提高性能、缩短转子支承距离和减轻结构重量，通常将高压涡轮转子支承在低压涡轮转子上，故在同轴心转动的高、中、低压涡轮与其驱动的压气机及风扇的连接轴之间，需要中介轴承加以支撑。而这些中介轴承腔与轴间气流流道的密封，就属于轴间密封。某些先进发动机采用转向相反的两个发动机转子，则轴间密封表面滑动速度会成倍提高。这种轴间密封不仅安装在同向或异向高速转轴之间的有限空间内，且航空发动机的高机动性和工况多变性将导致转子发生多自由度跃动，故轴间密封工作中还需承受来自内、外转子的径向、轴向、位移偏斜的多重扰动。目前服役或在研的航空发动机轴间密封类型主要有篦齿密封、石墨密封及刷式密封。

[0003] 篦齿密封属于非接触式密封，结构简单、成本低，但因转子与密封之间有较大间隙故泄漏较大。为减小泄漏，或采取小间隙设计但因无法补偿转子位移激励而极易发生磨损，或通过增加篦齿数加长流道又受到空间尺寸的限制。

[0004] 轴间石墨密封有多种形式，包含径向主密封环和端面密封环。石墨密封具有较好的封严性，但磨损发热较大，且由于石墨材料脆性大，安装时易损坏使成本增加。石墨密封组件较多，泄漏和磨损主要发生在主密封环与转子接触面、以及主密封环与两端面密封之间。为降低泄漏，主密封环与转子之间只能以牺牲磨损性能为代价保持接触状态，因此目前主要通过改进石墨密封环材料性能以降低主密封环与转子的接触磨损，如欧洲专利EP2698567A1；而为减小主密封石墨环与两端面密封环的摩擦发热，国外科研人员提出气膜密封结构形式，在端面密封环端面上设计出流体动压槽，如美国专利US 2013/0251523A1,以及US 2012/0261887A1；或将石墨环做成由弹簧连接的两片，如美国专利US 2014/0049010A1，以控制调整主石墨环与两个动密封环之间的轴向间隙。中国专利CNIO4500743A中采用了一个端面密封环，零件数目有所减少，但是主要结构没有太大变化。

[0005] 篦齿密封和石墨密封都是刚性密封，磨损发热严重，且石墨密封环形脆易破损，成本高，零件数目多，难以控制。

[0006] 国外学者提出将柔性的刷式密封用于轴间密封(Gary Holloway,P.E.,Jayesh Mehta,Lewis Rosado.Innovative Rotating Intershaft Brush Seal for Sealing Between Rotating Shafts Part I–Mechanical Design of The Rotating Brush Seal.AIAA  2006-4751,2006,7.及Jayesh Mehta,Gary Holloway,P.E.,Lewis Rosado.Innovative Rotating Intershaft Brush Seal for Sealing Between Rotating Shafts Part II–Modeling of Brush Seal Leakage Flows.AIAA 2006-4752.2006,7)。轴间刷式密封具有泄漏低、结构紧凑的优点。但刷式密封本身制造成本很高，众多刷丝难以严格排布控制，且在高温高速下存在刷丝熔蚀断裂的危险。

发明内容

[0007] 为了避免现有技术中在高滑动率、大扰动激励下反转轴间密封的泄漏和磨损问题，本发明提出一种轴间指式密封装置，采用柔性指尖密封的指尖曲梁适应位移激励；利用指尖密封的流体动压效应和碳碳复合材料的耐磨性能优势，适应内外转轴的位移扰动，降低密封磨损和泄漏，且零件数量少，便于安装和控制。

[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括外伸轴间指式密封结构、内伸轴间指式密封结构、外轴、内轴、连接销，其中，所述外伸轴间指式密封结构包括外伸前挡板、外伸弹性元件、外伸后挡板、外伸指尖密封片、指尖曲梁、指尖靴，所述外伸后挡板固定在内轴上，且与内轴一同转动；所述外伸指尖密封片为多个，每一个外伸指尖密封片沿外径周向加工有若干指尖曲梁和指尖靴，沿内径周向有多对装配孔，外伸指尖密封片位于外伸后挡板与外伸前挡板之间，外伸指尖密封片与外伸前挡板、外伸后挡板在靠近内径处通过连接销连接，外伸后挡板上的连接孔径大于连接销直径，连接销与外伸前挡板为紧配合，连接销与外伸指尖密封片之间为紧配合；外伸前挡板和外伸指尖密封片的内径处与外伸后挡板之间有径向间隙，且在间隙部位放置外伸弹性元件，以补偿离心力作用下指尖曲梁外移及内外转轴的位移扰动，外伸指尖密封片在连接时装配孔交错排列，使指尖曲梁之间的缝隙被相邻指尖密封片上的指尖曲梁所覆盖，指尖靴与转轴表面接触构成封严界面；

[0009] 所述内伸轴间指式密封结构包括内伸前挡板、内伸后挡板、内伸指尖密封片、内伸弹性元件、指尖曲梁、指尖靴、密封座，所述内伸后挡板通过密封座固定在外轴上，且与外轴一同转动；所述内伸指尖密封片为多个，每一个内伸指尖密封片沿内径周向加工有若干指尖曲梁和指尖靴，沿外径周向有多对装配孔，内伸指尖密封片位于内伸前挡板与内伸后挡板之间，内伸指尖密封片与内伸前挡板、内伸后挡板在靠近外径处通过连接销连接，内伸后挡板上的连接孔径大于连接销直径，连接销与内伸前挡板为紧配合，连接销与内伸指尖密封片之间为紧配合，内伸前挡板和内伸指尖密封片的外径处与内伸后挡板之间有径向间隙，且在间隙部位放置内伸弹性元件，以补偿离心力作用下指尖曲梁外移及内外转轴的位移扰动；内伸指尖密封片在连接时装配孔交错排列，使指尖曲梁之间的缝隙被相邻指尖密封片上的指尖曲梁所覆盖，指尖靴与转轴表面接触构成封严界面。

[0010] 所述外伸指尖密封片和所述内伸指尖密封片分别至少为2片。

[0011] 每一个指尖密封片上指尖曲梁间的缝隙位于相邻密封片曲梁的正中位置。

[0012] 所述指尖曲梁型线为渐开线、圆弧或一般多项式函数曲线的任意一种。

[0013] 所述外伸指尖密封片和所述内伸指尖密封片为碳碳复合材料。

[0014] 有益效果

[0015] 本发明提出的轴间指式密封装置，采用柔性指尖密封代替原有的刚性篦齿密封或石墨密封，指尖密封的柔性指尖梁可适应位移激励；轴间密封表面滑动率大，利用指尖密封的流体动压效应和碳碳复合材料的耐磨性能优势以应对密封的磨损和发热大的问题；连接结构中设计间隙配合及弹性元件，可进一步补偿转轴的位移扰动；指尖密封片与前挡板、后挡板连成整体易于控制和调整，密封装置零件数目少，成本低，泄漏和磨损性能得到提升。

[0016] 本发明相对于轴间篦齿密封，由于采用柔性密封可适应转轴位移激励，并采用耐磨性优良的碳碳复合材料制备，满足转轴的高滑动率和浮动封严界面多扰动激励工况，封严性能明显提升。

[0017] 本发明相对于石墨环密封，仅需控制径向泄漏通道，零件数目少便于安装调试；柔性指尖结构和高耐磨性材料有机结合，适应内外转轴的位移激励和高滑动率，加之弹性元件的补偿作用，以及密封靴底形状的流体动压设计，可通过多种措施综合提升轴间密封的封严性和耐磨性。

[0018] 本发明相对于刷式密封，加工成本低，效率高，易于装配调整，且通过弹性元件的补偿作用可减小接触刚度和自适应性，保证在内外转轴位移扰动下密封的正常工作。

附图说明

[0019] 下面结合附图和实施方式对本发明一种轴间指式密封装置作进一步详细说明。

[0020] 图1为本发明轴间指式密封装置的外伸轴间指式密封结构示意图。

[0021] 图2为本发明轴间指式密封装置的内伸轴间指式密封结构示意图。

[0022] 图3a、图3b为本发明的外伸指尖密封片的端面视图及局部放大图。

[0023] 图4a、图4b为本发明的内伸指尖密封片的端面视图及局部放大图。

[0024] 图5为本发明的外伸后挡板沿高压侧方向的侧视图。

[0025] 图6为本发明的内伸后挡板沿高压侧方向的侧视图。

[0026] 图中:

[0027] 1.外轴 2.外伸前挡板 3.连接销 4.外伸弹性元件 5.螺母 6.内轴 7.外伸后挡板8.外伸指尖密封片 9.内伸弹性元件 10.内伸前挡板 11.内伸指尖密封片12.内伸后挡板 13.密封座 14.指尖曲梁 15.指尖靴 16.外伸后挡板装配孔17.内伸后挡板装配孔具体实施方式

[0028] 本实施例是一种轴间指式密封装置。

[0029] 参阅图1～图6，轴间指式密封装置由安装在内轴上的外伸轴间指式密封结构和安装在外轴上的内伸轴间指式密封结构组成。

[0030] 本实施例中，外伸轴间指式密封结构包括外伸前挡板2、外伸弹性元件4、外伸后挡板7、外伸指尖密封片8、指尖曲梁14、指尖靴15、外伸后挡板装配孔16，外伸指尖密封片8为多个，每一个外伸指尖密封片8沿外径周向加工有若干指尖曲梁14和指尖靴15，沿内径周向有多对装配孔；外伸指尖密封片8位于外伸后挡板7与外伸前挡板2之间，外伸指尖密封片8与外伸前挡板2、外伸后挡板7在靠近内径处通过连接销3连接，其中外伸后挡板7端面与靠近低压侧的指尖密封片端面相接触，外伸前挡板2仅靠近内径处的端面与密封片接触，其余部分与高压侧的指尖密封片之间存在间隙。此间隙为2～3mm，由前挡板2结构保证。外伸后挡板7上的装配孔16的直径比连接销3直径大2～4mm。外伸前挡板2内径与外伸后挡板7凸缘之间放置有外伸弹性元件4，以补偿内外转轴的位移激励及离心力引起的指尖曲梁变形。外伸后挡板7固连在内轴6上，通过螺母5固定。外伸指尖密封片8的外径与外轴1之间的初始安装采用间隙配合，当外伸指尖密封片8与内轴6一起转动时，在离心力作用下指尖曲梁的外移可减小配合间隙，从而可减小泄漏。为了减小指尖靴15与外轴的接触磨损，可按照指尖靴在离心力作用下的变形对指尖靴部进行修形，使指尖靴在流体动压和离心力共同作用下的变形更好地适应外轴表面形状，从而减小指尖靴底的局部不均匀磨损，延长使用寿命。

[0031] 外伸轴间指式密封结构中，外轴直径为183mm，内轴直径为145mm，外伸指尖密封片材料为碳碳复合材料，每片厚度为1.0～2.0mm，指尖曲梁14型线为渐开线，曲梁个数为100，曲梁宽为1.3～2.0mm，曲梁沿径向长度为5mm，外伸前挡板外径与外伸指尖密封片外径相差2～3mm，外伸后挡板外径与外伸指尖密封片外径相差2～3mm。

[0032] 本实施例中，内伸轴间指式密封结构由内伸前挡板10、内伸后挡板12、内伸指尖密封片11、内伸弹性元件9、密封座13、指尖曲梁14、指尖靴15、内伸后挡板装配孔17组成，内伸指尖密封片11为多个，每一个内伸指尖密封片11沿内径周向加工有若干指尖曲梁14和指尖靴15，沿外径周向有多对装配孔；内伸指尖密封片11位于内伸前挡板10与内伸后挡板12之间，内伸指尖密封片11与内伸前挡板10、内伸后挡板12在靠近外径处通过连接销3销钉相连接。其中内伸后挡板12的端面与靠近低压侧的指尖密封片端面相接触；内伸前挡板10仅靠近外径处的端面与高压侧的指尖密封片接触，其余部分与高压侧的指尖密封片之间存在间隙。此间隙为2～3mm，由前挡板10结构保证。内伸后挡板装配孔17的直径比连接销3直径大3～5mm。内伸前挡板10的外径与外伸后挡板L型内环面之间放置有内伸弹性元件9，以补偿内外转轴的位移激励及离心力引起的指尖曲梁变形。外伸后挡板12通过密封座13固连在外轴1上。密封座13通过定位销过盈配合固定在外轴1上。内伸指尖密封片11的内径与内轴6之间的初始安装采用过渡配合，当内伸指尖密封片11与外轴1一起转动时，在离心力作用下指尖曲梁外移可减小配合面间的接触压力，并保持较小泄漏。同时可按照指尖靴15在离心力作用下的变形对指尖靴部进行修形，使指尖靴在流体动压和离心力共同作用下的变形适应内轴表面形状，从而减小指尖靴底的局部不均匀磨损，延长使用寿命。

[0033] 内伸轴间指式密封结构中，外轴直径为183mm，内轴直径为145mm，内伸指尖密封片为碳碳复合材料制成，每片厚度为1.0～2.0mm，指尖曲梁14型线为渐开线，曲梁个数为100，曲梁宽为1.3～2.0mm，曲梁沿径向长度为5mm，内伸前挡板内径与内伸指尖密封片内径相差2～3mm，内伸后挡板内径与内伸指尖密封片内径相差2～3mm。

[0034] 实际应用中，可根据密封空间尺寸和性能要求进行改进，如指尖密封片数目，不限于本实施例中采用的4片，指尖密封片最少为2片，片数的上限取决于安装空间尺寸要求。当指尖密封片数目变化时，相关连接件尺寸，如连接销、后挡板长度应与之匹配。