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一种适用于发动机轴承腔的密封结构
申请号	CN202010842891.0	申请日	2020-08-20	公开(公告)号	CN111998075B	公开(公告)日	2022-09-16
申请人	中国科学院工程热物理研究所;			发明人	李国庆; 朱俊强; 徐纲; 卢新根; 张燕峰;
摘要	本发明公开了一种适用于发动机轴承腔的密封结构，涉及密封动力学领域，用于诸如航空发动机轴承腔滑油的高效密封。该结构主要为与石墨密封配对的密封跑道的外周表面开设鱼骨型槽。当转子高速运行时，鱼骨型槽内可以产生动压，提升石墨密封的封严性能；同时，开设鱼骨型槽，减少了跑道与石墨环的接触面积，降低摩擦耗功和摩擦热，有利于提升石墨密封的寿命；当发动机突然停车后，在动压作用下，石墨密封的封严性能仍可以保持一定时间。该发明结构简单，加工方便，是一种很有应用前景的密封结构。
权利要求	1.一种适用于发动机轴承腔的密封结构，用以对所述轴承腔中的滑油进行密封，包括设置在所述轴承腔轴向端部的一密封跑道和一与所述密封跑道配对使用的石墨环，所述密封跑道固定套设在旋转轴上，所述石墨环设置在一静止安装座中，所述静止安装座中至少设有一周向弹性件，所述周向弹性件抵接在所述石墨环的外周表面上，使得所述石墨环的内周表面与所述密封跑道的外周表面贴紧布置以形成轴向密封面，其特征在于，所述密封跑道的外周表面上开设至少一圈沿周向均匀间隔布置且朝向一致的鱼骨型槽，每一所述鱼骨型槽均包括相互连通并具有夹角的一左侧槽和一右侧槽，所述左侧槽、右侧槽均包括沿其长度方向分布的一头部区域、中部区域和尾部区域，且所述左侧槽、右侧槽的头部区域基本重叠；每一所述鱼骨型槽中，所述左侧槽与右侧槽之间的夹角在90°～150°之间；每一所述鱼骨型槽中，鱼骨型槽的宽度在0.1～0.6mm之间，深度在0.01～0.1mm之间，鱼骨型槽的头部区域半径在2～6mm，尾部区域半径在0.5～3mm，中部区域为直槽或曲面槽；所述密封跑道的外周表面上在轴向上设有多圈鱼骨型槽，相邻两圈鱼骨型槽在轴向上的间距在18～40mm；每一圈鱼骨型槽中，相邻两所述鱼骨型槽在周向上的夹角为5～12°；所述轴承腔的外部设置一高压封严腔，所述高压封严腔内的高压封严气的压力高于所述轴承腔内的滑油压力，可进一步防止所述轴承腔内的滑油向外部泄漏。 2.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述静止安装座中还设有轴向弹性件，所述轴向弹性件抵接在所述石墨环一侧的轴向端面上，使得所述石墨环另一侧的轴向端面与所述静止安装座的径向延伸表面贴紧布置以形成径向密封面。 3.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述密封跑道的外周表面上在轴向上设有多圈鱼骨型槽，每圈鱼骨型槽均按正鱼骨型槽排列、反鱼骨型槽排列、或正鱼骨型槽与反鱼骨型槽组合的方式排列。
说明书全文	一种适用于发动机轴承腔的密封结构技术领域 [0001] 本发明属于密封动力学领域，涉及一种发动机轴承腔的密封结构，尤其适用于航空发动机轴承腔的滑油密封，该结构主要通过在石墨密封跑道上开设鱼骨型槽，用来提高封严性能、延长运行寿命的新型密封结构，能够满足现代高性能航空发动机对轴承腔滑油的密封要求。背景技术 [0002] 对于现代高性能航空发动机来说，为了追求更高的推重比和热效率，降低耗油率，控制污染物排放并提高工作寿命，需要不断突破密封技术。研究表明，密封泄漏量每减少1％，可使发动机推力增加1％，耗油率降低0.1％。石墨密封是一种接触式密封结构，整体密封性能优于非接触式密封，一般用于轴承腔内的滑油封严。 [0003] 首先，受限于材料许用温度和材料硬度等性能要求，石墨密封的工作范围有限，其运行线速度一般不超过150m/s；其次，石墨密封主密封面一般尺寸较小，高速运行过程中，如果受损极易导致密封失效；再次，由于石墨密封属于接触式密封，其摩擦耗功较大，摩擦热量高，长期运行磨损严重，影响石墨密封的使用寿命。 [0004] 本发明提出在石墨密封跑道表面开设鱼骨型槽结构，克服了上述三方面缺点，整体结构比较简单，加工难度与传统的密封结构无异，但是密封性能和寿命却得到大幅提升，具有广泛的应用前景。发明内容 [0005] 针对现有技术的上述缺点和不足，本发明提供了一种适用于发动机轴承腔的密封结构，具体是一种适用于航空发动机轴承腔石墨密封的鱼骨型槽跑道结构，该结构是在密封跑道外周表面上开设鱼骨型槽，用来提高封严性能、延长运行寿命的新型密封结构，当转子高速运行时，鱼骨型槽内可以产生动压，提升石墨密封的封严性能；同时，开设鱼骨型槽，减少了跑道与石墨环的接触面积，降低摩擦耗功和摩擦热，有利于提升石墨密封的寿命；当发动机突然停车后，在动压作用下，石墨密封的封严性能仍可以保持一定时间。本发明的密封结构，能够满足现代高性能航空发动机对轴承腔滑油的密封要求。 [0006] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为： [0007] 一种适用于发动机轴承腔的密封结构，用以对所述轴承腔中的滑油进行密封，包括设置在所述轴承腔轴向端部的一密封跑道和一与所述密封跑道配对使用的石墨环，所述密封跑道固定套设在旋转轴上，所述石墨环设置在一静止安装座中，所述静止安装座中至少设有一周向弹性件，所述周向弹性件抵接在所述石墨环的外周表面上，使得所述石墨环的内周表面与所述密封跑道的外周表面贴紧布置以形成轴向密封面，其特征在于，[0008] 所述密封跑道的外周表面上开设至少一圈沿周向均匀间隔布置且朝向一致的鱼骨型槽，每一所述鱼骨型槽均包括相互连通并具有夹角的一左侧槽和一右侧槽，所述左侧槽、右侧槽均包括沿其长度方向分布的一头部区域、中部区域和尾部区域，且所述左侧槽、右侧槽的头部区域基本重叠。 [0009] 优选地，所述静止安装座中还设有轴向弹性件，所述轴向弹性件抵接在所述石墨环一侧的轴向端面上，使得所述石墨环另一侧的轴向端面与所述静止安装座的径向延伸表面贴紧布置以形成径向密封面。 [0010] 优选地，所述轴承腔的外部设置一高压封严腔，所述高压封严腔内的高压封严气的压力高于所述轴承腔内的滑油压力，可进一步防止所述轴承腔内的滑油向外部泄漏。 [0011] 优选地，每一所述鱼骨型槽中，所述左侧槽、右侧槽之间的夹角α在90°～150°之间，一般取120°。 [0012] 优选地，每一圈鱼骨型槽中，相邻两所述鱼骨型槽在周向上的夹角β为5～12°。 [0013] 优选地，所述密封跑道的外周表面上在轴向上设有多圈鱼骨型槽，相邻两圈鱼骨型槽在轴向上的间距B在18～40mm。 [0014] 优选地，所述密封跑道的外周表面上在轴向上设有多圈鱼骨型槽，每圈鱼骨型槽可以均按正鱼骨型槽排列、反鱼骨型槽排列、或正鱼骨型槽与反鱼骨型槽组合的方式排列。 [0015] 优选地，每一所述鱼骨型槽中，鱼骨型槽的宽度t在0.1～0.6mm之间，深度h在0.01～0.1mm之间，鱼骨型槽的头部区域半径R1在2～6mm，尾部区域半径R2在0.5～3mm，中部区域为直槽或曲面槽。 [0016] 本发明的适用于发动机轴承腔的密封结构中，密封跑道与石墨密封中的石墨环配对使用。发动机工作状态下，跑道随旋转轴转动，而石墨环一直保持静止状态，密封跑道与石墨环之间摩擦，由于高压封严腔内高压封严气的压力高于轴承腔内滑油的压力，从而对滑油进一步产生封严作用，防止其泄漏。 [0017] 本发明的适用于发动机轴承腔的密封结构，其工作原理为： [0018] 密封跑道与石墨密封中的石墨环配对使用。当发动机稳定运行时，密封跑道表面开设的鱼骨型槽内可以产生压力，进一步防止滑油泄漏，起到强化密封作用；密封跑道外周表面开设鱼骨型槽后，减少了密封跑道与石墨环的接触面积，降低了磨损，有利于提高石墨密封的使用寿命；密封跑道外周表面开设鱼骨型槽后，减少了密封跑道与石墨环的接触面积，降低了摩擦热和摩擦耗功，可以提高石墨密封的运行线速度，拓宽石墨密封的使用边界。 [0019] 同现有技术相比，本发明的适用于发动机轴承腔的密封结构可整体提升石墨密封的封严性能和运行寿命，体现在：1)结构简单，布局合理，加工方便，成本可控；2)在不增加封严气量的条件下，通过鱼骨型槽补充压力来提高密封性能；3)减少了摩擦接触面积，降低了摩擦耗功和摩擦热，可进一步提高运行线速度，拓宽石墨密封的使用边界，延长使用寿命。附图说明 [0020] 图1为本发明的适用于发动机轴承腔的密封结构总体结构示意图； [0021] 图2为带鱼骨型槽的密封跑道结构示意图； [0022] 图3为鱼骨型槽局部放大示意图； [0023] 图4为旋转轴、密封跑道与石墨环的截面图； [0024] 图中：1.旋转轴，2.高压封严腔，3.密封跑道，4.石墨环，5.轴向弹性件，6.弹性挡圈，7.挡板，8.周向弹性件，9.静止安装座，10.轴承腔，11.轴承，12.封严气，13.滑油，14.鱼骨型槽，15.左侧槽，16.右侧槽，17.头部区域，18.中部区域，19.尾部区域。具体实施方式 [0025] 为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。 [0026] 如图1所示，本发明的适用于发动机轴承腔的密封结构，尤其适用于航空发动机轴承腔的石墨密封，用以对轴承腔10中的滑油13进行密封，包括设置在轴承腔10轴向端部的一密封跑道3和一与密封跑道3配对使用的石墨环4，密封跑道3固定套设在旋转轴1上，石墨环4设置在一静止安装座9中，静止安装座9中至少设有一周向弹性件8，周向弹性件8抵接在石墨环4的外周表面上，使得石墨环4的内周表面与密封跑道3的外周表面贴紧布置以形成轴向密封面。静止安装座9中还设有轴向弹性件5，轴向弹性件5抵接在石墨环4一侧的轴向端面上，使得石墨环4另一侧的轴向端面与静止安装座9的径向延伸表面贴紧布置以形成径向密封面。 [0027] 如图2所示，本发明的适用于发动机轴承腔的密封结构，密封跑道3的外周表面上开设至少一圈沿周向均匀间隔布置且朝向一致的鱼骨型槽14，其中密封跑道3外周表面开有鱼骨型槽14是本发明区别于其它密封结构的突出特征。本发明的鱼骨型槽14包括相互连通并具有夹角的左侧槽15和右侧槽16，每个鱼骨型槽14的左侧槽15、右侧槽16均由头部区域17、中部区域18和尾部区域19三部分构成，且左侧槽15、右侧槽16的头部区域17基本重叠。 [0028] 如图1所示，与密封跑道3配套使用的石墨密封由石墨环4、轴向弹性件5、弹性挡圈6、挡板7和周向弹性件8构成。周向弹性件8抵接在石墨环4的外周表面上，使得石墨环4的内周表面与密封跑道3的外周表面贴紧布置以形成轴向密封面。轴向弹性件5依托弹性挡圈6、挡板7抵接在石墨环4一侧的轴向端面上，使得石墨环4另一侧的轴向端面与静止安装座9的径向延伸表面贴紧布置以形成径向密封面。 [0029] 航空发动机运行过程中，轴承腔10内的轴承11需要一定量的滑油13进行润滑冷却，为防止滑油13泄漏，轴承腔10外部布置有高压封严腔2，通过在高压封严腔2内引入一股压力较高的封严气12来进行密封。当旋转轴1高速旋转时，石墨环4与密封跑道3之间形成密封摩擦，防止滑油泄漏。 [0030] 发动机正常运行时，密封跑道3外周表面开设的鱼骨型槽14内可以产生压力，对原有密封作用形成补充，从而提高密封性能。当密封跑道3外周表面开设鱼骨型动压槽14后，跑道3与石墨环4的接触面积减少，磨损削弱，有利于延长石墨密封的寿命。当密封跑道3外周表面开设鱼骨型动压槽14后，跑道3与石墨环4的接触面积减少，摩擦热和摩擦耗功降低，有利于提高运行线速度，拓宽使用边界。 [0031] 如图3所示，鱼骨型槽14的宽度t一般取0.2mm，深度h一般取0.02mm，头部区域17半径R1一般取4mm，尾部区域19半径R2一般取1mm，左侧槽15与右侧槽16的夹角α一般取120°，中部区域18是直槽。如图4所示，每一圈鱼骨型槽中，相邻两个鱼骨型槽14之间的周向夹角β为5°。 [0032] 如图3所示，密封跑道3的外周表面上沿轴向可以开设一圈鱼骨型槽14，或多圈鱼骨型槽14，相邻两圈鱼骨型槽14在轴向的间距B一般取20mm。 [0033] 本发明经过了CFD和实验验证，在相同供油量条件下，带鱼骨型槽跑道的密封效果比传统跑道的密封效果提高了10～20％，预测运行寿命提高了15～30％。 [0034] 通过上述论述，完全有效地实现了本发明的目的。一般情况下，鱼骨型槽14的宽度t在0.1～0.6mm之间，深度h在0.01～0.1mm之间，头部区域半径R1在2～6mm，尾部区域半径R2在0.5～3mm，中部区域可以是直槽，也可以是曲面槽，左侧槽与右侧槽的夹角α在90°～150°之间，每两个鱼骨型槽在周向上的夹角β为5～12°，密封跑道外周表面沿轴向可以开设一圈鱼骨型槽，或多圈鱼骨型槽，相邻两圈鱼骨型槽在轴向上的间距B在18～40mm。当鱼骨型槽圈数n大于1时，每圈鱼骨型槽可以均按图示的正鱼骨型槽排列，也可以按正鱼骨型槽与反鱼骨型槽组合排列。 [0035] 通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。