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一种磁力吸附的浮环密封装置及方法
申请号	CN202310382382.8	申请日	2023-04-11	公开(公告)号	CN116557530A	公开(公告)日	2023-08-08
申请人	中国航发湖南动力机械研究所;			发明人	王智加; 力宁; 翁泽文; 邹国峰; 周坤; 王晓燕; 马利军;
摘要	本发明涉及一种磁力吸附的浮环密封装置及方法，所述磁力吸附的浮环密封装置包括包括旋转轴和安装在旋转轴上的轴承，所述轴承背离旋转轴的端面安装有安装座，所述安装座上靠近所述轴承处设有密封结构；所述旋转轴上靠近所述轴承处设有密封跑道，所述密封跑道位于所述密封结构和旋转轴之间；所述密封跑道设有存油槽；所述安装座的内部设有冷却油通道和冷却油喷嘴，所述冷却油通道与所述冷却油喷嘴连通。本发明通过冷却油通道、冷却油喷嘴，以及存油槽的设置，构成了冷却机构，实现了对密封跑道的冷却，防止密封跑道因运转温度升高而导致的石墨环与密封跑道之间的间隙变化，提升了石墨环与密封跑道之间的间隙的稳定性。
权利要求	1.一种磁力吸附的浮环密封装置，包括旋转轴(11)和安装在旋转轴(11)上的轴承(9)，其特征在于，所述轴承(9)背离旋转轴(11)的端面安装有安装座(8)，所述安装座(8)上靠近所述轴承(9)处设有密封结构；所述旋转轴(11)上靠近所述轴承(9)处设有密封跑道(1)，所述密封跑道(1)位于所述密封结构和旋转轴(11)之间；所述密封跑道(1)设有存油槽，所述存油槽用于增加密封跑道(1)的冷却面积，并用于存储冷却油，所述冷却油用于密封跑道(1)的冷却；所述安装座(8)的内部设有冷却油通道和冷却油喷嘴，所述冷却油通道与所述冷却油喷嘴连通，所述冷却油通道用于引导冷却油进入所述安装座(8)内，所述冷却油喷嘴用于引导安装座(8)内的冷却油进入所述存油槽。 2.根据权利要求1所述的一种磁力吸附的浮环密封装置，其特征在于，所述密封跑道(1)与所述旋转轴(11)过盈配合。 3.根据权利要求1所述的一种磁力吸附的浮环密封装置，其特征在于，所述密封结构包括密封壳体(5)，所述密封壳体(5)与所述安装座(8)过盈安装；所述密封壳体(5)的径向截面为“L”型；所述密封壳体(5)的“L”型的转折端设有磁力对象环(6)，所述磁力对象环(6)磁连接有磁力镶装环(4)；所述磁力镶装环(4)上镶嵌有石墨环(2)；所述石墨环(2)与所述密封跑道(1)构成圆周密封界面。 4.根据权利要求3所述的一种磁力吸附的浮环密封装置，其特征在于，所述磁力镶装环(4)上与所述石墨环(2)接触拐角处设有砂轮越程槽。 5.根据权利要求3所述的一种磁力吸附的浮环密封装置，其特征在于，所述磁力对象环(6)与所述密封壳体(5)通过焊接形成一体化结构。 6.根据权利要求3所述的一种磁力吸附的浮环密封装置，其特征在于，所述密封壳体(5)采用非磁性金属材料制成。 7.根据权利要求3所述的一种磁力吸附的浮环密封装置，其特征在于，所述密封壳体(5)的“L”型的水平部分顶端设有安装槽，所述安装槽内设有第一挡圈(3)。 8.根据权利要求3所述的一种磁力吸附的浮环密封装置，其特征在于，在250℃下所述磁力镶装环(4)与所述石墨环(2)之间的过盈量大于等于0.05mm。 9.根据权利要求3‑8中任一项所述的一种磁力吸附的浮环密封装置，其特征在于，所述密封壳体(5)与所述安装座(8)间的过盈量为0.01mm～0.03mm。 10.一种磁力吸附的浮环密封装置的密封方法，其特征在于，所述浮环密封装置包括权利要求9所述的浮环密封装置，包括：在旋转轴(11)上安装轴承(9)，再在安装轴承(9)上安装安装座(8)，在安装座(8)上过盈安装密封结构，在旋转轴(11)上靠近装轴承(9)处过盈安装密封跑道(1)，使得密封跑道(1)位于密封结构和旋转轴(11)之间；冷却油通过安装座(8)的冷却油通道进入安装座(8)内，并沿着安装座(8)的冷却油喷嘴喷射到密封跑道(1)的存油槽；在密封跑道(1)旋转时，在密封装置与密封跑道(1)之间通过小间隙的流阻作用，冷却油在存油槽内流动，用于对密封跑道(1)的冷却，在密封装置与密封跑道(1)之间通过小间隙的流阻作用，完成浮环密封装置的密封。
说明书全文	一种磁力吸附的浮环密封装置及方法技术领域 [0001] 本发明属于轴承的密封技术领域，特别涉及一种磁力吸附的浮环密封装置及方法。背景技术 [0002] 浮环密封是一种非接触式密封，比传统的篦齿密封具有更好的密封效果，已广泛应用于航空旋转轴承腔的封严。当前浮环密封装置通常由石墨环a、石墨环外圈b、密封壳体c、第一垫片d、波形弹簧e、第二垫片f、挡圈组成h，并与相应的密封对象件配合使用，如图1所示。工作中密封装置通过合适的接口结构安装于工作位置，石墨环外圈b与石墨环a镶装在一起，加强石墨环结构，镶装后的石墨环a与密封对象件及密封安装座构成密封界面，波形弹簧e为端面的贴合提供适宜的压紧力，第一垫片d和第二垫片f用于使波形弹簧弹力更加均匀保护石墨环a的端面，挡圈h用于为安装座内零件提供限位。浮环密封具有自对心功能，可适应转子高速转动下转子振动引起的径向跳动，适用于航空发动机中高速转子轴承腔的密封。如果安装空间允许，为提高密封效果，通过适当的引气设计，浮环密封可以多级串联使用。 [0003] 可知，在现有技术中，为保证石墨环与密封安装座在贴合面处形成的端面密封界面贴合紧密，使用波形弹簧为端面提供弹力，弹力一面作用在石墨环上，另一面作用在限位挡圈上，当发动机中振动、温度等载荷剧烈波动时，挡圈受弹力作用发生变形可能从挡圈槽中弹出，届时密封安装座内各零件会脱离设计位置，与高速旋转件发生碰磨，严重威胁发动机的安全，目前已在某发动机试验中已经发生过该故障。 [0004] 同时，现有浮环密封装置安装于轴承腔中，通常通过轴承腔内润滑油飞溅进行润滑，未设置密封装置冷却结构，导致密封装置冷却不足，运转过程中密封装置在工作温度下会产生径向膨胀，而石墨的热系数膨胀量小于密封跑道材料的热膨胀系数，因此导致两者间间隙减小，当间隙减小至石墨环与密封跑道发生碰磨时，浮环密封装置性能会下降直至石墨环被抱死，而如果在设计之初将密封间隙设计过大，导致泄漏量增大，而无法满足密封要求。 [0005] 基于此，本发明提供了一种磁力吸附的浮环密封装置及方法。发明内容 [0006] 针对上述问题，本发明提供了一种磁力吸附的浮环密封装置及方法。 [0007] 本发明的一个目的是提供一种磁力吸附的浮环密封装置。 [0008] 所述磁力吸附的浮环密封装置包括旋转轴和安装在旋转轴上的轴承， [0009] 所述轴承背离旋转轴的端面安装有安装座，所述安装座上靠近所述轴承处设有密封结构； [0010] 所述旋转轴上靠近所述轴承处设有密封跑道，所述密封跑道位于所述密封结构和旋转轴之间； [0011] 所述密封跑道设有存油槽，所述存油槽用于增加密封跑道的冷却面积，并用于存储冷却油，所述冷却油用于密封跑道的冷却； [0012] 所述安装座的内部设有冷却油通道和冷却油喷嘴，所述冷却油通道与所述冷却油喷嘴连通，所述冷却油通道用于引导冷却油进入所述安装座内，所述冷却油喷嘴用于引导安装座内的冷却油进入所述存油槽。 [0013] 进一步地，所述密封跑道与所述旋转轴过盈配合。 [0014] 进一步地，所述密封结构包括密封壳体，所述密封壳体与所述安装座过盈安装； [0015] 所述密封壳体的径向截面为“L”型； [0016] 所述密封壳体的“L”型的转折端设有磁力对象环，所述磁力对象环磁连接有磁力镶装环； [0017] 所述磁力镶装环上镶嵌有石墨环； [0018] 所述石墨环与所述密封跑道构成圆周密封界面。 [0019] 进一步地，所述磁力镶装环上与所述石墨环接触拐角处设有砂轮越程槽。 [0020] 进一步地，所述磁力对象环与所述密封壳体通过焊接形成一体化结构。 [0021] 进一步地，所述密封壳体采用非磁性金属材料制成。 [0022] 进一步地，所述密封壳体的“L”型的水平部分顶端设有安装槽，所述安装槽内设有第一挡圈。 [0023] 进一步地，在250℃下所述磁力镶装环与所述石墨环之间的过盈量大于等于0.05mm。 [0024] 进一步地，所述密封壳体与所述安装座间的过盈量为0.01mm～0.03mm。 [0025] 本发明的另一个目的在于提供一种磁力吸附的浮环密封装置的密封方法。 [0026] 所述磁力吸附的浮环密封装置的密封方法包括： [0027] 在旋转轴上安装轴承，再在安装轴承上安装安装座，在安装座上过盈安装密封结构，在旋转轴上靠近装轴承处过盈安装密封跑道，使得密封跑道位于密封结构和旋转轴之间； [0028] 冷却油通过安装座的冷却油通道进入安装座内，并沿着安装座的冷却油喷嘴喷射到密封跑道的存油槽； [0029] 在密封跑道旋转时，在密封装置与密封跑道之间通过小间隙的流阻作用，冷却油在存油槽内流动，用于对密封跑道的冷却，在密封装置与密封跑道之间通过小间隙的流阻作用，完成浮环密封装置的密封。 [0030] 本发明的有益效果： [0031] 本发明通过冷却油通道、冷却油喷嘴，以及存油槽的设置，构成了冷却机构，实现了对密封跑道的冷却，防止密封跑道因运转温度升高而导致的石墨环与密封跑道之间的间隙变化，提升了石墨环与密封跑道之间的间隙的稳定性，在使密封性能更加稳定的同时，提升了密封装置可靠性； [0032] 本发明通过磁力镶装环和磁力对象环的设置，构成了磁力副，替代现有技术中波形弹簧及垫片，所得本发明提供的浮环密封装置工作中，第一挡圈不承受弹力作用，减小了第一挡圈从安装槽中弹出的风险，同时通过磁力副施加磁力，力载荷分布更加均匀，避免使用波形弹簧时力局部载荷过大引起的局部磨损问题，提升了密封装置的可靠性； [0033] 本发明通过石墨环与密封跑道之间间隙、磁力镶装环与石墨环间过盈量、磁力镶装环与密封壳体之间间隙的设计，防范石墨环与密封跑道之间发生碰磨及卡滞，保证密封装置密封性能可靠； [0034] 综上所述，本发明提供的浮环密封装置具有高可靠性。 [0035] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。附图说明 [0036] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0037] 图1示出了现有浮环密封装置的结构示意图； [0038] 图2示出了根据本发明实施例的一种磁力吸附的浮环密封装置的结构示意图； [0039] 图3示出了根据本发明实施例的一种磁力吸附的浮环密封装置的密封配合关系图。 [0040] 图中： [0041] 1、密封跑道；2、石墨环；3、第一挡圈；4、磁力镶装环；5、密封壳体；6、磁力对象环；7、第二挡圈；8、安装座；9、轴承；10、轴承定位环；11、旋转轴。具体实施方式 [0042] 为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地说明，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。 [0043] 如图2所示，一种磁力吸附的浮环密封装置，包括旋转轴11、安装在旋转轴11上的轴承9； [0044] 所述轴承9背离旋转轴11的端面安装有安装座8，所述安装座8上靠近所述轴承9处设有密封结构，所述密封结构与所述安装座8过盈配合； [0045] 所述旋转轴11上靠近所述轴承9处设有密封跑道1，所述密封跑道1与所述旋转轴11过盈配合，所述密封跑道1位于所述密封结构和旋转轴11之间； [0046] 所述密封跑道1的径向截面为半工字型，所述密封跑道1的半工字型槽设置为存油槽，如图3中S处所示，所述存油槽用于增加密封跑道(1)的冷却面积，并用于存储冷却油，所述冷却油用于对密封跑道1进行冷却，同时，所述存油槽的半工字型结构，增大了冷却油与所述密封跑道1的接触面积，从而使得所述密封跑道1得到充分冷却，减小由于工作温度引起所述密封跑道1的膨胀，提高密封跑道1与密封结构之间的间隙在运转中的稳定性，其中，所述冷却油包括润滑油； [0047] 所述安装座8的径向切面为台阶面，所述安装座8安装有密封结构的台阶面上还设有第二挡圈7，所述第二挡圈7为所述密封结构提供轴向限位； [0048] 所述轴承9为旋转轴11提供支撑，所述轴承9远离密封跑道1的一侧设有轴承定位环10，所述轴承定位环10为轴承9提供限位； [0049] 安装有安装座8的轴承9、密封跑道1、密封结构之间形成了轴承腔，如图2中的K处所示，所述存油槽构成轴承腔的一部分； [0050] 旋转轴11、密封跑道1、密封结构、安装座8与发动机外壳构成了引气腔，如图2中J处所示，所述轴承腔位于所述密封跑道1的内侧(即图2所示密封跑道1的左侧)，所述引气腔位于所述密封跑道1的外侧(即图2所示密封跑道1的右侧)，所述轴承腔为低压腔，所述引气腔为高压腔的设置，便于冷却油能够进入存油槽； [0051] 所述安装座8接触轴承腔的部分内部设有冷却油通道和冷却油喷嘴，如图3中P处和Q处所示，所述冷却油通道用于引导外部冷却油进入所述安装座8，所述冷却油喷嘴用于引导安装座8内的冷却油进入所述存油槽； [0052] 引气腔内的高压的作用以及小间隙的流体阻力作用，阻止存油槽内的冷却油通过密封跑道1和密封结构间的间隙，所述密封跑道1和密封结构构成圆周密封界面； [0053] 外部的冷却油在外部油泵的作用下通过所述冷却油通道进入所述安装座8内，并沿着所述安装座8的冷却油喷嘴喷射到所述存油槽，冷却油喷射方向如图3中R处所示； [0054] 旋转轴11旋转时，带动所述密封跑道1旋转，在高转速下冷却油充满存油槽，并在存油槽内流动，与所述密封跑道1充分接触，同时由于存油槽的半工字型结构增大了冷却油与所述密封跑道1的接触面积，从而使密封跑道1得到充分冷却，减少了由于工作温度引起的密封跑道1的径向膨胀，保持密封结构与密封跑道1之间的间隙在运转中的稳定性；此外，所述存油槽的半工字型结构也可防止存油槽中的冷却油在旋转过程中进入密封结构和密封跑道1的接触处，对密封结构内的零件起到保护作用。 [0055] 在本发明的某些实施例中，所述密封结构包括密封壳体5； [0056] 所述密封壳体5与所述安装座8过盈安装，如图3中O处所示，所述密封壳体5的径向截面为“L”型，所述密封壳体5的“L”型的竖直部分顶端用于对接安装座8的接口，所述密封壳体5为密封结构提供安装空间； [0057] 所述密封壳体5的“L”型的转折端设有磁力对象环6，所述磁力对象环6与所述密封壳体5通过焊接形成一体化结构，所述磁力对象环6与所述密封壳体5的焊接位置如图3中N处所示，所述磁力对象环6磁连接有磁力镶装环4； [0058] 所述磁力镶装环4上镶嵌有石墨环2，所述磁力镶装环4与所述磁力对象环6间产生磁吸引力，对所述石墨环2提供保护，同时为所述石墨环2与所述磁力对象环6的贴合处(如图3中L处所示)的端面密封界面提供压紧力，以防止冷却油(包括润滑油)或气体通过贴合处密封界面； [0059] 所述石墨环2内径与所述密封跑道1外径间设有间隙，如图3中的T处所示，利用小间隙的流体阻力作用，以及引气腔的高压作用下，限制润滑油的泄漏，进而形成圆周密封界面； [0060] 为方便所述磁力镶装环4镶嵌石墨环2，所述磁力镶装环4的径向截面为“L”型，所述石墨环2镶嵌在所述磁力镶装环4的“L”型槽内，所述磁力镶装环4与所述石墨环2过盈配合，所述磁力镶装环4与所述石墨环2之间的过盈量需保证在工况温度下石墨环2与磁力镶装环4不发生脱镶，通常在250℃下所述磁力镶装环4与所述石墨环2之间的过盈量不小于(大于等于)0.05mm； [0061] 所述密封壳体5的“L”型的水平部分顶端设有安装槽，所述安装槽内设有第一挡圈3，所述第一挡圈3用于为密封结构的零件提供限位，用于保证密封结构的独立，所述第一挡圈3选用非磁性材料制成，所述第一挡圈3不受磁力作用； [0062] 所述密封壳体5采用非磁性金属材料制成。 [0063] 在本发明的一些实施例中，所述密封壳体5与所述安装座8间的过盈量为0.01mm～0.03mm。 [0064] 在本发明的一些实施例中，所述安装座8的接口可以通过设置胶圈、采用螺栓法兰连接等途径增强密封效果。 [0065] 在本发明的一些实施例中，所述磁力镶装环4与所述密封壳体5的“L”型的水平部分间隙配合，其中，所述磁力镶装环4与密封壳体5的“L”型的水平部分的间隙如图3中M处所示，所述磁力镶装环4与密封壳体5的“L”型的水平部分的间隙大于旋转轴11工作中最大径向跳动量，以保证工作中旋转轴11跳动时所述石墨环2可以灵活浮动，所述磁力镶装环4与密封壳体5不会发生碰撞。 [0066] 在本发明的一些实施例中，为保证镶嵌时所述石墨环2能安装到位，在所述磁力镶装环4上与所述石墨环2接触拐角处设有砂轮越程槽。 [0067] 在本发明的一些实施例中，为保证所述石墨环2与所述磁力对象环6的贴合处端面贴合的足够紧密，其中，所述石墨环2与磁力对象环6的贴合处如图3中L处所示，在上述端面上需形成0.008～0.03MPa以上的端面压力，所述石墨环2与所述磁力对象环6接触的端面平面度均不大于0.0009mm，粗糙度均不高于Ra0.4μm，以保证上述端面密封可靠性。 [0068] 在本发明的一些实施例中，所述石墨环2与密封跑道1间的间隙在设计时考虑所述浮环密封装置工况温度、压力、转速及泄漏量要求，所述石墨环2与密封跑道1间的间隙在直径方向上为0.1mm～0.3mm(密封跑道1尺寸直径在100mm以内)，当需要更小的泄漏量时，所述石墨环2与密封跑道1间的间隙的值应偏小，同时通过计算保证在使用温度及转速下，所述石墨环2与所述密封跑道1不会发生抱死现象，通常在最高温度(250℃)及转速条件下也应保证在直径方向上有0.1mm以上的间隙值。 [0069] 在本发明的一些实施例中，一种磁力吸附的浮环密封装置的密封方法，包括： [0070] 在旋转轴11上安装轴承9，再在安装轴承9上安装安装座8，在安装座8上过盈安装密封结构，在旋转轴11上靠近装轴承9处过盈安装密封跑道1，使得密封跑道1位于密封结构和旋转轴11之间； [0071] 冷却油通过安装座8的冷却油通道进入安装座8内，并沿着安装座8的冷却油喷嘴喷射到密封跑道1的存油槽； [0072] 在密封跑道1旋转时，冷却油在存油槽内流动，用于对密封跑道1的冷却，在密封装置与密封跑道1之间通过小间隙的流阻作用，完成浮环密封装置的密封。 [0073] 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。