[發明專利]航空發動機篦齒封嚴密封結構

有效

• 申請號: 201410755741.0
• 申請日: 2014-12-10
• 公開（公告）號: CN104514582A
• 公開（公告）日: 2015-04-15
• 發明（設計）人: 張勃;李文凱;吉洪湖
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F01D11/08
• 分類號: F01D11/08
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

技術領域

本發明涉及一種發動機篦齒封嚴結構。

背景技術

隨著航空事業的發展，對飛機的機動性、可靠性和經濟性的要求越來越高，因此迫切需要改進航空發動機的各個部件，以保證發動機高性能的要求。低油耗、高推比、高可靠性和耐久性是現代航空燃氣渦輪發動機的發展趨勢，但是發動機內部的溫度和壓比逐漸升高，使得內流系統的泄漏日趨嚴重，而封嚴的性能直接影響到航空發動機燃油消耗率、飛行成本、推重比等工作性能。為了減少泄漏損失，提高發動機的整體性能，在許多部位改進原有的封嚴裝置顯得尤為重要。國內外研究表明未來航空發動機性能的提高一半將取決于封嚴技術的改善和泄漏量的降低。因此，人們對高性能密封結構的要求越來越迫切，改進和發展新的封嚴裝置對減少耗油率、提高發動機效率具有重要的實用價值和意義。

篦齒封嚴是現役航空發動機中廣泛使用的一種有效的、長壽命的封嚴結構，它是利用通道的突擴和突縮增加流阻以限制流體泄漏的非接觸式動封嚴，流體經過節流間隙時，上游流體的壓力能通過節流作用轉化為速度能，然后在齒腔內速度能通過湍流旋渦耗散為熱能。其密封效果主要取決于其密封間隙的大小和齒數的多少，具有耐高溫、沒有摩擦損耗和適用于高轉速狀況等優點。

篦齒封嚴結構在運行過程中，由于轉子件與靜子件之間存在磨損，導致節流間隙寬度變大，減少篦齒封嚴結構的泄漏量的關鍵在于使流體在齒腔內的能量充分耗散。設計合理的篦齒封嚴結構，就是使得流體介質產生漩渦、射流等有效的流動特征，從而使得流體的能量在流動過程中得到充分的耗散，以實現密封兩側的較大壓差，進而實現封嚴的效果，這就意味著對篦齒封嚴結構的設計提出了更高的要求。

提高航空發動機性能的主要途徑之一是封嚴技術的改善和泄漏量的降低。隨著航空發動機性能指標的不斷提升，對密封性能的要求也日益苛刻，目前發動機渦輪部件轉靜件之間主要采用篦齒封嚴技術，其改進主要從幾何參數的優化入手：主要包括5個結構參數，即節流間隙寬度c，齒間距B，齒高H，齒尖寬度t，齒數N等。其密封性能的進一步改進主要集中在主要齒形參數的優化設計，主要著眼點為減少氣流的軸向流動。

但是實際工況中，渦輪轉子部件處于高速旋轉中，篦齒封嚴的周向速度能夠達到50m/s以上，氣流周向流動不可忽略，可見，降低氣流的周向流動能夠起到明顯的降低總流量的目的。而傳統的篦齒封嚴結構周向為光滑流道，流阻較小，難以起到周向阻塞的作用。

發明內容

本發明提供一種增加航空發動機篦齒齒腔內周向阻力的篦齒封嚴密封結構，通過降低氣流的周向流動進而達到降低總流量的目的。具體技術方案如下：

一種航空發動機篦齒封嚴密封結構，包括封嚴襯套、轉軸、轉軸周向表面具有若干級篦齒，相鄰兩級篦齒之間形成篦齒齒腔，封嚴襯套通過篦齒結構安裝在轉軸上；其特征在于：篦齒齒腔內沿周向分布齒腔隔板，將篦齒齒腔的光滑環形流道加以分割，形成連續的周向腔體區域。

進一步的，齒腔隔板與轉軸軸線平行且垂直于篦齒齒腔的環形面；齒腔隔板環形陣列間隔60°分布，相鄰兩篦齒齒腔內的齒腔隔板間隔30°交錯分布；齒腔隔板高度為篦齒齒高H的9/10、寬度與篦齒齒腔寬度W相同；共設5級篦齒，形成4個篦齒齒腔，第一篦齒齒腔內齒腔隔板分布與第三篦齒齒腔內齒腔隔板分布一致，第二篦齒齒腔內齒腔隔板分布與第四篦齒齒腔內齒腔隔板分布一致，第一篦齒齒腔內齒腔隔板與第二篦齒齒腔內齒腔隔板間隔30°交錯分布。

齒腔隔板采用等厚度的矩形隔板，其底部與篦齒齒腔底部鉛焊無縫連接，而端部略低于篦齒高度，兩側與相鄰兩級篦齒鉛焊無縫連接，通過齒腔隔板將篦齒腔體均勻分割為n份，形成連續分布的周向流動腔室。

現有技術的篦齒封嚴結構，上游高壓氣流在流經篦齒時，在上下游壓差作用下，具有較大的軸向速度，同時，由于篦齒位于轉軸上，氣流受到篦齒周向運動的影響，在壁面粘性作用下，表現出較大的周向運動速度，因此，氣流主要具有軸向與周向速度。當氣流通過封嚴流通間隙，進入篦齒齒腔，流體經過節流間隙時，上游流體的壓力能通過節流作用轉化為速度能，氣流在齒腔內形成渦旋，速度能通過湍流旋渦耗散為熱能。上述分析主要針對氣流的軸向流動展開，而氣流另一部分周向流動則由于周向流阻較小，流動所受影響較小，軸向流動、周向流動如圖1所示，在周向流動過程中陸續沿軸向流入下游，研究表明，在發動機大狀態工作條件下，這部分流量約占整個泄漏量的12％左右。若能增強周向流阻，減小流體的周向流動，則可以進一步降低流體流量，與降低軸向流動相結合，起到降低氣體流動的作用。