一种篦齿封严结构和封严结构的制作方法

1.本发明涉及航空发动机封严领域，具体涉及发动机转静子间轴承腔密封领域。


背景技术：

2.随着航空事业的发展，对飞机的机动性、可靠性和经济性的要求越来越高，因此迫切需要改进航空发动机的各部件，以保证发动机高性能的要求。低油耗、高推重比、搞可靠性和耐久性是现代航空燃气涡轮发动机的发展趋势，但是发动机的内部温度和压比逐渐升高，使得内流系数的泄露日趋严重，而封严的性能直接影响到航空发动机燃油性能消耗率、飞行成本、推重比等工作性能。为了减少泄露损失，提高发动机的整体性能，在许多部位改进原有的封严装置显得尤为重要。
3.国内外研究表明，在未来航空发动机性能的提高一半将取决于封严技术的改善和泄露量的降低。因此，人们对高性能的封严密封结构的要求越来越迫切，改进和发展新的封严装置对减少耗油率、提高发动机效率具有重要的实用价值。
4.为了确保转静子之间的气路密封，现役发动机使用最广泛的是封严篦齿结构，它是利用通道的突扩和突缩增加流阻以限制流体泄露的非接触式动封严。轴承腔滑油密封的主要功能是将发动机转子系统的轴承腔与发动机的气流环境有效的隔离，保护轴承和润滑油免受气流流路损害，防止润滑油泄露。于是，为了避免在封严处出现逆压差而腔内滑油从密封通流间隙泄漏而增大轴承腔外气压，但是这也将导致空气泄露量增大而提升更高的滑油消耗，甚至高温高压气体泄漏进轴承腔而增大滑油在轴承腔内燃烧和结焦的风险。
5.因此，有必要提出一种篦齿封严结构，以进一步提升封严性能。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的是提供一种篦齿封严结构，能够有强化齿顶封严效果，有效阻隔气体泄漏。
7.为实现上述目的的篦齿封严结构设置于转子件上，用于阻挡第一空间和第二空间的第一气流的流动，包括多排周向篦齿环，还包括气流通道和多个预旋叶片。所述气流通道的集气口设置在所述周向篦齿环朝向所述第一空间和/或所述第二空间的轴向外侧壁上，出口设置在所述周向篦齿环的外周面上；多个预旋叶片设置在所述周向篦齿环的周向侧，所述出口位于相邻所述预旋叶片之间；其中，所述气流通道用于引入所述第一空间或/和所述第二空间内的齿底气流，并引导所述齿底气流径向上升后经所述出口排出，形成齿顶气流，所述预旋叶片用于增压所述齿顶气流并引导所述齿顶气流换向，使所述齿顶气流朝向所述第一气流的流动方向喷出，以阻挡所述第一气流。
8.在一个或多个实施例中，该结构还包括多个增压板，分别设置在各所述集气口周围，以形成集气凸耳，所述增压板具有一定弧度，以使所述集气凸耳形成用于抽吸所述齿底气流的弧形流道。
9.在一个或多个实施例中，所述增压板的弧向设置成与转动方向相同。
10.在一个或多个实施例中，所述周向篦齿环的周向侧包括环形集气腔，所述预旋叶片设置在所述环形集气腔内，相邻所述预旋叶片和所述环形集气腔共同限定出所述齿顶气流的流动空间。
11.在一个或多个实施例中，所述气流通道沿径向方向呈渐缩状。
12.本发明的另一个目的在于提供一种封严结构，该结构包括转子件和静子件，所述转子件上包括上述篦齿封严结构。
13.在一个或多个实施例中，所述静子件上包括封严环，所述封严环与周向篦齿环形成间隙。
14.在一个或多个实施例中，所述封严环的内周面为蜂窝结构或涂层结构。
15.上述篦齿封严结构通过设置气流通道，抽吸篦齿齿底气流，并通过设置位于周向篦齿环上的预旋叶片，将齿底气流压缩做功进行增压，并改变转向以形成齿顶气流，该股齿顶气流朝向第一气流的流动方向喷出，能够有效阻挡第一气流的流动路径，且产生冲击的两股气流将在齿顶处形成紊流，进一步阻挡了后续第一气流的流动，从而有效阻挡了第一空间和第二空间之间的气流流动，且经由预旋叶片压缩做功的气流在齿顶处形成高压区，阻挡了篦齿两侧的气流流动，从而形成较佳的封严效果。
附图说明
16.本发明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：
17.图1是航空发动机轴承腔的示意图。
18.图2是封严篦齿的一个实施例的三维剖切示意图。
19.图3是封严篦齿的一个实施例的剖面图。
20.图4是沿图3中a-a方向的剖面图。
21.符号标记说明
22.1、轴承腔
23.2、传统封严结构
24.3、第一轴承
25.4、第二轴承
26.5、转子件
27.6、静子件
28.10、轴承外腔
29.11、轴承内腔
30.12、压缩气
31.13、油气气流
32.15、第一气流
33.30、集气口
34.31、气流通道
35.32、预旋叶片
36.33、环形集气腔
37.36、出口
38.37、增压板
39.50、周向篦齿环
40.51、第一周向篦齿环
41.52、第二周向篦齿环
42.53、第三周向篦齿环
43.60、转动方向
44.61、封严环
45.73、齿底气流
46.74、齿顶气流
47.100、第一空间
48.200、第二空间
具体实施方式
49.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明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发明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发明的保护范围。
50.需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，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发明实际要求的保护范围构成限制。
51.参照图1所示，航空发动机中转静子之间形成的轴承腔1通常利用空气和传统封严结构2进行封严，以确保用于第一轴承3和第二轴承4润滑和冷却的滑油不发生泄漏。
52.在发动机运转过程中，轴承内腔11内的滑油通常以油气的形式存在，轴承外腔10将向轴承内腔11引一股具备一定压力的压缩气12，压缩气12试图将外泄的油气气流13堵在轴承内腔11，以建立起轴承内腔11的压力。为了提升压缩气12对油气气流13的密封效果，甚至减少压缩气12的使用量，通常在转子件5和静子件6之间设计封篦齿封严结构。
53.图2至图4示出了本技术所公开的一种篦齿封严结构，能够避免空气与油气间的流动，提高封严效果。
54.需要说明的是，下述介绍使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不表示主次，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
55.图2所示的篦齿封严结构设置于转子件5上，用于阻挡第一空间100和第二空间200间的第一气流15的流动，第一空间100和第二空间200可以是图1中所指的轴承外腔10将向轴承内腔11，也可以是其它需要封严的两腔体。
56.第一气流15可以为由轴承外腔10向轴承内腔11引入的压缩气12，也可以为由轴承内腔11向由轴承外腔10泄漏的由轴承外腔10。
57.篦齿封严结构用于阻挡轴承外腔10和轴承内腔11之间的气流之间的互换，避免压缩气12进入轴承内腔11而造成较大的滑油消耗和燃烧结焦风险，又用于阻挡油气气流13外泄至轴承外腔10，从而避免油气对发动机的气流环境造成影响。
58.篦齿封严结构包括多排周向篦齿环50，还包括气流通道31和多个预旋叶片32。气流通道31的集气口30设置在周向篦齿环50朝向第一空间100和/或第二空间200的轴向外侧壁上，出口36设置在周向篦齿环50的外周面上。多个预旋叶片32设置在周向篦齿环50的周向侧，出口36位于相邻预旋叶片32之间。
59.其中，气流通道31用于引入第一空间100或/和第二空间200内的齿底气流73，并引导齿底气流73径向上升后经出口36排出，形成齿顶气流74，预旋叶片32用于增压齿顶气流74，并引导齿顶气流74换向，使齿顶气流74朝向第一气流15的流动方向喷出，以阻挡第一气流15。
60.图2和图3的实施例示出了三排周向篦齿环，气流通道31设置在朝向第一空间100和第二空间200的轴向外侧面上，如第一周向篦齿环51朝向第一空间100的轴向侧面，或第二周向篦齿环52朝向第二空间200的轴向侧面，以便于吸入来自第一空间100或/和第二空间200内的气流。而位于中部的第三周向篦齿环53不设计气流通道31。
61.继续参照图3和4所示，位于第一空间100或/和第二空间200内的靠近第一周向篦齿环51附近存在一股齿底气流73，该齿底气流73被集气口30吸入气流通道31。
62.由于气流通道31呈径向延伸分布，因此能够使吸入的齿底气流73在齿高方向径向上升，并最终由第一周向篦齿环51的周向侧上的出口36排出。此时齿底气流73已变为齿顶气流74。
63.该股齿顶气流74经预旋叶片32的压缩做功后，从齿尖处带一定预旋角度喷出，以阻隔了轴向流动的第一气流15。产生冲击的齿顶气流74和第一气流15将在齿顶处形成紊流，进一步阻挡了后续第一气流的流动，从而有效阻挡了第一空间100和第二空间200之间的气流流动，形成较佳的封严效果。
64.同时，预旋叶片32对齿顶气流74压缩做功，将升压齿顶气流74，使齿顶处的压力高于两侧，将进一步阻挡两侧气流的流动。
65.为了进一步获得较佳的吸气效果，在一个实施例中，该结构还包括多个增压板37，分别设置在各集气口30周围，以形成集气凸耳，增压板37具有一定弧度，以使集气凸耳形成用于抽吸齿底气流73的弧形流道。
66.结合图2所示，增压板37的弧向设置成与转动方向60相同，并限定出一弧形流道，该结构能够扰乱在转动过程中的齿底附近的气流分布，提高弧面侧的压力，以增加在转动过程中对齿底附近的气流的抽吸效果。
67.为了获得更好的封严效果，通过对出口处的齿顶气流74精心设计，使其借助发动机转轴运转和预旋叶片32的干扰，以形成有效对抗第一气流15的强气流。
68.在一个实施例中，周向篦齿环50的周向侧包括环形集气腔33，预旋叶片32设置在环形集气腔33内，相邻预旋叶片32和环形集气腔33共同限定出齿顶气流74的流动空间。
69.结合图4所示，环形集气腔33位于周向篦齿环50的周向侧，预旋叶片32设置在环形集气腔33中，优选的，预旋叶片32的高度和环形集气腔33的深度相同。
70.气流通道31的出口36设置在预旋叶片32之间，相邻的两片预旋叶片32和环形集气腔33的两侧壁限定了齿顶气流74的流动空间，齿顶气流74在该流动空间处被压缩升压，并被改变流动方向。
71.具体的，预旋叶片32的方向设计成能够促使齿顶气流74换向，使齿顶气流74沿叶
片周向切线方向流出。如齿顶气流74以v1所示的方向经由出口36排出，在发动机转轴运转切向速度vr的作用下，原本的v1速度变为v2，此时篦齿齿尖喷出的齿顶气流74为具有v2方向的高速气流，该股高速气流将有效阻隔轴向第一气流15的流动，并在齿尖附近形成紊流。
72.且受到齿顶气流74的影响，此时齿尖处的压力也将大于第一周向篦齿环51两侧的压力，形成高压区。高压区将进一步顶住两侧气流的相互流通，此外高压区处的气体也将自然向两侧低压区流动，从而形成与第一气流15流动方向相反的气流，进一步起到封严的作用。
73.在一个实施例中，气流通道31沿径向方向呈渐缩状，以进一步增加流出的齿顶气流的流速。
74.因此，上述篦齿封严结构可在各转速阶段有效密封第一空间和第二空间之间的气流流动，从而降低对压气机出口引气量的需求，而压气机的引气量降低后，可以提高整机性能，降低发动机的耗油率，在载油量相同的情况下，可以增加飞机航程，并降低涡轮进口温度，从而延长涡轮的使用寿命，延长发动机的大修及报废周期，有效降低成本；还可以降低轴承腔滑油消耗量，阻隔高温封严气和滑油腔油气，从而有效提升轴承工作性能，确保有效润滑和冷却。同时，阻隔高温封严其和滑油腔油气可防止高温高压气体泄漏进轴承腔而造成滑油在轴承腔内燃烧和结焦。
75.结合上述对篦齿封严结构的介绍，还可以理解到一种封严结构，该包括静子件6和转子件5，转子件5上使用上述篦齿封严结构。
76.静子件6上包括封严环61，封严环61与周向篦齿环50形成间隙。篦齿齿顶与封严环61内环存在间隙，既可以防止转静子碰磨，也可以减少轴承腔1内外空气的流通，而起到封严的效果。
77.在一个实施例中，封严环61的内周面为蜂窝结构或涂层结构，以增强密封效果。
78.上述封严结构具有较佳的封严效果，能够有效避免第一空间和第二空间内的气流彼此流动，降低发动机的耗油率，提升整机性能。
79.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
80.同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
81.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明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，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

技术特征：
1.篦齿封严结构，设置于转子件(5)上，用于阻挡第一空间(100)和第二空间(200)间的第一气流(15)的流动，包括多排周向篦齿环(50)，其特征在于，还包括：气流通道(31)，所述气流通道(31)的集气口(30)设置在所述周向篦齿环(50)朝向所述第一空间(100)和/或所述第二空间(200)的轴向外侧壁上，出口(36)设置在所述周向篦齿环(50)的外周面上；多个预旋叶片(32)，设置在所述周向篦齿环(50)的周向侧，所述出口(36)位于相邻所述预旋叶片(32)之间；其中，所述气流通道(31)用于引入所述第一空间(100)或/和所述第二空间(200)内的齿底气流(73)，并引导所述齿底气流(73)径向上升后经所述出口(36)排出，形成齿顶气流(74)，所述预旋叶片(32)用于增压所述齿顶气流(74)并引导所述齿顶气流(74)换向，使所述齿顶气流(74)朝向所述第一气流(15)的流动方向喷出，以阻挡所述第一气流(15)。2.如权利要求1所述的篦齿封严结构，其特征在于，该结构还包括多个增压板(37)，分别设置在各所述集气口(30)周围，以形成集气凸耳，所述增压板(37)具有一定弧度，以使所述集气凸耳形成用于抽吸所述齿底气流(73)的弧形流道。3.如权利要求2所述的篦齿封严结构，其特征在于，所述增压板(37)的弧向设置成与转动方向相同。4.如权利要求1所述的篦齿封严结构，其特征在于，所述周向篦齿环(50)的周向侧包括环形集气腔(33)，所述预旋叶片(32)设置在所述环形集气腔(33)内，相邻所述预旋叶片(32)和所述环形集气腔(33)共同限定出所述齿顶气流(74)的流动空间。5.如权利要求1所述的篦齿封严结构，其特征在于，所述气流通道(31)沿径向方向呈渐缩状。6.一种封严结构，包括静子件和转子件，其特征在于，所述转子件(5)上包括如权利要求1-5任一项所述的篦齿封严结构。7.如权利要求6所述的封严结构，其特征在于，所述静子件(6)上包括封严环(61)，所述封严环(61)与周向篦齿环(50)形成间隙。8.如权利要求7所述的封严结构，其特征在于，所述封严环(61)的内周面为蜂窝结构或涂层结构。

技术总结
提供一种篦齿封严结构，包括气流通道和多个预旋叶片，气流通道的集气口设置在周向篦齿环朝向第一空间和/或第二空间的轴向外侧壁上，出口设置在周向篦齿环的外周面上；多个预旋叶片设置在周向篦齿环的周向侧，出口位于相邻预旋叶片之间；其中，气流通道用于引入第一空间或/和第二空间内的齿底气流，并引导齿底气流径向上升后经出口排出，形成齿顶气流，预旋叶片用于增压齿顶气流并引导齿顶气流换向，使齿顶气流朝向第一气流流动方向喷出，以阻挡第一气流。该结构具有较佳的封严效果。还提供一种封严结构。一种封严结构。一种封严结构。


技术研发人员：黄正斌 李敏 朱凯
受保护的技术使用者：中国航发商用航空发动机有限责任公司
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2023/9/23