本發(fā)明屬于發(fā)動機領(lǐng)域，具體涉及一種多彎反S型篦齒的航空發(fā)動機封嚴(yán)密封結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

隨著航空事業(yè)的發(fā)展，對飛機的機動性、可靠性和經(jīng)濟性的要求越來越高，因此迫切需要改進(jìn)航空發(fā)動機的各個部件，以保證發(fā)動機高性能的要求。低油耗、高推比、高可靠性和耐久性是現(xiàn)代航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的發(fā)展趨勢，但是發(fā)動機內(nèi)部的溫度和壓比逐漸升高，使得內(nèi)流系統(tǒng)的泄漏日趨嚴(yán)重，而封嚴(yán)的性能直接影響到航空發(fā)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(fā)動機的整體性能，在許多部位改進(jìn)原有的封嚴(yán)裝置顯得尤為重要。國內(nèi)外研究表明未來航空發(fā)動機性能的提高一半將取決于封嚴(yán)技術(shù)的改善和泄漏量的降低。因此，人們對高性能密封結(jié)構(gòu)的要求越來越迫切，改進(jìn)和發(fā)展新的封嚴(yán)裝置對減少耗油率、提高發(fā)動機效率具有重要的實用價值和意義。

篦齒封嚴(yán)是航空發(fā)動機長期以來廣泛的一種封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于軸承腔、壓氣機級間、渦輪的級間、燃?xì)飧綦x和冷卻流路等部位。圖1和圖2分別給出了壓氣機級間和渦輪級間的篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)圖。由圖2可見，在渦輪各級間，燃?xì)獾膲毫蜏囟妊剌S向從左到右是逐漸減小的，每級轉(zhuǎn)子葉片或靜子葉片之間都有壓力差，而渦輪轉(zhuǎn)子件和靜子件之間難以避免地存在間隙，那么必然會發(fā)生高壓燃?xì)馕磪⑴c做功而泄漏到低壓區(qū)。因此，從提高發(fā)動機性能的角度出發(fā)，有必要這些位置封嚴(yán)裝置，一是減少因高壓流體泄漏帶走的能量損失，從而提高發(fā)動機效率；二是減小因高溫燃?xì)庵苯舆M(jìn)入低壓渦輪帶來的危害，提高低壓渦輪的可靠性和耐久性。

可以看出，篦齒封嚴(yán)是現(xiàn)役航空發(fā)動機中廣泛使用的一種有效的、長壽命的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，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(yán)，流體經(jīng)過節(jié)流間隙時，上游流體的壓力能通過節(jié)流作用轉(zhuǎn)化為速度能，然后在齒腔內(nèi)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(shù)的多少，具有耐高溫、沒有摩擦損耗和適用于高轉(zhuǎn)速狀況等優(yōu)點。

篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的主要幾何參數(shù)包括7個結(jié)構(gòu)參數(shù)，即節(jié)流間隙寬度c，齒間距B，齒高H，齒寬(齒尖寬度)t，齒數(shù)N，前傾角α，后傾角β，如圖3所示。

篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)在運行過程中，由于轉(zhuǎn)子件與靜子件之間存在磨損，導(dǎo)致節(jié)流間隙寬度變大，減少篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的泄漏量的關(guān)鍵在于使流體在齒腔內(nèi)的能量充分耗散。設(shè)計合理的篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，就是使得流體介質(zhì)產(chǎn)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(xiàn)密封兩側(cè)的較大壓差，進(jìn)而實現(xiàn)封嚴(yán)的效果，這就意味著對篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了更高的要求，其原理如圖4所示。

流體從進(jìn)口處的高壓區(qū)域向出口處的低壓區(qū)域方向流動，流體撞向第一節(jié)篦齒后會迅速收縮，流體擠入齒尖間隙，原先的大尺度渦結(jié)構(gòu)變?yōu)镮區(qū)所示的形狀，此時，渦結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，但是與主要大渦結(jié)構(gòu)并未脫離，在變形過程中，其壓力能部分轉(zhuǎn)換為流體的動能，以最大速度通過齒尖，然后一部分貼壁射流進(jìn)入下一節(jié)齒尖間隙，另一部分則進(jìn)入齒腔后產(chǎn)生渦流。流體在齒腔里會受到強烈的摩擦作用，膨脹減速，最終流體的動能會轉(zhuǎn)化為熱能在齒腔里面耗散，總能量損失增加(圖4)。

當(dāng)氣流通過封嚴(yán)流通間隙，進(jìn)入篦齒齒腔，流體經(jīng)過節(jié)流間隙時，上游流體的壓力能通過節(jié)流作用轉(zhuǎn)化為速度能，氣流在齒腔內(nèi)形成渦旋，速度能通過湍流旋渦耗散為熱能。從上述分析可以看出，氣流在篦齒齒腔內(nèi)的能量耗散對篦齒泄漏量影響較大，在腔體內(nèi)部引入高速射流，能強化篦齒齒腔內(nèi)的流動摻混，增強動能耗散，則可以有效降低篦齒泄漏量。

提高航空發(fā)動機性能的主要途徑之一是封嚴(yán)技術(shù)的改善和泄漏量的降低。隨著航空發(fā)動機性能指標(biāo)的不斷提升，對密封性能的要求也日益苛刻。研究表明：國內(nèi)外現(xiàn)役發(fā)動機機中空氣密封設(shè)備主要采用篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，其密封性能的進(jìn)一步改進(jìn)主要集中在篦齒自身主要齒形參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

從國內(nèi)外研究可以看出，目前篦齒封嚴(yán)泄漏量降低主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，即篦齒自身主要齒形參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，通過對圖2所示幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，增加篦齒沿程氣流動能耗散，降低流速，起到降低泄漏量的目的。近年來，研究主要集中在針對齒尖、齒腔幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計上，大幅提升了篦齒結(jié)構(gòu)的密封特性。對于傳統(tǒng)的梯形篦齒而言，其幾何參數(shù)的影響研究較為深入，通過幾何尺寸的變化降低泄漏量的效果較小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種多彎反S型篦齒的航空發(fā)動機封嚴(yán)密封結(jié)構(gòu)，增強流體在齒壁上流動的分離，增加流體在齒腔內(nèi)的摻混與耗散，起到強化耗散，減少泄漏的作用。

為達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種多彎反S型篦齒的航空發(fā)動機封嚴(yán)密封結(jié)構(gòu)，包括封嚴(yán)襯套、轉(zhuǎn)軸以及分布在轉(zhuǎn)軸上的若干級篦齒，在相鄰兩級篦齒之間形成篦齒齒腔，在篦齒的頂端與封嚴(yán)襯套的頂壁之間形成齒間間隙；進(jìn)入齒間間隙的流體一部分貼壁射流進(jìn)入下一級篦齒的齒間間隙從而形成齒尖射流，另一部分流體進(jìn)入兩級篦齒間的篦齒齒腔后產(chǎn)生渦流；所述的篦齒為反S形，使篦齒齒壁形成兩道彎道，所述的篦齒為反S形，使篦齒齒壁形成兩道彎道，促進(jìn)迎風(fēng)面貼壁流體脫壁，并且在壁面附近形成反向渦旋，強化篦齒齒腔的流體摻混。

將篦齒齒形設(shè)計為多彎結(jié)構(gòu)，流體在齒腔流動過程中，由于齒壁迎風(fēng)面的彎曲形狀(如圖5所示)，使得流體在貼壁流動中，容易形成脫壁(I區(qū))，形成與軸向相反的分速度，對左側(cè)的齒腔渦旋形成沖擊，從而強化摻混。另一方面，在齒壁S形背風(fēng)面與迎風(fēng)面的作用下，齒腔渦旋由傳統(tǒng)的圓形轉(zhuǎn)變?yōu)镾形(II區(qū))，摻混濕邊周長增大，使得流體耗散增強。

優(yōu)選的，共設(shè)計三級篦齒，密封結(jié)構(gòu)依次為第一反S形篦齒封嚴(yán)、第一反S形封嚴(yán)腔體、第二反S形篦齒封嚴(yán)、第二反S形封嚴(yán)腔體、第三反S形封嚴(yán)篦齒、第三反S形封嚴(yán)腔體。

篦齒結(jié)構(gòu)沿徑向分為齒尖段h1,齒中段h2，齒根段h3，沿軸向分為齒前段t1，齒中段t2，齒后段t3。

反S形篦齒型面會對迎風(fēng)面流體附壁流動產(chǎn)生較大影響，其曲率越大，其貼壁流體脫壁越容易發(fā)生。

篦齒背風(fēng)面外形曲線形式也對對應(yīng)位置流體的流動具有較大影響。適當(dāng)?shù)那€形式能夠促進(jìn)壁面附近的反向渦旋形成，通過控制反向渦旋形成位置，與流體迎風(fēng)面流動形成優(yōu)化配合，強化流體摻混。

進(jìn)一步的，對篦齒的齒形參數(shù)優(yōu)化設(shè)計：

篦齒的齒尖高度h1大于齒中高度h2大于齒根高度h3；

篦齒的齒前寬度t1大于齒后寬度t3大于齒中寬度t2；

篦齒齒腔的寬度B大于t1+t2+t3。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)通過改變篦齒的傳統(tǒng)幾何外形，將篦齒形狀設(shè)計為多彎反S形，齒壁形成兩道彎道，改變齒腔內(nèi)渦旋的傳統(tǒng)近圓型結(jié)構(gòu)，增加了渦旋與外界流體接觸的濕邊周長；利用篦齒齒形輪廓的反S曲線形狀，通過對篦齒徑向、軸向結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，有效控制流動的壁面分離位置與流線方向，與受到反S形齒壁擠壓形成的異形渦旋相摻混，強化腔內(nèi)流體的摻混，降低流體泄漏量。強化單級篦齒的節(jié)流、耗散效果，通過較少級數(shù)的篦齒，降低封嚴(yán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，實現(xiàn)較佳的的封嚴(yán)效果。

附圖說明

圖1：壓氣機級間封嚴(yán)。

圖2：渦輪級間封嚴(yán)。

圖3：篦齒主要結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。

圖4：篦齒密封原理示意圖。

圖5：反S型篦齒強化摻混原理示意圖。

圖6：反S形篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7：航空發(fā)動機多彎反S型篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8：航空發(fā)動機多彎反S型篦齒封嚴(yán)軸向剖視圖。

圖9：航空發(fā)動機多彎反S型篦齒封嚴(yán)左視圖。

圖中：1-第一反S形篦齒封嚴(yán)、2-第一反S形封嚴(yán)腔體、3-第二反S形篦齒封嚴(yán)、4-第二反S形封嚴(yán)腔體、5-第三反S形封嚴(yán)篦齒、6-第三反S形封嚴(yán)腔體、7-封嚴(yán)襯套、8-轉(zhuǎn)軸。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

一種多彎反S型篦齒的航空發(fā)動機封嚴(yán)密封結(jié)構(gòu)，包括封嚴(yán)襯套、轉(zhuǎn)軸以及分布在轉(zhuǎn)軸上的若干級篦齒，在相鄰兩級篦齒之間形成篦齒齒腔，在篦齒的頂端與封嚴(yán)襯套的頂壁之間形成齒間間隙；進(jìn)入齒間間隙的流體一部分貼壁射流進(jìn)入下一級篦齒的齒間間隙從而形成齒尖射流，另一部分流體進(jìn)入兩級篦齒間的篦齒齒腔后產(chǎn)生渦流；所述的篦齒為反S形，使篦齒齒壁形成兩道彎道，促進(jìn)迎風(fēng)面貼壁流體脫壁，并且在壁面附近形成反向渦旋，強化篦齒齒腔的流體摻混。

流體在齒腔流動過程中，由于篦齒迎風(fēng)面彎曲，使得流體在貼壁流動中，容易形成脫壁，為I區(qū)，形成與軸向相反的分速度，對左側(cè)的齒腔渦旋形成沖擊，強化摻混；另一方面，在齒壁S形背風(fēng)面與迎風(fēng)面的作用下，齒腔渦旋形成S形，為II區(qū)，摻混濕邊周長增大，流體耗散增強，如圖5。

共設(shè)三級篦齒，密封結(jié)構(gòu)依次為第一反S形篦齒封嚴(yán)1、第一反S形封嚴(yán)腔體2、第二反S形篦齒封嚴(yán)3、第二反S形封嚴(yán)腔體4、第三反S形封嚴(yán)篦齒5、第三反S形封嚴(yán)腔體6。

篦齒結(jié)構(gòu)沿徑向分為齒尖段h1,齒中段h2，齒根段h3，沿軸向分為齒前段t1，齒中段t2，齒后段t3。

反S形篦齒型面會對迎風(fēng)面流體附壁流動產(chǎn)生較大影響，其曲率越大，其貼壁流體脫壁越容易發(fā)生。

篦齒背風(fēng)面外形曲線形式也對對應(yīng)位置流體的流動具有較大影響。適當(dāng)?shù)那€形式能夠促進(jìn)壁面附近的反向渦旋形成，通過控制反向渦旋形成位置，與流體迎風(fēng)面流動形成優(yōu)化配合，強化流體摻混。

進(jìn)一步的，對篦齒的齒形參數(shù)優(yōu)化設(shè)計：

篦齒的齒尖高度h1大于齒中高度h2大于齒根高度h3；篦齒的齒前寬度t1大于齒后寬度t3大于齒中寬度t2；篦齒齒腔的寬度B大于t1+t2+t3。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對以上實施例所作的任何簡單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。