本專利屬于密封技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有流體自循環(huán)動(dòng)壓效應(yīng)的指尖密封，適合于高轉(zhuǎn)速、存在章動(dòng)的軸向位移和進(jìn)動(dòng)的徑向位移、工作壽命要求較高的氣體介質(zhì)密封場(chǎng)合。

背景技術(shù)：

密封技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)中具有十分重要的作用。先進(jìn)密封技術(shù)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和壽命的同時(shí)，能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率和飛行成本。當(dāng)前應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要密封類型有篦齒密封、刷密封、石墨浮環(huán)密封等。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的不斷提高，傳統(tǒng)的密封方式，如篦齒密封，已難以滿足其在工作效率、推重比、耗油率、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面的多重要求。刷式密封的發(fā)明，解決了篦齒密封泄漏率大，導(dǎo)致工作效率低、耗油率高的問題，同時(shí)還帶來(lái)了刷絲脫落或疲勞斷裂的安全隱患；氣膜密封的出現(xiàn)，較好地解決了章動(dòng)的軸向位移和進(jìn)動(dòng)的徑向位移對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)間、壓氣機(jī)出口、渦輪入口、軸承腔室等的回流或泄漏的影響，但氣膜密封需要阻塞流體供應(yīng)系統(tǒng)，由于這些阻塞流體來(lái)自壓氣機(jī)，因而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率；指尖密封的發(fā)明，克服了刷絲脫落或疲勞斷裂的安全隱患，但轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的徑向位移增大了轉(zhuǎn)子的磨損，指尖梁與后擋板之間的摩擦帶來(lái)的指尖梁回復(fù)遲滯性，還增加了流體的泄漏。

中國(guó)專利cn106246242a公開的一種有肋片的非接觸式指尖密封裝置，通過(guò)流體靜壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的流體動(dòng)壓作用，對(duì)指尖靴底部產(chǎn)生抬升作用，在轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向位移時(shí)，該結(jié)構(gòu)能更加有效地自動(dòng)調(diào)節(jié)指尖片姿態(tài)，使指尖片的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)轉(zhuǎn)子的徑向跳動(dòng)，在保證密封效果的同時(shí)使密封和轉(zhuǎn)子之間實(shí)現(xiàn)非接觸；在低壓側(cè)的指尖梁與低壓指尖靴之間布置了肋片，使低壓指尖片不再與后擋板接觸，減弱甚至消除了“遲滯效應(yīng)”。但肋片的加入也增加了指尖靴的剛性，使得轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生徑向位移及工作溫升導(dǎo)致轉(zhuǎn)子徑向尺寸增大時(shí)，轉(zhuǎn)子與指尖靴之間發(fā)生接觸而產(chǎn)生摩擦，造成磨損。這就要求增大轉(zhuǎn)子與指尖靴之間的預(yù)裝間隙，而預(yù)裝間隙的增加意味著初始泄漏量將會(huì)增加。

中國(guó)專利cn104864102a公開的一種后擋板帶微孔織構(gòu)非接觸式指尖密封裝置，在低壓密封片的接觸區(qū)域設(shè)置織構(gòu)區(qū)，減小低壓密封片與后擋板之間的摩擦系數(shù)，從而改善了遲滯性能。但為了防止轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生徑向位移及工作溫升引起的轉(zhuǎn)子徑向尺寸增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與指尖靴之間發(fā)生接觸而產(chǎn)生摩擦磨損，因而設(shè)計(jì)時(shí)往往增大轉(zhuǎn)子與指尖靴之間的預(yù)裝間隙，而預(yù)裝間隙的增加意味著初始泄漏量將會(huì)增加。

arora提出的一種指尖螺旋密封結(jié)構(gòu)(arorag.k.dualpressurebalancednoncontactingfingerseal.u.s.patent6364316)，將指尖密封與帶有螺旋槽的轉(zhuǎn)子結(jié)合起來(lái)，保證了運(yùn)行狀態(tài)下密封界面具有一定的流體動(dòng)壓，減小了磨損，實(shí)現(xiàn)了密封，克服了氣膜密封需要提供阻塞流體的不足。但是，由于轉(zhuǎn)子上螺旋槽的存在，無(wú)法解決停機(jī)階段高壓介質(zhì)的泄漏。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本技術(shù)的目的在于提供一種運(yùn)行狀態(tài)下具有流體動(dòng)壓與密封能力、停機(jī)狀態(tài)下泄漏率小甚至不泄漏的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置，以克服目前燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)指尖密封“遲滯效應(yīng)”及轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)適應(yīng)性差導(dǎo)致的泄漏率高或磨損量大的不足。

本專利的技術(shù)方案是：

一種自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置，由后擋板4、低壓指尖密封片2以及帶指尖靴9的高壓指尖梁1和轉(zhuǎn)子5組成，帶指尖靴9的高壓指尖梁1、低壓指尖密封片2、后擋板4從高壓至低壓依次疊放通過(guò)鉚釘連接在一起，形成環(huán)，外套在轉(zhuǎn)子5上；

所述的指尖靴9與轉(zhuǎn)子5構(gòu)成密封界面；

所述的指尖靴9上設(shè)置有一直徑為d的引流孔11以及寬度為t的內(nèi)環(huán)槽10，轉(zhuǎn)子5的表面部分加工有螺旋槽7；引流孔11與內(nèi)環(huán)槽10相通，螺旋槽7與內(nèi)環(huán)槽10在徑向方向相對(duì)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，高壓側(cè)的流體經(jīng)引流孔11、內(nèi)環(huán)槽10、螺旋槽7泵送至密封界面，形成流體動(dòng)壓，推開指尖靴，避免了指尖和轉(zhuǎn)子間的摩擦磨損。

上述的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置，所述的高壓指尖梁1與指尖靴9之間布置有肋片12。肋片12屬于現(xiàn)有技術(shù)，內(nèi)容參見cn106246242a。

上述的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置，所述的低壓密封片與高壓指尖梁1接觸的表面設(shè)置有微孔織構(gòu)，微孔織構(gòu)可以設(shè)置在低壓密封片表面，也可以設(shè)置在高壓側(cè)指尖梁表面。微孔織構(gòu)屬于現(xiàn)有技術(shù)，內(nèi)容參見cn104864102a。

上述的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置，所述的引流孔11在轉(zhuǎn)子軸向方向上貼近高壓指尖梁1、位于指尖靴9周向的中部。

上述的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置，所述的內(nèi)環(huán)槽10，其寬度截面的中心線與引流孔11中心線重合，使得由引流孔導(dǎo)出的流體在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中始終能夠通過(guò)轉(zhuǎn)子上螺旋槽的泵送作用進(jìn)入密封界面形成穩(wěn)定的壓力膜。

上述的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置，所述的轉(zhuǎn)子5上的螺旋槽7，其位置與指尖靴9的位置相對(duì)應(yīng)，一頭與內(nèi)環(huán)槽10的軸向外側(cè)面對(duì)齊，另一頭不超過(guò)指尖靴9的懸臂端。螺旋槽的螺旋角α不宜過(guò)大，以防止產(chǎn)生軸向推力，螺旋槽的截面形狀為矩形。

本技術(shù)的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置的工作原理：

運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槽將來(lái)自引流孔的流體泵送至密封界面，形成流體動(dòng)壓，推開指尖靴，避免了指尖和轉(zhuǎn)子間的摩擦磨損；當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)進(jìn)動(dòng)的徑向位移時(shí)，密封界面間的流體膜產(chǎn)生的剛度阻止轉(zhuǎn)子向指尖梁靠近，同時(shí)指尖梁在撓性作用下產(chǎn)生一定量的撓度，避開了與轉(zhuǎn)子的直接接觸。停機(jī)時(shí)，指尖梁在自身及肋片剛度作用下，保持與轉(zhuǎn)子間一定的比壓，實(shí)現(xiàn)密封。

圖1為停機(jī)狀態(tài)下的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置示意圖，圖2為工作狀態(tài)下的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置密封界面流體流動(dòng)方向圖，圖3為螺旋槽內(nèi)流體泵送速度圖。

在槽區(qū)內(nèi)任意位置z處的泵送速度為

式中，z為槽區(qū)內(nèi)任意位置距底部的高度；h為螺旋槽深度；α為螺旋角；v為轉(zhuǎn)子圓周速度；v’為流體沿螺旋槽方向泵送速度。

沿槽深方向泵送速度的平均值ump為

泵送流量qp為泵送速度、橫向槽寬、螺旋槽深度h、螺旋頭數(shù)i的乘積

由螺旋槽的幾何關(guān)系可知

式中，d1為轉(zhuǎn)子直徑；k1為螺旋槽相對(duì)槽寬,

則泵送流量

一種自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置的泄漏流動(dòng)可以沿兩個(gè)路徑產(chǎn)生，一是沿螺旋槽流動(dòng)，另一是越過(guò)螺旋槽槽頂?shù)牧鲃?dòng)。這兩種情況下，泄漏量均可按通過(guò)縫隙流動(dòng)的一般公式來(lái)計(jì)算，即流量＝(壓降×縫深³×縫寬)÷(12×黏度×縫長(zhǎng))

式中，δp為泵出壓力與泵入壓力之差，b為縫寬，h為縫深，μ為密封流體的動(dòng)力粘度，c為縫長(zhǎng)，c＝l/sina，l為螺旋槽長(zhǎng)度。

對(duì)于沿螺旋槽的流動(dòng)

縫深h＝槽深+齒頂間隙＝h+s

縫寬b＝槽的橫向?qū)挾取敛蹟?shù)＝bcosα×i

縫長(zhǎng)c＝l/sinα，l為螺旋軸向長(zhǎng)度

則沿螺旋槽的泄流量為

對(duì)于越過(guò)螺旋槽的流動(dòng)，不論螺旋槽具有何種尺寸，只要是正常的，泄漏阻力幾乎全部來(lái)自齒頂。圖4為螺旋密封展開圖。

縫深h＝對(duì)心齒頂間隙＝s

縫寬b＝abcosα＝adicosα＝decotα·icosα＝(a+b)cotα·icosα(8)

故越過(guò)螺旋槽的泄流量

總泄漏流量q總為q1與q2之和

定義相對(duì)槽深

又

則

當(dāng)泵送流量與泄漏流量相等時(shí)，自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置的密封能力為

由于h＝(k2-1)s

定義密封系數(shù)

則

工作中，當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)偏心(如圖6所示)時(shí)，偏心距為e，對(duì)心齒頂間隙為s，偏心率ε為

e＝e/s(13)

式中，s＝(d2-d1)/2，d2為工作狀態(tài)下密封靴底面直徑。

此時(shí)，沿螺旋槽泄漏的流量和越過(guò)螺旋槽槽頂?shù)男孤┝烤杀硎緸?/p>

則偏心狀態(tài)下總泄漏量為

當(dāng)轉(zhuǎn)子偏心距e＝0時(shí)，即同心，則變?yōu)楣?11a)；

當(dāng)轉(zhuǎn)子偏心距e＝s時(shí)，即完全偏心，則有

由式(16)可知，偏心率對(duì)泄漏量的影響很大，完全偏心產(chǎn)生的泄漏量為同心的2.5倍。

在考慮偏心率ε的情況下，對(duì)式(12a)進(jìn)行改進(jìn)，可得在偏心狀態(tài)下自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置的密封能力為

其中，

由式(17)可知自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置的密封能力減小，偏心率ε越大，泄漏量越大，密封能力越差。

所述的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置在轉(zhuǎn)子出現(xiàn)偏心時(shí)，形成的承載力為

式中，p為引流孔處壓力。

隨著偏心率ε的增大，承載能力逐漸減小，泄漏量逐漸增大。

式(18)中只有ke中的偏心率ε是變量，因此，w是關(guān)于偏心距e的函數(shù)關(guān)系式(19)

對(duì)e進(jìn)行求導(dǎo)，可得到自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置的剛度g

剛度越大，轉(zhuǎn)子越不容易與密封靴發(fā)生接觸。

本技術(shù)的有益效果

相對(duì)于一般的流體動(dòng)壓指尖密封結(jié)構(gòu)，本專利的一種自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置，在工作的過(guò)程中，高壓側(cè)的密封流體可以通過(guò)引流孔進(jìn)入轉(zhuǎn)子的螺旋槽，后又經(jīng)轉(zhuǎn)子上螺旋槽的泵吸作用，使得在指尖靴與轉(zhuǎn)子之間能夠形成穩(wěn)定的壓力膜，達(dá)到密封和減小指尖靴與轉(zhuǎn)子之間的磨損的目的，同時(shí)高壓氣體對(duì)指尖靴的壓力作用又可以減小指尖靴與轉(zhuǎn)子之間的間隙，達(dá)到良好的密封效果?？朔艘话懔黧w動(dòng)壓指尖密封的遲滯效應(yīng)與磨損，提高了流體動(dòng)壓指尖密封的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。此外，由于螺旋槽的一側(cè)與環(huán)槽相對(duì)應(yīng)，另一側(cè)不超過(guò)指尖靴的懸臂端，故在停車工況下，該裝置也夠保證有良好的密封效果。

附圖說(shuō)明

圖1為停機(jī)狀態(tài)下的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置示意圖。

圖2為工作狀態(tài)下的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置密封界面流體流動(dòng)方向圖。

圖3為螺旋槽內(nèi)流體泵送速度圖。

圖4為螺旋密封展開圖。

圖5為圖1中的a-a截面示意圖。

圖6為工作過(guò)程中的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置轉(zhuǎn)子偏心示意圖。

圖7為圖4中帶矩形螺旋槽的轉(zhuǎn)子沿垂直于螺旋槽的f-f線周向展開后的截面示意圖。

圖8為圖4中帶半圓形螺旋槽的轉(zhuǎn)子沿垂直于螺旋槽的f-f線周向展開后的截面示意圖。

圖9為圖4中帶半橢圓形螺旋槽的轉(zhuǎn)子沿垂直于螺旋槽的f-f線周向展開后的截面示意圖。

其中，1高壓指尖梁，2低壓指尖密封片，3平衡腔，4后擋板，5轉(zhuǎn)子，6平衡孔，7螺旋槽，8螺旋齒，9指尖靴，10內(nèi)環(huán)槽，11引流孔，12肋片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本技術(shù)的實(shí)施方式。

參照?qǐng)D1，一種自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置，由后擋板4、低壓指尖密封片2以及帶指尖靴9的高壓指尖梁1和轉(zhuǎn)子5組成，帶指尖靴9的高壓指尖梁1、低壓指尖密封片2、后擋板4從高壓至低壓依次疊放通過(guò)鉚釘連接在一起，外套在轉(zhuǎn)子5上，所述高壓指尖梁1的指尖靴9上設(shè)置有一直徑為d的引流孔11以及寬度為t的內(nèi)環(huán)槽10，轉(zhuǎn)子5的表面部分加工有螺旋槽7。

所述引流孔11開設(shè)在指尖靴9上，在轉(zhuǎn)子軸向方向上貼近高壓指尖梁1且位于指尖靴9周向的中部。內(nèi)環(huán)槽10，其寬度中心線與引流孔11中心線重合。

所述轉(zhuǎn)子5上的螺旋槽7，其位置與指尖靴9的位置相對(duì)應(yīng)，一側(cè)與內(nèi)環(huán)槽10的軸向外側(cè)面對(duì)齊，另一側(cè)不超過(guò)指尖靴9的懸臂端。螺旋槽的螺旋角α不宜過(guò)大，防止產(chǎn)生軸向推力，螺旋槽的截面形狀為矩形。

參照?qǐng)D2，圖2所示帶指尖靴9的高壓指尖梁1，指尖靴上的引流孔11及環(huán)槽10將高壓側(cè)的流體引入螺旋槽，經(jīng)轉(zhuǎn)子螺旋槽的泵吸作用形成壓力膜，在實(shí)現(xiàn)密封的同時(shí)也降低了指尖靴與轉(zhuǎn)子之間的摩擦磨損。

參照?qǐng)D3，圖3所示為帶螺旋槽的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖，在轉(zhuǎn)子與指尖靴相對(duì)應(yīng)的位置開設(shè)螺旋槽。

參照?qǐng)D6，圖6所示為轉(zhuǎn)子在產(chǎn)生徑向跳動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的中心線與指尖靴內(nèi)圓中心線不再重合，產(chǎn)生了偏心距e。此時(shí)轉(zhuǎn)子的徑向跳動(dòng)將會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子與指尖靴之間的動(dòng)壓膜產(chǎn)生影響，泄漏量增加。

參照?qǐng)D1與圖7，構(gòu)成轉(zhuǎn)子為矩形螺旋槽的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置。

參照?qǐng)D1與圖8，構(gòu)成轉(zhuǎn)子為半圓形螺旋槽的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置。

參照?qǐng)D1與圖9，構(gòu)成轉(zhuǎn)子為半橢圓形螺旋槽的自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置。

一種自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置轉(zhuǎn)子5上螺旋齒8軸向?qū)挾鹊扔诼菪?軸向槽寬，即a＝b，則k1為0.5，螺旋槽7槽深h與螺旋齒8齒頂和指尖靴9內(nèi)圓面之間間隙s寬度之比h:s為2:1，則k2為3，螺旋槽7的螺旋角α為11°，當(dāng)偏心率ε取0.9，根據(jù)式(17)求得ke為0.236。密封裝置工作時(shí)溫度為160℃。

自泵送流體動(dòng)壓指尖密封轉(zhuǎn)子直徑取120mm,轉(zhuǎn)速24000rpm,可得轉(zhuǎn)子的圓周速度為150m/s,取螺旋槽槽深h為0.04mm,此時(shí)螺旋齒齒頂與指尖靴內(nèi)圓面之間的間距s為0.02mm，假設(shè)密封流體為空氣，則160℃時(shí)空氣的動(dòng)力粘度為2.43×10^-5pa·s，螺旋軸向長(zhǎng)度l為25mm,將以上參數(shù)帶入式(5)，可得泵送量qp為1.06×10^-4m³/s,由式(12)可得此時(shí)δp為0.106mpa。引流孔處壓力為0.8mpa，帶入式(18)可得w為2.48×10³n。

將上述已知值代入式(19)可得到關(guān)于偏心距e的關(guān)系式：

將式(21)代入式(20)可得剛度g

偏心率ε為0.9，螺旋齒齒頂與指尖靴內(nèi)圓面之間的間距s為0.02mm時(shí)，偏心距e為0.018mm。將其代入式(22)可得自泵送流體動(dòng)壓指尖密封裝置的剛度g為4.51×10⁶n/m。