一種采用彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)密封結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)密封結(jié)構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸外部同軸套設(shè)有封嚴(yán)襯套，旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有多個封嚴(yán)篦齒，封嚴(yán)篦齒與封嚴(yán)襯套非接觸式密封配合，其中：封嚴(yán)篦齒輪廓呈弧狀，且其迎風(fēng)面為凹面，背風(fēng)面為凸面；封嚴(yán)篦齒的齒尖尖銳并朝向迎風(fēng)面。采用上述結(jié)構(gòu)的篦齒可以強化篦齒齒尖的大渦結(jié)構(gòu)破碎，有效增強篦齒齒腔的動能耗散，降低氣流的流動，降低流體的泄漏流量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，具有很好的工程應(yīng)用價值。
【專利說明】
一種采用彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于發(fā)動機封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]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)代航空燃氣渦輪發(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。
[0003]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、燃氣隔離和冷卻流路等部位。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，燃氣的壓力和溫度沿軸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)生高壓燃氣未參與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;二是減小因高溫燃氣直接進入低壓渦輪帶來的危害，提高低壓渦輪的可靠性和耐久性。
[0004]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。
[0005]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X，后傾角Y，如圖3所示。
[0006]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入下一節(jié)齒尖間隙，另一部分則進入齒腔后產(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)。
[0007]當(dāng)氣流通過封嚴(yán)流通間隙，進入篦齒齒腔，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。
[0008]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)，其密封性能的進一步改進主要集中在篦齒自身主要齒形參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。
[0009]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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種封嚴(yán)篦齒輪廓呈弧狀、齒尖為正對氣流的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，采用上述結(jié)構(gòu)的篦齒可以強化篦齒齒尖的大渦結(jié)構(gòu)破碎，有效增強篦齒齒腔的動能耗散，降低氣流的流動，降低流體的泄漏流量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，具有很好的工程應(yīng)用價值。
[0011 ]為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
一種采用彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸外部同軸套設(shè)有封嚴(yán)襯套，旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有多個封嚴(yán)篦齒，封嚴(yán)篦齒與封嚴(yán)襯套非接觸式密封配合，其中:封嚴(yán)篦齒輪廓呈弧狀，且其迎風(fēng)面為凹面，背風(fēng)面為凸面;封嚴(yán)篦齒的齒尖尖銳并朝向迎風(fēng)面。
[0012]為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括:
上述的封嚴(yán)篦齒的數(shù)量為三個，分別為第一篦齒、第二篦齒和第三篦齒，各封嚴(yán)篦齒之間等間距軸向布設(shè)在旋轉(zhuǎn)軸上，第一篦齒與第二篦齒之間形成有第一封嚴(yán)腔體，第二篦齒和第三篦齒之間形成有第二封嚴(yán)腔體，第三篦齒的背風(fēng)面一側(cè)空間為第三封嚴(yán)腔體。
[0013]上述的封嚴(yán)篦齒的前向?qū)挾萕大于B/2且小于3B/4，其中，W為封嚴(yán)篦齒迎風(fēng)面的軸向長度，B為一封嚴(yán)篦齒的背風(fēng)面與其后一封嚴(yán)篦齒的迎風(fēng)面之間的軸向長度。
[0014]上述的封嚴(yán)篦齒的齒尖角度α小于10°。
[0015]上述的封嚴(yán)篦齒齒尖與齒尖射流流向的夾角β小于10°。
[0016]上述的封嚴(yán)篦齒的迎風(fēng)面和背風(fēng)面均為平滑曲面。
[0017]上述的封嚴(yán)篦齒從齒根到齒尖，篦齒截面面積逐漸減小，封嚴(yán)篦齒的齒尖寬度接近為O。
[0018]本發(fā)明結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于，改變篦齒的傳統(tǒng)幾何外形，將篦齒齒尖設(shè)計為尖銳銳角結(jié)構(gòu)，齒尖迎風(fēng)布置，強化對齒尖附近射流的渦耗散;將篦齒齒形輪廓設(shè)計為迎風(fēng)面為凹面，背風(fēng)面為凸面的曲線形式，通過迎風(fēng)面與背風(fēng)面的曲線優(yōu)化設(shè)計，有效控制流動的壁面分離位置與流線方向，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，實現(xiàn)相同的封嚴(yán)效果，降低封嚴(yán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。
【附圖說明】
[0019]圖1是【背景技術(shù)】中壓氣機級間封嚴(yán)示意圖；
圖2是【背景技術(shù)】中渦輪級間封嚴(yán)示意圖；
圖3是現(xiàn)有的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)以及篦齒主要結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；
圖4是篦齒密封原理示意圖；
圖5是篦齒尖銳銳角強化射流大渦破碎原理示意圖；
圖6是本發(fā)明的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是本發(fā)明的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)軸向剖視圖；
圖8是本發(fā)明的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)左視圖；
圖9是本發(fā)明的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。
[0020]其中的附圖標(biāo)記為:第一篦齒1、第一封嚴(yán)腔體2、第二篦齒3、第二封嚴(yán)腔體4、第三篦齒5、第三封嚴(yán)腔體6、封嚴(yán)襯套7、旋轉(zhuǎn)軸8、導(dǎo)向器葉片D1、渦輪葉片D2、極間篦齒圖層封嚴(yán)D3、極間篦齒蜂窩組合D4、渦輪盤D5、渦輪軸D6、浮動環(huán)封嚴(yán)D7、刷式封嚴(yán)D8。
【具體實施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步詳細描述。
[0022]—種采用彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)軸8，旋轉(zhuǎn)軸8外部同軸套設(shè)有封嚴(yán)襯套7，旋轉(zhuǎn)軸8上設(shè)置有三個封嚴(yán)篦齒，分別為第一篦齒1、第二篦齒3和第三篦齒5，第一篦齒I與第二篦齒3之間形成有第一封嚴(yán)腔體2，第二篦齒3和第三篦齒5之間形成有第二封嚴(yán)腔體4，第三篦齒5的背風(fēng)面一側(cè)空間為第三封嚴(yán)腔體6。各封嚴(yán)篦齒之間等間距軸向布設(shè)在旋轉(zhuǎn)軸8上，封嚴(yán)篦齒與封嚴(yán)襯套7非接觸式密封配合，其中:封嚴(yán)篦齒輪廓呈弧狀，且其迎風(fēng)面為凹面，背風(fēng)面為凸面;封嚴(yán)篦齒的齒尖尖銳并朝向迎風(fēng)面。
[0023]封嚴(yán)篦齒的前向?qū)挾萕大于B/2且小于3B/4，其中，W為封嚴(yán)篦齒迎風(fēng)面的軸向長度，B為一封嚴(yán)篦齒的背風(fēng)面與其后一封嚴(yán)篦齒的迎風(fēng)面之間的軸向長度。
[0024]封嚴(yán)篦齒的齒尖角度α小于10°。
[0025]封嚴(yán)篦齒齒尖與齒尖射流流向的夾角β小于10°。
[0026]封嚴(yán)篦齒的迎風(fēng)面和背風(fēng)面均為平滑曲面。
[0027]封嚴(yán)篦齒從齒根到齒尖，篦齒截面面積逐漸減小，封嚴(yán)篦齒的齒尖寬度接近為O。
[0028]本發(fā)明著眼于增加流體在齒尖間隙中的變形，強化渦結(jié)構(gòu)破碎，以降低泄漏量。通過引入大渦破碎方法(large Eddy Break-Up)，將篦齒齒尖設(shè)計為彎曲尖角形狀，逆氣流布置到流體中，借助流體動能，通過篦齒尖角切割作用使大渦結(jié)構(gòu)破碎為系列小渦結(jié)構(gòu)(如圖5所示)，使得傳統(tǒng)的篦齒結(jié)構(gòu)上篦齒齒間間隙處大尺度流動渦的變形演化為破碎，改變附面層的生成、發(fā)展形式，修正齒尖壁面邊界層的內(nèi)層與外層的傳輸特性;研究表明，流經(jīng)小角度尖銳物體后，流動的脈動速度型發(fā)生變化，摻混增強，強化流體動能衰減，顯著強化射流大渦結(jié)構(gòu)的能量耗散，起到減少泄漏量的作用。另一方面，篦齒曲線輪廓形狀使得篦齒迎風(fēng)面凹腔內(nèi)流體形成貼壁流動，而在篦齒背風(fēng)面，較大的曲率誘導(dǎo)了流體的脫壁，而凸面上形成的反向渦旋將流體抬升脫離壁面，加速了流體脫壁過程，流體抬升(如C區(qū)所示)，強化了背風(fēng)面流體與迎風(fēng)面流體在封嚴(yán)腔內(nèi)D區(qū)的摻混。
[0029]在上述結(jié)構(gòu)中，篦齒迎風(fēng)面外形曲線形式會對迎風(fēng)面腔內(nèi)流體附壁流動產(chǎn)生較大影響，其曲率越大，對應(yīng)區(qū)域的流體的周向速度越大，與腔內(nèi)流體的摻混越強。
[0030]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。首先，適當(dāng)?shù)那€形式能夠促進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。
[0031]篦齒齒尖與齒尖射流流向的夾角β是影響大渦結(jié)構(gòu)破碎的重要因素。齒尖附近，射流渦呈現(xiàn)長橢圓結(jié)構(gòu)，齒尖與射流所夾角度較小時，齒尖能夠有效切入射流內(nèi)部，切割大渦結(jié)構(gòu)，使其衰減為串狀小渦結(jié)構(gòu)，從而促進能量的耗散。
[0032]篦齒齒尖角度α與形狀也是影響齒尖射流能量衰減速度的重要因素。篦齒齒尖破碎大渦結(jié)構(gòu)的范圍與齒尖角度相關(guān)，齒尖角度越小，其影響的渦系尺度越小，破碎渦范圍越大，即能量耗散范圍越大;貼附在篦齒齒尖上的流體在壁面摩擦作用下，能量迅速衰減，所以，較長的齒尖長度能夠強化流體的摻混。
[0033]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種采用彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)軸(8)，所述的旋轉(zhuǎn)軸(8)外部同軸套設(shè)有封嚴(yán)襯套(7)，所述的旋轉(zhuǎn)軸(8)上設(shè)置有多個封嚴(yán)篦齒，所述的封嚴(yán)篦齒與封嚴(yán)襯套(7)非接觸式密封配合，其特征是:所述的封嚴(yán)篦齒輪廓呈弧狀，且其迎風(fēng)面為凹面，背風(fēng)面為凸面;封嚴(yán)篦齒的齒尖尖銳并朝向迎風(fēng)面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，其特征是:所述的封嚴(yán)篦齒的數(shù)量為三個，分別為第一篦齒(I)、第二篦齒(3)和第三篦齒(5)，各封嚴(yán)篦齒之間等間距軸向布設(shè)在旋轉(zhuǎn)軸(8)上，所述的第一篦齒(I)與第二篦齒(3)之間形成有第一封嚴(yán)腔體(2)，所述的第二篦齒(3)和第三篦齒(5)之間形成有第二封嚴(yán)腔體(4)，所述的第三篦齒(5)的背風(fēng)面一側(cè)空間為第三封嚴(yán)腔體(6)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，其特征是:所述的封嚴(yán)篦齒的前向?qū)挾萕大于B/2且小于3B/4，其中，W為封嚴(yán)篦齒迎風(fēng)面的軸向長度，B為一封嚴(yán)篦齒的背風(fēng)面與其后一封嚴(yán)篦齒的迎風(fēng)面之間的軸向長度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，其特征是:所述的封嚴(yán)篦齒的齒尖角度α小于10°。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，其特征是:所述的封嚴(yán)篦齒齒尖與齒尖射流流向的夾角β小于10°。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，其特征是:所述的封嚴(yán)篦齒的迎風(fēng)面和背風(fēng)面均為平滑曲面。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用彎曲迎風(fēng)銳角型齒的航空發(fā)動機篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，其特征是:所述的封嚴(yán)篦齒從齒根到齒尖，篦齒截面面積逐漸減小，封嚴(yán)篦齒的齒尖寬度接近為O O
【文檔編號】F02C7/28GK106089323SQ201610345504
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】張勃, 李經(jīng)警, 吉洪湖
【申請人】南京航空航天大學(xué)