封严篦齿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，具体涉及封严篦齿领域。

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.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。但是，当轴承腔与轴承腔外的压差不够时，在封严处会出现逆压差，腔内滑油将从密封通道间隙泄漏而增大轴承腔外气压，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。

技术实现要素：

4.本发明的一个目的是提供一种篦齿封严结构，能够提升封严效果。
5.为实现上述目的的封严篦齿结构设置于转子件上，用于阻断第一空间和第二空间，包括多个周向篦齿环和多个弧形齿。封严篦齿结构在朝向所述第一空间或/和所述第二空间的轴向外侧面上设置该多个弧形齿，所述弧形齿在所述轴向外侧面上倾斜设置，所述弧形齿的齿顶沿所述转子的转动方向相对于齿根靠前，相邻所述弧形齿之间限定出槽型流道，用于抽吸位于齿顶处的气流。
6.在一个或多个实施例中，所述槽型流道沿齿顶到齿根方向呈渐缩状。
7.在一个或多个实施例中，所述齿根相对于所述转子件的倾斜角度范围为20～60
°
。
8.在一个或多个实施例中，朝向所述第一空间和所述第二空间弧形齿对称分布。
9.在一个或多个实施例中，所述弧形齿沿轴向方向的长度为所述周向篦齿环轴向厚度的2～3倍。
10.本发明的另一个目的是提供一种封严结构，包括设置在静子件上的封严环和设置在转子件上的封严篦齿结构，所述封严篦齿结构为上述封严篦齿结构。
11.在一个或多个实施例中，所述封严环的内表面包括易磨涂层或蜂窝结构，所述封严篦齿结构的周向篦齿环垂直于所述转子件的轴向方向。
12.上述篦齿封严结构通过设置位于轴向两侧的弧形齿，凭借弧形齿的弧形凹槽面能够在旋转过程中引导气体从齿顶向齿根流动，从而通过抽吸作用在齿顶处形成一个低压
区，使得周向篦齿环的前后压差减小，从而降低气体泄漏量，
13.呈放射延伸状的弧形齿能够引导气体绕着转子件向背离封严篦齿结构的方向螺旋运动起来，从而形成一股抵抗来流的螺旋气流，进一步增强篦齿结构的封严效果。如果弧形齿朝向油腔内侧，螺旋气流的运动将有利于分离出油气中的滑油，以进一步降低滑油消耗量，提升发动机运转安全。
附图说明
14.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：
15.图1是常见航空发动机轴承腔示意图；
16.图2是封严篦齿结构的一个实施例的示意图；
17.图3是弧形齿扰动气流运动的示意图；
18.图4是封严篦齿结构的一个实施例的工作原理图。
19.附图标记说明
20.1 轴承腔
21.2 封严结构
22.3 第一轴承
23.4 第二轴承
24.5 转子件
25.6 静子件
26.10 轴承外腔
27.11 轴承内腔
28.12 压缩气
29.13 油气气流
30.61 封严环
31.50 周向篦齿环
32.51 第一周向篦齿环
33.52 第二周向篦齿环
34.53 转动方向
35.54 轴线
36.30 弧形齿
37.40 第二弧形齿
38.100 第一空间
39.200 第二空间
40.301 齿顶
41.302 齿根
42.303 凹槽面
43.70 槽型流道
44.71 来流气流
45.72 顶部气流
46.74 第一螺旋气流
47.84 第二螺旋气流
具体实施方式
48.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。
49.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。
50.参照图1所示，航空发动机中转静子之间形成的轴承腔1通常利用封严结构2实现空气封严，以确保用于第一轴承3和第二轴承4的润滑和冷却的滑油不发生泄漏。
51.在发动机运转过程中，轴承内腔11的滑油通常以油气的形式存在，一部分轴承内腔11的油气14进入转子件，而轴承外腔10将引一股具备一定压力的压缩气12将试图外泄的油气堵在轴承腔内，从而建立起轴承腔内11的压力。为了提升压缩气12对油气的密封效果，并尽可能减少压缩气12的使用量，通常在转子件5和静子件6之间设计封严结构，常见的结构为篦齿封严结构。
52.在篦齿封严结构中，转子件5围绕轴线54沿转动方向53方向旋转，设置在转子件5上的封严篦齿环50随之转动，并与封严环61维持一定间隙。封严篦齿上的多个周向篦齿环50与封严环61限定出突扩和突缩通道，利用流束收缩效益和节流效应，增加气流的能量消耗，以实现封严目的。
53.在一个实施例中，封严环61的内表面通常设计为易磨的涂层封严环61或者蜂窝结构，周向篦齿环50与封严环61内环之间存在小间隙，用于防止转静子碰磨、减少轴承腔内外空气的流通而起到封严的效果。但是，如果轴承内腔11和轴承外腔10之间压差不足时，油气容易通过该缝隙泄漏，增加发动机运行的风险。
54.本公开所涉及的封严篦齿结构参照图2至图4所示，能够进一步提高密封效果，有效阻隔高温封严和滑油腔油气，并降低对压气机出口引气量的需求，提高发动机运行效率。
55.参照图2和图3所示，篦齿封严结构设置于转子件5上，用于阻断第一空间100和第二空间200。本实施例中的第一空间100和第二空间200为上述轴承腔滑油封严系统中的的轴承外腔10与轴承内腔11。但本领域技术人员应理解到，一空间100和第二空间200包括但不限于上述场景，在其他实施例中，第一空间100和第二空间200可以为航空发动机中需要封严的其它场景。
56.篦齿封严结构包括多个周向篦齿环50，例如图2所示的沿轴向并排分布的第一周向篦齿环51和第二周向篦齿环52，周向分布的多个周向篦齿环50用于与封严环61形成突扩和突缩通道。
57.该篦齿封严结构还在朝向第一空间100或/和第二空间200的轴向外侧面上设置该多个弧形齿30，弧形齿30在轴向外侧面上倾斜设置，如设置在第一周向篦齿环51的轴向外侧面上的弧形齿30朝向来自第一空间100的来流方向。
58.弧形齿30的齿顶301沿转子的转动方向相对于齿根302靠前，相邻弧形齿30之间限定出槽型流道70，用于抽吸位于齿顶301处的气流。
59.具体的，参照图3所示，转子件5的转动方向53呈顺时针方向，弧形齿30呈放射状地设置在轴向侧面上，齿顶301沿转子的转动方向相对于齿根302的位置为齿根302的前方。
60.需要说明的是第一弧形齿30的齿根302靠近转子件5，齿顶301靠近封严环61。在一个实施例中，弧形齿30沿轴向方向的长度为周向篦齿环50轴向厚度的2～3倍，通过适当宽度的弧形齿30可有效限定出槽型流道70，避免气流在抽吸过程中出现偏离，有效保证抽吸气流的流量。
61.在发动机转子件5的驱动下，第一弧形齿30可有效的利用弧形凹槽面303引导气体从齿顶301向齿根302方向流动。相邻弧形齿30之间限定出槽型流道70，槽型流道70用于抽吸来自齿顶301处的气流。在转子转动时，槽型流道70的外周气流快速流动，压力接近一致，当该外周气流流经弧形齿30的凹槽面303时，受凹槽面303引导，该外周气流从齿顶301被吸入槽型流道70，并向齿根302方向流动。
62.槽型流道70为气体流动提供了良好的引流通道，可以有序的扰动并引导气流沿着槽型流道70运动。因此，弧形齿30利用弧形凹槽面303可以引导气流流经槽型流道70，以抽吸位于齿顶302处的顶部气流72。通过抽吸作用，有效减少了在齿顶301处的气流，从而在齿顶301附近形成一个低压区t1。
63.参照图4所示，由于抽吸作用而形成的低压区t1位于第一周向篦齿环51的外侧，第一周向篦齿环51与相邻的周向篦齿环之间的腔体内存在原有压力区t2，因此低压区t1与压力区t2之间的压差将会显著减小。减小的压差降低了气流通过的驱动力，并进一步减少流经封严篦齿结构的气流流量，提高了密封效果，有效避免了气流泄漏。
64.由上所述，上述封严篦齿能够降低周向篦齿环50内外的压差，从而减少了气体由第一空间100向第二空间200的泄漏量。
65.此外，在第一周向篦齿环51的轴向外侧面呈放射延伸布置的弧形齿30可以改变气流流向。
66.参照图4所示，在发动机运行过程中，第一空间100内的来流气流71沿平行于转子件5的方向流动，并试图通过齿尖间隙进入第二空间200。部分来流气流71在被弧形齿30抽吸，形成沿齿尖301向齿根302方向的运动，并沿齿根302排出，从而形成第一螺旋气流74。由于弧形齿30呈放射状布置，从而能引导该股气流随发动机一起旋转，在转子件5的转动下形成绕着转子件5转动并向着背离封严篦齿结构的方向的第一螺旋气流74。
67.第一螺旋气流74因受到转子件5赋予的动能而向外运动，并背离弧形齿30方向。该股第一螺旋气流74可以抵抗原来流气流71的流动，从而将来流气流71阻挡在外部，来流气流71受到第一螺旋气流74的阻挡在封严篦齿外侧形成一个气体流动循环，也会产生一定的能量耗散，从而减小了流经封严篦齿结构气流的流量，以进一步增强篦齿结构的封严效果。
68.当第一空间100为轴承外腔10时，减小的封严篦齿结构内外压差和形成的螺旋气流可以在较少引气量的前提下保证相同甚至更加的封严效果，从而有效降低用于封严的压气机引气量，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，达到降低成本。
69.进一步的，槽型流道70沿齿顶301到齿根302方向呈渐缩状，以提高气流的抽吸效果。
70.利用弧形齿的弧形凹槽面引导原轴向方向的气流流经该凹槽面，以形成旋转气流。凹槽面303决定了气流由齿顶301到齿根302方向的流动。槽型流道70抽吸位于齿顶处的原轴向气流，该股原轴向气流在无弧形齿的干扰时将沿轴向方向流经蓖齿结构。
71.借此，弧形齿30以及所形成的槽型流道70将该股轴向气流抽吸，从而减少了流经蓖齿结构的气体的流量，并减少了周向篦齿环的前后压差，由此实现了较佳的封严效果。
72.在优选的一示例中，齿根302到齿顶301的连线与转子件5相切而形成的锐角范围为20～60
°
，能够保证气流能够有效被吸入进槽型流道70。齿根302到齿顶301的连线与转子件5相切而形成的锐角范围包括但不限于上述实施例，角度由本领域工作人员根据来流流量及转子件尺寸具体设计，以达到较佳的引流效果。
73.在图2所示的实施例中，在朝向第一空间100的第一周向篦齿环51的轴向外侧面设置弧形齿30之外，还在朝向第二空间200的第二周向篦齿环52的轴向外侧面设置第二弧形齿40。
74.继续结合图4，对位于轴向另一侧的第二弧形齿40进行介绍。下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，这里不再重复赘述。
75.多个第二弧形齿40设置在第二周向篦齿环52的轴向外侧面，朝向第二空间200。
76.在一个实施例中，第二空间200为含有大量油气的轴承内腔11。相邻第二弧形齿40之间形成槽型流道70，利用第二弧形齿40的弧形凹槽303，槽型流道70可以引导位于齿顶301处的油气气流13沿着槽型流道70由齿顶301向齿根302方向运动，从而有效抽吸位于第二弧形齿40齿顶301处的油气气流13，并在齿顶301处形成低压区。由此该低压区与第二周向篦齿环52与相邻的周向篦齿环之间的腔体内存在原有压力区所形成的压差降低，而使得气体泄漏量降低。
77.此外，第二弧形齿40还引导部分油气气流13在齿根302处形成绕转子件5转动的螺旋运动，并朝向背离封严篦齿结构的方向流动，形成第二螺旋气流84。
78.第二螺旋气流84改变原有油气气流13的流动方向，并抵抗原来油气气流13的流动，从而将原来油气气流13阻挡在第二周向篦齿环52的外部，原来油气气流13受到第二螺旋气流84的阻挡在封严篦齿结构外侧形成气体流动循环，将产生一定的能量耗散，从而减少油气流经封严篦齿结构气流，而进一步阻挡了气体的泄漏。
79.在轴承内腔11内形成的第二螺旋气流84还可以在旋转运动中通过离心力将油气中的滑油甩出，从而分离出油气气流13中的滑油，进一步降低滑油消耗量。
80.滑油有效被甩出能够显著降低轴承腔滑油消耗量，降低的轴承腔滑油消耗量可提升轴承工作性能，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。
81.在优选的一个实施例中，朝向第一空间100和第二空间200的弧形齿对称分布。对称分布的弧形齿能够保证两侧抽吸效果相同，以提高两侧气流分布的协同性，使篦齿两侧都产生密封作用，增强该方案的封严效果。
82.结合上述对封严篦齿的介绍，还可以理解到一种封严结构，封严结构包括设置在静子件上的封严环和设置在转子件上的封严篦齿结构。
83.在一个实施例中，封严环的内表面包括易磨涂层或蜂窝结构，周向篦齿结构的周向篦齿环垂直于转子件的轴向方向。封严环与垂直分布的周向篦齿环相互配合。封严篦齿结构为上述提及的封严篦齿结构。
84.随转子件一同运转时，封严篦齿环轴向两侧的多个弧形齿能够引导气流流经弧形齿之间形成的槽型流道，从而抽吸位于齿顶处的气流，在齿顶处形成一个低压区，并因周向篦齿前后压差减小而使得气体泄漏量降低。
85.气体从齿顶向齿根流动过程中还将在齿底周围做绕转子的螺旋运动，形成螺旋气流，从而利用螺旋气流将两侧气流向背离封严篦齿结构方向推而进一步阻挡了气体的泄漏。当弧形齿朝向轴承腔一侧，螺旋运动的油气运动效果将有利于分离出油气中的滑油，进一步降低滑油消耗量，提升发动机运转安全。
86.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。
87.诸如封严篦齿环的数目不限于附图中所示的三个，可以根据实际情况轴向设置多个封严篦齿环；再如，弧形齿的弧度和长度根据实际抽吸效果确定，不限于附图中所示的尺寸，又如，第一空间和第二空间不限于为轴承腔滑油封严系统中的的轴承外腔与轴承内腔。
88.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.封严篦齿结构，设置于转子件(5)上，用于阻断第一空间(100)和第二空间(200)，包括多个周向篦齿环(50)，其特征在于，该封严篦齿结构还包括多个弧形齿(30)，该封严篦齿结构在朝向所述第一空间(100)或/和所述第二空间(200)的轴向外侧面上设置该多个所述弧形齿(30)，所述弧形齿(30)在所述轴向外侧面上倾斜设置，所述弧形齿(30)的齿顶(301)沿所述转子件(5)的转动方向相对于齿根(302)靠前，相邻所述弧形齿(30)之间限定出槽型流道(70)，用于抽吸位于所述齿顶(301)处的气流。2.如权利要求1所述的封严篦齿结构，其特征在于，所述槽型流道(70)沿所述齿顶(301)到所述齿根(302)方向呈渐缩状。3.如权利要求1所述的封严篦齿结构，其特征在于，所述齿根(302)到所述齿顶(301)的连线与所述转子件(5)相切而形成的锐角范围为20～60
°
。4.如权利要求1所述的封严篦齿结构，其特征在于，朝向所述第一空间(100)和所述第二空间(200)设置的弧形齿对称分布。5.如权利要求1所述的封严篦齿结构，其特征在于，所述弧形齿(300)沿轴向方向的长度为所述周向篦齿环(50)轴向厚度的2～3倍。6.一种封严结构，包括设置在静子件(6)上的封严环(61)和设置在转子件(5)上的封严篦齿结构，其特征在于，所述封严篦齿结构为上述权利要求1至5任一项所述的封严篦齿结构。7.如权利要求6所述的封严结构，其特征在于，所述封严环(61)的内表面包括易磨涂层或蜂窝结构，所述封严篦齿结构的周向篦齿环(50)垂直于所述转子件(5)的轴向方向。

技术总结

提供一种封严篦齿结构，设置于转子件上，用于阻断第一空间和第二空间，包括多个周向篦齿环和多个弧形齿，该封严篦齿结构在朝向第一空间或/和第二空间的轴向外侧面上设置该多个弧形齿，弧形齿在轴向外侧面上倾斜设置，弧形齿的齿顶沿转子的转动方向相对于齿根靠前，相邻弧形齿之间限定出槽型流道，用于抽吸位于齿顶处的气流。上述封严篦齿结构能够提高封严效果。还提供一种封严结构。果。还提供一种封严结构。果。还提供一种封严结构。