本發(fā)明涉及一種利用軸向與徑向篦齒相結(jié)合的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜系密封方法，屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜封嚴(yán)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，其對(duì)飛機(jī)性能起著決定性的作用。隨著現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)“三高四低一長(zhǎng)”的發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)形成(高安全性，高可靠性，高性能，低油耗，低噪聲，低污染，低維修成本和長(zhǎng)壽命)，這使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流系統(tǒng)面臨著更大的挑戰(zhàn)。“三高四低一長(zhǎng)”的發(fā)展要求帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度與壓力的大幅升高，導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)流系統(tǒng)泄漏量增加，而封嚴(yán)技術(shù)又是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素。因此為了減少內(nèi)流系統(tǒng)泄漏量，設(shè)計(jì)和改進(jìn)封嚴(yán)部件以及封嚴(yán)方法的工作顯得尤為重要。

目前而言，篦齒封嚴(yán)被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流系統(tǒng)中，其屬于非接觸密封，主要用于旋轉(zhuǎn)件與靜止件之間的密封。篦齒封嚴(yán)的主要原理是：利用一系列突擴(kuò)突縮的流道實(shí)現(xiàn)流體能量的轉(zhuǎn)換與耗散，從而達(dá)到減少流體的整體動(dòng)能，最終實(shí)現(xiàn)減少泄漏的目的。篦齒封嚴(yán)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于維護(hù)以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，這也就意味著其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的密封中仍存在很大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也說(shuō)明篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的改型將會(huì)對(duì)整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)流泄漏問(wèn)題產(chǎn)生重大影響。

國(guó)內(nèi)外研究表明，篦齒封嚴(yán)效果的好壞對(duì)未來(lái)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的提高起著決定性的作用。而目前對(duì)于渦輪部件轉(zhuǎn)靜件之間的封嚴(yán)篦齒結(jié)構(gòu)上的改型主要針對(duì)以下幾個(gè)參數(shù)：節(jié)流間隙c，齒距B，齒高H，齒頂厚t，齒數(shù)N以及齒傾斜角度α，這些結(jié)構(gòu)上的改型主要利用了軸向空間來(lái)對(duì)軸向流動(dòng)進(jìn)行限制，而實(shí)際上只利用軸向空間進(jìn)行改型的篦齒，其密封性能也已經(jīng)無(wú)法取得較大的突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種軸向與徑向篦齒相結(jié)合的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜系密封的方法，主要通過(guò)改變氣流流向來(lái)增加局部損失以及增加旋渦耗散的手段，達(dá)到減少篦齒泄漏量的目的。

在利用軸向與徑向篦齒相結(jié)合進(jìn)行密封的方法中，包括的具體結(jié)構(gòu)有：軸向篦齒及軸向篦齒封嚴(yán)襯套，徑向篦齒及徑向篦齒封嚴(yán)襯套。軸向篦齒加工在轉(zhuǎn)盤(pán)A外緣面上，軸向篦齒封嚴(yán)襯套安裝固定于發(fā)動(dòng)機(jī)靜止件上，徑向篦齒加工在轉(zhuǎn)盤(pán)B的一側(cè)端面，轉(zhuǎn)盤(pán)B另一側(cè)端面緊貼著軸向篦齒的轉(zhuǎn)盤(pán)A安裝固定，進(jìn)一步，徑向篦齒封嚴(yán)襯套也緊貼著軸向篦齒封嚴(yán)襯套安裝固定，最終形成的封閉的結(jié)構(gòu)。

軸向篦齒與徑向篦齒的齒數(shù)相同。軸向篦齒封嚴(yán)襯套為薄壁管狀結(jié)構(gòu)，而徑向篦齒封嚴(yán)襯套在徑向方向分布著一圈一圈的擋板，裝配完成后擋板位于徑向篦齒的齒腔中間，與徑向篦齒交叉分布。

篦齒的工作環(huán)境是其進(jìn)出口具有較大的壓差，以軸向篦齒為高壓進(jìn)口端，徑向篦齒為低壓出口端進(jìn)行原理分析。高壓氣體經(jīng)過(guò)軸向篦齒封嚴(yán)間隙時(shí)，壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，同時(shí)由于封嚴(yán)間隙出口速度很高，下游齒腔將形成旋渦，部分動(dòng)能通過(guò)湍流旋渦耗散為熱能。

高速氣流通過(guò)軸向篦齒后，流向會(huì)由軸向急劇變化為徑向，產(chǎn)生較大的局部損失，同時(shí)在軸向篦齒封嚴(yán)襯套和徑向篦齒封嚴(yán)襯套形成的腔室內(nèi)形成旋渦。氣流進(jìn)入徑向篦齒后，由于擋板的存在，一方面迫使氣流不斷的改變流向，產(chǎn)生局部損失，同時(shí)另一方面在齒腔底部以及襯套底部產(chǎn)生了一系列的旋渦，增加了湍流旋渦耗散。CFD計(jì)算結(jié)果表明，利用軸向與徑向篦齒結(jié)合的方法，迫使氣流方向不斷變化，產(chǎn)生局部損失以及更多的旋渦，能夠切實(shí)有效的減少篦齒的泄漏量。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明著眼于利用徑向篦齒結(jié)構(gòu)，迫使氣流流向發(fā)生變化，產(chǎn)生局部損失以及更多的旋渦耗散，從而達(dá)到降低泄漏量的目的。

(2)考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸允許微小的軸向移動(dòng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果徑向篦齒的封嚴(yán)襯套是光滑的圓形板狀結(jié)構(gòu)，即徑向不帶擋板，一旦徑向篦齒的封嚴(yán)間隙加大，則其直通效應(yīng)明顯增強(qiáng)，旋渦耗散明顯不足，導(dǎo)致其封嚴(yán)效果幾乎沒(méi)有意義。因此為了滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸允許有微小軸向移動(dòng)的要求，徑向篦齒的封嚴(yán)襯套設(shè)計(jì)成帶一圈一圈擋板形式的，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這樣的設(shè)計(jì)不僅對(duì)軸向移動(dòng)不敏感，同時(shí)產(chǎn)生了更好的封嚴(yán)效果，其原因就是大大降低了篦齒的直通效應(yīng)，同時(shí)氣流流向不斷發(fā)生變化，產(chǎn)生了較大的局部損失以及更多的旋渦耗散，最終可達(dá)到降低泄漏量的目的。

附圖說(shuō)明

圖1是軸向篦齒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是軸向篦齒封嚴(yán)襯套的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是徑向篦齒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是徑向篦齒封嚴(yán)襯套的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明中軸向篦齒和徑向篦齒相結(jié)合進(jìn)行密封的總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

1.軸向篦齒； 2.轉(zhuǎn)盤(pán)A； 3.軸向篦齒封嚴(yán)襯套； 4.徑向篦齒；

5.轉(zhuǎn)盤(pán)B； 6.徑向篦齒封嚴(yán)襯套； 7.擋板； 8.襯套頂盤(pán)；

9.齒腔； 10.襯套腔室； 11.過(guò)渡腔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供一種利用軸向與徑向篦齒相結(jié)合的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜系密封方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明提供一種利用軸向與徑向篦齒相結(jié)合進(jìn)行密封的方法，所述的密封方法在軸向篦齒的基礎(chǔ)上增加了徑向篦齒和徑向篦齒封嚴(yán)襯套，徑向篦齒的轉(zhuǎn)盤(pán)B中心線(xiàn)與軸向篦齒的轉(zhuǎn)盤(pán)A中心線(xiàn)一致，徑向篦齒分布方向與軸向篦齒分布方向垂直。

如圖1和圖2所示，所述的軸向篦齒1加工在轉(zhuǎn)盤(pán)A1的外緣面上，所述的軸向篦齒封嚴(yán)襯套3為薄壁管狀結(jié)構(gòu)，軸向篦齒封嚴(yán)襯套3內(nèi)徑大于轉(zhuǎn)盤(pán)A的齒頂圓外徑，軸向篦齒封嚴(yán)襯套3徑向長(zhǎng)度大于轉(zhuǎn)盤(pán)A2徑向厚度。所述的軸向篦齒封嚴(yán)襯套3套在軸向篦齒1外側(cè)，并安裝固定于發(fā)動(dòng)機(jī)靜止件上。如圖3和圖4所示，所述的徑向篦齒4加工在轉(zhuǎn)盤(pán)B5的一側(cè)端面，為與轉(zhuǎn)盤(pán)B5同軸的多個(gè)圓環(huán)凸起結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)盤(pán)B5另一側(cè)端面與轉(zhuǎn)盤(pán)A2的外側(cè)端面緊密貼合固定。所述的徑向篦齒封嚴(yán)襯套6的結(jié)構(gòu)包括襯套頂盤(pán)8和擋板7，所述的擋板7加工在襯套頂盤(pán)8的一側(cè)端面，為與襯套頂盤(pán)8同軸的一圈一圈的圓環(huán)形凸起結(jié)構(gòu)。所述的擋板7的數(shù)量比徑向篦齒4數(shù)量多一個(gè)，最外層的擋板7最長(zhǎng)，該最長(zhǎng)擋板所處半徑介于軸向篦齒轉(zhuǎn)盤(pán)A半徑與軸向篦齒齒頂半徑之間，其余擋板等間距設(shè)置。安裝完成后，擋板7剛好位于徑向篦齒的齒腔中間，與徑向篦齒交錯(cuò)分布。在最外層的擋板7兩側(cè)分別形成襯套腔室10和過(guò)渡腔11。所述的轉(zhuǎn)盤(pán)A2的齒根圓直徑等于轉(zhuǎn)盤(pán)B5的外徑。襯套頂盤(pán)8的外徑等于軸向篦齒封嚴(yán)襯套3的外徑。徑向篦齒封嚴(yán)襯套6的邊緣與軸向篦齒封嚴(yán)襯套3的端面緊密貼合安裝固定，最終形成的結(jié)構(gòu)如圖5所示，軸向篦齒1和徑向篦齒4同時(shí)封嚴(yán)在所述的徑向篦齒封嚴(yán)襯套6與軸向篦齒封嚴(yán)襯套3形成的結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。所述的轉(zhuǎn)盤(pán)A2、轉(zhuǎn)盤(pán)B5和襯套頂盤(pán)8同軸安裝。

如圖5所示的實(shí)施例中，軸向篦齒1與徑向篦齒4的齒數(shù)都為3，徑向篦齒封嚴(yán)襯套6上擋板7數(shù)量為四個(gè)。徑向篦齒4延伸長(zhǎng)度小于轉(zhuǎn)盤(pán)B5的徑向厚度，轉(zhuǎn)盤(pán)B5的徑向厚度小于轉(zhuǎn)盤(pán)A2的徑向厚度。軸向篦齒1與軸向篦齒封嚴(yán)襯套3之間形成2個(gè)齒腔9。在軸向篦齒封嚴(yán)襯套3和徑向篦齒封嚴(yán)襯套6的連接處形成一個(gè)襯套腔室10，徑向篦齒封嚴(yán)襯套6上的第一個(gè)長(zhǎng)擋板7即位于所述的襯套腔室10內(nèi)，長(zhǎng)擋板的高度為短擋板高度與徑向齒盤(pán)B5厚度之和，軸向高度大于轉(zhuǎn)盤(pán)A2的齒根圓直徑，小于轉(zhuǎn)盤(pán)A2的齒頂圓直徑。

工作原理：

篦齒的工作環(huán)境是進(jìn)出口具有較大的壓差，以軸向篦齒1為高壓進(jìn)口端，徑向篦齒4為低壓出口端進(jìn)行原理分析。高壓氣體經(jīng)過(guò)軸向篦齒1和軸向篦齒封嚴(yán)襯套3的間隙時(shí)，壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，同時(shí)由于軸向篦齒1和軸向篦齒封嚴(yán)襯套3之間的間隙出口速度很高，下游齒腔9內(nèi)將形成旋渦，部分動(dòng)能通過(guò)湍流旋渦耗散為熱能。

高速氣流通過(guò)軸向篦齒1后，流向會(huì)由軸向急劇變化為徑向，產(chǎn)生較大的局部損失，同時(shí)在襯套腔室10內(nèi)形成旋渦。氣流進(jìn)入徑向篦齒4后，由于擋板7的存在，一方面迫使氣流不斷的改變流向，依次進(jìn)入襯套腔室10和過(guò)渡腔11，產(chǎn)生局部損失；同時(shí)另一方面在徑向篦齒4齒腔底部(擋板頂部與篦齒根部形成的空間)以及徑向篦齒封嚴(yán)襯套底部(篦齒頂部與擋板底部形成的空間)產(chǎn)生了一系列的旋渦，增加了湍流旋渦耗散。CFD計(jì)算結(jié)果表明，利用軸向篦齒1與徑向篦齒4結(jié)合的方法，迫使氣流方向不斷變化，產(chǎn)生局部損失以及更多的旋渦，能夠切實(shí)有效的減少篦齒的泄漏量。

具體實(shí)施步驟如下：

第一步：安裝軸向篦齒及其封嚴(yán)襯套。首先是加工好的軸向篦齒1與轉(zhuǎn)動(dòng)件連接好，保證其轉(zhuǎn)動(dòng)中心與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)中心一致。其次是將軸向篦齒封嚴(yán)襯套3與靜止件連接，并保證軸向篦齒1與軸向篦齒封嚴(yán)襯套3的間隙為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)值。

軸向篦齒1安裝成功后，最基本的航空發(fā)動(dòng)機(jī)篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)就完成了，氣流經(jīng)過(guò)軸向篦齒1后會(huì)通過(guò)旋渦耗散等損失部分能量，流出軸向篦齒1時(shí)具有較大的軸向速度。

第二步：安裝徑向篦齒及其封嚴(yán)襯套。徑向篦齒1通過(guò)焊接或螺栓固定在軸向篦齒1的側(cè)面，而徑向篦齒封嚴(yán)襯套6通過(guò)焊接或螺栓固定在軸向篦齒封嚴(yán)襯套3上。安裝時(shí)注意徑向篦齒封嚴(yán)襯套6與徑向篦齒4之間、徑向篦齒封嚴(yán)襯套6和第3級(jí)軸向篦齒(即圖5中最左側(cè)的軸向篦齒)之間應(yīng)當(dāng)預(yù)留一定的距離(此距離需結(jié)合不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所允許的軸向移動(dòng)距離才能給出，以不發(fā)生碰摩為基準(zhǔn))，以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子的軸向移動(dòng)，防止出現(xiàn)徑向篦齒4與徑向篦齒封嚴(yán)襯套6相互接觸摩擦的情況出現(xiàn)。

徑向篦齒安裝成功后，從軸向篦齒1出來(lái)的高速氣流受到徑向篦齒封嚴(yán)襯套6的阻礙，不得不被迫改變流向，產(chǎn)生較大的局部損失，同時(shí)在襯套腔室10形成旋渦。改變方向的氣流再沿著徑向進(jìn)入徑向篦齒4與徑向篦齒封嚴(yán)襯套6形成的彎曲流道，之后由于擋板7的存在，氣流流向仍然會(huì)不斷發(fā)生變化，產(chǎn)生了較大的局部損失以及更多的旋渦耗散，最終使得通過(guò)上述設(shè)計(jì)件的泄漏流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于僅有軸向篦齒的情況。