一种带芯部镂空指尖片的指尖密封装置

技术领域

本发明属于航空发动机设计领域，涉及用于发动机主流路和二次流路的气体封严装置。

背景技术

随着航空发动机性能的日益提高，其热力循环参数的增大和结构刚度的降低，都使得发动机中密封装置的工作条件愈发恶劣，提高密封装置性能势在必行，在高温、高压和高速的工况下采用传统的篦齿密封已经无法满足发动机的需求。因此在过去的20年中，表现出了由柔性密封代替篦齿密封的趋势，指尖密封作为一种新型的柔性密封技术，其优良的密封性能和较低的制造成本，受到了国内外密封研究者的广泛关注和深入研究。

指尖密封的设计工作一直集中在如何使指尖片与转子的间隙在工作过程中保持在适当的值。由于指尖片与后挡板之间的摩擦力作用，当转子跳动时，指尖密封无法立即追随转子的运动轨迹，指尖片与密封跑道之间可能出现碰磨也可能出现较大的间隙，因此密封性能会出现大幅下降的趋势，这就是指尖密封的“迟滞效应”。为了保证封严性能，同时提高指尖密封的使用条件和工作寿命。目前普遍采用“压力平衡型指尖密封”的结构改善指尖密封的“迟滞效应”。

国外于2004年公开了采用“压力平衡腔”的发明专利(US6811154B2),通过降低作用在指尖片的轴向压差来达到减少“迟滞效应”的目的。国内中国航发四川燃气涡轮研究院申请了一种“一种指尖密封结构及其后挡板”发明专利(ZL200910260097.9)。该结构通过在后挡板布置一些特殊结构的均压槽减少迟滞效应并降低空气沿后挡板的泄漏。类似的通过压力平衡改善指尖密封迟滞的方法也体现在清华大学发明专利“一种后挡板带微孔织构非接触式指尖密封装置”(ZL201510156112.0)和发明专利“一种有鳍片的低迟滞接触式指尖密封”(ZL201610878878.4)。

目前的指尖密封装置都是从整体结构出发，通过调整指尖梁的型线，指尖片的形状，后挡板的结构来改善指尖密封的性能，这些都属于被动适应式的密封结构，不能对密封的性能进行主动干预和控制。

发明内容

本发明的目的：提供一种耐高温、高速和高压的指尖密封方案，本方案能显著提高指尖密封的工作能力(允许使用压差、使用温度和摩擦线速度)和封严性能，并使指尖密封具备主动控制的能力，将指尖密封的使用部位从空气系统二次流路密封拓展到主流路级间和叶尖间隙密封。

本发明的技术方案：一种带芯部镂空指尖片的指尖密封装置，其由前挡板(1)、后挡板(2)、芯部镂空指尖片(3)组成。将芯部镂空指尖片(3)夹持在前挡板(1)与后挡板(2)中间，用铆接、螺栓或焊接固定为一体；其中所述指尖密封装置固定在发动机的支座(10)或者壳体(13)上，固定方式可以靠螺栓(9)、紧配合和焊接等。

所述芯部镂空指尖片(3)从其内径处开有缝隙，缝隙之间为指身(7)和密封靴(8)，指身(7)和密封靴(8)的芯部镂空，外部冷气可以通过指身(7)外径的狭缝进入，从密封靴(8)底部的出口流出，通过调整外部冷气压力，控制密封靴(8)底气膜刚度，实现对密封间隙的主动控制。

所述芯部镂空指尖片(3)上设有若干装配孔(11)，且相邻指尖片之间成对的装配孔(11)交错排列。每个芯部镂空指尖片(3)的指身(7)间的缝隙正好位于相邻芯部镂空指尖片(3)指身(7)的正中位置。

所述芯部镂空指尖片(3)上开有若干通气孔。

所述芯部镂空指尖片(3)由金属或复合材料制成。

所述芯部镂空指尖片(3)、前挡板(1)和后挡板(2)采用螺栓(9)、铆钉(4)铆接或焊接方式连接。

所述芯部镂空指尖片(3)与轴或转子(6)采用间隙配合。

所述前挡板(1)、后挡板(2)均为环形的板状结构，其作用是对芯部镂空指尖片(3)进行支撑和保护。

所述后挡板(2)上开有环形或弧线形的压力平衡腔。

本发明的有益效果：本发明一种带芯部镂空指尖片的指尖密封在减小指尖密封气体泄漏量，减小密封靴与转子之间的摩擦磨损以及提高指尖密封耐高温性能的同时，基本保留了常规指尖密封的最优性能。

相较于以往的指尖密封，本发明对指尖密封的密封性能有着明显的提高。第一，目前指尖密封都是通过各种形式的升力靴结构增大靴底的气膜承载力，但升力靴在轴向方向会不可避免的发生翘曲，改变气膜形状，影响气膜承载力。当转子径向跳动时，升力靴与转子就有可能发生碰磨。而带芯部镂空指尖片的指尖密封巧妙的避免了悬臂梁和升力靴结构，通过靴底的气孔增强了密封靴与转子之间的气膜刚度，提高密封靴底部气膜的承压能力，减小密封靴与转子之间的碰磨，并且通过调整外部冷气压力，可以控制靴底气膜刚度，实现对密封间隙的主动控制；第二，外部冷空气可以通过芯部镂空指尖片外径处的狭缝进入指身。通过结构设计，使气流在内部流道产生变向和漩涡，提升冷气对指尖片的冷却效果，增强了指尖密封耐高温能力，使通常用于二次流路密封的指尖密封具备了在发动机主流路处应用的能力。

因此本发明一种带芯部镂空指尖片的指尖密封装置避免了原有指尖密封的缺陷，提高了指尖密封在高温、高压和高速工况下的密封性能和工作寿命，并将指尖密封的应用部位从二次流路密封拓展到发动机主流路。

附图说明

图1是本发明一种带芯部镂空指尖片的指尖密封装置应用于二次流路密封的结构示意图；

图2是本发明一种带芯部镂空指尖片的指尖密封装置应用于叶尖间隙密封的结构示意图；

图3是图1和图2中芯部镂空指尖片3的外部结构示意图；

图4是芯部镂空指尖片3中密封靴8靴底气流出口的结构示意图，a-c图；

图5是芯部镂空指尖片3内部流道的结构示意图；

其中，1-前挡板、2-后挡板、3-芯部镂空指尖片、4-铆钉、5-叶片、6-转子、7-指身、8-密封靴、9-螺栓、10-支座、11-装配孔、12-销钉、13-壳体。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

请参阅图1，其是本发明一种带芯部镂空指尖片的指尖密封装置应用于二次流路密封的结构示意图。所述一种带芯部镂空指尖片的指尖密封装置由前挡板(1)、后挡板(2)、芯部镂空指尖片(3)及螺栓(9)组成。所述前挡板(1)是一块环形的板状结构，主要作用是对芯部镂空指尖片(3)进行支撑和保护。后挡板(2)也是一块环形的板状结构，主要作用是对芯部镂空指尖片(3)进行支撑和保护，在与指尖片接触的表面开有均压槽，以减少指尖片受到的轴向载荷。所述芯部镂空指尖片(3)是一叠采用增材制造方法或其它方法加工的金属或复合材料薄片，外部结构与传统指尖密封的指尖片结构相似，每个薄片的内径处都用加工出一系列的指身(7)和密封靴(8)。指身(7)是一个细长的曲梁结构，在靠近内径处变成与转子(6)接触的密封靴(8)。其特点在于指尖片内部是镂空结构，如图5所示，这条内部空气通道从指尖片的外径出发，经过指身到密封靴底部，如图4所示。可以将外部冷气直接引到靴底与转子的间隙中，增强气膜刚度，减少碰磨和磨损，并对指尖片本身进行有效的降温，提高其在高温情况下的工作能力和使用寿命。如图3所示，每个芯部镂空指尖片(3)还有一系列的成对的装配孔(11)。装配时将成对的孔交错排列，以便使每层指身(7)的缝隙被相邻层的指身(7)覆盖。所述前挡板(1)、后挡板(2)及芯部镂空指尖片(3)采用螺栓、铆钉或焊接的方法连接在一起做成指尖密封组件。所述带芯部镂空指尖片的指尖密封装置用螺栓(9)固定在发动机的支座(10)上，密封靴(8)与发动机转子(6)配合形成主密封面。本实施方式中，密封直径300mm，单片指尖片厚度0.25mm，内部流路狭缝宽0.05mm，指身数量72个，指身长度50mm，芯部镂空指尖片数量4个，总宽度1mm，指尖片与转子之间的间隙1mm。

请参阅图2，其是本发明一种带芯部镂空指尖片的指尖密封装置应用于叶尖间隙密封的结构示意图。本实施方式中，所述带芯部镂空指尖片的指尖密封装置由前挡板(1)、后挡板(2)、芯部镂空指尖片(3)及铆钉(4)组成。前挡板(1)、后挡板(2)和芯部镂空指尖片(3)的结构与作用与前述一致。区别在于用于叶尖间隙时，为了匹配叶冠，每片指尖片的内径都不一样，组合在一起形成圆锥形结构而不是通常的圆柱形结构。考虑到结构紧凑和安全性，采用径向销钉(12)将指尖密封装置固定在发动机的壳体上。本实施方式中，密封直径800mm，指尖片厚度0.25mm，内部流路狭缝宽0.05mm，指身数量200个，指身长度50mm，芯部镂空指尖片数量4个，总宽度1mm，指尖片与叶冠之间的间隙2mm。

上述两个实施方式揭示了本发明一种带芯部镂空指尖片的指尖密封装置的两个较佳实施方式，但本发明不限于上述实施方式，在上述实施方式所揭示的基础上还可以作进一步的改进。如本发明一种带芯部镂空指尖片的指尖密封装置中芯部镂空指尖片(3)的层数可根据实际需求添加或减少，指尖片厚度、内部狭缝的结构(如图5所示)，出口形式(如图4所示)也可以根据实际工况进行调整，与支座或壳体的安装方式和结构形式也可根据结构空间大小和性能需要确定，指尖片与转子或叶冠之间的间隙也可根据实际需要进行调整。