[发明专利]具有间隙控制功能的叶片式密封装置有效

专利信息
申请号: 201410217589.0 申请日: 2014-05-21
公开(公告)号: CN103982248A 公开(公告)日: 2014-08-13
发明(设计)人: 石伟伟;韦红旗;王丽丽 申请(专利权)人: 南京博沃科技发展有限公司
主分类号: F01D11/22 分类号: F01D11/22
代理公司: 南京天翼专利代理有限责任公司 32112 代理人: 李建芳
地址: 210036 江苏省南京*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 具有 间隙 控制 功能 叶片 密封 装置
【说明书】:

技术领域

本发明涉及叶片式密封装置,尤其适用于航空发动机、燃气轮机等高速旋转机械上。

背景技术

密封技术在现代工业生产和科学技术发展中具有十分重要的作用。无论是提高科学技术发展和工业生产技术水平,还是在技术改造和设备改造与更新方面,密封技术都占据着重要的地位和承担着重要角色。此处以航空发动机为例,说明密封技术的重要性。

众所周知,无论对于军用航空发动机还是民用航空发动机,密封技术直接影响发动机的性能。主流道气流泄漏直接影响发动机各部件的效率;而对于空气系统,密封技术更是其成败的关键技术。

美国路易斯研究中心的研究认为,开发更为先进的密封技术所带来的回报是巨大的。对于商用飞机,可以减少大发动机3%的直接操作费用,区域发动机5%的直接操作费用,可以降低10%的燃油消耗量,可以降低超过50%的NOx排放量,可以减少7dB噪音(相当于减少3/4的声能)。另外,由于空气系统二次流密封的泄漏会使发动机内腔温度增加,进而导致各零部件性能降低,因此,更为先进的密封技术还可以大幅降低寿命期内的维护费用,延长各零部件的使用寿命。

航空发动机内设计的密封众多,此处以高压涡轮叶尖密封为例具体说明控制密封间隙在航空发动机上的重要性以及研究现状。

研究表明,高压涡轮叶尖间隙每减少0.254mm(0.01in),燃油消耗率约降低1%,排气温度约减小10℃。由于排气温度的降低,可大幅增加各部件的使用寿命。

当发动机从慢车到最大转速的加速过程中,由于转子在机械负荷下的变形超过了机匣在热负荷下的径向伸长量,叶尖间隙迅速下降,出现一个最小值;在巡航状态时,转速已经达到基本稳定,涡轮的热响应也趋于饱和,随着机匣温度的逐渐上升,叶尖间隙也慢慢变大。当发动机减速时,叶尖间隙曲线的变化趋势和加速时恰好相反;反推力状态时,发动机再次加速使叶尖间隙达到最小;在飞机起飞和着落过程中,会分别出现间隙最小值的状态点,即最易碰磨的点。

基于上述叶尖间隙在一个飞行任务内间隙变化特性的分析,研制一种具有间隙控制功能的密封装置显得尤为重要。现有技术主要是通过冷却机匣来控制叶尖间隙,这种技术已经被部分国外航空发动机制造商所掌握并应用,但国内的研究与应用受到国外专利壁垒的限制,进展较为缓慢。

另外,由于通过冷却机匣来控制叶尖间隙的技术存在响应速度慢、从风扇或压气机的引气对发动机性能产生不利影响等不足,目前国内外科研人员一直在寻找实现快速响应的主动间隙控制技术的途径,但大多只是进行了一些概念性的研究,专题的深入研究还远远不够,更是缺乏易于实现的技术方案。

事实上,不仅仅在航空发动机上,在其它很多高速旋转机械上,密封间隙都是随着设备状态的改变而改变的。然而,常规的技术方案以篦齿密封为主,密封间隙在设备运转阶段无法调整,只能在安装调试阶段预留足够大的密封间隙,理论上保证设备处于任何状态下都不发生碰磨。然而,实际应用中,高速旋转机械仍常会遇到一些不可预测的瞬时恶性工况,篦齿密封发生短时间碰磨,密封间隙即会永久性扩大。

发明内容

本发明的目的是提供具有间隙控制功能的叶片式密封装置,应用于各种旋转机械上,尤其适用于航空发动机、燃气轮机等设备上,可根据设备运转状态自动调整间隙,且属于一种柔性密封,一旦与转子接触可弹性退让,短时间的碰磨不会造成密封间隙的永久性扩大。

为实现上述目的,本发明的技术方案是:

具有间隙控制功能的叶片式密封装置,安装在转子外围的静子上,包括上游环、叶片组件、下游环和控制环;叶片组件装设在上游环和下游环之间;控制环与下游环相邻。

上述上游环、叶片组件、下游环和控制环是沿着轴向气流方向依次设置的,轴向气流方向为高压侧指向低压侧的方向。

上述叶片组件包括一片以上叶片元件,各叶片元件沿周向均匀排列,叶片元件一端为固定端,另一端为自由端,自由端形成密封内孔。

顺着转子的旋转方向上,上述叶片元件与转子径向夹角为0~60°;沿着轴向气流方向,上述叶片元件与转子的轴向夹角为0~45°;上述叶片元件自由端与下游环之间设有0~1mm的轴向间隙。

上述控制环包括支撑端面,且可相对叶片元件自由端沿轴向移动,支撑端面与叶片元件相对设置。在无压差情况下,支撑端面与叶片元件自由端侧面间的间距是可调的;实际应用中,由于压差的作用,叶片元件向低压侧弹性变形,叶片元件自由端与与控制环支撑端面相抵靠,即上述弹性变形量由控制环的轴向位置确定。

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