[发明专利]一种带有齿腔射流的航空发动机篦齿封严密封结构

说明书

技术领域

本发明属于发动机领域，具体涉及一种带有齿腔射流的航空发动机篦齿封严密封结构。

背景技术

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个部件，以保证发动机高性能的要求。低油耗、高推比、高可靠性和耐久性是现代航空燃气涡轮发动机的发展趋势，但是发动机内部的温度和压比逐渐升高，使得内流系统的泄漏日趋严重，而封严的性能直接影响到航空发动机燃油消耗率、飞行成本、推重比等工作性能。为了减少泄漏损失，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。国内外研究表明未来航空发动机性能的提高一半将取决于封严技术的改善和泄漏量的降低。因此，人们对高性能密封结构的要求越来越迫切，改进和发展新的封严装置对减少耗油率、提高发动机效率具有重要的实用价值和意义。

篦齿封严是航空发动机长期以来广泛应用的一种封严结构，主要应用于轴承腔、压气机级间、涡轮的级间、燃气隔离和冷却流路等部位。图1和图2分别给出了压气机级间和涡轮级间的篦齿封严结构图。由图2可见，在涡轮各级间，燃气的压力和温度沿轴向从左到右是逐渐减小的，每级转子叶片或静子叶片之间都有压力差，而涡轮转子件和静子件之间难以避免地存在间隙，那么必然会发生高压燃气未参与做功而泄漏到低压区。因此，从提高发动机性能的角度出发，有必要在这些位置布置封严装置，一是减少因高压流体泄漏带走的能量损失，从而提高发动机效率；二是减小因高温燃气直接进入低压涡轮带来的危害，提高低压涡轮的可靠性和耐久性。

可以看出，篦齿封严是现役航空发动机中广泛使用的一种有效的、长寿命的封严结构，它是利用通道的突扩和突缩增加流阻以限制流体泄漏的非接触式动封严，流体经过齿间间隙时，上游流体的压力能通过节流作用转化为速度能，然后在齿腔内速度能通过湍流旋涡耗散为热能。其密封效果主要取决于其密封间隙的大小和齿数的多少，具有耐高温、没有摩擦损耗和适用于高转速状况等优点。

篦齿封严结构的主要几何参数包括7个结构参数，即齿间间隙宽度c，齿间距B，齿高H，齿宽(齿尖宽度)t，齿数N，前倾角α，后倾角β，如图3所示。

篦齿封严结构在运行过程中，由于转子件与静子件之间存在磨损，导致齿间间隙宽度变大，减少篦齿封严结构的泄漏量的关键在于使流体在齿腔内的能量充分耗散。设计合理的篦齿封严结构，就是使得流体介质产生漩涡、射流等有效的流动特征，从而使得流体的能量在流动过程中得到充分的耗散，以实现密封两侧的较大压差，进而实现封严的效果，这就意味着对篦齿封严结构的设计提出了更高的要求，其原理如图2所示。

流体从进口处的高压区域向出口处的低压区域方向流动，流体撞向第一节篦齿后会迅速收缩并且增速，其压力能部分转换为流体的动能，以最大速度通过齿尖，然后一部分贴壁射流进入下一节齿尖间隙，另一部分则进入齿腔后产生涡流。流体在齿腔里会受到强烈的摩擦作用，膨胀减速，最终流体的动能会转化为热能在齿腔里面耗散，总能量损失增加(图4)。

当气流通过封严流通间隙，进入篦齿齿腔，流体经过齿间间隙时，上游流体的压力能通过节流作用转化为速度能，气流在齿腔内形成涡旋，速度能通过湍流旋涡耗散为热能。从上述分析可以看出，气流在篦齿齿腔内的能量耗散对篦齿泄漏量影响较大，在腔体内部引入高速射流，能强化篦齿齿腔内的流动掺混，增强动能耗散，则可以有效降低篦齿泄漏量。

提高航空发动机性能的主要途径之一是封严技术的改善和泄漏量的降低。随着航空发动机性能指标的不断提升，对密封性能的要求也日益苛刻。研究表明：国内外现役发动机机中空气密封设备主要采用篦齿封严结构，其密封性能的改进主要集中在篦齿自身主要齿形参数的优化设计。

通过对图2所示几何参数的优化设计，增加篦齿沿程气流动能耗散，降低流速，起到降低泄漏量的目的。近年来，研究主要集中在针对几何参数的优化设计上，大幅提升了篦齿结构的密封特性。由于篦齿封严尺寸较小，其最小尺寸小于1mm，加工难度较大；另外，较小的几何参数使得几何尺寸变化的空间有限，对泄漏量的进一步减小带来较大困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航空发动机篦齿封严密封结构，采用齿腔射流，能够有效强化篦齿内部气流耗散，降低流体的总体泄漏流量。

为解决上述技术问题,本发明提供的技术方案是：