[发明专利]一种基于风阻热形变的负反馈篦齿封严装置

说明书

本发明公开了一种基于风阻热形变的负反馈篦齿封严装置，属于航空发动机非接触式转静系封严技术领域。此封严装置主要包括热胀篦齿盘、盘端倒篦齿部分以及相应的可使流动折向的静子封严衬套，转静子之间形成流动缝隙、弯腔段、齿顶间隙、篦齿齿腔等流动部分。本发明从篦齿利用风阻构型的角度出发，增加流动转向弯腔段、倒向篦齿段和与之配合的静子衬套部分，使得风阻影响下的篦齿与静子衬套出现同向的形变偏差，以此来实现篦齿与衬套之间的间隙相对稳定，形成负反馈机制控制流量，形成在高载荷工作环境下对偏差不敏感的风阻负反馈篦齿构型，一定程度上解决了偏差在风阻影响下带来的篦齿碰磨与失效问题，降低了篦齿工艺精度的要求，提升了发动机效率与安全性。

技术领域

本发明涉及航空发动机空气系统封严领域，具体来说是一种能在高温高转速下利用风阻热进行篦齿形变控制，从而实现间隙、流量变化负反馈功能的篦齿封严装置。

背景技术

航空发动机空气系统是处于发动机主流道内侧、外侧的转子与静子或转、静子之间的联系各腔、间隙、出流孔的空气流路的总称，是由各种不同功能的流路串联和并联的网络系统组成的。空气系统承担着涡轮转静子等部件冷却、轴承腔封严、轴向载荷控制、阻止涡轮燃气入侵、提供防冰气等重要任务。而随着发动机性能要求的不断提升，发动机转速与涡轮前温度也随之提高，这使得空气系统封严相关问题日益紧迫。封严装置的设计直接影响到发动机整体性能，对比表明先进的密封技术可以有效减少燃油消耗量、降低泄漏流量从而提升发动机效率，降低成本。篦齿元件作为应用最为广泛的非接触式封严结构，具有结构简单、易于加工、可靠性高、成本低廉等特点，对篦齿元件构型的改造可以有效改变其换热与流动特性，从而实现不同的功能要求，达到特定环境下的高效封严。

传统台阶斜篦齿是一种较为常见的非接触式动封严结构，其径向截面如图1所示，其中转子篦齿盘随轴进行高速旋转，静子部分由螺栓等结构与外机匣连接固定。篦齿盘上缘一般具有3道以上的篦齿结构(图中为5个)，并且几何相似，相邻篦齿之间存在弧形齿腔，并存在一定高度差，等于相邻篦齿所对应静子台阶之间的高度差。传统篦齿封严主要依赖于三个部分：篦齿顶端与台阶留有很小的径向间隙，用于控制气流流通，实现节流封严；相邻篦齿间形成齿腔涡流，进行流动能量的涡流耗散，同时还有近壁流动、湍流能量耗散；流体通过齿顶间隙后节流加速产生的射流撞击到静子台阶内壁，会产生能量损耗，并形成回流区。

实际工程应用中，在高温高转速工作条件下，转子受到离心与热的作用，会产生一定的径向形变，从而导致篦齿间隙减小，并且气流在流经篦齿元件流路时会产生一定的风阻温升，由于篦齿盘部件高速旋转，与气流反复摩擦，导致篦齿盘温度进一步升高，转子形变量进一步增加，从而加剧了篦齿间隙减小、泄漏流量降低、温升再增加的正向反馈过程。故而冷态装配要留出较大的间隙余量以适应工作状态时篦齿形变。但是由于工艺偏差与过渡过程的存在，篦齿元件的实际径向间隙的会存在一定的偏差，在上述工作条件下，相对偏差会进一步放大，增加了热态间隙的不确定性，在多物理场耦合条件及系统正向反馈机制的影响下会出现转静碰磨之类更为严重的后果，但是增加初始径向间隙又会导致泄漏流量的增加，封严效果变差，发动机效率降低。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于风阻热形变的负反馈篦齿封严装置，通过改变传统篦齿构型对风阻热进行利用，以实现高转速高风阻环境下封严间隙的稳定控制，降低高载荷、偏差与过渡态带来的间隙变化影响，对提高发动机效率与安全性效果显著。

本发明基于风阻热形变的负反馈篦齿封严装置，包括热胀篦齿盘、盘端倒篦齿部分以及相应的可使流动折向的静子封严衬套。

其中，热膨胀篦齿盘末端内侧周向设计有倒篦齿部分；倒篦齿部分位于静子封严衬套上设计的环形腔内；环形腔外壁与篦齿盘末端外侧间形成转静缝隙。篦齿盘末端端部与静子的环形腔底面间形成弯腔段；倒篦齿齿顶与环形腔内侧壁周向间形成齿顶缝隙。