一种基于对冲原理的篦齿封严装置
阅读说明：本技术 一种基于对冲原理的篦齿封严装置 (Labyrinth sealing device based on hedging principle ) 是由 刘传凯 丁水汀 王家俊 王傲 邱天 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于对冲原理的篦齿封严装置。该装置由转子(篦齿盘)和静子(衬套)构成,其中篦齿盘包括至少两个台阶齿,所述台阶齿所对应的衬套为台阶状,并在每级台阶末端处增加内凹环状对冲槽。本发明改变了篦齿封严的衬套结构,相比于现有常规篦齿封严结构,在相同的航空发动机工作条件下,能够降低泄漏量,提高封严能力,且封严效果在一定的轴向位移范围内随着转子向右轴向位移的增大而逐渐增大。(The invention discloses a labyrinth sealing device based on a hedging principle. The device is composed of a rotor (a grate disc) and a stator (a lining), wherein the grate disc comprises at least two step teeth, the lining corresponding to the step teeth is step-shaped, and an inward concave annular counter-flushing groove is additionally arranged at the tail end of each step. Compared with the conventional labyrinth sealing structure, the labyrinth sealing structure has the advantages that the leakage amount can be reduced and the sealing capability can be improved under the same working condition of the aero-engine, and the sealing effect is gradually increased along with the increase of the rightward axial displacement of the rotor within a certain axial displacement range.)
技术领域
本发明涉及航空发动机封严领域，具体来说是一种基于对冲原理的篦齿封严装置。
背景技术
篦齿封严是航空发动机中广泛使用的一种有效的非接触式密封结构。篦齿封严结构简单，寿命长，易于维护、在高温和高转速下具有高可靠性的优点，普遍应用于航空发动机的各种结构中，如压气机和涡轮级间气路封严、轮缘燃气封严、内流空气封严以及主轴承滑油封严系统中的滑油封严等，其封严质量在很大程度上控制着气流在整个发动机冷却网络上的分布，直接影响发动机的效率及可靠性。篦齿封严泄漏流量大于设计值会直接降低发动机的效率和性能，篦齿封严泄漏流量过小时又会导致气流显著升温和转子热膨胀增大，缩短发动机使用寿命。因此，能提高封严效果的篦齿设计对于提高航空发动机性能有着重要意义。
传统台阶篦齿是一种非接触式动封严结构，如图1所示，由篦齿盘1(转子)和阶梯衬套2(静子)组成。篦齿盘1上沿轴向具有2个以上的篦齿3，且沿篦齿盘1轴向各篦齿3的高度间存在高度差，呈台阶分布；相邻的两个篦齿3之间形成齿腔4。阶梯衬套2为篦齿盘1外部套设的封严衬套，其侧壁轴向呈台阶状，与篦齿盘2轴向各篦齿3的高度差匹配，每级台阶周向侧壁对应一个篦齿3的齿顶，每个篦齿3的齿顶与其对应的台阶侧壁间留有间隙。当气流通过两者间的间隙时,被节流加速产生一个射流区，一部分压力能转化为动能，气流碰撞在阶梯衬套2内壁上，产生一个回流区，由于齿腔4的结构将会在齿腔4下部产生一个更大的回流区。由于这些回流区的存在，气流动能在湍流和黏性耗散的作用下转换成热能而消耗掉，最终达到封严效果。
对于台阶篦齿来说，封严作用主要借助于齿顶处的节流效应以及齿腔间的涡流耗散。当射流冲击到衬套部分后会形成滞止，并由于剪切作用形成涡流，在正向轴向位移较大时，也会与衬套之间形成节流，进一步降低流量系数。
发明内容
针对航空发动机现有的台阶篦齿封严效果有限，容易失去封严效果，安全性低的现状，本发明，提出一种能提高封严效果的基于对冲原理的篦齿封严结构。
本发明基于对冲原理的篦齿封严装置，包括篦齿盘，篦齿盘轴向上设计的台阶篦齿，以及与台阶篦齿配合的台阶衬套。
其中，台阶衬套中，每级台阶具有台阶侧壁与台阶末端面，台阶末端面上设计有内凹的圆弧对冲槽。由此，当气流在通过篦齿齿顶处时，近阶梯衬套一侧会由于阻力相对较小而以较高的速度流经篦齿齿顶，并沿阶梯衬套壁面射流至圆弧对冲槽内，在对冲槽的影响下形成顺时针涡流，在圆弧对冲槽槽口处以较高的速度逆向冲出，与原齿间射流形成对冲。
本发明的优点在于：
1、本发明基于对冲原理的篦齿封严装置，在台阶衬套的每级台阶处增加内凹环状对冲槽，使得气流沿壁面射流至对冲槽内，在对冲槽的影响下形成顺时针涡流，在槽口处以较高的速度逆向冲出，与原齿间射流形成对冲，降低篦齿的透气效应，达到封严优化的目的；
2、本发明基于对冲原理的篦齿封严装置，适当大小的对冲槽空间使得齿后耗散涡得以充分发展，进一步加剧了能量的耗散；
3、本发明基于对冲原理的篦齿封严装置，通过对冲槽设计，增加了气流与壁面的接触也在一定程度上增加了粘性剪切耗散；在较大径向间隙的情况下，由于对冲涡流的形成，能量耗散更大，封严效果较为明显。
4、本发明基于对冲原理的篦齿封严装置，在篦齿间隙变化时，对间隙变化的敏感性较低，稳定性更强。
附图说明
图1为传统阶梯斜篦齿结构与流场示意图。
图2为本发明基于对冲原理的篦齿封严装置的结构及流场示意图。
图3为本发明基于对冲原理的篦齿封严装置中每级台阶局部放大示意图。
图4为本发明基于对冲原理的篦齿封严装置的梯形对冲槽结构示意图；
图5为本发明基于对冲原理的篦齿封严装置的倒梯形对冲槽结构示意图；
图6为仿真得到的本发明篦齿封严装置与传统阶梯斜篦齿结构在相同条件下的封严效果对比图。
图中：
1-篦齿盘 2-阶梯衬套 3-篦齿
4-齿腔 5-台阶侧面 6-圆弧对冲面
7-台阶末端面
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明基于对冲原理篦齿封严装置，对于传动台阶篦齿来说，对阶梯衬套2进行改进，设计阶梯衬套2中每一个台阶具有台阶侧面5、对冲面6及台阶末端面7，如图2、图3所示。
其中，台阶侧面5为与篦齿3齿顶相对的面；台阶末端面7为朝向篦齿盘2末端的面；令台阶侧面5两相对侧边为侧面A边与侧面B边；台阶末端面7两相对侧边分别为末端面A边与末端面B边。则有当前第i级台阶的侧面A边与第i-1级台阶的末端面B边相接；当前第i级台阶的侧面B边与第i级台阶的末端面A边间通过圆弧对冲面6相接；令圆弧对冲面6相对两侧直边分别为直边A与直边B，则有直边A与末端面A边相接，直边B与侧面B边相接，使得在台阶末端面外侧形成内凹的圆弧对冲槽。
上述结构的篦齿封严装置中，篦齿盘1包括至少两个篦齿3，每个篦齿3形状相同，且相邻篦齿3之间的间距相等；且各级台阶的台阶侧面5与对应的篦齿3齿顶间的径向距离相等。
如图3所示，上述结构的阶梯衬套2还同时具有以下特征：
a、台阶侧面5与圆弧对冲面6相切；
b、台阶侧面5与圆弧对冲面6相接一端向外倾斜，使台阶侧面5与篦齿盘2轴向呈6～10度夹角。
c、圆弧对冲面6圆心角γ设计为180°～240°；
d、第i级台阶的台阶侧面5与第i-1级台阶的台阶末端面7间夹角α设计为70°～105°。
为达到更好的封严效果，设计各级台阶中台阶末端面位置低于侧面B边，即更靠近于台阶所对应的篦齿3，且圆弧对冲面6半径Ra与台阶末端面径向宽度a间需满足2Ra>a。
本发明基于对冲原理篦齿封严装置，在每级台阶处增加内凹的圆弧对冲槽。气流在通过篦齿3齿顶处时，近阶梯衬套2一侧会由于阻力相对较小而以较高的速度流经篦齿3齿顶，并沿阶梯衬套2壁面射流至圆弧对冲槽内，在对冲槽的影响下形成顺时针涡流，在圆弧对冲槽槽口处以较高的速度逆向冲出，与原齿间射流形成对冲，降低篦齿的透气效应，达到封严优化的目的；同时适当大小的对冲槽空间使得齿后耗散涡得以充分发展，进一步加剧了能量的耗散；此外，本发明增加了气流与壁面的接触也在一定程度上增加了粘性剪切耗散。
本发明基于对冲原理在每级台阶处增加内凹环状对冲槽的形状除了可以是上述提到的环状、还可以设计为梯形凹槽、倒梯形凹槽等，如图4，图5所示，其中，对冲槽的深度、角度、形状等几何参数也会对封严优化效果造成一定的影响，根据不同发动机型号和工作环境可在一定范围内通过仿真计算进行优选。但在对冲槽面积相近的条件下，综合考虑封严效果、加工制造等方面的原因，选取前述圆弧对冲槽更好。
图6给出了本方案与基准台阶斜篦齿在相同工作条件下轴向位移变化时封严效果的对比图，可以看出，倘若采用本发明提出的对冲篦齿，可以明显减小流量，提高封严效果。
综上所述，本发明通过对基准台阶篦齿进行结构改进，提高了安全性和封严效果，减少了泄漏量，且结构简单，易于实现。
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