包括具有可变单元密度的耐磨元件的迷宫式密封件
阅读说明：本技术 包括具有可变单元密度的耐磨元件的迷宫式密封件 (Labyrinth seal comprising wear elements with variable cell density ) 是由 克莱门特·拉斐尔·拉罗什 于 2020-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于特别是飞行器的涡轮机的迷宫式密封件,该迷宫式密封件包括转子元件和围绕该转子元件延伸的定子元件,该转子元件适于围绕具有轴向方向(DA)的旋转轴线相对于定子元件旋转,该转子元件包括环形唇部,该环形唇部具有朝向由定子元件承载的耐磨元件(57)延伸的外径向端部,该环形唇部的外径向端部具有沿着轴向方向(DA)的波纹和与该波纹相关的非零轴向范围(E-(5)),耐磨元件(57)包括多个单元(50a,50b),多个单元被布置成沿着轴向方向(DA)和正交方向(O)彼此相邻,单元(50a,50b)包括沿着大致径向方向延伸的壁,单元根据第一单元密度分布在耐磨元件的第一致密环形区域(Z-(51))中,所述致密环形区域(Z-(51))被定位成与唇部的所述径向端部相对,所述致密环形区域的轴向范围小于或等于唇部的外径向端部的轴向范围,单元根据所述第一区域外的参考单元密度分布,第一密度大于参考密度。(The invention relates to a labyrinth seal for a turbomachine, in particular an aircraft, comprising a rotor element and a stator element extending around the rotor element, the rotor element being adapted to rotate relative to the stator element about an axis of rotation having an axial Direction (DA), the rotor element comprising an annular lip having an outer radial end extending towards a wear element (57) carried by the stator element, the outer radial end of the annular lip having a corrugation along the axial Direction (DA) and a non-zero axial extent (E) associated with the corrugation 5 ) The wear element (57) comprises a plurality of cells (50a, 50b) arranged adjacent to each other along an axial Direction (DA) and an orthogonal direction (O), the cells (50a, 50b) comprising walls extending along a substantially radial direction, the cells being distributed according to a first cell density in a first dense annular zone (Z) of the wear element 51 ) In the dense annular region (Z) 51 ) Positioned opposite said radial end of the lip, the axial extent of said dense annular region being less than or equal to the axial extent of the outer radial end of the lip, the cells being distributed according to a reference cell density outside said first region, the first density being greater than the reference density.)
技术领域
本发明涉及一种用于特别是飞行器的涡轮机的迷宫式密封件。
背景技术
已知涡轮机配备有是动态密封件的迷宫式密封件，该迷宫式密封件的紧密性由一个或数个旋转擦拭器提供。如图1所示，擦拭器5由涡轮机10的在定子元件3内围绕轴向方向A旋转的转子元件1承载，并且被耐磨元件7围绕，例如被由该定子元件3承载的块体或耐磨材料的涂层围绕。
耐磨元件7的目的是保护擦拭器5免受由于与围绕擦拭器的定子元件3接触而磨损的风险。例如，可以避免或相反地寻求与耐磨元件7的接触，以优化擦拭器周围的径向间隙J。可以相应地调整耐磨元件7和擦拭器5的类型。
这种技术可用于在转子轮的叶片的顶部处提供密封，这些叶片承载环形的、可能分段的擦拭器，擦拭器被由定子壳体承载的耐磨元件围绕(特别是参见FR-A1-3 001 759)。这种技术还可用于在涡轮机的轴或轴颈部分与定子之间提供密封。擦拭器的数量和尺寸特别取决于待密封的元件之间可用的径向空间。
彼此面对布置的擦拭器和耐磨元件是同一轴向方向(在图1中用A表示)的环形部件。擦拭器朝向耐磨元件径向延伸。在运行中，擦拭器的面对耐磨元件的径向端部具有干扰气流的功能，该气流试图从上游到下游在转子元件和定子元件之间流动。这在气流中产生湍流，从而产生压降，并因此提高了密封件的严密性。
如图2所示，耐磨元件27具有围绕轴向方向A的圆柱形形状。耐磨元件27可包括沿着大致径向方向延伸的多个单元20。单元20具有壁22，并且被布置成沿着轴向方向A和正交方向O彼此相邻。单元20的存在有助于在气流中产生湍流。
特别地，单元可以具有蜂窝形状。
图4示出彼此面对定位的耐磨元件47和擦拭器41的轴向横截面。在运行中，如图4所示，耐磨元件和擦拭器41具有干扰气流43的功能，该气流试图从上游到下游(即在图中从左到右)在耐磨元件47和擦拭器41之间流动。擦拭器41的端部45在气流中产生湍流，从而产生压降，并因此提高了密封件的严密性。在待穿过的每个擦拭器41处，气流43在擦拭器41的上游被干扰，气流沿着单元40的壁42通过耐磨元件47的单元40内部，然后在擦拭器41的下游，在穿过擦拭器之后，跟随着的是通道截面的突然增加。被定位在耐磨元件的单元的边缘处并面对擦拭器的端部45的区域44对应于空气被干扰并且不能使得直到擦拭器41的下游侧才进入单元40的空气能够正常且完全流动的区域。
图3a示出在环已经以特定角度轴向切割、然后打开并平放的情况下的环形耐磨元件37a。耐磨元件37a包括单元30a，该单元被布置成沿着旋转轴线A的方向DA和正交方向O彼此相邻。在透视图中示出的擦拭器35a在耐磨元件37a内旋转。虚线39a示出被定位在擦拭器35a的面对耐磨元件37a定位的端部处的点的位置。在这种情况下，虚线39a沿着正交方向，这意味着擦拭器37a的端部具有规则圆形的形状，如透视图中的擦拭器35a所示。
对于某些类型的涡轮喷气发动机，运行中达到的温度可能需要用提供特别高热强度的材料来制造擦拭器。
这些材料还会具有高的机械柔性，以至于制造的擦拭器不具有令人满意的机械强度。特别地，擦拭器的旨在被布置在面对耐磨元件的径向端部的形状可能具有不规则性，并且该径向端部形状可能偏离规则圆形的形状。
这种情况在图3b中示出，该图示出如先前所示的以特定角度轴向切割，然后打开并平放的环形耐磨元件37b。耐磨元件37b包括单元30b，该单元被布置成沿着旋转轴线A的方向DA和正交方向O彼此相邻。擦拭器35b在耐磨元件37b内旋转。虚线39b示出被定位在擦拭器35b的面对耐磨元件37b定位的外径向端部处的点的位置。在这种情况下，虚线39b不完全遵循正交方向，并且沿着轴向方向具有波纹，该波纹的凸起33在图3b中示出。这是因为形成擦拭器的外径向端部的点沿着轴向方向不具有相同的位置。这些点沿着虚线39b的波纹在轴向方向上分布。在本文的其余部分中，这种情况由擦拭器37b的外径向端部的轴向波纹来指定。外径向端部的该轴向波纹的凸起31在图3b中示出。
在这种情况下，外径向端部的形状偏离规则圆形的形状，密封件的严密性降低。
呈规则圆形的形式的波纹或偏差可以通过与沿着擦拭器的端部的轴向方向的波纹相关的擦拭器的外径向端部的轴向范围E3来表征。该轴向范围E3可以计算为波纹沿着涡轮机的旋转轴线的长度，或者等效为线39b在旋转轴线A的方向DA上的投影。公差可以与该轴向范围相关，以便在擦拭器的制造期间，擦拭器的外径向端部的轴向范围小于公差。
本发明提出了在擦拭器的外径向端部的形状具有轴向波纹和与该波纹相关的非零轴向范围的情况下密封件的严密性的提高。
发明内容
本发明的一个目的是在擦拭器的径向端部的形状具有波纹和与该波纹相关的非零轴向范围的情况下提高密封件的严密性。
本发明的另一个目的是无论飞机的飞行阶段如何，在擦拭器的径向端部的形状具有波纹和与该波纹相关的非零轴向范围的情况下获得密封件的严密性的提高。
为此，根据本发明的第一方面，提出了一种用于特别是飞行器的涡轮机的迷宫式密封件，该迷宫式密封件包括转子元件和围绕转子元件延伸的定子元件，转子元件适于沿着轴向方向围绕旋转轴线相对于定子元件旋转，该转子元件包括环形擦拭器，该环形擦拭器具有朝向由定子元件承载的耐磨元件延伸的外径向端部，环形擦拭器的外径向端部具有沿着轴向方向的波纹和与该波纹相关的非零轴向范围，耐磨元件包括多个单元，多个单元被布置成沿着轴向方向和正交方向彼此相邻，单元包括沿着大致径向方向延伸的壁，单元根据第一单元密度分布在耐磨元件的第一致密环形区域中，所述致密环形区域被定位成面对擦拭器的径向端部，所述致密环形区域的轴向范围小于或等于擦拭器的外径向端部的轴向范围，单元根据所述第一区域外的参考单元密度分布，第一密度大于参考密度。
有利地但可选地，迷宫式密封件可以具有以下特征之一或这些特征的可能组合之一：
-单元分别根据第二单元密度和第三单元密度分别分布在耐磨元件的第二致密环形区域和第三致密环形区域中，第一致密环形区域、第二致密环形区域和第三致密环形区域中的每一个适于在飞行器的不同飞行阶段期间被定位成面对擦拭器的外径向端部，第二密度和第三密度各自大于参考密度；
-至少一个致密环形区域的轴向范围介于擦拭器的外径向端部的轴向范围的40％到100％之间；
-多个单元的至少一部分具有蜂窝形状；
-致密环形区域中的多个单元的至少一部分具有圆盘、正方形、三角形或菱形形状；
根据本发明的第二方面，还提出了一种用于制造特别是飞行器的涡轮机的迷宫式密封件的方法，该迷宫式密封件包括转子元件和围绕转子元件延伸的定子元件，转子元件适于沿着轴向方向围绕旋转轴线相对于定子元件旋转，该转子元件包括环形擦拭器，该环形擦拭器具有朝向由定子元件承载的耐磨元件延伸的外径向端部，环形擦拭器的外径向端部具有沿着轴向方向的波纹和与该波纹相关的非零轴向范围，耐磨元件包括多个单元，多个单元被布置成沿着轴向方向和正交方向彼此相邻，单元包括沿着大致径向方向延伸的壁，该方法包括以下步骤：
-制造擦拭器；
-制造耐磨元件，该耐磨元件包括第一致密环形区域，该第一致密环形区域被定位成面对擦拭器的外径向端部，所述致密环形区域具有第一单元密度，所述致密环形区域的轴向范围小于或等于擦拭器的外径向端部的轴向范围，该单元根据第一致密环形区域外的参考单元密度分布，该参考单元密度小于第一单元密度。
有利地但可选地，制造方法可以具有以下特征之一或这些特征的可能组合之一：
-分别制造耐磨元件的第二致密环形区域和第三致密环形区域，该单元分别根据第二单元密度和第三单元密度分布，第一致密环形区域、第二致密环形区域和第三致密环形区域中的每一个在飞行器的不同飞行阶段期间被定位成面对擦拭器的外径向端部，第二密度和第三密度各自大于参考密度；
-测量擦拭器的外径向端部的轴向范围并确定至少一个致密环形区域的介于擦拭器的外径向端部的轴向范围的测量值的40％到100％之间轴向范围；
-通过考虑擦拭器的外径向端部的轴向范围的测量值来确定至少一个致密环形区域的单元密度；
-耐磨元件的制造包括具有蜂窝形状的单元的制造；
-耐磨元件的制造包括在具有圆盘、正方形、三角形或菱形形状的单元的致密环形区域中制造。
根据本发明的第三方面，还提出了一种涡轮机，该涡轮机包括如上所述的迷宫式密封件。
附图说明
通过以下仅为示例性并非限制性并且应该结合附图来阅读的描述，本发明的其它特征、目的和优点将显而易见，在附图中：
已经讨论过的图1示出迷宫式密封件。
已经讨论过的图2示出耐磨元件。
已经讨论过的图3a示出打开并平放的耐磨元件，以及面对擦拭器的外径向端部。
已经讨论过的图3b示出打开并平放的耐磨元件，以及面对擦拭器的外径向端部。
已经讨论过的图4示出耐磨元件和面对的擦拭器的轴向横截面。
图5示出打开并平放的耐磨元件，以及面对的擦拭器的外径向端部的位置。
图6示出打开并平放的耐磨元件。
图7示出打开并平放的耐磨元件。
在所有的图中，类似的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图5示出打开并平放的耐磨元件57，以及由虚线59表示的面对的擦拭器的端部的位置。虚线59不遵循正交方向并且具有波纹。擦拭器的外径向端部具有规则圆形的形状的偏差。呈规则圆形的形式的偏差可以通过擦拭器的外径向端部的轴向范围E5来表征，该轴向范围是线59沿着方向DA的投影。
图1、图2和图5提出了一种用于特别是飞行器的涡轮机的迷宫式密封件10，该迷宫式密封件包括转子元件1和围绕转子元件1延伸的定子元件3，转子元件1适于围绕旋转轴线A相对于定子元件3旋转，该转子元件包括环形擦拭器5，该环形擦拭器具有朝向由定子元件3承载的耐磨元件7、57延伸的外径向端部，环形擦拭器的外径向端部具有沿着轴向方向的波纹和与该波纹相关的非零轴向范围E5，耐磨元件包括多个单元20、50a、50b，多个单元被布置成沿着旋转轴线A的方向DA和正交方向O彼此相邻，单元20、50a、50b包括沿着大致径向方向R延伸的壁22，单元20、50a、50b根据第一单元密度分布在耐磨元件的第一致密环形区域Z51中，所述致密环形区域Z51被定位成面对擦拭器的径向端部，所述致密环形区域的轴向范围小于或等于擦拭器的径向端部的轴向范围，单元根据所述第一区域外的参考单元密度分布，第一密度大于参考密度。
耐磨元件的单元的壁22沿着大致径向方向延伸，这意味着在单元的限定中起作用的一个或多个壁22是具有靠近径向方向R的伸长方向的表面。靠近另一个方向的方向在此意味着分隔两个方向的角度小于2度。
图5中示出的第一致密环形区域Z51对应于耐磨元件的单元50b，该单元的尺寸小于被定位在该第一致密环形区域Z51之外的在区域Z5R中的单元50a的尺寸。因此，可以在第一致密环形区域Z51中的每单位表面布置更多数量的单元，即获得大于参考密度的第一密度。
被定位成面对擦拭器的径向端部的致密环形区域Z51在图5中通过沿着轴向方向A的事实体现，第一致密环形区域Z51和虚线59以同一位置为中心。
例如，第一致密环形区域Z51的中心轴线和虚线59的中心轴线之间的位置差可以被选择为小于0.5mm，甚至更低的值。
致密环形区域Z51可以通过该致密环形区域的轴向范围，即区域沿着轴向方向的宽度来表征。致密区域的该轴向范围被选择为小于或等于擦拭器的径向端部的轴向范围。
与面对擦拭器的耐磨元件的较高单元密度相关的技术效果是提高密封件的严密性。试图从涡轮机的上游到下游在耐磨元件57和擦拭器之间流动的气流由于存在的单元50b的数量更多而遇到更多干扰。
在擦拭器的更上游或更下游的耐磨元件的更大的单元密度基本上不改变密封件的严密性，使得致密环形区域不必呈现大于擦拭器的径向端部的轴向范围的轴向范围。
图6示出平放的耐磨元件67。面对的擦拭器的端部的位置没有示出，但在这种情况下，擦拭器的径向端部具有呈规则圆形的形式的轴向波纹或偏差。
如图5所示，耐磨元件67包括多个单元60a、60b，该多个单元被布置成沿着旋转轴线A的方向DA和正交方向O彼此相邻，单元60a、60b根据第一单元密度分布在耐磨元件的第一致密环形区域Z61中，所述致密环形区域Z61被定位成面对擦拭器的径向端部，这些单元根据所述第一区域Z61外的参考单元密度分布，第一密度大于参考单元密度。
图6提出了如上所示的迷宫式密封件的耐磨元件，此外，其中，单元60a、60b还分别根据第二单元密度和第三单元密度分别分布在耐磨元件的第二致密环形区域Z62和第三致密环形区域Z63中，第一致密环形区域Z61、第二致密环形区域Z62和第三致密环形区域Z63中的每一个适于在飞行器的不同飞行阶段期间被定位成面对擦拭器的径向端部，第二密度和第三密度各自大于参考密度。
在不同飞行阶段期间，涡轮机受到或多或少的载荷，使得涡轮机内的部件的温度和膨胀发生变化。特别地，在“冷却”阶段(即当涡轮机启动时)的温度低于在“巡航”阶段(即当涡轮机处于允许飞行的模式时)的温度。同样，在“巡航”阶段的温度低于在“爬升”阶段(即当涡轮机处于使得能够起飞的模式时)的温度。
在由耐磨元件和擦拭器形成的系统中，擦拭器相对于耐磨元件在旋转轴线A的方向DA上的位置根据飞行阶段而变化。对于飞行阶段“冷却”、“巡航”和“爬升”中的每一个阶段，可以识别擦拭器相对于耐磨元件的三个轴向位置“冷却”、“巡航”和“爬升”，轴向位置“巡航”在另外两个轴向位置“冷却”和“爬升”之间。
在耐磨元件仅具有一个致密环形区域的情况下，如果在从第一飞行阶段切换到第二飞行阶段时，擦拭器不再被定位成面对致密环形区域，然后在第一飞行阶段期间获得的密封件的严密性的提高在第二飞行阶段期间失去。
与被定位成面对擦拭器的三个轴向位置“冷却”、“巡航”和“爬升”的三个致密环形区域的存在相关的技术效果是在三个飞行阶段“冷却”、“巡航”和“爬升”中的每一个阶段期间保持密封件的严密性的提高。
在本申请中提出的迷宫式密封件具有至少一个致密环形区域，致密环形区域的轴向范围可以更精确地限定。特别地，可以规定，致密环形区域的轴向范围与外径向端部的轴向范围之间的比率介于40％到100％之间。
被定位成面对擦拭器的外径向端部的致密环形区域的存在使得能够提高密封件的严密性。然而，耐磨元件内面对擦拭器存在的更多数量的壁减少了耐磨元件的耐磨性或“磨损性”。在此，耐磨性对应于以下事实：在耐磨元件与擦拭器之间发生接触的情况下，与擦拭器接触时损失材料并劣化的是耐磨元件，而不反过来。
此外，为了设置致密环形区域的范围，在耐磨元件的磨损性和密封件的严密性之间存在折衷。特别地，致密环形区域的轴向范围越接近擦拭器的外径向端部的轴向范围，密封件的严密性提高得越多，耐磨元件的耐磨性越小。
致密环形区域的轴向范围与外径向端部的轴向范围之间的比率介于40％到100％之间使得能够在耐磨元件的磨损性和密封件的严密性之间进行有益的折衷。
特别地，介于40％到80％之间的比率使得能够对差异膨胀是重要的且磨损性需求是重要的系统进行有益的折衷。
介于80％到100％之间的比率使得能够在确定耐磨元件和擦拭器不会彼此发生接触或几乎不会彼此发生接触时进行有益的折衷，并且因此可以提高严密性的质量。
可以为耐磨元件的单元选择不同的形状。
可以选择蜂窝形状，即规则的六边形形状。
可以选择其它几何形状，例如圆盘状、正方形、三角形或菱形。
应当注意，单元的一部分可以是某种形状，单元的另一部分可以是另一种形状。
以这种方式，提出了如上所述的迷宫式密封件，其中，单元的至少一部分具有蜂窝形状。
以这种方式，提出了如上所述的密封件，其中，单元的至少一部分具有圆盘、正方形、三角形或菱形形状。
图7示出如上所示的迷宫式密封件的耐磨元件，该耐磨元件具有区域Z7R，其中，耐磨元件的单元根据参考密度分布。在这些区域中，单元70a具有蜂窝形状。耐磨元件还包括三个致密环形区域Z71、Z72、Z73。每个致密环形区域对应于不同形状的单元。
在区域Z71中，单元70b具有圆盘形状。
在区域Z72中，单元70c具有由波形线的周期性阵列的相交给出的形状。
在区域Z73中，单元70d具有更复杂且有角的形状，该形状具有许多点，其中，该形状对于其轮廓具有锐角的切割角。
还提出了一种用于制造特别是飞行器的涡轮机的迷宫式密封件的方法，该迷宫式密封件包括转子元件和围绕转子元件延伸的定子元件，转子元件适于围绕旋转轴线相对于定子元件旋转，该转子元件包括环形擦拭器，该环形擦拭器具有朝向由定子元件承载的耐磨元件延伸的外径向端部，环形擦拭器的外径向端部具有沿着轴向方向的波纹和与该波纹相关的非零轴向范围，耐磨元件包括多个单元，多个单元被布置成沿着旋转轴线的方向和正交方向彼此相邻，单元包括沿着大致径向方向延伸的壁，该方法包括以下步骤：
-制造擦拭器；
-制造耐磨元件，该耐磨元件包括第一致密环形区域，该第一致密环形区域被定位成面对擦拭器的外径向端部，所述致密环形区域具有第一单元密度，所述致密环形区域的轴向范围小于或等于擦拭器的外径向端部的轴向范围，该单元根据第一环形参考区域外的参考密度分布，该参考密度小于第一单元密度。
耐磨元件的制造还可以包括分别制造耐磨元件的第二致密环形区域和第三致密环形区域，该单元分别根据第二单元密度和第三单元密度分布，第一致密环形区域、第二致密环形区域和第三致密环形区域中的每一个在飞行器的不同飞行阶段期间被定位成面对擦拭器的外径向端部，第二密度和第三密度各自大于参考密度。
如刚才所述的用于制造迷宫式密封件的方法还可以包括以下步骤：
-测量擦拭器的外径向端部的轴向范围；
-确定至少一个致密环形区域的介于擦拭器的外径向端部的轴向范围的测量值的40％到100％之间轴向范围。
如刚才所述的用于制造迷宫式密封件的方法还可以包括通过考虑擦拭器的外径向端部的轴向范围的测量值来确定至少一个致密环形区域的单元密度。
该制造方法可以适用于制造不同蜂窝、圆盘、正方形、三角形或菱形形状的单元。
如前所述，在耐磨元件的磨损性和密封件的严密性之间存在折衷，以设置致密环形区域的轴向范围。
与致密环形区域的轴向范围类似，单元密度越大，密封件的严密性提高得越多，耐磨元件的耐磨性越小。
可以使用耐磨元件的磨损性和密封件的严密性之间的折衷来设置耐磨单元的密度。
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