自泵送流体动压指尖密封装置的制作方法

本专利属于密封技术领域，特别涉及一种具有流体自循环动压效应的指尖密封，适合于高转速、存在章动的轴向位移和进动的径向位移、工作寿命要求较高的气体介质密封场合。

背景技术：

密封技术在燃气轮机以及航空发动机中具有十分重要的作用。先进密封技术在提高发动机性能和寿命的同时，能有效降低发动机的燃油消耗率和飞行成本。当前应用于航空发动机的主要密封类型有篦齿密封、刷密封、石墨浮环密封等。随着航空发动机整机性能的不断提高，传统的密封方式，如篦齿密封，已难以满足其在工作效率、推重比、耗油率、可靠性和经济性等方面的多重要求。刷式密封的发明，解决了篦齿密封泄漏率大，导致工作效率低、耗油率高的问题，同时还带来了刷丝脱落或疲劳断裂的安全隐患；气膜密封的出现，较好地解决了章动的轴向位移和进动的径向位移对发动机级间、压气机出口、涡轮入口、轴承腔室等的回流或泄漏的影响，但气膜密封需要阻塞流体供应系统，由于这些阻塞流体来自压气机，因而降低了发动机的效率；指尖密封的发明，克服了刷丝脱落或疲劳断裂的安全隐患，但转子进动产生的径向位移增大了转子的磨损，指尖梁与后挡板之间的摩擦带来的指尖梁回复迟滞性，还增加了流体的泄漏。

中国专利cn106246242a公开的一种有肋片的非接触式指尖密封装置，通过流体静压和转子转动带来的流体动压作用，对指尖靴底部产生抬升作用，在转子发生径向位移时，该结构能更加有效地自动调节指尖片姿态，使指尖片的运动适应转子的径向跳动，在保证密封效果的同时使密封和转子之间实现非接触；在低压侧的指尖梁与低压指尖靴之间布置了肋片，使低压指尖片不再与后挡板接触，减弱甚至消除了“迟滞效应”。但肋片的加入也增加了指尖靴的刚性，使得转子进动产生径向位移及工作温升导致转子径向尺寸增大时，转子与指尖靴之间发生接触而产生摩擦，造成磨损。这就要求增大转子与指尖靴之间的预装间隙，而预装间隙的增加意味着初始泄漏量将会增加。

中国专利cn104864102a公开的一种后挡板带微孔织构非接触式指尖密封装置，在低压密封片的接触区域设置织构区，减小低压密封片与后挡板之间的摩擦系数，从而改善了迟滞性能。但为了防止转子进动产生径向位移及工作温升引起的转子径向尺寸增大，导致转子与指尖靴之间发生接触而产生摩擦磨损，因而设计时往往增大转子与指尖靴之间的预装间隙，而预装间隙的增加意味着初始泄漏量将会增加。

arora提出的一种指尖螺旋密封结构(arorag.k.dualpressurebalancednoncontactingfingerseal.u.s.patent6364316)，将指尖密封与带有螺旋槽的转子结合起来，保证了运行状态下密封界面具有一定的流体动压，减小了磨损，实现了密封，克服了气膜密封需要提供阻塞流体的不足。但是，由于转子上螺旋槽的存在，无法解决停机阶段高压介质的泄漏。

技术实现要素：

本技术的目的在于提供一种运行状态下具有流体动压与密封能力、停机状态下泄漏率小甚至不泄漏的自泵送流体动压指尖密封装置，以克服目前燃气轮机或航空发动机指尖密封“迟滞效应”及转子进动适应性差导致的泄漏率高或磨损量大的不足。

本专利的技术方案是：

一种自泵送流体动压指尖密封装置，由后挡板4、低压指尖密封片2以及带指尖靴9的高压指尖梁1和转子5组成，带指尖靴9的高压指尖梁1、低压指尖密封片2、后挡板4从高压至低压依次叠放通过铆钉连接在一起，形成环，外套在转子5上；

所述的指尖靴9与转子5构成密封界面；

所述的指尖靴9上设置有一直径为d的引流孔11以及宽度为t的内环槽10，转子5的表面部分加工有螺旋槽7；引流孔11与内环槽10相通，螺旋槽7与内环槽10在径向方向相对；转子转动时，高压侧的流体经引流孔11、内环槽10、螺旋槽7泵送至密封界面，形成流体动压，推开指尖靴，避免了指尖和转子间的摩擦磨损。

上述的自泵送流体动压指尖密封装置，所述的高压指尖梁1与指尖靴9之间布置有肋片12。肋片12属于现有技术，内容参见cn106246242a。

上述的自泵送流体动压指尖密封装置，所述的低压密封片与高压指尖梁1接触的表面设置有微孔织构，微孔织构可以设置在低压密封片表面，也可以设置在高压侧指尖梁表面。微孔织构属于现有技术，内容参见cn104864102a。

上述的自泵送流体动压指尖密封装置，所述的引流孔11在转子轴向方向上贴近高压指尖梁1、位于指尖靴9周向的中部。

上述的自泵送流体动压指尖密封装置，所述的内环槽10，其宽度截面的中心线与引流孔11中心线重合，使得由引流孔导出的流体在转子转动过程中始终能够通过转子上螺旋槽的泵送作用进入密封界面形成稳定的压力膜。

上述的自泵送流体动压指尖密封装置，所述的转子5上的螺旋槽7，其位置与指尖靴9的位置相对应，一头与内环槽10的轴向外侧面对齐，另一头不超过指尖靴9的悬臂端。螺旋槽的螺旋角α不宜过大，以防止产生轴向推力，螺旋槽的截面形状为矩形。

本技术的自泵送流体动压指尖密封装置的工作原理：

运转时，螺旋槽将来自引流孔的流体泵送至密封界面，形成流体动压，推开指尖靴，避免了指尖和转子间的摩擦磨损；当转子出现进动的径向位移时，密封界面间的流体膜产生的刚度阻止转子向指尖梁靠近，同时指尖梁在挠性作用下产生一定量的挠度，避开了与转子的直接接触。停机时，指尖梁在自身及肋片刚度作用下，保持与转子间一定的比压，实现密封。

图1为停机状态下的自泵送流体动压指尖密封装置示意图，图2为工作状态下的自泵送流体动压指尖密封装置密封界面流体流动方向图，图3为螺旋槽内流体泵送速度图。

在槽区内任意位置z处的泵送速度为

式中，z为槽区内任意位置距底部的高度；h为螺旋槽深度；α为螺旋角；v为转子圆周速度；v’为流体沿螺旋槽方向泵送速度。

沿槽深方向泵送速度的平均值ump为

泵送流量qp为泵送速度、横向槽宽、螺旋槽深度h、螺旋头数i的乘积

由螺旋槽的几何关系可知

式中，d1为转子直径；k1为螺旋槽相对槽宽,

则泵送流量

一种自泵送流体动压指尖密封装置的泄漏流动可以沿两个路径产生，一是沿螺旋槽流动，另一是越过螺旋槽槽顶的流动。这两种情况下，泄漏量均可按通过缝隙流动的一般公式来计算，即流量＝(压降×缝深³×缝宽)÷(12×黏度×缝长)

式中，δp为泵出压力与泵入压力之差，b为缝宽，h为缝深，μ为密封流体的动力粘度，c为缝长，c＝l/sina，l为螺旋槽长度。

对于沿螺旋槽的流动

缝深h＝槽深+齿顶间隙＝h+s

缝宽b＝槽的横向宽度×槽数＝bcosα×i

缝长c＝l/sinα，l为螺旋轴向长度

则沿螺旋槽的泄流量为

对于越过螺旋槽的流动，不论螺旋槽具有何种尺寸，只要是正常的，泄漏阻力几乎全部来自齿顶。图4为螺旋密封展开图。

缝深h＝对心齿顶间隙＝s

缝宽b＝abcosα＝adicosα＝decotα·icosα＝(a+b)cotα·icosα(8)

故越过螺旋槽的泄流量

总泄漏流量q总为q1与q2之和

定义相对槽深

又

则

当泵送流量与泄漏流量相等时，自泵送流体动压指尖密封装置的密封能力为

由于h＝(k2-1)s

定义密封系数

则

工作中，当转子出现偏心(如图6所示)时，偏心距为e，对心齿顶间隙为s，偏心率ε为

e＝e/s(13)

式中，s＝(d2-d1)/2，d2为工作状态下密封靴底面直径。

此时，沿螺旋槽泄漏的流量和越过螺旋槽槽顶的泄漏量均可表示为

则偏心状态下总泄漏量为

当转子偏心距e＝0时，即同心，则变为公式(11a)；

当转子偏心距e＝s时，即完全偏心，则有

由式(16)可知，偏心率对泄漏量的影响很大，完全偏心产生的泄漏量为同心的2.5倍。

在考虑偏心率ε的情况下，对式(12a)进行改进，可得在偏心状态下自泵送流体动压指尖密封装置的密封能力为

其中，

由式(17)可知自泵送流体动压指尖密封装置的密封能力减小，偏心率ε越大，泄漏量越大，密封能力越差。

所述的自泵送流体动压指尖密封装置在转子出现偏心时，形成的承载力为

式中，p为引流孔处压力。

随着偏心率ε的增大，承载能力逐渐减小，泄漏量逐渐增大。

式(18)中只有ke中的偏心率ε是变量，因此，w是关于偏心距e的函数关系式(19)

对e进行求导，可得到自泵送流体动压指尖密封装置的刚度g

刚度越大，转子越不容易与密封靴发生接触。

本技术的有益效果

相对于一般的流体动压指尖密封结构，本专利的一种自泵送流体动压指尖密封装置，在工作的过程中，高压侧的密封流体可以通过引流孔进入转子的螺旋槽，后又经转子上螺旋槽的泵吸作用，使得在指尖靴与转子之间能够形成稳定的压力膜，达到密封和减小指尖靴与转子之间的磨损的目的，同时高压气体对指尖靴的压力作用又可以减小指尖靴与转子之间的间隙，达到良好的密封效果。克服了一般流体动压指尖密封的迟滞效应与磨损，提高了流体动压指尖密封的动态效应。此外，由于螺旋槽的一侧与环槽相对应，另一侧不超过指尖靴的悬臂端，故在停车工况下，该装置也够保证有良好的密封效果。

附图说明

图1为停机状态下的自泵送流体动压指尖密封装置示意图。

图2为工作状态下的自泵送流体动压指尖密封装置密封界面流体流动方向图。

图3为螺旋槽内流体泵送速度图。

图4为螺旋密封展开图。

图5为图1中的a-a截面示意图。

图6为工作过程中的自泵送流体动压指尖密封装置转子偏心示意图。

图7为图4中带矩形螺旋槽的转子沿垂直于螺旋槽的f-f线周向展开后的截面示意图。

图8为图4中带半圆形螺旋槽的转子沿垂直于螺旋槽的f-f线周向展开后的截面示意图。

图9为图4中带半椭圆形螺旋槽的转子沿垂直于螺旋槽的f-f线周向展开后的截面示意图。

其中，1高压指尖梁，2低压指尖密封片，3平衡腔，4后挡板，5转子，6平衡孔，7螺旋槽，8螺旋齿，9指尖靴，10内环槽，11引流孔，12肋片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本技术的实施方式。

参照图1，一种自泵送流体动压指尖密封装置，由后挡板4、低压指尖密封片2以及带指尖靴9的高压指尖梁1和转子5组成，带指尖靴9的高压指尖梁1、低压指尖密封片2、后挡板4从高压至低压依次叠放通过铆钉连接在一起，外套在转子5上，所述高压指尖梁1的指尖靴9上设置有一直径为d的引流孔11以及宽度为t的内环槽10，转子5的表面部分加工有螺旋槽7。

所述引流孔11开设在指尖靴9上，在转子轴向方向上贴近高压指尖梁1且位于指尖靴9周向的中部。内环槽10，其宽度中心线与引流孔11中心线重合。

所述转子5上的螺旋槽7，其位置与指尖靴9的位置相对应，一侧与内环槽10的轴向外侧面对齐，另一侧不超过指尖靴9的悬臂端。螺旋槽的螺旋角α不宜过大，防止产生轴向推力，螺旋槽的截面形状为矩形。

参照图2，图2所示带指尖靴9的高压指尖梁1，指尖靴上的引流孔11及环槽10将高压侧的流体引入螺旋槽，经转子螺旋槽的泵吸作用形成压力膜，在实现密封的同时也降低了指尖靴与转子之间的摩擦磨损。

参照图3，图3所示为带螺旋槽的转子结构示意图，在转子与指尖靴相对应的位置开设螺旋槽。

参照图6，图6所示为转子在产生径向跳动时，转子的中心线与指尖靴内圆中心线不再重合，产生了偏心距e。此时转子的径向跳动将会对转子与指尖靴之间的动压膜产生影响，泄漏量增加。

参照图1与图7，构成转子为矩形螺旋槽的自泵送流体动压指尖密封装置。

参照图1与图8，构成转子为半圆形螺旋槽的自泵送流体动压指尖密封装置。

参照图1与图9，构成转子为半椭圆形螺旋槽的自泵送流体动压指尖密封装置。

一种自泵送流体动压指尖密封装置转子5上螺旋齿8轴向宽度等于螺旋槽7轴向槽宽，即a＝b，则k1为0.5，螺旋槽7槽深h与螺旋齿8齿顶和指尖靴9内圆面之间间隙s宽度之比h:s为2:1，则k2为3，螺旋槽7的螺旋角α为11°，当偏心率ε取0.9，根据式(17)求得ke为0.236。密封装置工作时温度为160℃。

自泵送流体动压指尖密封转子直径取120mm,转速24000rpm,可得转子的圆周速度为150m/s,取螺旋槽槽深h为0.04mm,此时螺旋齿齿顶与指尖靴内圆面之间的间距s为0.02mm，假设密封流体为空气，则160℃时空气的动力粘度为2.43×10^-5pa·s，螺旋轴向长度l为25mm,将以上参数带入式(5)，可得泵送量qp为1.06×10^-4m³/s,由式(12)可得此时δp为0.106mpa。引流孔处压力为0.8mpa，带入式(18)可得w为2.48×10³n。

将上述已知值代入式(19)可得到关于偏心距e的关系式：

将式(21)代入式(20)可得刚度g

偏心率ε为0.9，螺旋齿齿顶与指尖靴内圆面之间的间距s为0.02mm时，偏心距e为0.018mm。将其代入式(22)可得自泵送流体动压指尖密封装置的刚度g为4.51×10⁶n/m。