一种浮动式表面织构端柱面组合气膜密封结构
| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN201910269715.X | 申请日 | 2019-04-04 |
| 公开(公告)号 | CN110030386B | 公开(公告)日 | 2025-03-21 |
| 申请人 | 南京航空航天大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 王锁芳; 张凯; 侯晓亭; | 第一发明人 | 王锁芳 |
| 权利人 | 南京航空航天大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 南京航空航天大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：江苏省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：江苏省南京市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：江苏省南京市秦淮区御道街29号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：210016 |
| 主IPC国际分类 | F16J15/40 | 所有IPC国际分类 | F16J15/40 |
| 专利引用数量 | 1 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 7 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 南京瑞弘专利商标事务所 | 专利代理人 | 陈国强; |
| 摘要 | 本 发明 公开了一种浮动式表面织构端柱面组合气膜密封结构，包括套装于 主轴 上的轴套和端柱浮动环，端柱浮动环包括端板和柱体，柱体的前端连接端板，端板的前面设置有轴套，端板和柱体上设置有自前端至后端的通道，主轴自所述通道内穿过，端板的前面与柱体的内壁上设置有若干表面织构槽，端柱浮动环的前端为低压侧，端柱浮动环的后端为高压侧，气体从高压侧进入主轴与柱体内壁形成的密封间隙，并经过端板和轴套之间形成的密封间隙；本发明在端、柱面所开设的表面织构槽能够实现更可靠地 流体 动压效应，降低流体密封 泄漏 量。同时特有的 弹簧 结构可以确保浮环在一定可控范围内浮动，防止 转子 振动时端柱浮动环与轴套、主轴间的碰撞。 | ||
| 权利要求 | 1.一种浮动式表面织构端柱面组合气膜密封结构，其特征在于：包括依次套装于主轴（3）上的轴套（2）和端柱浮动环（5），所述端柱浮动环（5）包括端板（10）和柱体（9），所述柱体（9）的前端连接端板（10），端板（10）的前面设置有轴套（2），所述端板（10）和柱体（9）上设置有自前端至后端的通道，所述主轴（3）自所述通道内穿过，所述端板（10）的前面与柱体（9）的内壁上设置有若干表面织构槽（8），所述端柱浮动环（5）的前端为低压侧，端柱浮动环（5）的后端为高压侧，气体从高压侧进入主轴（3）与柱体（9）内壁形成的密封间隙，并经过端板（10）和轴套（2）之间形成的密封间隙； |
||
| 说明书全文 | 一种浮动式表面织构端柱面组合气膜密封结构技术领域背景技术[0002] 燃气轮机由于其具有体积小，响应速度快，效率高，功率大等特点，目前被广泛应用于航空航天、船舶、电厂发电及其他各种工业领域。火箭发动机的高比冲特点，广泛用于航天、导弹等领域。提高燃气轮机、火箭发动机高速旋转部件密封技术是提升燃气轮机、火箭发动机性能的关键技术之一。随着现代燃气轮机、火箭发动机需求的不断提高，以及工作环境的不断恶化，降低泄漏流的要求越来越高，对先进的封严密封技术需求越来越强烈。 [0003] 气膜密封作为燃气轮机、火箭发动机流体密封的关键技术，，其功用是当轴套高速旋转时，高压侧的气体会被带入槽内，气体不断压缩并产生气膜压力，形成动压效应，令浮环与轴套之间形成一层厚度较小，刚度较大的薄膜，从而对主泄漏通道进行封堵；同时，轴套与端柱浮动环之间采取偏心安装，形成气膜厚度不一的收敛型楔形空间，进一步增强了密封的动压效应，极大得提高了气膜承载力。动、静原本接触的两端面被流体介质流动形成的流体薄膜隔开，避免了密封端面间的直接接触磨损，从而实现了密封的非接触运行。气膜密封功率损耗小，辅助系统简单，可靠性高，十分适合燃气轮机、火箭发动机的高参数要求。该技术已经运用于国产“斯贝”航空发动机以及某型火箭发动机涡轮泵高速旋转部件处密封。 发明内容[0004] 为了进一步提升端柱面组合气膜密封的密封性能，提高气膜刚度以及减少泄漏量，克服现有端柱面组合气膜密封结构的制约，本发明提出一种浮动式表面织构端柱面组合气膜密封结构，该结构主要特性在浮动环端、柱面上开设表面织构槽，浮动环外侧用弹簧与静子件连接。 [0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： [0006] 一种浮动式表面织构端柱面组合气膜密封结构，包括依次套装于主轴3上的轴套2和端柱浮动环5，所述端柱浮动环5包括端板10和柱体9，所述柱体9的前端连接端板10，端板10的前面设置有轴套2，所述端板10和柱体9上设置有自前端至后端的通道，所述主轴3自所述通道内穿过，所述端板10的前面与柱体9的内壁上设置有若干表面织构槽8，所述端柱浮动环5的前端为低压侧，端柱浮动环5的后端为高压侧，气体从高压侧进入主轴3与柱体9内壁形成的密封间隙，并经过端板10和轴套2之间形成的密封间隙。 [0007] 进一步的，所述端板10的后面与柱体9的外壁上也设置有若干弹簧4，所述弹簧4连接罩于轴套2和端柱浮动环5外的机匣1；端板10与机匣1之间的弹簧4沿径向为顺排2排，且沿周向均匀分布，每圆周弹簧4个数为4个；柱体9与机匣1之间的弹簧4沿轴向为顺排3排，且沿周向均匀分布，每圆周弹簧4个数为4个。 [0008] 进一步的，所述柱体9的尾端通过若干个定位销6与机匣1相接，所述柱体9的尾端通过橡胶垫片7与机匣1相接，所述橡胶垫片7为一个圆环，且若干个定位销6位于圆环外侧，所述定位销6为4个，沿柱体9尾端的周向均匀分布。 [0009] 进一步的，所述柱体9为一个沿其中心轴设置有通道的圆柱筒，所述端板10为一个中间具有圆孔的圆盘，所述通道的直径与圆孔的直径相同，所述圆柱筒的前端连接圆盘，圆盘与圆柱筒相互垂直。所述柱体9和端板10为一体式。 [0010] 进一步的，所述表面织构槽8是半径为3 5mm，深度为0.2 1mm的圆形凹槽，每个圆~ ~形凹槽的大小和深度均相同。 [0011] 进一步的，所述端板10上所开设的表面织构槽8沿其周向均匀分布若干圈，柱体9内壁上所开设的表面织构槽8沿其轴向、周向均匀分布若干圈。 [0012] 进一步的，所述端板10的前面开设的表面织构槽8的中心轴线与主轴3中心轴线平行，若干圈表面织构槽8之间等间距且同心排布，其圆心均为端板10的圆心，且间距为表面织构槽8半径的2倍，若干圈表面织构槽8顺排或叉排；柱体9的内壁上开设的表面织构槽8的中心轴线与主轴3中心轴线垂直，若干圈表面织构槽8之间等间距且同心排布，其圆心均在柱体9中心轴线上，且间距为表面织构槽8半径的2倍，若干圈表面织构槽8顺排或叉排。 [0013] 进一步的，所述轴套2与主轴3为过盈配合，且同心安装。 [0014] 进一步的，所述端柱浮动环5与主轴3偏心安装，偏心率为0.2 0.8。~ [0015] 进一步的，所述轴套2外径与端板10的外径相同。 [0016] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0017] 本发明相比于传统的端柱面组合气膜密封结构，在端、柱面所开设的表面织构槽能够实现更可靠地流体动压效应，降低流体密封泄漏量。同时特有的弹簧结构可以确保浮环在一定可控范围内浮动，防止转子振动时端柱浮动环与轴套、主轴间的碰撞。附图说明 [0018] 图1是本发明的结构示意图； [0019] 图2是本发明中端面的表面织构槽顺排的示意图； [0020] 图3是本发明中端面的表面织构槽叉排的示意图； [0021] 图4是本发明的使用装配图； [0022] 图5是本发明的截面图； [0023] 图6是本发明的气体走向示意图； [0024] 其中：1‑机匣，2‑轴套，3‑主轴，4‑弹簧，5‑端柱浮动环，6‑定位销，7‑橡胶垫片，8‑表面织构槽，9‑柱体，10‑端板。 具体实施方式[0025] 下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。 [0026] 如图1‑6所示，一种浮动式表面织构端柱面组合气膜密封结构，包括依次套装于主轴3上的轴套2和端柱浮动环5，所述端柱浮动环5包括端板10和柱体9，所述柱体9的前端连接端板10，端板10的前面设置有轴套2，所述端板10和柱体9上设置有自前端至后端的通道，所述主轴3自所述通道内穿过，所述端板10的前面与柱体9的内壁上设置有若干表面织构槽8，所述端柱浮动环5的前端为低压侧，端柱浮动环5的后端为高压侧，气体从高压侧进入主轴3与柱体9内壁形成的密封间隙，并经过端板10和轴套2之间形成的密封间隙；具体地讲，所述柱体9为一个沿其中心轴设置有通道的圆柱筒，所述端板10为一个中间具有圆孔的圆盘，所述通道的直径与圆孔的直径相同，所述圆柱筒的前端连接圆盘，圆盘与圆柱筒相互垂直，优选地，所述柱体9和端板10为一体式。 [0027] 所述端板10的后面与柱体9的外壁上也设置有若干弹簧4，所述弹簧4连接罩于轴套2和端柱浮动环5外的机匣1；优选地，端板10与机匣1之间的弹簧4沿径向为顺排2排，且沿周向均匀分布，每圆周弹簧4个数为4个；柱体9与机匣1之间的弹簧4沿轴向为顺排3排，且沿周向均匀分布，每圆周弹簧4个数为4个。 [0028] 作为一个优选方案，所述柱体9的尾端通过若干个定位销6与机匣1相接，所述柱体9的尾端通过橡胶垫片7与机匣1相接，所述橡胶垫片7为一个圆环，且若干个定位销6位于圆环外侧，优选地，定位销6为4个，且沿柱体9尾端的周向均匀分布。 [0029] 优选地，所述轴套2外径与端板10的外径相同，所述轴套2与主轴3为过盈配合，且同心安装，则轴套2与主轴3进行同步运动，所述端柱浮动环5与主轴3偏心安装，偏心率为0.2 0.8；具体地讲，轴套2与主轴3过盈配合，柱体9的尾端通过橡胶垫片7与机匣1相接，气~ 体则不能从轴套2与主轴3之间通过，气体也不能自机匣1与轴套2外壁之间通过，气体只能自高压侧进入主轴3与柱体9内壁形成的密封间隙，并经过端板10和轴套2之间形成的密封间隙。 [0030] 优选地，所述表面织构槽8是半径为3 5mm，深度为0.2 1mm的圆形凹槽，每个圆形~ ~凹槽的大小和深度均相同。 [0031] 作为一个优选方案，所述端板10上所开设的表面织构槽8沿其周向均匀分布若干圈，柱体9内壁上所开设的表面织构槽8沿其轴向、周向均匀分布若干圈。 [0032] 具体地讲，所述端板10的前面开设的表面织构槽8的中心轴线与主轴3中心轴线平行，若干圈表面织构槽8之间等间距且同心排布，其圆心均为端板10的圆心，且间距为表面织构槽8半径的2倍，若干圈表面织构槽8顺排或叉排；柱体9的内壁上开设的表面织构槽8的中心轴线与主轴3中心轴线垂直，若干圈表面织构槽8之间等间距且同心排布，其圆心均在柱体9中心轴线上，且间距为表面织构槽8半径的2倍，若干圈表面织构槽8顺排或叉排。 [0033] 本发明的原理：主轴与轴套采用过盈配合，使轴套与转轴进行同步运动；端柱浮动环安装在主轴上，端柱浮动环的端面、柱面外侧与弹簧连接，弹簧能确定浮环径向位移，即确保浮环在一定可控范围内进行浮动，又能防止与机匣以及轴套之间的碰撞，延长了密封的使用寿命。端柱浮动环后端由机匣的定位销进行定位配合，限制了端柱浮动环的周向旋转运动，使其在周向方向保持相对稳定的位置。借助弹簧力和密封气压力使端柱浮动环能紧靠在橡胶垫片上，防止高压端介质通过此间隙直接向轴端低压侧泄漏，从而减少了二次泄漏的风险。端柱浮动环与轴套形成了狭小的微尺度间隙，同时在端柱浮动环端面及柱面表面开设表面织构微凹槽。当轴套高速旋转时，高压侧的气体会被带入凹槽内，气体不断压缩并产生气膜压力，形成动压效应，使端柱浮动环与轴套、主轴之间形成一层厚度较小，刚度较大的薄膜，从而对主泄漏通道进行封堵；同时，端柱浮动环与主轴之间采取偏心安装，形成气膜厚度不一的收敛型楔形空间，进一步增强了密封的动压效应，极大得提高了气膜承载力。 [0034] 本发明中以端柱气膜密封为基础，在端板的前面和柱体9的内壁开设微米级凹坑结构，与传统槽型密封方式相比，提高密封表面的承载力，降低机械密封磨损，提高其使用寿命和可靠性。每个表面织构槽都可以认为是一个微小的流体动压轴承，在相对运动过程中产生额外的流体动压力，使摩擦副之间形成一层很薄的流体润滑膜，让两表面由接触状态转变为非接触，而这对降低机械密封摩擦、磨损来说有很重要的意义。另一方面表面织构槽还可以起到存储磨屑和润滑油的作用。 [0035] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 |
||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈