一种高压平衡式石墨-刷式密封组合封严结构

本发明属于接触式石墨密封和接触式刷式密封领域，涉及一种高压平衡式石墨-刷式密封组合封严结构，尤其涉及一种应用于涡轮基组合循环发动机、火箭基组合循环发动机、空气涡轮火箭组合动力发动机、航空发动机、燃气涡轮或汽轮机等叶轮旋转机械的空气系统、轮缘封严以及轴承腔封严的兆帕级超高压差封严环境的利用刷式密封和石墨密封灵活优化搭配组合实现满足超高压差封严需求的高可靠性和高寿命平衡式石墨-刷式密封组合封严结构。

背景技术：

1、刷式密封是一种具有优良封严性能的接触式动密封技术，其泄漏量只有传统迷宫密封的1/5～1/10。刷式密封主要由前挡板、后挡板和刷丝束组成，前挡板主要起到保护刷丝束作用，后挡板主要是支撑刷丝束，防止在高速气流作用下刷丝发生过度变形，并且刷丝束沿转子周向具有一定的倾角，可以减少刷丝束与转子之间的磨损，同时也可以由于转子发生跳动时，柔性刷丝随转子一起运动而减少气体的泄漏。

2、刷式密封主要分为单级和多级两种形式。单级刷式密封与其配合跑道如果采用间隙配合，会导致泄漏量大，很难满足高压差工况下的密封要求；如果采用过盈配合，刷丝束与跑道摩擦生热严重，严重影响刷式密封使用寿命。在高压差条件下，为了能够延长刷式密封的使用寿命需要使用多级刷式密封。然而在实际应用中发现，多级刷式密封各级压降存在不均衡性问题，其主要原因是各级逐级不均匀增大的体积流量，各级压降随体积流量的逐级不均匀增加而增大；末级刷丝因承担大部分压降导致负荷增加而提前失效，直接影响其封严特性和使用寿命。

3、另一种常见的密封技术为石墨密封，其利用石墨环与对偶件相接触来达到封严的目的。石墨密封以其良好的耐高温性能和自润滑特性，主要用在涡轮发动机轴承位置和辅助装置处，其密封效果好，寿命长，泄漏量小，甚至完全不泄漏，尤其是在高温、高转速条件下仍能保证可靠的密封性能。但石墨圆周密封在安装和设计方面，仍然有许多问题。石墨密封装置的密封面的接触应力状态对密封性能影响显著。接触应力太大，容易快速磨损；接触应力太小，则容易发生泄漏。因此，将接触应力控制在一个合理的范围之内是提高石墨密封性能的关键。尽管现有的单级石墨密封在某些应用中表现出色，但在高压差环境下，由于其接触应力较大，往往难以满足高压差封严需求。

4、鉴于上述情况，针对涡轮基组合循环发动机、火箭基组合循环发动机、空气涡轮火箭组合动力发动机、航空发动机、燃气涡轮或汽轮机等叶轮旋转机械在超高封严压差环境下的小尺寸、高可靠性和高寿命的封严需求，发展一种结合刷式密封和石墨密封优势的新型高压平衡式密封结构，并克服现有传统单级刷式密封承压能力不足、多级刷式密封级间压力分布不均衡以及单级石墨密封接触应力大而导致的封严能力差、可靠性低和寿命短等缺陷和不足，是当前该领域亟待解决的重要技术问题。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、针对涡轮基组合循环发动机、火箭基组合循环发动机、空气涡轮火箭组合动力发动机、航空发动机、燃气涡轮或汽轮机等叶轮旋转机械在超高封严压差环境下的小尺寸、高可靠性和高寿命等的封严需求，以及为解决传统单级刷式密封承压能力不足、多级刷式密封级间压力分布不均衡以及单级石墨密封接触应力大而导致的封严能力差、可靠性低和寿命短等问题，本发明旨在提供一种高压平衡式石墨-刷式密封组合封严结构，通过综合利用刷式密封在高压差下提供的超高气动流阻的密封能力以及石墨密封提供的低接触摩擦力及低接触应力，实现在兆帕级超高压差封严环境下的高可靠性与高寿命。此外，本发明的组合封严结构通过将石墨密封安装于刷式密封的后挡板处，极大降低了传统两级串联刷式密封与石墨密封的轴向尺寸，在封严尺寸、封严性能两方面均可同时达到最优，满足了兆帕级超高压差的封严需求。

3、(二)技术方案

4、为实现该发明目的，解决其技术问题，本发明采用如下技术方案：

5、一种高压平衡式石墨-刷式密封组合封严结构，尤其适用于为叶轮旋转机械在高压差封严环境下提供高效可靠的动态密封，其至少包括一刷式密封组件和一石墨密封组件，其中，

6、所述刷式密封组件至少包括一前挡板、一后挡板以及设置在所述前挡板和后挡板之间的刷丝束，三者均为环状结构件并同轴线布置，且三者在其外径处相互固定连接形成为一整体结构，其中，所述刷丝束的前侧面与前挡板的后侧面之间的空间形成为第一腔室，所述刷丝束的后侧面与后挡板的前侧面之间的空间形成为第二腔室，且所述后挡板的前侧面上至少设有一沿轴向向外凸出并顶抵支撑所述刷丝束的后侧面的环形凸肋，所述环形凸肋上开设有周向均布的多个动态压力平衡孔；

7、所述石墨密封组件整体安装于所述后挡板的前侧面上并在径向上位于所述环形凸肋的内侧，至少包括一石墨密封挡板、一轴向弹簧安装座以及若干分段石墨环，其中，

8、所述石墨密封挡板整体呈环状，其外径边缘固定设置在所述后挡板的环形凸肋的径向内侧表面上并在轴向上邻近所述刷丝束的后侧面布置，用于对所述石墨密封组件进行轴向限位，

9、所述轴向弹簧安装座整体呈环状，并安装设置在所述石墨密封挡板的后侧表面上，

10、每一所述分段石墨环均呈扇形，各所述分段石墨环的外壁表面通过一环形弹性部件并在弹性作用力下拼装形成为一完整的石墨环结构，所述石墨环的前端面与所述轴向弹簧安装座的后侧表面之间设有若干沿周向分布的轴向弹簧，所述石墨环的后端面在各所述轴向弹簧的作用下顶抵压紧在所述后挡板的前侧表面上，

11、且所述石墨环与后挡板的环形凸肋之间的空间形成为第三腔室，所述第三腔室与第二腔室之间通过各所述动态压力平衡孔相互连通，以实现两个腔室之间的压力动态平衡。

12、优选地，所述前挡板、刷丝束和后挡板在其外径处通过真空电子束焊接、激光焊接、等离子体焊接或氩弧焊接固定而形成为一整体结构，以确保连接处的密封性和机械强度，同时确保刷式密封组件在高速旋转和高压差环境下的稳定性和耐久性。

13、优选地，所述刷丝束由多束编织的细金属丝组成并形成具有良好流体动力学性能的多通道流动结构，以提高其对气体的节流降压能力，并实现高压差密封和良好的泄漏控制性能。

14、优选地，各所述动态压力平衡孔以倾斜方式加工设置在所述后挡板的环形凸肋上，使得所述动态压力平衡孔在连通所述第二腔室与第三腔室的同时，对高压气体流动形成一定阻力，起到进一步节流降压的作用，从而提高刷式密封组件的承压能力，并降低石墨密封组件的接触应力。

15、进一步地，各所述动态压力平衡孔的孔径和倾斜角度根据cfd模拟结果进行优化，以实现在不同工况下第二腔室与第三腔室之间的压力平衡，确保密封结构在高压差环境下的高效性能和长期稳定性。

16、优选地，所述轴向弹簧安装座的后侧表面上沿周向均布设置有与各所述轴向弹簧一一对应的沿轴向延伸的柱状凸起，各所述轴向弹簧对应套装在各所述柱状凸起上。

17、进一步地，所述分段石墨环与轴向弹簧、柱状凸起的数量一致，且每一所述分段石墨环的前端面上均设有一容纳凹槽，每一所述轴向弹簧的一端对应套装在一所述柱状凸起上、另一端顶抵在所述分段石墨环的容纳凹槽。

18、优选地，每一所述分段石墨环均设有高压平衡楔，所述高压平衡楔加工设置在分段石墨环的外壁表面上，并在轴向上临近所述分段石墨环的前端面布置，且所述高压平衡楔的后端面呈倾斜布置的楔形斜面，使得所述第三腔室中的高压气体作用于所述分段石墨环的楔形斜面后产生由后向前的轴向力分量。

19、优选地，所述环形弹性部件为一周向弹簧，各所述分段石墨环的外壁表面在所述周向弹簧的弹性作用力下拼装形成为一完整的石墨环结构。

20、优选地，所述环形弹性部件为具有良好环向弹性和径向刚性的波纹形金属环或螺旋环，在其径向收缩时形成较大的环向预紧力，从而可靠地将各分段石墨环拼接成完整的石墨环结构。

21、(三)技术效果

22、同现有技术相比，本发明的高压平衡式石墨-刷式密封组合封严结构，具有以下有益且显著的技术效果：

23、(1)本发明提出的高压平衡式石墨-刷式密封组合封严结构，该结构尤其适用于涡轮基组合循环发动机、火箭基组合循环发动机、空气涡轮火箭组合动力发动机、航空发动机、燃气涡轮或汽轮机等叶轮旋转机械的空气系统、轮缘封严以及轴承腔等的封严，在兆帕级超高压差封严环境下，本发明可同时实现刷式密封部分高压差环境下超高气动流阻的封严能力，以及石墨密封部分低接触摩擦力和低接触应力的高可靠性与高寿命，有效解决了传统单级刷式密封承压能力有限、多级刷式密封级间压降不均以及石墨密封接触应力高、可靠性差和寿命短的问题。

24、(2)本发明的高压平衡式石墨-刷式密封组合封严结构中，通过将石墨密封部分安装于刷式密封的后挡板处，极大降低了传统两级串联刷式密封与石墨密封轴向尺寸，不仅降低了封严尺寸，而且由于级间压降得到优化，封严性能也得到提高，能够更好地满足兆帕级超高压差环境下的封严需求。

25、(3)本发明的密封结构设计，通过在刷式密封组件的后挡板上开设周向均布的动态压力平衡孔，将第二腔室与第三腔室连通，实现了刷式密封部分和石墨密封部分之间的动态压力平衡，以适应不同的工作条件和环境变化。使得本发明的密封结构在面对不同的工作转速、温度和压力波动时，都能保持稳定的密封性能，进一步提升了密封结构的可靠性。同时，这种设计避免了石墨密封端面承受全部高压差，大幅降低了石墨环与后挡板之间的接触应力，从而有效提升了石墨密封组件的可靠性和使用寿命。