浮环密封结构、航空发动机及其碰摩风险评估方法与流程

本发明涉及航空发动机的，具体提出了一种浮环密封结构、航空发动机及其碰摩风险评估方法。

背景技术：

1、目前，航空发动机工作时，为防止轴承腔内滑油泄漏并实现与外部气流环境有效隔离，需要增加密封结构。由于航空发动机的转速高，为防止密封结构的过度磨损，通常采用非接触式密封结构，例如，图1所示的篦齿密封结构；其中，篦齿密封组件b与机匣在径向上有接触，篦齿密封件与密封动环之间存在一定间隙，所以要求轴承腔外侧的气体压力大于轴承腔内部的气压，此时，外侧的部分气体可以流入轴承腔,从而达到阻止轴承腔内滑油向外泄漏的目的。

2、然而，受航空发动机实际工作环境的影响，轴承腔外侧的气体一般温度较高，如果有过多气体流入轴承腔，可能导致轴承腔内温度上升，造成轴承的工作环境恶化；另一方面，过多的气体泄漏也会导致航空发动机效率降低。

3、因此，在满足滑油封严要求的前提上，非接触式密封结构也要尽量减少泄漏到轴承腔内的气体量。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决上述内容所提及的至少部分技术问题，该目的是通过以下技术方案实现的：

2、第一方面，本申请提出了一种浮环密封结构，其包括嵌套设置的机匣、密封动环和浮环组件，浮环组件位于机匣与密封动环之间，浮环组件与密封动环间隙配合且二者非定心设置。

3、在一些实施例中，浮环密封结构还包括弹性件和垫片，弹性件沿周向设于机匣与密封动环之间，且弹性件位于浮环组件的轴向一侧；弹性件的轴向一侧或者两侧设有垫片，垫片沿周向设于机匣与密封动环之间。

4、在一些实施例中，弹性件的内径≥垫片的内径，和/或垫片的内径≥浮环组件的内径。

5、在一些实施例中，弹性件为波形弹簧。

6、在一些实施例中，浮环密封结构还包括挡圈，挡圈沿周向设于机匣与密封动环之间，且挡圈位于弹性件轴向上远离浮环组件的一侧。

7、在一些实施例中，浮环组件包括石墨环和石墨环外圈，石墨环外圈镶设于石墨环的外围。

8、第二方面，本发明提出了一种航空发动机，其包括第一方面的浮环密封结构。

9、在一些实施例中，航空发动机还包括同心设置的燃气涡轮转动部件、动力涡轮转动部件和压气机转动部件，燃气涡轮转动部件与压气机转动部件通过燃气发生器转子传动轴可转动设置，动力涡轮转动部件通过动力涡轮转子传动轴可转动设置，燃气发生器转子传动轴嵌套于涡轮转子传动轴的外侧；动力涡轮转动部件内的轴向两侧分别设有浮环密封结构，两个浮环密封结构之间形成轴承腔，轴承腔内设有至少两个轴承，轴承套分别设于动力涡轮转子传动轴和燃气涡轮转子传动轴上。

10、在一些实施例中，轴向两侧的浮环密封结构为单级浮环密封结构和/或双级浮环密封结构。

11、第三方面，本发明提出了一种浮环密封结构碰摩风险评估方法，应用第一方面的浮环密封结构，包括以下步骤：

12、分析航空发动机转子可能产生的不平衡响应，在此基础上进一步分析密封动环的最大响应；

13、通过分析得到浮环组件与密封动环的流场边界，建立cfd数值计算模型，计算不同时刻浮环组件的上浮力；

14、计算波形弹簧的弹力以及浮环组件与机匣和垫片的摩擦力；

15、基于密封动环响应分析、石墨环上浮力和摩擦力分析，建立转子-浮环密封结构动力特性等效计算模型，分析二者相对运动关系，评估碰摩风险。

16、本发明提供的技术方案至少具有以下技术效果：

17、在本发明中，浮环密封结构设计巧妙，成本较低，以极为精简的结构实现了保证非接触密封效果的同时还能够减少泄漏到轴承腔内的气体量。此外，本发明提供的浮环密封结构碰摩风险评估方法给出了浮环组件上浮特性的主要影响因素，以及详细求解过程，为定量分析浮环密封结构随动特性提供了基础；采用有限体积法三维网格分析上浮力，明确了必要的流场计算区域，计算结果比采用经验公式精度高，且兼顾了计算效率；考虑服役条件下转子不平衡分布范围，并采用经过模型确认的密封动环的响应分析结果，对航空发动机浮环密封结构的碰摩风险评估更贴合工程应用；建立了转子-浮环密封结构动力特性等效计算模型，通过浮环密封结构随动特性分析及碰摩风险评估，将三维cfd稳态流场计算结果与经典振动计算流程相结合，在具有较高计算精度的情况下，克服了非定常流场计算效率低、易发散的缺点。

技术特征：

1.一种浮环密封结构，其特征在于，所述浮环密封结构包括嵌套设置的机匣(160)、密封动环(170)和浮环组件(a)，所述浮环组件(a)位于所述机匣(160)与所述密封动环(170)之间，所述浮环组件(a)与所述密封动环(170)间隙配合且二者非定心设置。

2.根据权利要求1所述的浮环密封结构，其特征在于，所述浮环密封结构还包括弹性件(a3)和垫片(a2)，所述弹性件(a3)沿周向设于所述机匣(160)与所述密封动环(170)之间，且所述弹性件(a3)位于所述浮环组件(a)的轴向一侧；

3.根据权利要求2所述的浮环密封结构，其特征在于，所述弹性件(a3)的内径≥所述垫片(a2)的内径，和/或所述垫片(a2)的内径≥所述浮环组件(a)的内径。

4.根据权利要求2所述的浮环密封结构，其特征在于，所述弹性件(a3)为波形弹簧。

5.根据权利要求2所述的浮环密封结构，其特征在于，所述浮环密封结构还包括挡圈(a1)，所述挡圈(a1)沿周向设于所述机匣(160)与所述密封动环(170)之间，且所述挡圈(a1)位于所述弹性件(a3)轴向上远离所述浮环组件(a)的一侧。

6.根据权利要求1至5任一项所述的浮环密封结构，其特征在于，所述浮环组件(a)包括石墨环(a4)和石墨环外圈(a5)，所述石墨环外圈(a5)镶设于所述石墨环(a4)的外围。

7.一种航空发动机，其特征在于，所述航空发动机(100)包括权利要求1至6任一项所述的浮环密封结构。

8.根据权利要求7所述的航空发动机，其特征在于，所述航空发动机(100)还包括同心设置的燃气涡轮转动部件(110)、动力涡轮转动部件(120)和压气机转动部件(150)，所述燃气涡轮转动部件(110)与所述压气机转动部件(150)通过燃气发生器转子传动轴(140)可转动设置，所述动力涡轮转动部件(120)通过动力涡轮转子传动轴(130)可转动设置，所述燃气发生器转子传动轴(140)嵌套于所述涡轮转子传动轴的外侧；

9.根据权利要求8所述的航空发动机，其特征在于，轴向两侧的所述浮环密封结构为单级浮环密封结构和/或双级浮环密封结构。

10.一种浮环密封结构碰摩风险评估方法，其特征在于，应用权利要求1至6任一项所述的浮环密封结构，包括以下步骤：

技术总结本发明涉及航空发动机的技术领域，具体提出了一种浮环密封结构、航空发动机及其碰摩风险评估方法。浮环密封结构包括嵌套设置的机匣、密封动环和浮环组件，浮环组件位于机匣与密封动环之间，浮环组件与密封动环间隙配合且二者非定心设置。本发明的浮环密封结构设计巧妙，实现了保证非接触密封效果的同时还能够减少泄漏到轴承腔内的气体量。此外，浮环密封结构碰摩风险评估方法给出了浮环组件上浮特性的主要影响因素以及详细求解过程，为定量分析浮环密封结构随动特性提供了基础；采用有限体积法三维网格分析上浮力，明确了必要的流场区域，计算结果比采用经验公式精度高，且兼顾了计算效率。技术研发人员：胡廷勋,邓旺群,唐振寰,米栋,李坚,张伟锋,刘文魁,李川,龙伦受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所技术研发日：技术公布日：2025/1/6