专利名称：一种低滞后绕固型刷式密封装置的制作方法
技术领域：
本发明属于密封技术，涉及一种刷式密封装置，可适用于如燃气涡轮发动机主、次流路的气/气，油/气密封。
背景技术：
在燃气涡轮发动机的二次流路中广泛采用篦齿式密封，石墨封严和刷式密封等三种封严形式。这三种结构存在各自的特点篦齿密封是一种间隙封严，其结构简单、工作可靠、使用范围最广，寿命长，但是封严性能较差。篦齿密封不能适应转子的离心或热膨胀，因此在设计时必须保持转、静子之间足够的间隙，从而降低了封严性能。石墨密封的耐压能力和耐温能力相对较低，其耐久性也不能满足长寿命的要求，限制其在民用航空发动机内的应用。刷式密封发明初衷是为取代篦齿密封，解决封严性能较差的问题。典型的刷式密封国内外已有部分相关专利。典型结构之一有Rolls-royce公司的焊接型刷式密封结构， 其结构最简单，由前、后挡板，夹合中间的刷丝束，并通过圆周方向的激光或电子束焊接形成一体，该结构形式也是目前应用最普遍的一类刷环结构。这种结构刷式密封因焊接加工方式，仅适用于金属材料刷丝。在焊缝附近的热影响区域，刷丝材料特性发生变化，导致刷丝变脆及产生根切，降低刷丝强度，使其在工作中易发生断丝。MTU公司的毛刷式密封(专利号98805179. 6)，公开了一种非焊接型刷式密封。其中，前板和支承板之间夹持着刷丝束，刷丝束自由端越过支承板内孔向内缘伸出，与转子接触，以保持最小间隙密封。在初始安装状态下，该结构密封的沿径向的刷丝束自由端与转子轴向垂直，不与支承板贴合。刷丝束自由端是通过运行过程中的工作压差作用，贴合低压侧的支承板。随着工作压差的增大，刷丝束与支承板接触压力增大，而刷丝束与支承板之间形成的闭合腔的压力并不会随高压侧压力增大而显著增加，不能减小刷丝与支承板的接触力，从而使刷丝应对转子跳动而向外侧变形退让后的恢复能力降低，刷丝束与转子形成更大的间隙，导致封严性能下降。
发明内容
本发明的目的改进前述类型的刷式密封，形成具有低滞后性能的刷式密封结构， 使其在更大压差、强烈紊流、高转子偏移等情况下，具有良好的封严性能和使用寿命。本发明的技术方案一种低滞后绕固型刷式密封装置，包括刷环，刷式密封座2， 卡圈4 ；刷环由刷丝束组件，前挡板7，后挡板3组成；刷丝束组件由刷丝8、芯线5、套管6组成；通过卡圈4将刷环固定于密封座2上，形成转、静子之间的接触密封；套管6开有均勻分布的套管引气槽9，刷丝束8呈一定角度缠绕于芯线5上，并通过套管6卡紧将其固定，套管卡紧受力两侧设计有方向引导边10，初始安装状态下与y向形成偏角，以使刷丝束自由端与后挡板密封坝11保持贴合，形成具有初始接触应力的二次封严；刷环将封严流路隔离成高压腔PH、低压腔PL，同时在刷式密封内形成P1、P2两个腔，通过套管引气槽9，将Pl腔内的高压气体引入P2形成压力平衡腔；后挡板3内径大于转子1外径，之间形成的间隙为后挡板保护高度H2，前挡板内径与转子外缘距离Hl略大于H2 ；刷丝束贴合后挡板密封坝11， 并伸出直至与转子1外圆接触，形成接触封严；刷丝束8后倾是通过套管6上的方向引导边10进行角度控制和角度限制，方向引导边10与y向形成8 15°角度，使刷丝束8与密封坝11贴合；为减小刷丝束8与后挡板3的密封坝11的接触面积，密封坝11的宽度L2不宜过大，应在0. 7 1. 5mm范围内；刷丝束8的自由段长度Ll在10 15mm范围内；后挡板保护高度H2不宜小于1mm，前挡板内径与转子外缘距离Hl不应小于H2 ；前挡板7、后挡板3夹紧刷丝束组件，刷丝束与芯线横断面(xoy平面)呈45°角缠绕芯线5，并用套管6，通过其方向引导边10卡紧刷丝束8形成刷环；套管6设计有长为 1 3mm的方向引导边10 ；套管引气槽9，其尺寸为宽10 15mm，深0. 2 0. 3mm，周向均布8 16个；另一种形成压力平衡腔的刷式密封方案中，套管不带引气槽设计，而是在前、后挡板上，夹持刷丝束组件的位置设计引气槽；前挡板7通过周向均布8个宽20mm、高0. 2 0. 3mm的凸台12，在凸台之间形成8段前挡板引气槽13，后挡板3在夹持刷环位置处加工8 段宽20mm、深0. 2 0. 3mm的后挡板引气槽14。本发明的有益效果本发明密封装置能适应更大的工作条件，对于高封严压差，由于压力平衡腔的压力平衡作用，刷丝束的柔性减低较小，使其刚度基本控制在初始安装条件下的设计值；刷丝随动性能受工作条件影响更小，密封的封严性能、使用寿命也更加稳定；绕固型刷式密封结构较焊接型减少了加工成本，同时也适合非金属刷丝材料的选择，为轴承腔等油/气封严提供了新的密封装置选择。
图1是本发明低滞后绕固型刷式密封实施例一的结构示意图；图2是实施例一的刷丝束组件形成刷环前的示意图；图3是本发明低滞后绕固型刷式密封实施例二的结构示意图；图4是实施例二的前、后挡板引气槽分布示意图。其中，1-转子，2-密封座，3-后挡板，4-卡圈，5-芯线，6-套管，7-前挡板，8-刷丝 (束)，9_套管引气槽，10-方向引导边，11-密封坝，12-凸台，13-前挡板引气槽，14-后挡板引气槽。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明图1示出了低滞后绕固型刷式密封结构实施方案一。通过卡圈4将刷环固定于密封座2上，形成转子1、静子之间的接触密封。以转子轴心方向为χ向，垂直于转子轴线的径向为y向。刷式密封主要包括卡圈4、刷环、密封座2。刷环由前挡板7、后挡板3、刷丝束组件构成。刷丝束组件由刷丝8、芯线5、套管6组成。刷式密封将流路分隔为高压腔PH、低压腔PL。同时，刷式密封组件的前挡板7、刷丝束、后挡板3又使流经刷式密封内的气流形成稳流腔Pl和压力平衡腔P2。
套管开有均勻分布的套管引气槽9，刷丝束8呈一定角度缠绕于芯线5上，并通过套管6卡紧将其固定，套管夹紧受力两侧设计有方向引导边10，初始安装状态下方向引导边10与y向形成偏角，以使刷丝束自由端与密封坝保持贴合。通过套管上均布的套管引气槽9将稳流腔Pl内的高压气体引入P2内形成压力平衡腔。后挡板内径与转子外表面形成的间隙为后挡板保护高度H2，前挡板与转子外表面形成的间隙Hl不小于H2。通过Hl进入Pl的高压气体，起着降低涡旋扰动、稳定气流的作用，将涡流对刷丝的扰乱影响减小，避免刷丝束工作过程中的不规则损伤。后挡板的内缘与刷丝束接触形成的密封坝11，起着二次密封作用，其宽度不宜过大，为0. 7 1. 5mm。前挡板内缘近刷丝侧的凸起，起着限制进入稳流腔的气体流量作用。图2示出了刷丝束组件弯曲成刷环前的示意图，包括芯线5、套管6、刷丝8。套管上加工有等距分布的套管引气槽9。刷丝与芯线横断面(xoy平面)呈45°角缠绕于芯线 5上，并通过套管6卡紧。方向引导边10卡紧刷丝相对zoy平面倾斜8 15°。图3示出了低滞后绕固型刷式密封结构实施方案二。套管6不带引气槽设计，而是在前、后挡板上，夹持刷丝束组件的位置设计引气槽。图4示出了低滞后绕固型刷式密封结构实施方案二中的前挡板7的凸台、后挡板3 的引气槽分布示意图。前挡板7通过周向均布8个宽20mm、高0. 2 0. 3mm的凸台12，在凸台之间形成8段前挡板引气槽13，后挡板3在夹持刷环位置处加工8段宽20mm、深0. 2 0. 3mm的后挡板引气槽14。本发明给出低滞后绕固型刷式密封结构的部分尺寸参数值或取值范围，应当指出的是尺寸参数选取应当根据刷式密封设计、使用要求，通过结构强度、性能、寿命评估后，进行综合选择取舍。同时，本发明给出低滞后绕固型刷式密封的两种实施方案，在不脱离本发明叙述的相同低滞后性能设计原理下，可以进行各种变化和修改形成多种实施方案。
权利要求
1.一种低滞后绕固型刷式密封装置，包括刷环，刷式密封座O)，卡圈；刷环由刷丝束组件，前挡板(7)，后挡板C3)组成；刷丝束组件由刷丝(8)、芯线(5)、套管(6)组成； 通过卡圈(4)将刷环固定于密封座( 上，形成转、静子之间的接触密封。
2.如权利要求1所述的低滞后绕固型刷式密封装置，其特征是，套管(6)开有均勻分布的套管引气槽(9)，刷丝束(8)呈一定角度缠绕于芯线(5)上，并通过套管(6)卡紧将其固定，套管卡紧受力两侧设计有方向引导边(10)，初始安装状态下与y向形成偏角，以使刷丝束自由端与后挡板密封坝(11)保持贴合，形成具有初始接触应力的二次封严；刷环将封严流路隔离成高压腔PH、低压腔PL，同时在刷式密封内形成P1、P2两个腔，通过套管引气槽(9)，将Pl腔内的高压气体引入P2形成压力平衡腔；后挡板(3)内径大于转子(1)外径，之间形成的间隙为后挡板保护高度H2，前挡板内径与转子外缘距离Hl略大于H2;刷丝束贴合后挡板密封坝(11)，并伸出直至与转子(1)外圆接触，形成接触封严。
3.不如权利要求2所述的低滞后绕固型刷式密封装置，其特征是，刷丝束(8)后倾通过套管(6)上的方向引导边(10)进行角度控制和角度限制，方向引导边(10)与y向形成8 15°角度，使刷丝束⑶与密封坝(11)贴合；密封坝(11)的宽度L2在0.7 1.5mm范围内；刷丝束(8)的自由段长度Ll在10 15mm范围内；后挡板保护高度H2不小于1mm，前挡板内径与转子外缘距离Hl不小于H2。
4.如权利要求2所述的低滞后绕固型刷式密封装置，其特征是，所述刷丝束(8)与芯线横断面(xoy平面)呈45°角缠绕芯线(5)；套管(6)设计有长为1 3mm的方向引导边(10)；套管引气槽(9)尺寸为宽10 15mm，深0.2 0.3mm，周向均布8 16个。
5.如权利要求1所述的低滞后绕固型刷式密封装置，其特征是，前挡板(7)通过周向均布8个宽20mm、高0. 2 0. 3mm的凸台(12)，在凸台之间形成8段前挡板引气槽(13)，后挡板C3)在夹持刷环位置处加工8段宽20mm、深0. 2 0. 3mm的后挡板引气槽(14)。
全文摘要
本发明公开了一种低滞后绕固型刷式密封装置，包括刷环，刷式密封座(2)，卡圈(4)；刷环由刷丝束组件，前挡板(7)，后挡板(3)组成；刷丝束组件由刷丝(8)、芯线(5)、套管(6)组成；通过卡圈(4)将刷环固定于密封座(2)上，形成转、静子之间的接触密封。本发明密封装置能适应更大的工作条件，对于高封严压差，刷丝束的柔性减低较小，使其刚度基本控制在初始安装条件下的设计值；刷丝随动性能受工作条件影响更小，密封的封严性能、使用寿命也更加稳定；绕固型刷式密封结构较焊接型减少了加工成本，同时也适合非金属刷丝材料的选择，为轴承腔等油/气封严提供了新的密封装置选择。
文档编号F01D11/00GK102425461SQ201110458368
公开日2012年4月25日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者吴瑕, 周连杰, 徐鹏飞, 李贵林, 汪凯, 胡海涛, 赵亚飞 申请人:中国燃气涡轮研究院