一种包含齿间腔多涡副齿的篦齿结构

1.本发明属于密封结构设计技术领域，具体涉及一种包含齿间腔多涡副齿的篦齿。


背景技术：

2.篦齿密封是一种常见的密封装置，利用流道的突扩和突缩，消耗流体的动能增加流阻以限制或阻止流体泄漏。它主要应用于军用、民用航空发动机、燃气轮发动机空气系统中的气体密封，如：高压压气机出口、轴承腔封严，以及压气机级间和涡轮级间的空气密封，由于其结构简单，性能可靠等特点，使得其仍然在现役和在研航空发动机中广泛使用。对于燃气轮机，压气机或涡轮盘有多处需要两个转速不同的部件相连接，而由于相对转速的存在，各部件的连接处无法完全密封，而部件前后通常存在较大的压差与温差，因此在连接处需要设计并使用篦齿用以封堵气流通过。目前的篦齿无法做到绝对的封严，因此如何提高篦齿的封严效果一直是燃气轮机，尤其是航空燃气轮机的重要研究方向之一。对于不同工作条件及尺寸约束条件，通常有针对性地对篦齿结构进行结构或尺寸优化，从而得到各种异形齿，而常规的梯形篦齿仍然广泛应用于燃气轮机中。
3.现有典型篦齿通常是篦齿两侧以对称的角度倾斜，随着半径增大而相应减小宽度，保证近似等强度设计，齿顶以平顶为主，篦齿两侧壁与齿顶加以圆角过度，各篦齿宽度、高度等物理尺寸一致。这种梯形篦齿拥有结构简单，齿厚接近等强度设计，易加工等优势，在燃气轮机的设计与制造方面受到广泛应用，然而其封严效果在许多工作环境下并不理想。常规的梯形篦齿结构密封泄漏量较大，使得发动机效率损失大、燃油油耗高。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中常规的梯形篦齿泄漏量较大和密封性差的问题，本发明提出一种包含齿间腔多涡副齿的篦齿，加工工艺与常规的梯形平顶的篦齿相似，在提供更好的密封性的同时并不会增加加工工艺的复杂程度，同时在篦齿可放置的空间受限的情况下提供更好的封严效果。
5.本发明包含齿间腔多涡副齿的篦齿，在常规梯形平顶篦齿结构的底部平直段位置设计凸起，形成齿间腔副齿；且齿间腔副齿的齿底与篦齿的齿底处于同一平面。由此使气流流经齿间腔时受齿间腔副齿影响，将原齿间腔单涡结构变为双涡或多涡结构。
6.本发明的优点在于：
7.1、本发明包含齿间腔多涡副齿的篦齿,在封严效果方面，包含齿间腔多涡副齿的篦齿，在相同压比、齿顶间隙、封严环结构的条件下，与传统的常规直通式篦齿相比，能够实现更高的封严效率、更宽的压比适用范围，更稳定的封严效果；
8.2、本发明包含齿间腔多涡副齿的篦齿，在温升效果方面，包含齿间腔多涡副齿的篦齿，在相同泄露量的情况下，与传统的常规直通式篦齿相比，能够实现更低的温升；
9.3、本发明包含齿间腔多涡副齿的篦齿，在结构强度方面，本发明包含齿间腔多涡副齿的篦齿，未减少常规齿形的当量宽度，结构抗冲击与磨损性不低于常规直通式篦齿，部
分实施方式对结构强度有所加强；
10.4、本发明包含齿间腔多涡副齿的篦齿,在寿命与退化性方面，副齿处于两常规齿之间，不易与封严环碰磨，且在常规齿磨损后仍能保持较好的封严效果，相同载荷历程和工作时长下，鲁棒性与抗退化能力优于传统的常规直通式篦齿；
11.5、本发明包含齿间腔多涡副齿的篦齿，在加工难度方面，副齿加工工艺与常规齿型相似，无需引入新的加工工艺，部分实施方式不会增加加工难度与成本；
12.6、本发明包含齿间腔多涡副齿的篦齿，在尺寸占用方面，本发明包含齿间腔多涡副齿的篦齿，能够在不改变封严结构整体尺寸、不占用更多篦齿放置空间的前提下实现上述优化效果；在相同的泄漏量目标下，可以在更小的空间内实现封严。
附图说明
13.图1为现有的常规的梯形平顶篦齿结构示意图；
14.图2为本发明包含齿间腔多涡副齿的篦齿结构示意图；
15.图3为本发明包含齿间腔多涡副齿的篦齿局部气流流线图。
16.图4为实施例1中设计的低矮副齿结构在压比为4时的数值仿真结果图；
17.图5为实施例1中设计的低矮副齿结构在压比为4时的数值仿真流线图；
18.图6为实施例2中设计的双副齿结构示意图；
19.图7为实施例2中设计的双副齿结构在压比为4时的数值仿真结果图；
20.图8为实施例2中设计的双副齿结构在压比为4时的数值仿真流线图；
21.图9为实施例3中设计的高副齿结构示意图；
22.图10实施例3中设计的高副齿结构在压比为4时的数值仿真结果图；
23.图11为实施例3中设计的高副齿结构构在压比为4时的数值仿真流线图；
24.图12为实施例4中设计的矮宽副齿结构示意图；
25.图13为实施例4中设计的矮宽副齿结构在压比为4时的数值仿真结果图；
26.图14为实施例4中设计的矮宽副齿结构在压比为4时的数值仿真流线图；
27.图15为实施例5中设计的t型副齿结构示意图；
28.图16为实施例5中设计的t型副齿结构在压比为4时的数值仿真结果图；
29.图17为实施例5中设计的t型副齿结构在压比为4时的数值仿真流线图。
30.图18为实施例5中设计的斜副齿结构示意图；
31.图19为实施例5中设计的斜副齿结构在压比为4时的数值仿真结果图；
32.图20为实施例5中设计的斜副齿结构在压比为4时的数值仿真流线图。
33.图中：
34.1、篦齿2、篦齿齿间腔3、齿间腔副齿4、双涡结构
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
36.本发明提出一种包含齿间腔多涡副齿的篦齿结构，对现有技术中的常规的梯形平顶篦齿(参考文献【1】张留祥,陈俊东,耿旭辉,et al.直通式篦齿密封性能的数值模拟与试验研究[j].润滑与密封,2013(10):51-54.)做出改进。如图1所示，现有的常规的梯形平顶
篦齿1的齿间腔2(两级篦齿之间的可流通区域)底部为平直段，而本发明在该类型篦齿1的齿间腔2底部平直段位置加设凸起，如图2所示，形成齿间腔副齿3，齿间腔副齿3的齿底与篦齿1的齿底处于同一平面。由此使气流流经齿间腔2时受副齿影响，将原本的齿间腔单涡结构变为双涡或多涡结构4，如图3所示，配合封严环，达到提高篦齿封严效率的效果，解决现有篦齿结构泄漏量大、密封性差等问题。
[0037]
进一步，齿间腔副齿3齿宽大于0.3毫米，由于碰磨风险较小，齿间腔副齿3的齿宽设计自由度较大，可大于等于或小于篦齿1的齿宽，且不需要等强度设计。齿间腔副齿3的齿宽在满足寿命、强度等需求的情况下可适当减小以提高齿间腔流域空间。
[0038]
进一步，齿间腔副齿3的高度高一般大于0.5毫米，且小于常规齿齿高的一半；齿间腔副齿3的齿高在满足寿命、强度等需求的情况下可适当提高以增强齿间腔增阻涡4的强度及个数。
[0039]
上述齿间腔副齿3位置在满足加工需求时可适当偏移，无需处于齿底对称位置，以增阻涡发挥最大封严效果为目标。
[0040]
进一步齿间腔副齿3可适当向右(以气流来流方向为左，反向为右)倾斜，以增强增阻涡的封严效果。齿间腔副齿3的倾斜角度可针对工况不同适当调整，具体为：齿间腔副齿3中心线与地面的夹角为60
°
～90
°
，如图2所示；图2种齿间腔副齿3为垂直方案，齿间腔副齿3即中心线与地面夹角为90
°
，在部分工况下，小角度的倾斜将有助于提高封严效果。
[0041]
进一步，齿间腔副齿3的形状可以采用多种结构，如：可采用与常规篦齿形状相同的梯形结构，也可以采用等宽度设计的矩形结构；若加工条件允许还可以采用上宽下窄的倒梯形设计，根据数值仿真结果，等宽度效果略优于梯形结构，倒梯形设计略优于等宽度设计。但倒梯形加工难度相对较大。齿间腔副齿3的形状不局限于前述三种，由于不存在碰磨风险，因此齿间副齿可以根据加工情况任意设计构型，如三角形等结构。
[0042]
进一步，齿间腔副齿3的个数可根据加工水平进行调整，每个篦齿齿间腔2底部的齿间腔副齿3的个数为1～3个，在篦齿齿间腔2的底部加工单副齿、双副齿或三副齿等结构都将对封严效果产生正面影响。如图2所示，齿间腔副齿3的个数为1个，为单副齿结构。单副齿结构下，齿间腔副齿3的齿顶最外侧点与其左右两侧常规篦齿齿顶最外侧点至少保留1毫米距离。同理，多个副齿结构下，齿间腔副齿3的齿顶最外侧点与其相邻的常规篦齿1齿顶最外侧点至少保留1毫米距离。
[0043]
本发明所提出的包含齿间腔多涡副齿的篦齿结构，在同等空间下提供更好的封严效果，使得外部环境或约束如压力差、总温、可加工尺寸等参数相同的情况下，篦齿前后的气体流量即泄漏量更小，可以在空间受限的情况下提供较高的封严效率。并且由于副齿齿高较低，在主篦齿结构完整的情况下几乎没有碰磨风险，可以忽略碰磨导致的强度问题。本发明篦齿主要应用于燃气轮机封严，针对燃气轮机中涡轮或压气机部件存在相对转速，且前后腔存在压差时对气体的封严，以进一步降低腔体间的泄漏量。
[0044]
实施例1为根据前述内容所设计的常规低矮副齿。
[0045]
如图2所示，在齿间腔2底部平直段位置设计等宽度加倒圆角的单齿间副齿，齿间副齿的高度为0.5毫米，齿宽0.4毫米，齿顶与齿底分别有0.15毫米和0.3毫米的倒圆。如图4所示，根据数值仿真结果，此常规低矮副齿在压比为2-5范围内，与常规篦齿相比，泄露量降幅约2.2％，封严效果有所提高，且压比越小，改进效果越显著；温升方面，常规低矮副齿可
以有效降低进出口温升约20％，且随压比升高而提升。上述结构数值仿真流线图如图5所示，齿间腔副齿将原本的齿间腔单涡结构破坏，在齿高较小时将会打散为一大一小两个齿间腔涡。常规低矮副齿加工难度较小，综合效果，适用于小压比、存在封严与温升改进需求，但加工技术受限的情况。
[0046]
实施例2为根据前述内容所设计的双副齿结构。
[0047]
如图6所示，双副齿结构为在采用齿底处两个并排相同副齿结构，与实施例1相同，齿间腔副齿采用等宽度加倒圆角设计，齿间腔副齿的高度为0.5毫米，齿宽0.4毫米，齿顶与齿底分别有0.15毫米和0.3毫米的倒圆。如图7所示，根据数值仿真结果，双副齿结构在压比为2-5范围内，与常规篦齿相比，泄露量降幅约1.4％，封严效果有所提高，改进效果随压比变化较小；温升方面，常规低矮副齿可以有效降低进出口温升约20％～30％，温升抑制效果优于实施例1。上述结构数值仿真流线图如图8所示，双副齿结构将原本的齿间腔单涡结构破坏，并成为三个大小差异较大的涡型。双副齿结构加工难度较小，与低矮齿相比复杂度略有提高，综合效果，适用于压比浮动范围较大、封严改进需求较小，但有温升改进需求，且加工技术受限的情况。
[0048]
实施例3为根据前述内容所设计的高副齿结构。
[0049]
如图9所示，高副齿结构采用等宽度加倒圆角设计，齿间副齿的高度为1.5毫米，齿宽0.6毫米，齿顶与齿底分别有0.15毫米和0.2毫米的倒圆。如图10所示，根据数值仿真结果，高副齿方案在压比为2-5范围内，与常规篦齿相比，泄露量降幅约3.5％，封严效果提高明显，改进效果随压比升高略有减小；温升方面，常规低矮副齿可以有效降低进出口温升约15％～32％，温升抑制效果优于实施例1，但稳定性不足，仅在压比为4时效果显著。高副齿方案结构加工难度适中，略高于实施例1与2，综合效果，适用于封严改进需求大，温升改进需求较小，压比为4左右，且加工技术可满足的情况。上述结构数值仿真流线图，如图11所示，高副齿结构将原本的齿间腔单涡结构破坏，形成三涡结构，其中左侧(即来流方向侧)为上小下大的两个涡型，右侧为一个整涡，且大小近似于原本的齿间腔单涡的一半。
[0050]
实施例4为根据前述内容所设计的矮宽副齿结构。
[0051]
如图12所示，矮宽副齿方案采用高齿顶宽度设计，齿间腔副齿的高度约主篦齿三分之一，齿宽1.5毫米，齿顶与齿底有倒圆。如图13所示，根据数值仿真结果，矮宽副齿方案在压比为2-5范围内，与常规篦齿相比，封严效果与温升抑制效果都随压比变化较大，稳定性不足，压比为2时，封严效率最高提升约2.9％，压比为5时，温升抑制效果最高提升约33％。矮宽副齿案结构加工难度较小，综合效果，可用于压比范围较小，且加工技术受限的情况，根据封严或温升抑制需求选取。上述结构数值仿真流线图如图14所示，矮宽副齿结构将原本的齿间腔单涡结构破坏，形成三涡结构，其中左侧(即来流方向侧)下方涡和右侧涡共同挤压形成左上方的小气流涡，右侧涡占据了齿间腔大部分空间，已显著大于原本的齿间腔单涡的一半。
[0052]
实施例5为根据前述内容所设计的t型副齿结构。
[0053]
如图15所示，t型副齿结构采用异形齿形设计，齿间腔副齿的高度约主篦齿二分之一，齿宽不等，顶部为平直段，明显宽于下部，各转角处均有倒圆。如图16所示，根据数值仿真结果，t型副齿方案在压比为2-5范围内，与常规篦齿相比，封严效果与温升抑制效果都随压比变化较大，封严效率提升3.55％～4.25％，压比为2时，封严效率最高提升约4.25％；温
升抑制效果不如前几个实施例，压比为5时，温升抑制效果最高提升约18％。t型副齿方案结构加工难度较大，综合效果，可用于封严需求较大，有较小温升抑制需求，且加工技术可以满足的情况。上述结构数值仿真流线图如图17所示，t型副齿结构将原本的齿间腔单涡结构破坏，形成双涡结构，其中左侧(即来流方向侧)下方涡较小，其高度与齿高相近，右侧为异形涡，覆盖齿间腔上半部空间和副齿右侧空间，根据流线可以推断，右侧异形涡为该结构的主要封严效果来源。
[0054]
实施例6为根据前述内容所设计的倾斜副齿结构。
[0055]
如图18所示，倾斜副齿结构方向与主篦齿的径向方向呈一定夹角，倾斜方向朝向流向；其高度约主篦齿二分之一，齿宽与主篦齿相近，各转角处均有倒圆。如图19所示，根据数值仿真结果，倾斜副齿方案在压比为2-5范围内，与常规篦齿相比，封严效果与温升抑制效果都随压比变化较大，封严效率提升2.43％～3.10％，压比为2时，封严效率最高提升约3.10％；温升抑制效果与实施例1相近，压比为5时，温升抑制效果最高提升约29.26％。倾斜副齿方案封严能力和温升抑制效果较好，但倾斜结构加工成本可能较高。综合效果，可用于封严需求和温升抑制需求较大，且加工成本可接受的情况。上述结构数值仿真流线图如图20所示，倾斜副齿结构将原本的齿间腔单涡结构破坏，形成双涡结构；同时其倾斜结构进一步能够压缩副齿左侧(即来流方向侧)低速涡的空间、扩大副齿右侧高速涡的空间，形成非对称的双涡耗散结构。