用于回转式机械的旋转密封元件制造技术

一种旋转密封元件（３８）至少由两个沿圆周连续的环（４８，５０）形成。所述环在向外的方向上的厚度Ｔ２、Ｔ３逐渐减小。各种结构细节均有助于提高周期循环疲劳寿命水平。在一个特定的实施例中，该密封元件带有平面（７４），所述平面（７４）在环间交界处从所述侧面向内延伸。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种带有工作介质流动通道和绕转轴沿周向延伸的旋转密封元件的回转式机械。本专利技术尤其涉及一种由多个叠层环形成的密封元件。它特别适用于在气体涡轮发动机中阻止气体工作介质从工作介质流动通道的边缘泄漏。回转式机械的一个实例是气体涡轮发动机。这种气体涡轮发动机带有沿轴向贯穿发动机而延伸的转子装置。定子装置沿周向绕转子装置延伸。气体工作介质所用的流动通道穿过发动机而延伸，该通道穿过转子装置和定子装置并由这两个装置上的元件限定。转子装置通常包括一转盘和多个转动叶片，所述叶片穿过工作介质流动通道沿径向向外延伸。定子装置包括一外壳和定子叶片或支杆阵列，所述定子叶片或支杆穿过工作介质流动通道沿径向向内延伸。在转子装置的转盘和定子装置的支杆之间提供有密封装置，以形成工作介质流动通道的边界。具有这种结构的一个实例可如专利权人为Stripinis和Walsh、专利技术名称为“用于回转式机械的定子装置”的美国专利第5,152,666号所示。密封装置用相邻的序号148和152表示。该密封装置包括一个面朝内部的、沿周向延伸的密封棱。该密封棱安装在定子装置上并且在圆周上连续。一旋转密封元件绕机器的转轴Ar沿周向延伸。该旋转密封元件包括一个周向连续的支撑元件和多个从支撑元件沿径向向外延伸的密封元件。旋转密封元件由多个叠层环构成，这些环在环间位置上均带有倾斜的过渡台阶。最外部的环可称为凸棱环，而支撑环可称为基座环。随着密封元件向外延伸，在垂直于圆周方向的方向上环变细。这就是通过减小密封元件的质量来减小密封元件中的应力。每一旋转密封元件均沿周向连续。结果是，当密封元件绕转轴Ar旋转时，各环承受很大的圆周应力。在工作状态下，旋转密封元件会与密封棱摩擦，从而磨蚀密封元件并在接触区产生热量。由此产生的热应力和机械应力加上由于转子装置高速旋转而产生的很大的圆周应力使得构件在承受周期循环应力后生成裂纹。该周期循环应力是机械应力和热应力作用的结果，所说的机械应力和热应力是在使发动机从Seal Level Take Off状态(高转速，高温)加速以及使发动机在运行之后减速至怠速和停机状态的过程中产生的。裂纹向内迅速扩张，并且当其一旦从上游侧延伸到密封元件的下游侧后，该裂纹会迅速扩张。这部分归因于当裂纹向内扩张时圆周应力作用到裂纹的破裂点上。圆周应力提供一定的使裂纹增长的能量。该能量与作用的圆周应力成正比。对于每一种材料，都有一种与周期循环疲劳相关的临界系数，该系数用临界应力强度系数(Kic)表示。Kic表示裂纹前锋的应力强度，在该裂纹前锋处，裂纹的增长变得很不稳定，并且经少数几次循环后，构件就会发生破裂。Kic的单位是磅每平方英寸及二分之一次方英寸(psiin)。另一重要的系数是瞬时K(ki)。Ki是裂纹的实际应力强度系数。它与应力、几何因数、裂纹尺寸均相关。一旦ki超过kic，则超过了临界应力强度系数，裂纹增长就会变得不稳定而且迅速。裂纹将快速增长并穿过下部支撑元件而扩张，使支撑元件伴随着裂纹而断损，并损坏下游的旋转元件。结果是一旦在旋转刃边中开始形成裂纹，刃边仅能持续一段寿命并且必需更换。如果在常规的检查间隔中没有发现裂纹，裂纹将会扩张至下部的支撑元件中，从而造成有害的影响。因此，在本申请代理人指引下工作的科学家和工程师们试图设计一种密封元件并提供一种装置，所说的密封元件能当密封元件中一旦产生裂纹时延长其寿命，所述装置用于在各密封元件上的不同的过渡面处延缓裂纹增长，以保证即使在一次检测中没有发现裂纹，也能够在严重损坏之前的常规检查中发现密封元件上的裂纹。本专利技术基于以下认识，即对于一定的裂纹尺寸，改变几何因素(这将影响ki的值)可以降低裂纹增长速率，并抵消导致裂纹增长速率加大的裂纹尺寸的增加。利用这种几何因素的改变，可以通过增加裂纹所穿过的材料的长度来实现减小裂纹前锋每一单位面积上的应力。如果存在从构件的一个自由侧面延伸到构件的另一个自由侧面的水平裂纹，就会很危险。这种裂纹被称作“贯穿裂纹”。如果存在水平贯穿裂纹，则裂纹基本上只跨过一线性前锋而在一个方向上增长。在一定应力作用下，等量的能量可使裂纹增长得更长，这是因为每一裂纹长度上的单位应力大于在裂纹前锋较长情况下的单位应力。本专利技术还基于以下事实，即通过采用几何因素让位于叠层密封元件的环间交界处的裂纹显著弯曲，从而使该处的裂纹增长速率降低。因此如果裂纹弯曲或具有几个扩张方向，则裂纹增长就会延缓，并迫使裂纹消耗能量以在几个不同方向上扩张，而不是仅跨过一个裂纹前锋。这就使得更大的面积分散构件中的能量，从而使裂纹增长缓慢。可取得这一现象所带来的优点的一种方法是在叠层环间采用接合方式，以保证当裂纹垂直于表面延伸时，使裂纹向回弯曲以形成更长的裂纹前锋。另外，叠层环之间的连接处构成了一个便于检查的位置，用于判断是否需要更换构件。根据本专利技术，用于回转式机械的可旋转密封元件绕转轴沿周向延伸，并具有绕一个沿周向延伸的平面而设置的一内环和一外环，外环在第一方向上延伸而远离内环表面，并且其表面沿横向延伸而远离所述平面且与所述平面成一角度，即在密封元件的上游侧面和下游侧面处，该表面不会朝着所述平面向内延伸。根据本专利技术，内环是基座，而外环是凸棱，它们均是绕一周向延伸平面对称设置的，当裂纹前锋穿过密封元件时，所述周向延伸平面穿过裂纹前锋的前缘所在位置。本专利技术的主要特征在于沿周向连续的密封元件。该密封元件包括支撑元件和多个层叠环。每一环均比它与支撑元件之间的环窄。在一实施例中，该元件由一外环和一内环组成。内环具有一相对于外环横向延伸的表面，该表面倾斜且并不远离外环向着支撑元件延伸。在一实施例中，外环带有以预定角度向外部收敛的两个侧面。另一特征在于圆角半径，该圆角从外环的一个侧面向内环的表面延伸。内环表面向内环的侧面延伸并且既可以是向着外环倾斜、也可以是垂直于环所围绕的周向延伸平面。在一特定实施例中，外环高度与处于邻近内环位置处的外环厚度之比小于或等于 。外环和内环之间的圆角半径小于或等于外环厚度的三分之一，并且内环表面上的平面部分大于或等于圆角半径的二分之一。本专利技术的主要优点是由于相邻环间交界处的几何尺寸使形成的裂纹在环间交界处的多个横向上扩张，使密封元件的周期循环疲劳寿命增长。本专利技术的另一优点是密封装置的最短周期循环寿命可以预测，这是通过在叠层环间的交界处对裂纹增长扩张进行阻滞影响来实现的。这使得在构件周期循环寿命的各间隔中能够进行检查，同时当一次检查没有发现裂纹时，仍能保证裂纹不扩张到支撑元件。附图说明图1是轴向气流式涡轮发动机的侧视图，该涡轮发动机被部分剖开，以表示其涡轮部分中的一部分构件。图2是图1所示气体涡轮发动机上的一部分的放大侧视图，并以剖视的形式表示出了多个沿圆周连续的旋转密封元件。图3是本专利技术所述密封元件的一个实施例的侧视图。图4是图3所示密封元件的替换实施例的侧视图。图5是图3所示密封元件的替换实施例的侧视图。图6是带有多个沿圆周延伸的密封元件的转盘。图7是当本专利技术所述的一个实施例用于飞机气体涡轮发动机中时，其裂纹增长深度与循环周期寿命之间的关系的曲线图。图8是密封元件的预测循环疲劳寿命与内、外环间几何结构之间的关系的曲线图。图9是当裂纹前锋通过密封元件时裂纹前锋的结构示意图。图1是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于回转式机械的旋转密封元件，它围绕机器的转轴Ａｒ沿周向延伸，该密封元件带有绕一个沿周向延伸的平面设置的多个环，所说的旋转密封元件包括：一个内环，它绕轴Ａｒ沿周向延伸，并在第一方向上从密封元件向外伸出，该内环带有沿周向延伸的第一 侧面，沿周向延伸并与第一侧面间隔的第二侧面，正对第一方向的第一表面，其高度为Ｈｉ，该高度是在第一方向上测量的，第一侧面和第二侧面之间的厚度为Ｔｉ，该厚度是在垂直于圆周方向的方向上测量的；一个外环，它绕轴Ａｒ沿周向延伸，并在第一方 向上从内环的第一表面向外伸出，该外环带有沿周向延伸的第一侧面，沿周向延伸的第二侧面，正对第一方向的第二表面，它与第一表面间的距离为Ｈ０，该高度Ｈ０是在第一方向上测量的，第一侧面和第二侧面之间的厚度为Ｔ０，该厚度是在垂直于圆周方向 的方向上测量的；其特征在于，外环的第一侧面和第二侧面均通过半径为Ｒ０的圆角而与内环的第一表面相连，并且内环的第一表面从内环的第一侧面沿横向延伸距离Ｓ１、从内环的第二侧面沿横向延伸距离Ｓ２，且经距离Ｓ１和Ｓ２后并不沿与第一方向相反的方向远 离外环延伸。其中第一环和第二环之间交界处的几何形状影响穿过环的径向裂纹的扩张速率。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：加里P皮特斯，罗伯特加若德约翰纳斯斯特，
申请(专利权)人：联合技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]