專(zhuān)利名稱(chēng)：用于回轉(zhuǎn)式機(jī)械的旋轉(zhuǎn)密封元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有工作介質(zhì)流動(dòng)通道和繞轉(zhuǎn)軸沿周向延伸的旋轉(zhuǎn)密封元件的回轉(zhuǎn)式機(jī)械。本發(fā)明尤其涉及一種由多個(gè)疊層環(huán)形成的密封元件。它特別適用于在氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中阻止氣體工作介質(zhì)從工作介質(zhì)流動(dòng)通道的邊緣泄漏。
回轉(zhuǎn)式機(jī)械的一個(gè)實(shí)例是氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。這種氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶有沿軸向貫穿發(fā)動(dòng)機(jī)而延伸的轉(zhuǎn)子裝置。定子裝置沿周向繞轉(zhuǎn)子裝置延伸。氣體工作介質(zhì)所用的流動(dòng)通道穿過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)而延伸，該通道穿過(guò)轉(zhuǎn)子裝置和定子裝置并由這兩個(gè)裝置上的元件限定。
轉(zhuǎn)子裝置通常包括一轉(zhuǎn)盤(pán)和多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，所述葉片穿過(guò)工作介質(zhì)流動(dòng)通道沿徑向向外延伸。定子裝置包括一外殼和定子葉片或支桿陣列，所述定子葉片或支桿穿過(guò)工作介質(zhì)流動(dòng)通道沿徑向向內(nèi)延伸。在轉(zhuǎn)子裝置的轉(zhuǎn)盤(pán)和定子裝置的支桿之間提供有密封裝置，以形成工作介質(zhì)流動(dòng)通道的邊界。
具有這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例可如專(zhuān)利權(quán)人為Stripinis和Walsh、發(fā)明名稱(chēng)為“用于回轉(zhuǎn)式機(jī)械的定子裝置”的美國(guó)專(zhuān)利第5,152,666號(hào)所示。密封裝置用相鄰的序號(hào)148和152表示。該密封裝置包括一個(gè)面朝內(nèi)部的、沿周向延伸的密封棱。該密封棱安裝在定子裝置上并且在圓周上連續(xù)。一旋轉(zhuǎn)密封元件繞機(jī)器的轉(zhuǎn)軸Ar沿周向延伸。該旋轉(zhuǎn)密封元件包括一個(gè)周向連續(xù)的支撐元件和多個(gè)從支撐元件沿徑向向外延伸的密封元件。
旋轉(zhuǎn)密封元件由多個(gè)疊層環(huán)構(gòu)成，這些環(huán)在環(huán)間位置上均帶有傾斜的過(guò)渡臺(tái)階。最外部的環(huán)可稱(chēng)為凸棱環(huán)，而支撐環(huán)可稱(chēng)為基座環(huán)。隨著密封元件向外延伸，在垂直于圓周方向的方向上環(huán)變細(xì)。這就是通過(guò)減小密封元件的質(zhì)量來(lái)減小密封元件中的應(yīng)力。每一旋轉(zhuǎn)密封元件均沿周向連續(xù)。結(jié)果是，當(dāng)密封元件繞轉(zhuǎn)軸Ar旋轉(zhuǎn)時(shí)，各環(huán)承受很大的圓周應(yīng)力。
在工作狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)密封元件會(huì)與密封棱摩擦，從而磨蝕密封元件并在接觸區(qū)產(chǎn)生熱量。由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力加上由于轉(zhuǎn)子裝置高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的很大的圓周應(yīng)力使得構(gòu)件在承受周期循環(huán)應(yīng)力后生成裂紋。該周期循環(huán)應(yīng)力是機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用的結(jié)果，所說(shuō)的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力是在使發(fā)動(dòng)機(jī)從Seal Level Take Off狀態(tài)(高轉(zhuǎn)速，高溫)加速以及使發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行之后減速至怠速和停機(jī)狀態(tài)的過(guò)程中產(chǎn)生的。裂紋向內(nèi)迅速擴(kuò)張，并且當(dāng)其一旦從上游側(cè)延伸到密封元件的下游側(cè)后，該裂紋會(huì)迅速擴(kuò)張。這部分歸因于當(dāng)裂紋向內(nèi)擴(kuò)張時(shí)圓周應(yīng)力作用到裂紋的破裂點(diǎn)上。
圓周應(yīng)力提供一定的使裂紋增長(zhǎng)的能量。該能量與作用的圓周應(yīng)力成正比。對(duì)于每一種材料，都有一種與周期循環(huán)疲勞相關(guān)的臨界系數(shù)，該系數(shù)用臨界應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)(Kic)表示。Kic表示裂紋前鋒的應(yīng)力強(qiáng)度，在該裂紋前鋒處，裂紋的增長(zhǎng)變得很不穩(wěn)定，并且經(jīng)少數(shù)幾次循環(huán)后，構(gòu)件就會(huì)發(fā)生破裂。Kic的單位是磅每平方英寸及二分之一次方英寸(psiin)。
另一重要的系數(shù)是瞬時(shí)K(ki)。Ki是裂紋的實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)。它與應(yīng)力、幾何因數(shù)、裂紋尺寸均相關(guān)。一旦ki超過(guò)kic，則超過(guò)了臨界應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)，裂紋增長(zhǎng)就會(huì)變得不穩(wěn)定而且迅速。裂紋將快速增長(zhǎng)并穿過(guò)下部支撐元件而擴(kuò)張，使支撐元件伴隨著裂紋而斷損，并損壞下游的旋轉(zhuǎn)元件。結(jié)果是一旦在旋轉(zhuǎn)刃邊中開(kāi)始形成裂紋，刃邊僅能持續(xù)一段壽命并且必需更換。如果在常規(guī)的檢查間隔中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋將會(huì)擴(kuò)張至下部的支撐元件中，從而造成有害的影響。
因此，在本申請(qǐng)代理人指引下工作的科學(xué)家和工程師們?cè)噲D設(shè)計(jì)一種密封元件并提供一種裝置，所說(shuō)的密封元件能當(dāng)密封元件中一旦產(chǎn)生裂紋時(shí)延長(zhǎng)其壽命，所述裝置用于在各密封元件上的不同的過(guò)渡面處延緩裂紋增長(zhǎng)，以保證即使在一次檢測(cè)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋，也能夠在嚴(yán)重?fù)p壞之前的常規(guī)檢查中發(fā)現(xiàn)密封元件上的裂紋。
本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)，即對(duì)于一定的裂紋尺寸，改變幾何因素(這將影響ki的值)可以降低裂紋增長(zhǎng)速率，并抵消導(dǎo)致裂紋增長(zhǎng)速率加大的裂紋尺寸的增加。利用這種幾何因素的改變，可以通過(guò)增加裂紋所穿過(guò)的材料的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)減小裂紋前鋒每一單位面積上的應(yīng)力。
如果存在從構(gòu)件的一個(gè)自由側(cè)面延伸到構(gòu)件的另一個(gè)自由側(cè)面的水平裂紋，就會(huì)很危險(xiǎn)。這種裂紋被稱(chēng)作“貫穿裂紋”。如果存在水平貫穿裂紋，則裂紋基本上只跨過(guò)一線性前鋒而在一個(gè)方向上增長(zhǎng)。在一定應(yīng)力作用下，等量的能量可使裂紋增長(zhǎng)得更長(zhǎng)，這是因?yàn)槊恳涣鸭y長(zhǎng)度上的單位應(yīng)力大于在裂紋前鋒較長(zhǎng)情況下的單位應(yīng)力。
本發(fā)明還基于以下事實(shí)，即通過(guò)采用幾何因素讓位于疊層密封元件的環(huán)間交界處的裂紋顯著彎曲，從而使該處的裂紋增長(zhǎng)速率降低。因此如果裂紋彎曲或具有幾個(gè)擴(kuò)張方向，則裂紋增長(zhǎng)就會(huì)延緩，并迫使裂紋消耗能量以在幾個(gè)不同方向上擴(kuò)張，而不是僅跨過(guò)一個(gè)裂紋前鋒。這就使得更大的面積分散構(gòu)件中的能量，從而使裂紋增長(zhǎng)緩慢?？扇〉眠@一現(xiàn)象所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)的一種方法是在疊層環(huán)間采用接合方式，以保證當(dāng)裂紋垂直于表面延伸時(shí)，使裂紋向回彎曲以形成更長(zhǎng)的裂紋前鋒。另外，疊層環(huán)之間的連接處構(gòu)成了一個(gè)便于檢查的位置，用于判斷是否需要更換構(gòu)件。
根據(jù)本發(fā)明，用于回轉(zhuǎn)式機(jī)械的可旋轉(zhuǎn)密封元件繞轉(zhuǎn)軸沿周向延伸，并具有繞一個(gè)沿周向延伸的平面而設(shè)置的一內(nèi)環(huán)和一外環(huán)，外環(huán)在第一方向上延伸而遠(yuǎn)離內(nèi)環(huán)表面，并且其表面沿橫向延伸而遠(yuǎn)離所述平面且與所述平面成一角度，即在密封元件的上游側(cè)面和下游側(cè)面處，該表面不會(huì)朝著所述平面向內(nèi)延伸。
根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)環(huán)是基座，而外環(huán)是凸棱，它們均是繞一周向延伸平面對(duì)稱(chēng)設(shè)置的，當(dāng)裂紋前鋒穿過(guò)密封元件時(shí)，所述周向延伸平面穿過(guò)裂紋前鋒的前緣所在位置。
本發(fā)明的主要特征在于沿周向連續(xù)的密封元件。該密封元件包括支撐元件和多個(gè)層疊環(huán)。每一環(huán)均比它與支撐元件之間的環(huán)窄。在一實(shí)施例中，該元件由一外環(huán)和一內(nèi)環(huán)組成。內(nèi)環(huán)具有一相對(duì)于外環(huán)橫向延伸的表面，該表面傾斜且并不遠(yuǎn)離外環(huán)向著支撐元件延伸。在一實(shí)施例中，外環(huán)帶有以預(yù)定角度向外部收斂的兩個(gè)側(cè)面。另一特征在于圓角半徑，該圓角從外環(huán)的一個(gè)側(cè)面向內(nèi)環(huán)的表面延伸。內(nèi)環(huán)表面向內(nèi)環(huán)的側(cè)面延伸并且既可以是向著外環(huán)傾斜、也可以是垂直于環(huán)所圍繞的周向延伸平面。在一特定實(shí)施例中，外環(huán)高度與處于鄰近內(nèi)環(huán)位置處的外環(huán)厚度之比小于或等于 。外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的圓角半徑小于或等于外環(huán)厚度的三分之一，并且內(nèi)環(huán)表面上的平面部分大于或等于圓角半徑的二分之一。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是由于相鄰環(huán)間交界處的幾何尺寸使形成的裂紋在環(huán)間交界處的多個(gè)橫向上擴(kuò)張，使密封元件的周期循環(huán)疲勞壽命增長(zhǎng)。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是密封裝置的最短周期循環(huán)壽命可以預(yù)測(cè)，這是通過(guò)在疊層環(huán)間的交界處對(duì)裂紋增長(zhǎng)擴(kuò)張進(jìn)行阻滯影響來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這使得在構(gòu)件周期循環(huán)壽命的各間隔中能夠進(jìn)行檢查，同時(shí)當(dāng)一次檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)，仍能保證裂紋不擴(kuò)張到支撐元件。


圖1是軸向氣流式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)視圖，該渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)被部分剖開(kāi)，以表示其渦輪部分中的一部分構(gòu)件。
圖2是圖1所示氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的一部分的放大側(cè)視圖，并以剖視的形式表示出了多個(gè)沿圓周連續(xù)的旋轉(zhuǎn)密封元件。
圖3是本發(fā)明所述密封元件的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖4是圖3所示密封元件的替換實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖5是圖3所示密封元件的替換實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖6是帶有多個(gè)沿圓周延伸的密封元件的轉(zhuǎn)盤(pán)。
圖7是當(dāng)本發(fā)明所述的一個(gè)實(shí)施例用于飛機(jī)氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中時(shí)，其裂紋增長(zhǎng)深度與循環(huán)周期壽命之間的關(guān)系的曲線圖。
圖8是密封元件的預(yù)測(cè)循環(huán)疲勞壽命與內(nèi)、外環(huán)間幾何結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系的曲線圖。
圖9是當(dāng)裂紋前鋒通過(guò)密封元件時(shí)裂紋前鋒的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1是軸向氣流式回轉(zhuǎn)式機(jī)械10的側(cè)視圖。該回轉(zhuǎn)式機(jī)械包括一壓縮部分12、一燃燒部分14和一渦輪部分16。氣體工作介質(zhì)的流動(dòng)通道1 8經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的各部分沿軸向延伸。定子裝置22經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)沿軸向延伸并位于氣體工作介質(zhì)的流動(dòng)通道的外面，以界定所述流動(dòng)通道。轉(zhuǎn)子裝置24設(shè)置在氣體工作介質(zhì)的流動(dòng)通道的內(nèi)部。
圖2是圖1所示的渦輪部分16中的部分構(gòu)件的放大圖。定子裝置22包括一外殼26和多個(gè)定子葉片28，該定子葉片28穿過(guò)氣體介質(zhì)的流動(dòng)通道沿徑向向內(nèi)延伸。這些定子葉片通過(guò)多個(gè)沿圓周延伸并且在轉(zhuǎn)子裝置的徑向外部相互間隔的密封棱30而相連接。所述密封棱30在圓周方向上連續(xù)。
轉(zhuǎn)子裝置24包括轉(zhuǎn)盤(pán)32和多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片34。轉(zhuǎn)動(dòng)葉片穿過(guò)工作介質(zhì)流動(dòng)通道18沿徑向向外延伸并鄰近外殼。每一轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的末端均帶有多個(gè)密封刃邊36。在轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的末端，每一刃邊均沿圓周延伸一小段距離。鄰近的刃邊形成了沿圓周不連續(xù)且不承受圓周應(yīng)力的、沿圓周延伸的密封。
轉(zhuǎn)子裝置24還包括一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的密封元件38。該密封元件帶有沿軸向延伸的支撐元件42，該支撐元件42繞軸Ar沿周向延伸。支撐元件具有一表面44。密封元件帶有多個(gè)從支撐元件的表面向外延伸的疊層環(huán)，這些疊層環(huán)用環(huán)46、48和50來(lái)表示。支撐元件的厚度為T(mén)s，這一厚度是在與鄰近環(huán)的支撐元件的表面相垂直的方向上測(cè)量的。
轉(zhuǎn)子裝置包括第二密封元件52。該第二密封元件帶有從轉(zhuǎn)盤(pán)32沿軸向延伸的第一支撐元件54和與第一支撐元件連接的第二支撐元件56。由于帶有密封元件38，所以密封元件帶有多個(gè)沿周向連續(xù)的疊層環(huán)。密封元件38和52與密封元件36相反，密封元件36沿周向不連續(xù)。
圖3是圖2所示可旋轉(zhuǎn)的密封元件38上的一部分的放大圖?？尚D(zhuǎn)的密封元件帶有三個(gè)疊層環(huán)46、48和50。第一環(huán)繞軸Ar沿周向延伸。第一環(huán)從支撐元件42的表面44上沿第一方向Dirl向外延伸，并設(shè)置成圍繞沿周向延伸的平面P1的形式。在本實(shí)施例中該周向延伸平面是一對(duì)稱(chēng)面。
第一環(huán)具有沿周向延伸的第一側(cè)面62和沿周向延伸并與第一側(cè)面平行的第二側(cè)面64。第一側(cè)面和第二側(cè)面到對(duì)稱(chēng)面的距離相等。第一環(huán)還具有正對(duì)第一方向的第一表面66。第一表面與支撐元件的表面44之間的距離是H1，該高度H1是在第一方向上測(cè)量的。第一環(huán)上第一側(cè)面和第二側(cè)面之間的厚度是T1，該距離是在垂直于圓周方向的方向上測(cè)量的。該厚度T1是第一表面的延伸距離。
第一環(huán)上的第一側(cè)面和第二側(cè)面62、64均通過(guò)一半徑為R1的圓角而與支撐元件的表面44相連。圓角半徑R1小于或等于第一環(huán)厚度的三分之一(R1≤1/3T1)。支撐元件表面從第一環(huán)的第一側(cè)面62沿橫向延伸距離D1，并從第一環(huán)的第二側(cè)面64沿橫向延伸距離D2。距離D1和D2均等于或大于圓角半徑R1的二分一(D1、D2≥1/2 R1)。支撐元件的表面經(jīng)過(guò)該距離D1和D2后并不沿與第一方向相反的方向延伸。在圖示實(shí)施例中，上述方向與方向D1垂直。在另外的實(shí)施例中，所述表面可以在第一方向上傾斜。支撐元件的厚度Ts大于或等于第一環(huán)厚度T1的二分之一。
第二環(huán)48繞軸Ar沿周向延伸并從第一環(huán)46的第一表面66向外伸出。第二環(huán)在第一方向上延伸并具有沿周向延伸的第一側(cè)面68和沿周向延伸并與第一側(cè)面平行的第二側(cè)面72。第二環(huán)48上第一側(cè)面和第二側(cè)面之間的厚度為T(mén)2，該厚度是沿垂直于圓周方向的方向測(cè)量的。第二環(huán)具有正對(duì)第一方向的第二表面74，第二表面74與第一表面66之間的距離是H2，該高度H2是在第一方向上測(cè)量的。第二環(huán)上的第二表面74的長(zhǎng)度與鄰近第二表面處的厚度T2相等。
第二環(huán)的第一側(cè)面和第二側(cè)面68、72均通過(guò)一半徑為R2的圓角而與第一環(huán)的第一表面相連。該圓角半徑R2小于或等于鄰近圓角R2處的第二環(huán)厚度T2的三分之一(R2≤1/3 T2)。第一環(huán)46的第一表面66從第一環(huán)46的第一側(cè)面62沿橫向延伸距離S1并從第一環(huán)的第二側(cè)面64沿橫向延伸距離S2。每一距離S1和S2均等于或大于圓角半徑R2的二分之一(S1、S2≥1/2 R2)。經(jīng)過(guò)距離S1和S2的第一表面并不從第二環(huán)處沿與第一方向相反的方向延伸。
在替換實(shí)施例中，第二環(huán)可以是與支撐元件相嚙合的環(huán)。在這種實(shí)施例中，第二環(huán)將是內(nèi)環(huán)而第三環(huán)將為外環(huán)。內(nèi)環(huán)與支撐元件表面的關(guān)系可以象它與第一環(huán)表面的關(guān)系一樣。這種形式的實(shí)施例可如圖6中的密封元件38a所示。如圖6中的元件38b所示，另一實(shí)施例中可帶有多于三個(gè)的圓環(huán)。
第三環(huán)50繞軸Ar沿周向延伸并從第二環(huán)48的第二表面74沿第一方向向外伸出。第三環(huán)50具有沿周向延伸的第一側(cè)面76和沿周向延伸的第二側(cè)面78。第一側(cè)面和第二側(cè)面在向外的方向或第一方向上收斂，并且兩側(cè)面間的夾角范圍是七到十度(7°～10°)。該第三環(huán)具有正對(duì)第一方向的第三表面82。第三表面與第二表面之間的距離是H3，該高度H3是在第一方向上測(cè)量的。第三環(huán)上的第一側(cè)面和第二側(cè)面之間的厚度是T3，該厚度T3是在垂直于圓周方向的方向上并且鄰近第二表面測(cè)量的。高度H3與厚度T3之比小于或等于
(H3/T3≤1.5)?；谠谀Σ林袩崃總鬟f的原因，在本技術(shù)領(lǐng)域中通常采用這一尺寸。第三環(huán)的第一側(cè)面和第二側(cè)面76、78均通過(guò)一半徑為R3的圓角而與第二環(huán)的第二表面相連。該圓角半徑R3小于或等于在鄰近第二表面處測(cè)量的第三環(huán)厚度T3的三分之一。第二環(huán)的第二表面74從第二環(huán)的第一側(cè)面68沿橫向延伸距離P1并從第二環(huán)的第二側(cè)面72沿橫向延伸距離P2。每一距離均等于或大于圓角半徑R3的二分之一。經(jīng)過(guò)距離P1和P2后的第二表面并不沿與第一方向相反的方向延伸，因此并不遠(yuǎn)離第三環(huán)。
在圖3用虛線所示的替換實(shí)施例中，第二表面74a可以在第一方向上向第三環(huán)延伸。
圖4是圖3所示密封元件38的替換實(shí)施例38’，它沿水平方向延伸，這時(shí)周向平面P11平行于轉(zhuǎn)軸Ar。在其它方面，圖4所示實(shí)施例與圖3所示的、具有上述H3和T3的關(guān)系、上述高度、厚度和圓角半徑以及環(huán)表面的平面之間的關(guān)系的實(shí)施例相同。
圖5是圖4所示的旋轉(zhuǎn)密封元件38”的替換實(shí)施例38”。密封元件所繞的周向延伸平面P12是傾斜的并與轉(zhuǎn)軸Ar成一角度。在其它方面，除了外部環(huán)的最外表面具有一個(gè)從該最外表面伸出的末端84以外，該實(shí)施例與圖3和圖4所示實(shí)施例相同，上述末端84具有一個(gè)與定子裝置上的沿周向延伸密封棱30平行的表面86。
圖6是轉(zhuǎn)子裝置24的替換實(shí)施例92的側(cè)視圖，為了清晰起見(jiàn)，該裝置剖去了部分結(jié)構(gòu)。如圖所示，支撐元件94a、94b既可以是圓錐形又可以是圓柱形的。在任一種情況下，支撐元件的厚度Ts均是在垂直于支撐元件表面的方向上、靠近密封部分測(cè)量的。如圖6中各密封部分的不同實(shí)施例38、38a、38b所示，在每一密封部分上的圓環(huán)數(shù)目可以是二、三或四。如圖6所示，表面95a傾斜而偏離第一方向(這減小了幾何因素對(duì)減緩增長(zhǎng)的影響)，表面95b朝著第一方向傾斜(這增加了幾何因素的影響)。
圖7是根據(jù)在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的實(shí)際實(shí)驗(yàn)而得到的、表示密封元件的裂紋深度與周期循環(huán)壽命之間的關(guān)系的曲線圖。曲線A表示在刃邊一側(cè)帶有斜面的結(jié)構(gòu)。曲線B表示了本發(fā)明，即帶有不偏離第一方向傾斜的表面的結(jié)構(gòu)。如曲線B所示，在同樣的裂紋深度下，本發(fā)明的周期循環(huán)壽命幾乎是具有大半徑的錐形結(jié)構(gòu)的周期循環(huán)壽命的二倍(16,000次循環(huán)對(duì)照約8,000次循環(huán))。
圖8是表示周期循環(huán)壽命與用于一種氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)、外環(huán)間連接體的表面結(jié)構(gòu)的關(guān)系的無(wú)量綱比較曲線圖。對(duì)于環(huán)間的過(guò)渡斜面，當(dāng)緩斜面改變成陡斜面(錐度、大圓角R、小圓角R)時(shí)，周期循環(huán)壽命會(huì)少量增長(zhǎng)。采用小平面(平面＜1/2圓角R)可增長(zhǎng)循環(huán)壽命。當(dāng)平面接近與圓角半徑R的二分之一相等或大于它的數(shù)值時(shí)，循環(huán)周期壽命顯著增長(zhǎng)。
圖9是當(dāng)裂紋通過(guò)刃邊密封增長(zhǎng)時(shí)裂紋在徑向擴(kuò)張的示意圖。每一條線均表示當(dāng)裂紋穿過(guò)構(gòu)件時(shí)的裂紋推進(jìn)前鋒。如圖所示，裂紋前鋒的前部邊緣沿周向?qū)ΨQ(chēng)平面P1移動(dòng)。
在氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子裝置以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。在周向連續(xù)密封部分處會(huì)產(chǎn)生圓周應(yīng)力。當(dāng)密封部分與密封棱摩擦?xí)r，摩擦力會(huì)產(chǎn)生熱并在圓周應(yīng)力上加以熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。最終會(huì)在密封部分上形成裂紋。該裂紋通過(guò)最外面的環(huán)50(通常稱(chēng)為凸棱環(huán)或凸棱)而擴(kuò)張。當(dāng)裂紋傳到環(huán)的上游(第一)側(cè)面76和下游(第二)側(cè)面78時(shí)，該裂紋擴(kuò)張得非常非?？?。裂紋經(jīng)過(guò)外環(huán)(第三環(huán)50)而很快傳到外環(huán)與內(nèi)環(huán)(第二環(huán)48)的交界處。
裂紋前鋒通常垂直于其橫穿的自由表面(側(cè)面76、78)。作為第二平面74的結(jié)果，在兩環(huán)交界處，裂紋前鋒呈明顯的橢圓形或圓形。這使裂紋在幾個(gè)方向上增長(zhǎng)，在所述方向上可在比裂紋更長(zhǎng)的長(zhǎng)度上使拉伸能量分散，而所述拉伸能量會(huì)使裂紋增長(zhǎng)。因此，幾何因素減小了裂紋增長(zhǎng)速度，并提高了構(gòu)件的周期循環(huán)壽命。當(dāng)裂紋向下傳到第二(內(nèi))環(huán)48(見(jiàn)圖7，曲線B)時(shí)，裂紋前鋒最終會(huì)到達(dá)內(nèi)環(huán)的上游側(cè)面和下游側(cè)面。在這種情況下，裂紋呈淺橢圓形(縮短了裂紋長(zhǎng)度)并開(kāi)始向支撐元件快速移動(dòng)。如果有附加的環(huán)或第三環(huán)，則裂紋以同樣的方式繼續(xù)增長(zhǎng)下去。
當(dāng)裂紋傳到支撐元件時(shí)，裂紋再次橫穿靠近最內(nèi)環(huán)的平面區(qū)域，引起裂紋再次呈橢圓形。裂紋前鋒以圓形迅速向下移動(dòng)，因?yàn)樗c平面相交并垂直于平面。因?yàn)榱鸭y前鋒是圓形，所以裂紋前鋒的深度約等于最內(nèi)環(huán)厚度T1的二分之一。結(jié)果是，支撐元件的厚度大于內(nèi)環(huán)厚度的二分之一并最好等于或大于內(nèi)環(huán)厚度T1。這保證了裂紋不會(huì)從上表面延伸到支撐元件的下表面，避免了裂紋在上述方向上穿通。
在沿徑向相互鄰近的環(huán)的交界處，內(nèi)環(huán)和外環(huán)(以及一定結(jié)構(gòu)中的第三環(huán))的幾何因素使裂紋前鋒呈現(xiàn)多維形狀。裂紋前鋒必然在上述所有方向上分散能量，從而降低裂紋前鋒增長(zhǎng)的速率。這就在環(huán)交界處提供了一種簡(jiǎn)單的檢測(cè)判別依據(jù)，并且當(dāng)在檢測(cè)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)密封元件上存在裂紋時(shí)提供了一個(gè)安全裕度。例如如果裂紋前鋒沒(méi)有通過(guò)最外環(huán)和中環(huán)之間的第一交界處，則該結(jié)構(gòu)可達(dá)到預(yù)測(cè)壽命。對(duì)于已到達(dá)位于第二環(huán)和第一環(huán)之間的下一交界處的裂紋前鋒，刃邊可達(dá)到另一預(yù)測(cè)壽命。不同之處在于，在這兩種檢測(cè)中無(wú)法發(fā)現(xiàn)裂紋。發(fā)現(xiàn)裂紋的結(jié)果是，可以拆下轉(zhuǎn)子裝置并進(jìn)行有效修理而不會(huì)使盤(pán)嚴(yán)重?fù)p害。這使得在構(gòu)件周期循環(huán)壽命的各間隔中能夠進(jìn)行檢查，同時(shí)還確保了裂紋不擴(kuò)張至最終的失效。
盡管參照上述詳細(xì)的實(shí)施例表示和描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理解到，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求的范圍和精神的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可做出多種變型。
權(quán)利要求
1.一種用于回轉(zhuǎn)式機(jī)械的旋轉(zhuǎn)密封元件，它圍繞機(jī)器的轉(zhuǎn)軸Ar沿周向延伸，該密封元件帶有繞一個(gè)沿周向延伸的平面設(shè)置的多個(gè)環(huán)，所說(shuō)的旋轉(zhuǎn)密封元件包括一個(gè)內(nèi)環(huán)，它繞軸Ar沿周向延伸，并在第一方向上從密封元件向外伸出，該內(nèi)環(huán)帶有沿周向延伸的第一側(cè)面，沿周向延伸并與第一側(cè)面間隔的第二側(cè)面，正對(duì)第一方向的第一表面，其高度為Hi，該高度是在第一方向上測(cè)量的，第一側(cè)面和第二側(cè)面之間的厚度為T(mén)i，該厚度是在垂直于圓周方向的方向上測(cè)量的；一個(gè)外環(huán)，它繞軸Ar沿周向延伸，并在第一方向上從內(nèi)環(huán)的第一表面向外伸出，該外環(huán)帶有沿周向延伸的第一側(cè)面，沿周向延伸的第二側(cè)面，正對(duì)第一方向的第二表面，它與第一表面間的距離為H0，該高度H0是在第一方向上測(cè)量的，第一側(cè)面和第二側(cè)面之間的厚度為T(mén)0，該厚度是在垂直于圓周方向的方向上測(cè)量的；其特征在于，外環(huán)的第一側(cè)面和第二側(cè)面均通過(guò)半徑為R0的圓角而與內(nèi)環(huán)的第一表面相連，并且內(nèi)環(huán)的第一表面從內(nèi)環(huán)的第一側(cè)面沿橫向延伸距離S1、從內(nèi)環(huán)的第二側(cè)面沿橫向延伸距離S2，且經(jīng)距離S1和S2后并不沿與第一方向相反的方向遠(yuǎn)離外環(huán)延伸。其中第一環(huán)和第二環(huán)之間交界處的幾何形狀影響穿過(guò)環(huán)的徑向裂紋的擴(kuò)張速率。
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，S1和S2均等于或大于圓角半徑R0的二分之一。
3.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，圓角半徑R0小于或等于外環(huán)厚度T0的三分之一。
4.如權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，圓角半徑R0小于或等于外環(huán)厚度T0的三分之一。
5.一種用于回轉(zhuǎn)式機(jī)械的旋轉(zhuǎn)密封元件，它圍繞機(jī)器的轉(zhuǎn)軸Ar沿周向延伸，該密封元件帶有繞一個(gè)沿周向延伸的平面設(shè)置的多個(gè)環(huán)，所說(shuō)的旋轉(zhuǎn)密封元件包括一個(gè)繞軸Ar沿周向延伸的支撐元件，該支撐元件具有一表面；一個(gè)內(nèi)環(huán)，它繞軸Ar沿周向延伸，并在第一方向上從支撐元件的表面向外伸出，該內(nèi)環(huán)帶有沿周向延伸的第一側(cè)面，沿周向延伸并與第一側(cè)面間隔的第二側(cè)面，正對(duì)第一方向的第一表面，它與支撐元件間的距離為高度Hi，該高度Hi是在第一方向上測(cè)量的，第一側(cè)面和第二側(cè)面之間的厚度為T(mén)i，該厚度是垂直于圓周方向測(cè)量的；一個(gè)外環(huán)，它繞軸Ar沿周向延伸，并在第一方向上從內(nèi)環(huán)的第一表面向外伸出，該外環(huán)帶有沿周向延伸的第一側(cè)面，沿周向延伸的第二側(cè)面，正對(duì)第一方向的第二表面，它與第一表面間的距離為H0，該高度H0是在第一方向上測(cè)量的，第一側(cè)面與第二側(cè)面之間的厚度為T(mén)0，該厚度是垂直于圓周方向測(cè)量的；其特征在于，內(nèi)環(huán)的第一側(cè)面和第二側(cè)面均通過(guò)半徑為Ri的圓角而與支撐元件的表面相連，其中支撐元件的表面從位于內(nèi)環(huán)的第一側(cè)面的圓角半徑處橫向延伸距離D1、從位于內(nèi)環(huán)的第二側(cè)面的圓角半徑處橫向延伸距離D2；其中，外環(huán)的第一側(cè)面和第二側(cè)面均通過(guò)半徑為R0的圓角而與內(nèi)環(huán)的第一表面相連，并且內(nèi)環(huán)的第一表面從內(nèi)環(huán)的第一側(cè)面沿橫向延伸距離S1、從內(nèi)環(huán)的第二側(cè)面沿橫向延伸距離S2，且經(jīng)距離S1和S2后并不沿與第一方向相反的方向遠(yuǎn)離外環(huán)延伸；其中第一環(huán)和第二環(huán)之間交界處的幾何形狀影響穿過(guò)環(huán)的徑向裂紋的擴(kuò)張速率。
6.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，距離S1和S2均等于或大于圓角半徑R0的二分之一。
7.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，圓角半徑R0小于或等于外環(huán)厚度T0的三分之一。
8.如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，圓角半徑R0小于或等于外環(huán)厚度T0的三分之一。
9.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，橫向延伸距離D1和D2均等于或大于圓角半徑Ri的二分之一，并且經(jīng)距離D1和D2后的支撐元件表面并不遠(yuǎn)離第一環(huán)而延伸。
10.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，支撐元件的厚度為T(mén)s，該厚度是在垂直于支撐元件的方向上測(cè)量的，支撐元件的厚度Ts大于內(nèi)環(huán)厚度Ti的二分之一。
11.如權(quán)利要求10所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，支撐元件的厚度Ts大于或等于內(nèi)環(huán)厚度Ti。
12.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，高度H0與厚度T0之比小于或等于 (H0/T0≤1.5)。
13.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，外環(huán)的第一側(cè)面和第二側(cè)面向外部收斂且兩側(cè)面之間的夾角范圍是七到十度。
14.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)密封元件，其特征在于，外環(huán)的第一側(cè)面和第二側(cè)面向外部收斂且兩側(cè)面之間的夾角范圍是七到十度。
15.一種用于回轉(zhuǎn)式機(jī)械的旋轉(zhuǎn)密封元件，它圍繞機(jī)器的轉(zhuǎn)軸Ar沿周向延伸，該密封元件帶有繞一個(gè)沿周向延伸的平面設(shè)置的多個(gè)環(huán)，所說(shuō)的旋轉(zhuǎn)密封元件包括一個(gè)繞軸Ar沿周向延伸的支撐元件，該支撐元件具有一表面且其厚度為T(mén)s，該厚度是在垂直于支撐元件的方向上測(cè)量的；一個(gè)第一環(huán)，它繞軸Ar沿周向延伸，并在第一方向上從支撐元件向外伸出，所說(shuō)的第一環(huán)帶有沿周向延伸的第一側(cè)面，沿周向延伸并與第一側(cè)面平行的第二側(cè)面，正對(duì)第一方向的第一表面，它與支撐元件間的距離為高度H1，該高度H1是在第一方向上測(cè)量的，第一側(cè)面和第二側(cè)面之間的厚度為T(mén)1，該厚度是垂直于圓周方向測(cè)量的；一個(gè)第二環(huán)，它繞軸Ar沿周向延伸，并在第一方向上從第一表面伸出，該第二環(huán)帶有沿周向延伸的第一側(cè)面，沿周向延伸并與第一側(cè)面平行的第二側(cè)面，正對(duì)第一方向的第二表面，它與第一表面之間的距離為H2，該高度H2是在第一方向上測(cè)量的，第一側(cè)面和第二側(cè)面之間的厚度為T(mén)2，該厚度T2是垂直于圓周方向測(cè)量的；一個(gè)第三環(huán)，它繞軸Ar沿周向延伸，并在第一方向上從第二表面伸出，該第三環(huán)帶有沿周向延伸的第一側(cè)面，沿周向延伸的第二側(cè)面，第一側(cè)面和第二側(cè)面向外部收斂且兩側(cè)面之間的夾角范圍是七到十度；正對(duì)第一方向的第三表面，它與第二表面之間的距離為H3，該高度H3是在第一方向上測(cè)量的，第一側(cè)面和第二側(cè)面之間的厚度為T(mén)3，該厚度T3是垂直于圓周方向且鄰近第二表面測(cè)量的；其特征在于，第一環(huán)的第一側(cè)面和第二側(cè)面均通過(guò)半徑為R1的圓角而與支撐元件的表面相連，該圓角半徑R1小于或等于第一環(huán)厚度T1的三分之一，其中支撐元件的表面從位于第一環(huán)的第一側(cè)面的圓角半徑處沿橫向延伸距離D1、從位于第一環(huán)的第二側(cè)面的圓角半徑處沿橫向延伸距離D2，每一距離均等于或大于圓角半徑R1的二分之一，并且經(jīng)距離D1和D2后并不遠(yuǎn)離第一環(huán)延伸，其中支撐元件的厚度Ts大于或等于第一環(huán)的厚度T1；其中第二環(huán)的第一側(cè)面和第二側(cè)面均通過(guò)半徑為R2的圓角而與第一環(huán)的第一表面相連，該圓角半徑R2小于或等于第二環(huán)厚度T2的三分之一，并且第一環(huán)的第一表面從第一環(huán)的第一側(cè)面沿橫向延伸距離S1、從第一環(huán)的第二側(cè)面沿橫向延伸距離S2，每一距離均等于或大于圓角半徑R2的二分之一，并且經(jīng)距離S1和S2后并不沿與第一方向相反的方向遠(yuǎn)離第二環(huán)而延伸；其中高度H3與厚度T1之比小于或等于
(H3/T3≤1.5)，其中第三環(huán)的第一側(cè)面和第二側(cè)面均通過(guò)半徑為R3的圓角而與第二環(huán)的第二表面相連，該圓角半徑R3小于或等于第三環(huán)厚度T3的三分之一，該厚度T3是在鄰近第二表面的位置上測(cè)量的，第二環(huán)的第二表面從第二環(huán)的第一側(cè)面沿橫向延伸距離P1、從第二環(huán)的第二側(cè)面沿橫向延伸距離P2，每一距離均等于或大于圓角半徑R3的二分之一，并且經(jīng)距離P1和P2后并不沿與第一方向相反的方向遠(yuǎn)離第三環(huán)而延伸。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)密封元件(38)至少由兩個(gè)沿圓周連續(xù)的環(huán)(48，50)形成。所述環(huán)在向外的方向上的厚度T2、T3逐漸減小。各種結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)均有助于提高周期循環(huán)疲勞壽命水平。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，該密封元件帶有平面(74)，所述平面(74)在環(huán)間交界處從所述側(cè)面向內(nèi)延伸。
文檔編號(hào)F16J15/48GK1155917SQ95194708
公開(kāi)日1997年7月30日 申請(qǐng)日期1995年8月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月24日
發(fā)明者加里·P·皮特斯, 羅伯特·加若德·約翰納斯·斯特 申請(qǐng)人:聯(lián)合技術(shù)公司