葉尖與定子之間利用磨損帶的間隙密封技術(shù)分析

劉　京（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心,江蘇　蘇州　215000）

葉尖與定子之間利用磨損帶的間隙密封技術(shù)分析

劉京
（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心,江蘇蘇州215000）

本文簡要介紹了對轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間利用磨損帶的間隙密封的涂層密封，蜂窩密封，刷式密封三種密封形式，以以上三種主要密封形式的專利申請數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得出該領(lǐng)域主要申請人的歷年申請狀況，并重點(diǎn)對涂層密封的技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行梳理。

葉尖；定子；間隙密封；涂層

0　前言

葉輪機(jī)械中，轉(zhuǎn)子葉片在殼體內(nèi)部并相對于殼體轉(zhuǎn)動，為了避免轉(zhuǎn)子葉片在轉(zhuǎn)動時與殼體之間碰摩，轉(zhuǎn)子葉片頂部和殼體徑向內(nèi)表面之間通常留有間隙，葉片頂部附近的流體在間隙兩側(cè)壓差作用下流過間隙，形成間隙泄漏流動，間隙泄漏流動和葉柵通道中的工作流體相互作用導(dǎo)致流動損失增加。葉尖間隙泄漏流動是渦輪發(fā)動機(jī)中最具影響的流動現(xiàn)象之一[1]。由于葉尖間隙流動對渦輪性能影響明顯，研究人員從20世紀(jì)50年代開始在渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流動的生成及發(fā)展過程、流動結(jié)構(gòu)、損失機(jī)理等方面開展了廣泛的研究，逐步揭示了渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流動以及損失機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行間隙泄漏流動的控制研究，采取措施抑制泄漏流動，減少泄漏流動的影響，提高渦輪性能[2]。

1　三種密封形式簡介

利用磨損帶這一密封方式進(jìn)行轉(zhuǎn)子葉尖和定子之間間隙的密封，主要具有以下幾種具體實(shí)現(xiàn)方式：涂層密封，蜂窩密封，刷式密封。

1.1涂層密封

涂層密封通過采用熱噴涂技術(shù)在殼體內(nèi)表面噴涂可磨耗密封涂層形成,其與葉片頂部的硬質(zhì)涂層形成一對可磨耗密封磨損副,在運(yùn)行過程中能形成理想的徑向間隙,從而能夠有效減少泄漏。涂層密封由于其生產(chǎn)工藝簡便，封嚴(yán)效果好而得到了廣泛應(yīng)用，航空工業(yè)、汽輪機(jī)、渦輪增壓器等渦輪機(jī)械均具有應(yīng)用

1.2蜂窩密封

蜂窩密封由密封體和蜂窩帶構(gòu)成，蜂窩帶由可磨損材料制成，可以將葉尖與殼體間隙縮小，已應(yīng)用于汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動機(jī)。

1.3刷式密封

刷式密封是近年發(fā)展起來的一種阻尼密封，刷式密封與轉(zhuǎn)動部件的接觸面是由細(xì)密的金屬絲組成，避免了因直接長時間與轉(zhuǎn)動部件碰磨后而導(dǎo)致密封件與轉(zhuǎn)動部件之間密封間隙增大。

2　主要申請人分析

根據(jù)申請量排名，申請量最大的公司為通用公司（包括通用電氣和通用汽車），其次為聯(lián)合工藝，而MTU航空發(fā)動機(jī)股份有限公司（MOTU）、羅爾斯?羅伊斯（RORO）、西門子、阿爾斯通，這些申請人在該領(lǐng)域也具有較多的研究。根據(jù)申請人的國別，以美國居首，其申請量占總申請量的50%，其次是德國，占比23%，英國12%，法國8%，日本4%，瑞士3%。由于轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間的間隙密封應(yīng)用在渦輪發(fā)動機(jī)上，以上占比與這些國家渦輪發(fā)動機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r及研究量相關(guān)。

通用、聯(lián)合工藝從1990年至今在該領(lǐng)域的研究始終沒有中斷，而西門子和阿爾斯通則是在1996年之后保持持續(xù)研究；另外，通用雖然在該領(lǐng)域申請量最大，但從近幾年的申請情況來看，2008年至2010年間，申請量最大的申請人為聯(lián)合工藝，2011年至2012年這兩年間，申請量最大的為阿爾斯通?？梢?，聯(lián)合工藝和阿爾斯通近些年在該領(lǐng)域的研究投入及保護(hù)力度具有明顯增加的趨勢。

3　涂層密封發(fā)展脈絡(luò)分析

涂層密封作為三種密封形式中應(yīng)用最為廣泛、且申請量也最大的一種主要的密封形式，下面對其發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理。

在1951年，聯(lián)合飛機(jī)公司提出了用于壓縮機(jī)的涂層結(jié)構(gòu)。在1956年，通用公司提出用于壓縮機(jī)的密封涂層，具體可以通過刷、噴涂等工藝方法將涂層附著在殼體內(nèi)部；1967年，福特公司提出了通過火焰噴涂的工藝，形成能夠應(yīng)用于高溫的涂層。1980年，USAS公司提出了采用等離子噴涂的方式，在基底上形成一層多孔材料，在多孔材料上噴涂一種可磨耗的陶瓷材料涂層，減少工作時涂層的熱應(yīng)力。1987年，聯(lián)合工藝公司提出了帶有磨料顆粒的涂層，提高涂層對高溫的適應(yīng)性。1991年，SULZERPLASMATECHNIK公司提出了一種用于形成涂層的熱噴涂粉末，該粉末中具有固體潤滑劑。進(jìn)而，1998年，SULZ公司提出了一種新的涂層附著方式，在基體上形成有附著骨架，將涂層材料噴涂到骨架上，使涂層具有更好的耐膨脹性、更好的抗脫離性能。2004年，阿爾斯通公司提出了不同葉片具有不同厚度的涂層，從而減少與定子接觸對葉片頂部的損壞。2009年，通用公司提出了由具有不同晶格系統(tǒng)的材料形成的軟相和硬相材料形成的多層狀密封涂層，降低了流體的滲透性。2012年，MOTI公司提出了一種電弧噴涂工藝，該電弧形成于兩種不同材料的電極之間，從而降低噴涂的成本。

可見，為了滿足不同場所、不同應(yīng)用環(huán)境的涂層性能需求，涂層密封經(jīng)歷了長久的發(fā)展歷程；結(jié)構(gòu)上，由簡單涂層，帶有網(wǎng)格圖案的涂層，帶有磨料顆粒的涂層，然后發(fā)展為多層涂層；工藝上，主要從熱穩(wěn)定性、摩擦系數(shù)、抗氧化性等角度提高涂層的性能。

4　結(jié)語

本文從專利申請數(shù)據(jù)出發(fā)，分析了轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間利用磨損帶的間隙密封的專利申請情況，并重點(diǎn)對涂層密封的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了梳理?？蔀楹罄m(xù)該領(lǐng)域的研究提供參考。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)與國外存在著較大差距。隨著國內(nèi)渦輪發(fā)動機(jī)生產(chǎn)的日益興起，未來國內(nèi)在該領(lǐng)域也必然會投入越來越多的研究。

[1]張清華.發(fā)動機(jī)葉尖間隙控制技術(shù)[J].國際航空,1987(02):37-38.

[2]侯寬新.渦輪葉尖間隙泄漏流動控制研究進(jìn)展[J].推進(jìn)技術(shù),飛航導(dǎo)彈.2014(01):85-90.

劉京，女，黑龍江寶清人，碩士研究生，實(shí)習(xí)研究員。