蜂窩密封專利技術(shù)綜述

韓蘭蘭+戶秀妹

摘 要：蜂窩密封是非接觸式動(dòng)態(tài)密封，是針對(duì)高溫及高壓差工況開(kāi)發(fā)的先進(jìn)密封技術(shù)，是當(dāng)前先進(jìn)密封技術(shù)的前沿性研究方向。目前，蜂窩密封已廣泛應(yīng)用于航天飛機(jī)、大功率火箭軍用及民用飛機(jī)和多種艦船的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及電力、石化行業(yè)的汽輪機(jī)、壓縮機(jī)之中， 在減小泄漏量，提高效率以及消除轉(zhuǎn)子低頻振動(dòng)等方面，發(fā)揮了重要的作用。本文以蜂窩密封專利技術(shù)為研究主題，通過(guò)制定檢索策略在專利庫(kù)進(jìn)行相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的檢索，并針對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)專利狀況的分析，包括申請(qǐng)趨勢(shì)、地域分布、主要申請(qǐng)人、技術(shù)分布等，為該項(xiàng)技術(shù)未來(lái)的技術(shù)研發(fā)和專利申請(qǐng)?zhí)峁┙梃b和啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：

中圖分類號(hào)：TQ050 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 概述

1.1 蜂窩密封簡(jiǎn)介

蜂窩密封的密封結(jié)構(gòu)是由密封環(huán)、蜂窩帶和軸等構(gòu)成一簡(jiǎn)單密封結(jié)構(gòu)。蜂窩密封的內(nèi)孔表面是由蜂巢形狀的六邊形小蜂窩組成，密封環(huán)一般為圓環(huán)形，材質(zhì)為含Cr的合金鋼，其外圓與密封體相連，內(nèi)圓則與蜂窩帶通過(guò)釬焊連接在一起。蜂窩帶是由一片片沖壓成型的箔片組成，各箔片之間是靠激光點(diǎn)焊焊接在一起。蜂窩帶箔片是由鎳基高溫合金制成，其合金牌號(hào)一般選用HASTELLOY X。

1.2 蜂窩密封的起源

蜂窩密封廣泛應(yīng)用于船舶、航天等行業(yè)，諸如，美國(guó)的U-2飛機(jī)、烏克蘭GT25000燃?xì)廨啓C(jī)，我國(guó)殲-10飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等。在汽輪機(jī)上應(yīng)用蜂窩密封最早是美國(guó)西屋公司（WH），西屋公司多用于汽輪機(jī)的通流改造中，將低壓缸的末級(jí)葉片的級(jí)間密封改為蜂窩密封，蜂窩與葉片的間隙為3mm～5mm，其作用是利用蜂窩帶的特殊結(jié)構(gòu)吸附水滴，或者弱化水滴的運(yùn)行速度，達(dá)到有效地除濕和保護(hù)葉片，提高局部的真空度，進(jìn)而提高了機(jī)組的效率。然而由于蜂窩密封結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)主要依靠試驗(yàn)和長(zhǎng)期使用的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定蜂窩的尺寸。理論分析時(shí)，普遍將蜂窩密封壁面簡(jiǎn)化成具有一定摩擦因數(shù)的粗糙表面，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果有較大的差距。事實(shí)上，蜂窩密封中的流動(dòng)現(xiàn)象并不是強(qiáng)烈地與摩擦有關(guān)，而是一種復(fù)雜的湍流現(xiàn)象。

1.3 蜂窩密封的優(yōu)點(diǎn)

蜂窩密封與傳統(tǒng)的曲徑式密封相比，具有耐磨損、不傷軸、壽命長(zhǎng)、密封效果好等優(yōu)點(diǎn)；蜂窩密封作為一種可磨耗的先進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，有助于提高葉輪機(jī)械的效率，減小振動(dòng)；蜂窩密封允許較小的密封間隙，甚至無(wú)安裝間隙；在同樣能保證最小泄漏量的前提下，還能有較抑制密封間隙內(nèi)的流體激振；另外，蜂窩狀密封在最小的材料質(zhì)量下密封具有最大的強(qiáng)度，并且允許在高壓降下應(yīng)用且不增加密封的尺寸，同時(shí)簡(jiǎn)化了旋轉(zhuǎn)機(jī)械安裝和修理時(shí)的裝配工作。

2 專利技術(shù)狀況分析

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇及說(shuō)明

選用的數(shù)據(jù)庫(kù)為VEN（外文摘要庫(kù)）、USTXT、WOTXT、EPTXT（外文全文庫(kù)）、CNABS（中文摘要庫(kù)）、CNTXT（中文全文庫(kù)），于2017年8月2日完成了檢索，故文中統(tǒng)計(jì)分析的對(duì)象為2017年8月2日之前公開(kāi)的專利申請(qǐng)。

數(shù)據(jù)庫(kù)部分?jǐn)?shù)據(jù)收錄不完整的說(shuō)明：本文統(tǒng)計(jì)的專利申請(qǐng)量少于實(shí)際申請(qǐng)量，原因是發(fā)明專利申請(qǐng)通常自申請(qǐng)日起滿18個(gè)月才能公開(kāi)（要求提前公開(kāi)的除外）；PCT專利申請(qǐng)可能自申請(qǐng)日起30個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間之后才能進(jìn)入國(guó)家階段，導(dǎo)致與之相對(duì)應(yīng)的國(guó)家公布更晚；實(shí)用新型專利申請(qǐng)?jiān)谑跈?quán)后才能獲得公布，其公布日的滯后程度取決于審查周期的長(zhǎng)短。

2.2 全球?qū)＠暾?qǐng)狀況

2.2.1 申請(qǐng)量趨勢(shì)

該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展從1966年開(kāi)始大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：1966年-1981年為第一階段，1981年-2000年為第二階段，2000年以后為第三階段。

第一階段：這一階段，該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)持續(xù)發(fā)展，并出現(xiàn)了一次小高峰。1975以前，每年全球?qū)＠暾?qǐng)量都在五項(xiàng)以內(nèi)，且這些專利申請(qǐng)集中于美國(guó)，1975以前該技術(shù)處于技術(shù)摸索時(shí)期。在1975年-1981年，蜂窩密封技術(shù)迎來(lái)了一次技術(shù)上的革新，該技術(shù)專利申請(qǐng)量首次突破十項(xiàng)，在1975年～1981年期間陸續(xù)有一些英國(guó)和日本的技術(shù)先進(jìn)的大公司如ROLLS ROYCE和三菱涉足該領(lǐng)域，其申請(qǐng)量在此期間達(dá)到了一次小高峰。蜂窩密封技術(shù)在第一階段已經(jīng)成形，且廣泛分布于美國(guó)、英國(guó)和日本等技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)。

第二階段：在1981年-2000年期間該技術(shù)的研究進(jìn)入平穩(wěn)期，其專利申請(qǐng)量平緩中平穩(wěn)增長(zhǎng)，申請(qǐng)量在6項(xiàng)左右。這一時(shí)期，美國(guó)通用公司、西屋公司仍是研究的主力，日本三菱公司也發(fā)揮了很大作用。

第三階段：這一階段，該領(lǐng)域的全球申請(qǐng)量呈快速上升態(tài)勢(shì)，在2010年期間達(dá)到二次高峰，其申請(qǐng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了第一階段和第二階段的最大年申請(qǐng)量。

需要說(shuō)明的是，由于2016年、2017年申請(qǐng)的專利中有相當(dāng)一部分還沒(méi)有被公開(kāi)和收錄，因此本文中相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所顯示的2016年、2017年申請(qǐng)數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確。

2.2.2 申請(qǐng)地域分布

美國(guó)專利申請(qǐng)占據(jù)主導(dǎo)地位；此外，日本、歐洲、德國(guó)也均有一定數(shù)量的專利布局；其他方面主要涉及加拿大、英國(guó)、俄羅斯等國(guó)家的專利申請(qǐng)。

2.2.3 主要申請(qǐng)人

通用公司的蜂窩密封技術(shù)起步早，發(fā)展成熟，其專利布局的數(shù)量遙遙領(lǐng)先于其他主要申請(qǐng)人；聯(lián)合科技、三菱、ROLLS、希哈芬的專利申請(qǐng)量相當(dāng)，分居第二至五位；隨后的幾位主要申請(qǐng)人如西門子、阿斯通電力、日立等的申請(qǐng)數(shù)量相差不大。

2.3 國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)狀況

2.3.1 申請(qǐng)量趨勢(shì)

對(duì)比國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)對(duì)于蜂窩密封技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新起步較晚，最早的專利申請(qǐng)出現(xiàn)在1996年。自2000年起，國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量總體呈上升趨勢(shì)，在2011年出現(xiàn)小高峰；由于數(shù)據(jù)庫(kù)部分?jǐn)?shù)據(jù)收錄的不完整性（參見(jiàn)本章2.1節(jié)說(shuō)明），2016年-2017年的國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量統(tǒng)計(jì)尚不全面。

2.3.2 主要申請(qǐng)來(lái)源國(guó)家

北京專利申請(qǐng)的數(shù)量占據(jù)主導(dǎo)地位；此外，遼寧、上海、黑龍江在蜂窩密封技術(shù)上也有一定數(shù)量的專利申請(qǐng)；其他省份如山東、河北、江蘇、四川等也有一些專利申請(qǐng)。

2.3.3 主要申請(qǐng)人

上海丹迪電力技術(shù)有限公司、北京藍(lán)愛(ài)迪電力技術(shù)有限公司的蜂窩密封技術(shù)起步早，發(fā)展成熟，其專利布局的數(shù)量遙遙領(lǐng)先于其他主要申請(qǐng)人；其余主要申請(qǐng)人的申請(qǐng)數(shù)量相差不大，以秦皇島五洲電力設(shè)備有限公司、沈陽(yáng)北碳密封有限公司為代表對(duì)蜂窩密封有一定的研究。

2.3.4 技術(shù)分支情況

國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)所涵蓋的技術(shù)大體可分為以上5類：密封布置（蜂窩密封件在密封環(huán)境中相對(duì)于其他組件的布置方式）、蜂窩帶（蜂窩形狀、排列、材料的選擇與設(shè)計(jì)）、托架（又稱載體/承載件，其結(jié)構(gòu)與材料方面的改良）、制造工藝及其他。

從申請(qǐng)比例來(lái)看，國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)中占據(jù)主導(dǎo)地位的是密封布置和蜂窩帶方面的技術(shù)創(chuàng)新；此外，托架的結(jié)構(gòu)與材料方面的改良技術(shù)也有一定申請(qǐng)比例；相對(duì)而言，與蜂窩密封的制造工藝相關(guān)的國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)較少；歸類于其他方面的技術(shù)創(chuàng)新，主要涉及密封補(bǔ)償與應(yīng)用等。

結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的蜂窩密封技術(shù)主要來(lái)源于美國(guó)，尤以通用電力公司的相關(guān)技術(shù)最為突出，其具有起步早、發(fā)展成熟、涉及全面的特點(diǎn)。從技術(shù)分支來(lái)看，蜂窩密封技術(shù)整體上主要包括制造工藝、蜂窩帶、托架以及密封布置這四方面的改進(jìn)。

本文以蜂窩密封專利技術(shù)為研究主題，通過(guò)制定檢索策略在專利庫(kù)進(jìn)行相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的檢索，并針對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)專利狀況的分析，包括申請(qǐng)趨勢(shì)、地域分布、主要申請(qǐng)人、技術(shù)分布等，為該項(xiàng)技術(shù)未來(lái)的技術(shù)研發(fā)和專利申請(qǐng)?zhí)峁┙梃b和啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1]何立東.蜂窩密封及其應(yīng)用的研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2005，16（20）：1855-1857.endprint