韓蘭蘭+戶秀妹
摘 要:蜂窩密封是非接觸式動態(tài)密封,是針對高溫及高壓差工況開發(fā)的先進密封技術(shù),是當前先進密封技術(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、大功率火箭軍用及民用飛機和多種艦船的發(fā)動機,以及電力、石化行業(yè)的汽輪機、壓縮機之中, 在減小泄漏量,提高效率以及消除轉(zhuǎn)子低頻振動等方面,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,通過制定檢索策略在專利庫進行相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的檢索,并針對檢索結(jié)果進行了相關(guān)專利狀況的分析,包括申請趨勢、地域分布、主要申請人、技術(shù)分布等,為該項技術(shù)未來的技術(shù)研發(fā)和專利申請?zhí)峁┙梃b和啟發(fā)。
關(guān)鍵詞:
中圖分類號:TQ050 文獻標志碼:A
1 概述
1.1 蜂窩密封簡介
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,美國的U-2飛機、烏克蘭GT25000燃氣輪機,我國殲-10飛機發(fā)動機等。在汽輪機上應(yīng)用蜂窩密封最早是美國西屋公司(WH),西屋公司多用于汽輪機的通流改造中,將低壓缸的末級葉片的級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,或者弱化水滴的運行速度,達到有效地除濕和保護葉片,提高局部的真空度,進而提高了機組的效率。然而由于蜂窩密封結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,實際應(yīng)用時主要依靠試驗和長期使用的經(jīng)驗來確定蜂窩的尺寸。理論分析時,普遍將蜂窩密封壁面簡化成具有一定摩擦因數(shù)的粗糙表面,計算與試驗結(jié)果有較大的差距。事實上,蜂窩密封中的流動現(xiàn)象并不是強烈地與摩擦有關(guān),而是一種復(fù)雜的湍流現(xiàn)象。
1.3 蜂窩密封的優(yōu)點
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、密封效果好等優(yōu)點;蜂窩密封作為一種可磨耗的先進密封結(jié)構(gòu),有助于提高葉輪機械的效率,減小振動;蜂窩密封允許較小的密封間隙,甚至無安裝間隙;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度,并且允許在高壓降下應(yīng)用且不增加密封的尺寸,同時簡化了旋轉(zhuǎn)機械安裝和修理時的裝配工作。
2 專利技術(shù)狀況分析
2.1 數(shù)據(jù)庫的選擇及說明
選用的數(shù)據(jù)庫為VEN(外文摘要庫)、USTXT、WOTXT、EPTXT(外文全文庫)、CNABS(中文摘要庫)、CNTXT(中文全文庫),于2017年8月2日完成了檢索,故文中統(tǒng)計分析的對象為2017年8月2日之前公開的專利申請。
數(shù)據(jù)庫部分數(shù)據(jù)收錄不完整的說明:本文統(tǒng)計的專利申請量少于實際申請量,原因是發(fā)明專利申請通常自申請日起滿18個月才能公開(要求提前公開的除外);PCT專利申請可能自申請日起30個月甚至更長時間之后才能進入國家階段,導(dǎo)致與之相對應(yīng)的國家公布更晚;實用新型專利申請在授權(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短。
2.2 全球?qū)@暾垹顩r
2.2.1 申請量趨勢
該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展從1966年開始大致經(jīng)歷了3個階段: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)@暾埩慷荚谖屙椧詢?nèi),且這些專利申請集中于美國,1975以前該技術(shù)處于技術(shù)摸索時期。在1975年-1981年,蜂窩密封技術(shù)迎來了一次技術(shù)上的革新,該技術(shù)專利申請量首次突破十項,在1975年~1981年期間陸續(xù)有一些英國和日本的技術(shù)先進的大公司如ROLLS ROYCE和三菱涉足該領(lǐng)域,其申請量在此期間達到了一次小高峰。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、英國和日本等技術(shù)發(fā)達國家或地區(qū)。
第二階段:在1981年-2000年期間該技術(shù)的研究進入平穩(wěn)期,其專利申請量平緩中平穩(wěn)增長,申請量在6項左右。這一時期,美國通用公司、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)域的全球申請量呈快速上升態(tài)勢,在2010年期間達到二次高峰,其申請量遠遠超過了第一階段和第二階段的最大年申請量。
需要說明的是,由于2016年、2017年申請的專利中有相當一部分還沒有被公開和收錄,因此本文中相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計所顯示的2016年、2017年申請數(shù)據(jù)并不準確。
2.2.2 申請地域分布
美國專利申請占據(jù)主導(dǎo)地位;此外,日本、歐洲、德國也均有一定數(shù)量的專利布局;其他方面主要涉及加拿大、英國、俄羅斯等國家的專利申請。
2.2.3 主要申請人
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)先于其他主要申請人;聯(lián)合科技、三菱、ROLLS、希哈芬的專利申請量相當,分居第二至五位;隨后的幾位主要申請人如西門子、阿斯通電力、日立等的申請數(shù)量相差不大。
2.3 國內(nèi)專利申請狀況
2.3.1 申請量趨勢
對比國外而言,國內(nèi)對于蜂窩密封技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新起步較晚,最早的專利申請出現(xiàn)在1996年。自2000年起,國內(nèi)專利申請量總體呈上升趨勢,在2011年出現(xiàn)小高峰;由于數(shù)據(jù)庫部分數(shù)據(jù)收錄的不完整性(參見本章2.1節(jié)說明),2016年-2017年的國內(nèi)專利申請量統(tǒng)計尚不全面。
2.3.2 主要申請來源國家
北京專利申請的數(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;其他省份如山東、河北、江蘇、四川等也有一些專利申請。
2.3.3 主要申請人
上海丹迪電力技術(shù)有限公司、北京藍愛迪電力技術(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)先于其他主要申請人;其余主要申請人的申請數(shù)量相差不大,以秦皇島五洲電力設(shè)備有限公司、沈陽北碳密封有限公司為代表對蜂窩密封有一定的研究。
2.3.4 技術(shù)分支情況
國內(nèi)專利申請所涵蓋的技術(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)、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。
從申請比例來看,國內(nèi)專利申請中占據(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)也有一定申請比例;相對而言,與蜂窩密封的制造工藝相關(guān)的國內(nèi)專利申請較少;歸類于其他方面的技術(shù)創(chuàng)新,主要涉及密封補償與應(yīng)用等。
結(jié)語
現(xiàn)有的蜂窩密封技術(shù)主要來源于美國,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。從技術(shù)分支來看,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。
本文以蜂窩密封專利技術(shù)為研究主題,通過制定檢索策略在專利庫進行相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的檢索,并針對檢索結(jié)果進行了相關(guān)專利狀況的分析,包括申請趨勢、地域分布、主要申請人、技術(shù)分布等,為該項技術(shù)未來的技術(shù)研發(fā)和專利申請?zhí)峁┙梃b和啟發(fā)。
參考文獻
[1]何立東.蜂窩密封及其應(yīng)用的研究[J].中國機械工程,2005,16(20):1855-1857.endprint