葉尖與定子之間利用磨損帶的間隙密封技術分析

2015-04-27 01:27:48國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心江蘇蘇州215000

山東工業技術 2015年4期

劉　京（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心,江蘇　蘇州　215000）

劉京
（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心,江蘇蘇州215000）

本文簡要介紹了對轉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據為基礎，得出該領域主要申請人的歷年申請狀況，并重點對涂層密封的技術發展路線進行梳理。

葉尖；定子；間隙密封；涂層

0　前言

葉輪機械中，轉子葉片在殼體內部并相對于殼體轉動，為了避免轉子葉片在轉動時與殼體之間碰摩，轉子葉片頂部和殼體徑向內表面之間通常留有間隙，葉片頂部附近的流體在間隙兩側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致流動損失增加。葉尖間隙泄漏流動是渦輪發動機中最具影響的流動現象之一[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50年代開始在渦輪轉子葉尖間隙泄漏流動的生成及發展過程、流動結構、損失機理等方面開展了廣泛的研究，逐步揭示了渦輪轉子葉尖間隙泄漏流動以及損失機理，并在此基礎上進一步進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行轉子葉尖和定子之間間隙的密封，主要具有以下幾種具體實現方式：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在殼體內表面噴涂可磨耗密封涂層形成,其與葉片頂部的硬質涂層形成一對可磨耗密封磨損副,在運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工藝簡便，封嚴效果好而得到了廣泛應用，航空工業、汽輪機、渦輪增壓器等渦輪機械均具有應用

1.2蜂窩密封

蜂窩密封由密封體和蜂窩帶構成，蜂窩帶由可磨損材料制成，可以將葉尖與殼體間隙縮小，已應用于汽輪機、燃氣輪機、航空發動機。

1.3刷式密封

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

2　主要申請人分析

根據申請量排名，申請量最大的公司為通用公司（包括通用電氣和通用汽車），其次為聯合工藝，而MTU航空發動機股份有限公司（MOTU）、羅爾斯?羅伊斯（RORO）、西門子、阿爾斯通，這些申請人在該領域也具有較多的研究。根據申請人的國別，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%。由于轉子葉尖與定子之間的間隙密封應用在渦輪發動機上，以上占比與這些國家渦輪發動機的發展狀況及研究量相關。

通用、聯合工藝從1990年至今在該領域的研究始終沒有中斷，而西門子和阿爾斯通則是在1996年之后保持持續研究；另外，通用雖然在該領域申請量最大，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合工藝，2011年至2012年這兩年間，申請量最大的為阿爾斯通。可見，聯合工藝和阿爾斯通近些年在該領域的研究投入及保護力度具有明顯增加的趨勢。

3　涂層密封發展脈絡分析

涂層密封作為三種密封形式中應用最為廣泛、且申請量也最大的一種主要的密封形式，下面對其發展脈絡進行梳理。

在1951年，聯合飛機公司提出了用于壓縮機的涂層結構。在1956年，通用公司提出用于壓縮機的密封涂層，具體可以通過刷、噴涂等工藝方法將涂層附著在殼體內部；1967年，福特公司提出了通過火焰噴涂的工藝，形成能夠應用于高溫的涂層。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力。1987年，聯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、不同應用環境的涂層性能需求，涂層密封經歷了長久的發展歷程；結構上，由簡單涂層，帶有網格圖案的涂層，帶有磨料顆粒的涂層，然后發展為多層涂層；工藝上，主要從熱穩定性、摩擦系數、抗氧化性等角度提高涂層的性能。