CN102900476B - 一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构 - Google Patents

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Abstract

一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构，包括由刷丝构成的刷丝区，夹持刷丝区约束端部的前挡板和后挡板，刷丝区被吹下后与后挡板接触，自由端部与转子接触，所述刷丝是由金属芯、包覆在金属芯外部的压电陶瓷、包覆在压电陶瓷外部的表面电极以及包覆在表面电极外部的绝缘涂层组成，每根刷丝与其相邻的刷丝的压电极化方向均相反，在所述刷丝区的约束端部涂覆有导电层并被短路接地；本发明能够缓解乃至消除“吹散效应”、“扇状散开”和“迟滞效应”等对密封不利的现象，进而能够降低泄露。

Description

一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构
技术领域
本发明涉及机械密封技术领域，具体涉及一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构。
背景技术
在叶轮机械尤其是航空发动机中常需要对不同压力室进行密封，而旋转件与静止件之间的密封形式通常有蓖齿密封和刷式密封。蓖齿密封是一种非接触式密封，为了确保密封蓖齿与旋转件不发生破坏性干涉，蓖齿与旋转件之间一般有相当大的间隙，这导致泄漏量较大。而刷式密封是一种柔性接触的密封形式，其泄漏量是蓖齿密封的1/5-1/10，并允许动静之间瞬态严重不同心而保持密封能力不变，既提高了机组效率又改善了转子的稳定性，是现代先进透平机发展的关键技术之一。刷式密封已经应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮机械。在航空领域，应用刷式密封是提高航空发动机性能的重要手段，在GE、西门子等世界各大透平公司的技术创新与发展中，都把刷式密封技术研究作为其中的重要内容之一。
但是，刷式密封在实际应用中存在有“吹散效应”和“扇状散开”现象，这导致泄漏量增加，限制了刷式密封在高压差条件下的应用。申请号为“200780030625.0”的发明专利较详细的介绍了“吹散效应”和“扇状散开”，两种现象的示意图见图1和图2。另外，在压差有大的变化时，刷丝往往不会有及时的响应，这导致升压和降压时泄漏量曲线不同路，即“迟滞效应”。例如，当压差突然提高时，刷丝没有及时被“吹下（blow down）”，刷丝间的排列不够致密，这将导致泄漏量的突然提高。针对这些不利现象设计性能优异的低泄漏刷式密封结构是亟待解决的问题。申请号为“200780030625.0”的发明专利提出的解决之道是在刷丝区域沿纵向方向设置了薄膜或盘，对刷丝束起到约束和支撑的作用。但是，上述发明专利提到的薄膜或盘将刷丝束在沿（转轴）轴向方向隔离成数段，造成刷丝间孔隙率变大，在轴向外侧的刷丝束可能有整体被“吹散”或“扇状散开”的危险，没有从根本上解决问题，且会造成刷丝区的柔度下降。
可以设想，如果刷丝间在苛刻工况下（如高压差、突变压差）可以自然产生聚合力，那么就可以缓解乃至消除上述的“吹散效应”、“扇状散开”和“迟滞效应”等对密封不利的现象。
压电效应是一种很奇特的自然现象。当压电晶体或压电陶瓷受到外力而发生形变时，在它的某些表面上会出现与外力成线性比例的电荷累积，这个现象称为压电效应。但是压电陶瓷元件一般具有很大的脆性，硬度高、耐磨，但是容易脆断。申请号为“200810019459.0”的发明专利提出了一种含有金属芯的压电陶瓷纤维，这种纤维包括金属芯、包覆在金属芯上的压电陶瓷及压电陶瓷表面的电极，其中金属芯与压电陶瓷的结合性很好，纤维直径可在50微米到1000微米之间。这种纤维的金属芯和外表面的电极可作为压电陶瓷的两极，纤维兼具压电陶瓷的压电性和金属芯的刚度和柔性，可作为传感器或驱动器。
这种“含金属芯的压电陶瓷纤维”可以在解决刷式密封的“吹散效应”、“扇状散开”和“迟滞效应”等方面有所作为。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构，能够缓解乃至消除“吹散效应”、“扇状散开”和“迟滞效应”等对密封不利的现象，进而能够降低泄露。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构，包括由刷丝4构成的刷丝区3，夹持刷丝区3约束端部的前挡板1和后挡板2，刷丝区3被吹下后与后挡板2接触，自由端部与转子接触，所述刷丝4是由金属芯41、包覆在金属芯41外部的压电陶瓷42、包覆在压电陶瓷42外部的表面电极43以及包覆在表面电极43外部的绝缘涂层44组成，每根刷丝4与其相邻的刷丝4的压电极化方向均相反，在所述刷丝区3的约束端部涂覆有导电层31并被短路接地。
所述刷丝4的极化方向沿刷丝4的径向，方向不限。
所述金属芯41的直径为10～200μm。
所述压电陶瓷42的外直径为50～500μm。
所述表面电极43的材料为银，其厚度为0.5～10μm。
所述绝缘涂层44的材料为环氧树脂或铁氟龙，其厚度为0.5～10μm。
从横截面看，所述刷丝4的排布规律为矩形阵列、环形阵列、三角形阵列或平行四边形阵列。
所述刷丝4的横截面为圆形、椭圆形、矩形、三角形或多边形。
本发明的有益效果为：本发明所述结构的刷丝4之间在苛刻工况下（如高压差、突变压差）可以产生聚合力，可以缓解乃至消除“吹散效应”、“扇状散开”和“迟滞效应”等对密封不利的现象，而在一般稳态工况下，刷丝4之间没有聚合力。所述的聚合力来自于压电效应产生的静电力，当高压差或突变压差下，刷丝4的自由端会产生挠曲变形，以刷丝束3内部任一根刷丝4a为例，基于压电效应任一根刷丝4a的表面电极43会产生电荷，而由于任一根刷丝4a与其相邻的刷丝的压电极化方向均相反，故任一根刷丝4a与其相邻的刷丝的表面电极43的电荷极性相反，绝缘涂层44确保各个刷丝产生的相反极性电荷不会马上被中和掉，由于静电力，任一根刷丝4a与其相邻的刷丝会相互吸引，这样刷丝不易被“吹散”、“散开”，相互吸引的静电力也会加速刷丝在压力变化时的响应，缓解“迟滞效应”，从而达到降低泄漏的目的。而在一般稳态工况下，刷丝表面电极43的电荷会慢慢耗散掉，刷丝之间没有静电力。另外，由于刷丝4为金属芯41和压电陶瓷42的复合结构，这使刷丝4在不失金属柔性的同时又兼具压电性。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明使用的含金属芯的压电陶瓷纤维刷丝的结构示意图。
图3为本发明的刷丝在高压差或突变压差下的变形和电荷生成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构，包括由刷丝4构成的刷丝区3，夹持刷丝区3约束端部的前挡板1和后挡板2，刷丝区3被吹下后与后挡板2接触，自由端部与转子接触以起到密封效果，所述刷丝4是由金属芯41、包覆在金属芯41外部的压电陶瓷42、包覆在压电陶瓷42外部的表面电极43以及包覆在表面电极43外部的绝缘涂层44组成，每根刷丝4与其相邻的刷丝4的压电极化方向均相反，在所述刷丝区3的约束端部涂覆有导电层31并被短路接地，即所有的刷丝4的金属芯41被短路接地。刷丝4的极化方向沿刷丝4的径向，方向不限。
优选金属芯41的直径为10～200μm。
优选所述压电陶瓷42的外直径为50～500μm。
优选所述表面电极43的材料为银，其厚度为0.5～10μm。
优选所述绝缘涂层44的材料为环氧树脂或铁氟龙，其厚度为0.5～10μm。
从横截面看，所述刷丝4的排布规律为矩形阵列、环形阵列、三角形阵列或平行四边形阵列。本实施例为平行四边形阵列。
所述刷丝4的横截面为圆形、椭圆形、矩形、三角形或多边形。本实施例为圆形。
如图3所示，为本发明的刷丝在高压差或突变压差下的变形和电荷生成示意图。当高压差或突变压差下，刷丝4的自由端会产生挠曲变形，以刷丝4内部任一根刷丝4a为例，基于压电效应任一根刷丝4a的表面电极43会产生电荷，而由于任一根刷丝4a与其相邻的刷丝的压电极化方向均相反，故任一根刷丝4a与其相邻的刷丝的表面电极43的电荷极性相反。

Claims (8)

1.一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构，包括由刷丝(4)构成的刷丝区(3)，夹持刷丝区(3)约束端部的前挡板(1)和后挡板(2)，刷丝区(3)被吹下后与后挡板(2)接触，自由端部与转子接触，其特征在于：所述刷丝(4)是由金属芯(41)、包覆在金属芯(41)外部的压电陶瓷(42)、包覆在压电陶瓷(42)外部的表面电极(43)以及包覆在表面电极(43)外部的绝缘涂层(44)组成，每根刷丝(4)与其相邻的刷丝(4)的压电极化方向均相反，在所述刷丝区(3)的约束端部涂覆有导电层(31)并被短路接地。
2.根据权利要求1所述的一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构，其特征在于：所述刷丝(4)的极化方向沿刷丝(4)的径向。
3.根据权利要求1所述的一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构，其特征在于：所述金属芯(41)的直径为10～200μm。
4.根据权利要求1所述的一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构，其特征在于：所述压电陶瓷(42)的外直径为50～500μm。
5.根据权利要求1所述的一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构，其特征在于：所述表面电极(43)的材料为银，其厚度为0.5～10μm。
6.根据权利要求1所述的一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构，其特征在于：所述绝缘涂层(44)的材料为环氧树脂或铁氟龙，其厚度为0.5～10μm。
7.根据权利要求1所述的一种利用压电效应的低泄漏刷式密封结构，其特征在于：从横截面看，所述刷丝(4)的排布规律为环形阵列、三角形阵列或平行四边形阵列。
8.根据权利要求1所述的一种利用压电效应的低泄漏的刷式密封结构，其特征在于，所述刷丝(4)的横截面为圆形、椭圆形或多边形。
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