CN105134958A - 一种高温动密封结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种高温动密封结构及其设计方法。其中，根据本发明的设计方法包括：根据密封间隙的形状和大小，确定编织套管的形状和尺寸，编织编织套管；根据维编织套管的形状和尺寸以及密封间隙的变化范围，确定弹簧管的参数，并沿着编织套管的轴向方向将弹簧管植入编织套管内；向编织套管内的中空部分填充耐高温隔热材料。根据本发明，能够对高温环境的时变密封间隙进行有效密封，防止热气流从间隙直接流入低温结构区域。

Description

一种高温动密封结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及密封技术领域，尤其涉及一种高温动密封结构及其设计方法。

背景技术

工业领域许多设备或组件在相邻部件之间存在变化的密封间隙。在某些场合，为防止高温高速热气流进入低温低压结构(如密封间隙)，需加入能适应变化间隙的动密封结构。动密封结构在阻隔高温气流同时还需满足防热性能要求。在长时高温密封(大于1000℃)以及大的密封间隙变化情况下，传统密封结构已经无法满足要求。这种用于极限高温高速热气流环境的密封结构常用于航空航天领域，如超燃冲压发动机动密封或高超声速飞行器控制翼面密封。

动密封结构工作过程中处于受压状态，以保证与密封面紧密贴合。密封结构不仅要承受高温(大于1000摄氏度)氧化环境，还要对不断变化的间隙进行有效密封，即密封件必须具备较好的回弹性以适应时变的密封间隙。在高温环境中，常规的密封结构动存在两方面的不足：一方面，其材料本身的性能会衰减，另一方面，密封结构会发生塑性变形和蠕变变形，因此，在密封间隙不断闭合张开的过程中易导致密封不严，从而使高温气流流入低温结构区域，最终导致整体结构失效。

因此，现有技术中存在对能够对处于高温环境的时变间隙进行有效密封的技术的需要。

发明内容

本发明的实施例提供了一种高温动密封结构及其设计方法，具备较好的回弹性以适应时变的密封间隙，能够对高温环境的时变密封间隙进行有效密封，防止热气流从间隙直接流入低温结构区域。

根据本发明的一个方面，提供了一种高温动密封结构的设计方法，包括：

S1、根据密封间隙的形状和大小，确定编织套管的形状和尺寸，编织所述编织套管；

S2、根据所述编织套管的形状和尺寸以及密封间隙的变化范围，确定弹簧管的参数，并沿着所述编织套管的轴向方向将所述弹簧管植入所述编织套管内；所述弹簧管具有径向弹性和可收缩性，其自然状态下的直径大于所述编织套管的内径；

S3、向所述编织套管内的中空部分填充耐高温隔热材料，所述耐高温隔热材料具有柔韧性。

优选地，在步骤S1之前，所述设计方法进一步包括：

根据高温动密封结构的服役温度，确定所述维编织套管的材料。

优选地，所述编织套管的材料包括陶瓷纤维。

优选地，所述陶瓷纤维包括硅酸铝纤维，和/或氧化铝陶瓷纤维。

优选地，所述弹簧管为由多根金属丝螺旋交错编织而成的圆管网状结构。

优选地，所述沿着所述编织套管的轴向方向将所述弹簧管植入所述编织套管内具体为：

将所述弹簧管拉伸后，沿着所述编织套管的轴向方向从所述编织套管的一端植入所述编织套管内；

解除对所述弹簧管的拉伸，所述弹簧管沿着径向方向扩张，并与所述编织套管的内壁紧密贴合。

优选地，所述弹簧管的轴向力F和径向力P的关系为：

$\begin{array}{c}F=\frac{{\mathrm{\πD}}^{2}P}{2}{\tan }^2\mathrm{\α}+\frac{4nGI\cos \mathrm{\α}}{D}(\frac{2sin2\mathrm{\α}}{D}-\frac{2sin2{\mathrm{\α}}_0}{D_0})-\\ \frac{2nEI\sin \mathrm{\α}}{D}(\frac{2{\cos }^2\mathrm{\α}}{D}-\frac{2{\cos }^2{\mathrm{\α}}_0}{D_0})\end{array}$ 公式1

$I=\frac{{\mathrm{\πr}}^4}{4}$ 公式2

式中，n表示金属丝的根数，E表示金属丝的弹性模量，G表示剪切模量，I表示金属丝横截面的二次惯性矩，r表示金属丝的半径，D₀为自然状态下弹簧管的直径，D为变形后弹簧管的直径，α₀为自然状态下弹簧管的编织角度，α为变形后弹簧管的编织角度。

优选地，在步骤S2之前，所述设计方法进一步包括：

根据高温动密封结构的服役温度，确定所述弹簧管的材料。

优选地，所述弹簧管的材料包括：镍基合金，或者不锈钢合金。

优选地，在步骤S3之后，所述设计方法进一步包括：

对高温动密封结构的两端进行密封处理，以保护所述耐高温隔热材料，并防止所述弹簧管的轴向伸长和径向收缩。

优选地，高温动密封结构两端的密封面上设置有防热涂层。

优选地，采用直径小于1mm的小线径金属丝编织所述弹簧管，以减小所述弹簧管的塑性变形，并防止所述弹簧管的径向力对所述防热涂层造成损伤或破坏。

根据本发明的另一个方面，提供了一种高温动密封结构，包括：编织套管、沿着所述编织套管的轴向方向植入所述编织套管内的弹簧管，以及填充在所述编织套管内的中空部分的耐高温隔热材料，其中，

所述编织套管的形状和尺寸根据密封间隙的形状和大小确定；

所述弹簧管的参数根据所述维编织套管的形状和尺寸以及密封间隙的变化范围确定；所述弹簧管具有径向弹性和可收缩性，其自然状态下的直径大于所述编织套管的内径；

所述耐高温隔热材料具有柔韧性。

优选地，所述维编织套管的材料包括陶瓷纤维。

优选地，所述陶瓷纤维包括硅酸铝纤维，和/或氧化铝陶瓷纤维。

优选地，所述弹簧管为由多根金属丝螺旋交错编织而成的圆管网状结构。

优选地，所述弹簧管的参数包括：金属丝的根数，金属丝的半径，自然状态下弹簧管的直径，自然状态下弹簧管的编织角度，以及弹簧管的长度。

优选地，所述弹簧管的材料包括：镍基合金，或者不锈钢合金。

优选地，高温动密封结构的两端设置有密封面。

优选地，所述密封面上设置有防热涂层。

本发明实施例的高温动密封结构的设计方法，包括：根据密封间隙的形状和大小，确定编织套管的形状和尺寸，编织编织套管；根据维编织套管的形状和尺寸以及密封间隙的变化范围，确定弹簧管的参数，并沿着编织套管的轴向方向将弹簧管植入编织套管内；向编织套管内的中空部分填充耐高温隔热材料。本发明的设计方法，通过采用编织套管阻隔热气流和热量传递，通过植入编织套管内的弹簧管为高温动密封结构提供回弹力和支撑力，通过向编织套管内的中空部分填充耐高温隔热材料进一步减小通过密封件的热气流和热量传递。根据本发明的设计方法能够对高温环境的时变密封间隙进行有效密封，防止热气流从间隙直接流入低温结构区域。本发明还提供了一种高温动密封结构，具备如上所述设计方法的所有有益效果。

附图说明

图1为根据本发明的高温动密封结构的应用工况示意图。

图2为根据本发明的高温动密封结构的示意图。

图3为根据本发明的弹簧管的结构及受力示意图。

图4为本发明的高温动密封结构的设计方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

在高温环境中，密封结构动存在两方面的不足：一方面，其材料本身的性能会衰减，另一方面，密封结构会发生塑性变形和蠕变变形，因此，在密封间隙不断闭合张开的过程中易导致密封不严，从而使高温气流流入低温结构区域，最终导致整体结构失效。本发明旨在提供一种在高温条件下具有较好的回弹性的高温动密封结构以适应时变的密封间隙，使得在密封间隙不断闭合张开的过程中高温动密封结构能够紧贴密封间隙的接触面，防止热气流从间隙直接流入低温结构区域

图1示意了根据本发明的高温动密封结构的应用工况图。运动部件1之间存在密封间隙3，高温动密封结构2设在在密封间隙3内，并与密封间隙3的接触面贴合。由于高温动密封结构2具有较好的回弹性，在运动部件1的运动过程中，密封间隙3不断地张开或闭合，高温动密封结构2也不断地扩大或缩小以适应时变的密封间隙。当热气流4流动到高温动密封结构2一侧的表面时，由于高温动密封结构2与密封间隙3的接触面紧密贴合，热气流4被高温动密封结构2阻隔，因此无法从高温动密封结构2的一侧高温区域流入高温动密封结构2另一侧的低温区域。在工作状态下，运动部件1随着时间不断运动的过程中，密封间隙3不断地张开或闭合，通过2适应变化的间隙3以阻隔热气流4，达到密封的目的。

如图4，示出了根据本发明的高温动密封结构的设计方法的一个实施例。步骤S1中，首先根据密封间隙的形状和大小，确定编织套管的形状和尺寸。编织套管是高温动密封结构最外层的部分，编织套管决定了高温动密封结构的形状。因此，编织套管的形状必须根据高温动密封结构服役环境的密封间隙来确定。优选地，编织套管的形状与密封间隙的形状基本一致。编织套管的尺寸根据密封间隙的大小以及高温动密封结构的回弹性进行确定。为了保证高温动密封结构与密封间隙的接触面紧密贴合，高温动密封结构置于密封间隙内时应处于预压缩状态，即编织套管的尺寸应大于密封间隙的尺寸。编织套管的尺寸与密封间隙的尺寸可以根据高温动密封结构的回弹性进行确定，为了降低高温动密封结构的生产成本，在保证高温动密封结构的密封效果的前提下，高温动密封结构的回弹性越好，编织套管的尺寸越小。然后根据确定号的形状和尺寸，编织编织套管。

高温动密封结构的服役温度非常高，往往大于1000℃。在这种高温条件下，高温动密封结构的材料容易被氧化、并发生塑性变形和蠕变变形。为了保证高温动密封结构的密封有效性，高温动密封结构的材料必须能够耐高温。因此，根据本发明的优选实施例，在步骤S1之前，进一步包括：根据高温动密封结构的服役温度，确定维编织套管的材料。优选地，维编织套管的材料包括陶瓷纤维。进一步优选地，陶瓷纤维包括硅酸铝纤维，和/或氧化铝陶瓷纤维。

编织套管由柔性的耐高温抗氧化的陶瓷纤维编织而成。位于高温动密封结构最外层的编织套管，其主要作用是阻隔热气流和热量传递，因此必须较好的阻热性。因此，在编织编织套管时，应尽量使编织套管的结构致密、孔隙率尽量小，以减小通过编织套管内部小孔隙的高温气体流量，提高高温动密封结构的密封效果。

S2、根据编织套管的形状和尺寸以及密封间隙的变化范围，确定弹簧管的参数，并沿着编织套管的轴向方向将弹簧管植入编织套管内。弹簧管的轴向方向与编织套管的轴向方向相同。在编织套管内植入弹簧管的主要目的是增加高温动密封结构的回弹性，因此弹簧管必须具有径向弹性和可收缩性。当密封间隙缩小时，运动部件压缩高温动密封结构最外层的编织套管，编织套管压缩植入在其内部的弹簧管；当密封间隙扩大时，处于压缩状态的弹簧管回弹，驱动编织套管扩大，从而保证编织套管的外侧始终与密封间隙的接触面紧密结合。

若弹簧管的直径小于编织套管的内径，当运动部件压缩高温动密封结构最外层的编织套管时，编织套管会先经历一段空压缩过程，然后才能压缩到植入在其内部的弹簧管；当密封间隙扩大、处于压缩状态的弹簧管回弹时，弹簧管会先经历一段时间的扩大后才能触碰到编织套管，并驱动编织套管扩大，这种情况将导致密封间隙的扩大和缩小的过程与高温动密封结构的扩大和缩小过程之间存在时间延迟，无法保证高温动密封结构时刻与密封间隙的接触面之间紧密贴合，因此，弹簧管的直径必须不小于编织套管的内径。

若弹簧管的直径等于编织套管的内径，当高温动密封结构在某一时刻处于自然状态、即编织套管和弹簧管均处于不压缩不扩大的自然状态，下一时刻时密封间隙扩大时，弹簧管不会产生回弹，因此也不会驱动编织套管扩大，此时高温动密封结构将与密封间隙的接触面之间分离，热气流从高温动密封结构的一侧高温区域流入高温动密封结构另一侧的低温区域，密封结构失效。因此，弹簧管的直径不能等于编织套管的内径。

综上所述，弹簧管在自然状态下的直径必须大于编织套管的内径。为了将具有较大直径的弹簧管植入编织套管内，优选地，沿着编织套管的轴向方向将弹簧管植入编织套管内具体为：将弹簧管拉伸后，沿着编织套管的轴向方向从编织套管的一端植入编织套管内；解除对弹簧管的拉伸，弹簧管沿着径向方向扩张。由于弹簧管的直径大于编织套管的内径，因此能够与编织套管的内壁紧密贴合。

高温动密封结构的服役温度非常高，往往大于1000℃。在这种高温条件下，高温动密封结构的材料容易被氧化、并发生塑性变形和蠕变变形。为了保证高温动密封结构的密封有效性，高温动密封结构的材料必须能够耐高温。根据本发明的优选实施例，在步骤S2之前进一步包括：根据高温动密封结构的服役温度，确定弹簧管的材料。优选地，弹簧管的材料包括：镍基合金，或者不锈钢合金。为保证弹簧管在高温下仍具有较好的弹性，弹簧管的材料需选用耐高温的镍基合金或其他高温性能优异的合金丝。若高温动密封结构用于温度较低的工况下，也可以选用耐高温的不锈钢合金丝。

为了保证弹簧管具有较好的径向弹性和可收缩性，根据本发明的优选实施例，弹簧管为由多根金属丝螺旋交错编织而成的圆管网状结构。

优选地，弹簧管的轴向力F和径向力P的关系为：

$\begin{array}{c}F=\frac{{\mathrm{\πD}}^{2}P}{2}{\tan }^2\mathrm{\α}+\frac{4nGI\cos \mathrm{\α}}{D}(\frac{2sin2\mathrm{\α}}{D}-\frac{2sin2{\mathrm{\α}}_0}{D_0})-\\ \frac{2nEI\sin \mathrm{\α}}{D}(\frac{2{\cos }^2\mathrm{\α}}{D}-\frac{2{\cos }^2{\mathrm{\α}}_0}{D_0})\end{array}$ 公式1

$I=\frac{{\mathrm{\πr}}^4}{4}$ 公式2

式中，n表示金属丝的根数，E表示金属丝的弹性模量，G表示剪切模量，I表示金属丝横截面的二次惯性矩，r表示金属丝的半径，D₀为自然状态下弹簧管的直径，D为变形后弹簧管的直径，α₀为自然状态下弹簧管的编织角度，α为变形后弹簧管的编织角度。

弹簧管的径向变形量U_r为：

U_r＝D₀-D公式3

当轴向力F为0时，即高温动密封结构在轴向方向不约束，高温动密封结构的轴向自由变形，固定D值，即径向变形量U_r一定，可知径向力P与I成正比，即径向力与金属丝半径r的4次方成正比。当金属丝的半径r值固定时，编织角度越大，径向力P值越小。因此适当增大弹簧管的编织角度，可有效减小弹簧管的弯矩和塑性变形，提高弹簧管的回弹性。编织角度值应根据具体情况确定。

S3、向编织套管内的中空部分填充耐高温隔热材料，耐高温隔热材料具有柔韧性。向编织套管内的中空部分填充耐高温隔热材料能够进一步减小通过高温动密封结构的热气流量以及热量传递。优选地，耐高温隔热材料为导热率极低的陶瓷纤维材料，比如耐高温高柔性陶瓷纤维或纤维毡。

为了保护编织套管内的中空部分填充的隔热材料、防止弹簧管的轴向伸长和径向收缩、保证弹簧管工作时提供适当的径向回弹力。优选地，在步骤S3之后进一步包括：

对高温动密封结构的两端进行密封处理。优选地，高温动密封结构两端的密封面上设置有防热涂层。优选地，若密封面上有防热涂层，则选取直径小于1mm小线径的金属丝来编织弹簧管，以防止过大的径向力对防热涂层造成损伤或破坏。选取小丝径金属丝还可以有效减小弹簧管受力过程中的最大应力值，减小塑性变形，提高弹簧管的回弹性能。

本发明设计的高温动密封结构为多孔结构，且不存在内热源，初期瞬态传热过程中，高温动密封结构内部的气相和固相温度未达到平衡，高温动密封结构的热响应控制方程满足非平衡假设，传热控制方程具体形式如下：

$(1-\mathrm{\ψ}){\mathrm{\ρ}}_s{c}_s\frac{\∂T_s}{\∂t}=(1-\mathrm{\ψ})\▿\·(k_s\▿T_s)+h(T_f-T_s)$ 公式4

${\mathrm{\ψ\ρ}}_f{c}_f\frac{\∂T_f}{\∂t}+{\mathrm{\ψ\ρ}}_f{c}_{f}v\·\▿T_f=\mathrm{\ψ}\▿\·(k_f\▿T_f)+h(T_s-T_f)$ 公式5

经过足够长时间后，动密封结构内部高温气体和固体达到稳态，高温动密封结构的热响应控制方程满足热平衡假设，具体形式如下

$\[(1-\mathrm{\ψ}){\mathrm{\ρ}}_s{c}_s+{\mathrm{\ψ\ρ}}_f{c}_f\]\frac{\∂T}{\∂t}+{\mathrm{\ρ}}_f{c}_{f}v\·\▿T=\▿\·(\[(1-\mathrm{\ψ})k_s+{\mathrm{\ψk}}_f\]\▿T)$ 公式6

式中，带下标f的三个参数c_f、k_f和ρ_f分别为高温动密封结构中气相的等压热容、导热系数和密度；带下标s的三个参数c_s、k_s和ρ_s分别为高温动密封结构中固相的等压热容、导热系数和密度；非平衡假设下，T_s表示固相温度，T_f表示气相温度；平衡假设下，T_s和T_f相等，因此用温度T统一表示；ψ表示孔隙率，h表示气固换热系数，v表示气流速度。

针对实际具体动密封环境，分析动密封结构隔热性能时，一般采用非热平衡传热控制方程。当气固换热系数大于10000W/(m².K)，采用热平衡传热控制方程。

本发明中，高温动密封结构采用如图2所示的结构。图3示出了根据本发明的弹簧管的结构示意图。本发明实施例的高温动密封结构包括：编织套管5、沿着所述编织套管的轴向方向植入所述编织套管内的弹簧管6，以及填充在所述编织套管内的中空部分的耐高温隔热材料7，其中，

编织套管6的形状和尺寸根据密封间隙的形状和大小确定；

弹簧管6的参数根据编织套管5的形状和尺寸以及密封间隙的变化范围确定；弹簧管6具有径向弹性和可收缩性，其自然状态下的直径大于编织套管5的内径；

耐高温隔热材料7具有柔韧性。

优选地，维编织套管5的材料包括陶瓷纤维。

优选地，陶瓷纤维包括硅酸铝纤维，和/或氧化铝陶瓷纤维。

优选地，弹簧管6为由多根金属丝螺旋交错编织而成的圆管网状结构。

优选地，弹簧管6的参数包括：金属丝的根数，金属丝的半径，自然状态下弹簧管的直径，自然状态下弹簧管的编织角度，以及弹簧管的长度。

优选地，弹簧管6的材料包括：镍基合金，或者不锈钢合金。

优选地，高温动密封结构的两端设置有密封面。

优选地，密封面上设置有防热涂层。

与现有技术相比，本发明实施例通过采用编织套管阻隔热气流和热量传递，通过植入编织套管内的弹簧管为高温动密封结构提供回弹力和支撑力，通过向编织套管内的中空部分填充耐高温隔热材料进一步减小通过密封件的热气流和热量传递。本发明能够对高温环境的时变密封间隙进行有效密封，防止热气流从间隙直接流入低温结构区域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高温动密封结构的设计方法，包括：

S1、根据密封间隙的形状和大小，确定编织套管的形状和尺寸，编织所述编织套管；

S2、根据所述编织套管的形状和尺寸以及密封间隙的变化范围，确定弹簧管的参数，并沿着所述编织套管的轴向方向将所述弹簧管植入所述编织套管内；所述弹簧管具有径向弹性和可收缩性，其自然状态下的直径大于所述编织套管的内径；

S3、向所述编织套管内的中空部分填充耐高温隔热材料，所述耐高温隔热材料具有柔韧性。

2.如权利要求1所述的设计方法，其中，在步骤S1之前，所述设计方法进一步包括：

根据高温动密封结构的服役温度，确定所述维编织套管的材料。

3.如权利要求1所述的设计方法，所述弹簧管为由多根金属丝螺旋交错编织而成的圆管网状结构。

4.如权利要求1所述的设计方法，其中，在步骤S3之后，所述设计方法进一步包括：

对高温动密封结构的两端进行密封处理，以保护所述耐高温隔热材料，并防止所述弹簧管的轴向伸长和径向收缩。

5.如权利要求4所述的设计方法，其中，高温动密封结构两端的密封面上设置有防热涂层。

6.如权利要求5所述的设计方法，其中，采用直径小于1mm的小线径金属丝编织所述弹簧管，以减小所述弹簧管的塑性变形，并防止所述弹簧管的径向力对所述防热涂层造成损伤或破坏。

7.一种高温动密封结构，包括：编织套管、沿着所述编织套管的轴向方向植入所述编织套管内的弹簧管，以及填充在所述编织套管内的中空部分的耐高温隔热材料，其中，

所述编织套管的形状和尺寸根据密封间隙的形状和大小确定；

所述弹簧管的参数根据所述维编织套管的形状和尺寸以及密封间隙的变化范围确定；所述弹簧管具有径向弹性和可收缩性，其自然状态下的直径大于所述编织套管的内径；

所述耐高温隔热材料具有柔韧性。

8.如权利要求7所述的高温动密封结构，其中，所述弹簧管为由多根金属丝螺旋交错编织而成的圆管网状结构。

9.如权利要求8所述的高温动密封结构，其中，所述弹簧管的参数包括：金属丝的根数，金属丝的半径，自然状态下弹簧管的直径，自然状态下弹簧管的编织角度，以及弹簧管的长度。

10.如权利要求8所述的高温动密封结构，其中，高温动密封结构的两端设置有密封面。