CN112012800B - 一种栅板与编绳组合的密封结构 - Google Patents
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Abstract
一种栅板与编绳组合的密封结构，包括与侧壁接触的栅板组，栅板组与侧壁接触的一端加工微米级的凹槽，凹槽用于放置微米级的纤维编绳；所述纤维编绳的截面尺寸大于凹槽的深度，所述栅板组另一端设置有弹性薄板，弹性薄板上设置有用于提供预紧压力的弹性元件，弹性元件设置于栅板座套上。本发明利用纤维编绳的弹性变形，添堵栅板组与热变形后的侧壁之间的空隙，从而减小密封的泄漏量；纤维编绳也可补偿弹性薄板变形迟钝引起的间隙。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机、汽轮机等高温工况下的动密封技术领域，特别涉及一种栅板与编绳组合的密封结构。
背景技术
高温动密封结构是高超声速飞行器控制面的关键技术之一，对飞行器安全运行起到重要作用。目前的高温动密封技术主要有：填料密封、迷宫密封、干气密封、刷式密封、指尖密封和栅板密封等。填料密封主要应用于旋转式密封中，且填料的密封性能受温度影响较大，仅适用于温度小于250℃的工况下。迷宫密封是非接触动密封，利用流体在间隙间的节流效应限漏，泄漏量较大，通常用在级间密封等密封性要求不高的场合。干气密封、刷式密封、指尖密封目前均应用在旋转式非接触密封中，在往复密封中尚未应用。
非接触式密封由于密封面不直接接触，虽然起动功率小，寿命长，但泄漏量大，这在往复式的密封中尤为严重。在往复式的动密封中，一般采用盘根填料密封、动唇形密封等接触式密封。
接触式密封要求材料具有较高的耐磨性，在超高声速飞行器等高工况下还要求具有耐高温性。
栅板密封是满足以上要求的密封形式之一，栅板密封采用多块小型栅板组合，侧壁热变形后，在弹性元件的作用下，栅板组彼此错位移动以适应热变形，贴合壁面实现密封。
栅板形状简单，可使用耐高温的陶瓷材料，因此栅板密封可应用于高温工况下的动密封。
除耐高温外，栅板式密封还具有良好的柔韧性、低渗透性、耐久性等优点。
因栅板密封是由多个小栅板组合而成的，在侧壁出现热变形后，栅板与变形侧壁间将出现孔隙，这将增加泄漏量，影响密封的性能。因此减少热变形后产生的密封空隙是提高栅板密封性能的措施之一。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种栅板与编绳组合的密封结构，能够减小密封的泄漏量，具有变形适应性好，跟随性和恢复性好的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种栅板与编绳组合的密封结构，包括与侧壁4接触的栅板组5，栅板组5与侧壁4接触的一端加工微米级的凹槽，凹槽中设置微米级的纤维编绳6；所述纤维编绳6的截面尺寸大于凹槽的深度，所述栅板组5另一端设置有弹性薄板1，弹性薄板1上设置有用于提供预紧压力的弹性元件3，弹性元件3设置于栅板座套2上。
所述预紧压力使纤维编绳6高于槽顶的部分压入所述凹槽中，从而使栅板组5贴合侧壁4。
所述栅板组5上凹槽宽度为50～600μm，深度为300～600μm，面密度为5％～25％。
所述纤维编绳6由内部纤维编织的螺旋状内核和外部编织的鞘组成，螺旋状内核编织较为疏松，鞘的编织紧密。
所述纤维编绳6分段设置于栅板组5的凹槽中。
所述纤维编绳6材料均为耐高温合金或陶瓷，栅板组5为陶瓷材料。
本发明的有益效果：
本发明以栅板密封为基础，结合基线密封(以弹性编织绳为主要密封件)对其进行改进。栅板密封主要通过已预紧的线性排列的栅板组与被密封表面接触来弥补泄漏间隙。由于栅板一般为为耐高温的陶瓷材料，弹性极差，加之被密封面的热变形(变形后有一定弧度)，因此栅板与被密封面间为线接触或点接触，栅板与被密封面间会存在若干小的楔形间隙，如附图3所示，这将导致泄漏量的增大，对密封性能有较大的负面影响。对而附加基线密封后，可利用弹性编织绳的弹性变形添堵栅板组与热变形后的被密封面之间的空隙，通过减小泄漏间隙来减小密封泄漏量；此外微米量级的纤维编绳变形适应能力强，可补偿栅板组预紧弹性元件适应变形迟钝引起的间隙。
基线密封中，编织绳密封部分类似一条长线，在高温下也有失去回复弹性的危险，因此其极限使用温度较栅板密封低。与其相比，本发明中的复合型密封结构中所用的纤维编绳位于栅板与被密封侧壁间，而侧壁(一般为高温镍基合金)表面有气膜冷却，相对于栅板组内部，其温度更低，加之纤维编绳更加细小，为微米量级，可整体处于气膜冷却中，并且主要压力已由栅板组承担，因此其弹性受到很好的保护；此外纤维编绳的微米级尺寸决定了其变形适应性要比基线密封编绳好，因此本发明中的复合型密封结构具有更优良的恢复性和跟随性。
本发明以栅板密封为基础，对其进行改进，结合基线密封(以弹性编织绳为主要密封件)，利用纤维编绳的弹性变形，添堵栅板组与热变形后的侧壁之间的空隙，从而减小密封的泄漏量；纤维编绳也可补偿弹性薄板变形迟钝引起的间隙。
基线密封的编织绳密封部分类似一条长线，且有失去回复弹性的危险，比起编绳密封，本发明的密封结构所用的纤维编织绳更为细小，为微米量级，所受压力更小，因此变形适应性更好，因此具有良好的跟随性和恢复性。
附图说明
图1是本发明的总体示意图。
图2是本发明的编织绳部分的局部放大图。
图3是本发明侧壁热变形后的栅板结构示意图。
图4是本发明中编织绳结构安装示意图。
图5是本发明的一种纤维编织绳的结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-图4所示：本密封结构主要是为了减小侧壁4热变形后与栅板组5间的间隙。侧壁4热变形后相对于栅板组5呈凹型，栅板组5与侧壁4间产生近似三角形的空隙。为了填充空隙，在与侧壁4接触的栅板组5一端加工微米级的凹槽，两端的栅板组5凹槽长度应小于栅板组5厚度，以避免纤维编绳6从侧壁4掉落。
加工完凹槽后，在凹槽中分段(最理想的情况是每一块栅板的每一个凹槽)放置微米级的纤维编绳6，分段放置有利于避免栅板组5错位移动引起的纤维编绳6脱落、干涉等问题。
纤维编绳6的结构由内部纤维编织的螺旋状内核和外部编织的鞘组成，编绳具有良好的弹性，可以满足多次变形回复。
纤维编绳6的安装采用过盈方式，纤维编绳6的原始截面尺寸要大于凹槽的深度和空隙的最大高度之和，安装后，在座套底部的弹性元件将提供压紧力，使高于槽顶的纤维绳部分压入槽中，从而使得栅板组5贴合侧壁4。
如图5所示：纤维编绳6由内部纤维编织的螺旋状内核和外部纤维编织的鞘组成，内核的编织纤维截面直径相对鞘纤维要大许多，以螺旋形式进行编织，编织较为疏松，从而使纤维绳具有一定的弹性，纤维编绳6具有良好的弹性，可以满足多次变形回复。鞘的编织则须紧密，起到更好的填充密封效果。
纤维编绳6内核可以采用高温合金纤维，也可使用陶瓷纤维；外部的鞘采用耐高温耐磨的陶瓷纤维。
凹槽的加工可用脉冲激光、离子刻蚀等加工，但不限于以上两种加工方式。
该实例由侧壁4、纤维编绳6、栅板组5、栅板座套2、弹性元件3组成。栅板座套2用于安装栅板组5和弹性元件3，在弹性元件3的作用下，依靠栅板组5及纤维编绳6与侧壁4的接触实现密封。
实例中栅板组5与侧壁间4的接触长度为96mm，以96mm长的接触长度计算，侧壁4热变形沿栅板组5高度方向最大值约为4mm。将热变形看作一段圆弧，栅板组5高度取20mm，宽度取15mm，厚度取3mm，空隙的最大高度h约为0.23mm。
根据空隙的最大高度选择凹槽的深度和编织绳的尺寸，本例中凹槽深度为0.5mm，宽度为0.4mm，纤维编绳6的截面直径为0.7～0.8mm。纤维编绳6数目为10，间距为1.3mm，本例中微槽用脉冲激光加工而成。
纤维编绳6采用陶瓷纤维编织而成，保证具有一定的韧性和良好的耐高温性。纤维编绳位于栅板与侧壁接触一侧，采用过盈配合安装。
实施安装步骤如下：
步骤一，将弹性元件3安装固定于栅板座套2上。
步骤二，将弹性薄板1安装于弹性元件3自由端。
步骤三，将纤维编绳6分段放置于栅板组5的凹槽中，采用过盈配合，安装后应有一部分纤维编绳6高于栅板组5顶部，纤维编绳6截面成椭圆形。
步骤四，将栅板组5依次安装于弹性薄板1上。
步骤五，将整个装置与侧壁4配合，通过弹性元件3的预紧压力使高于栅板组5的纤维编绳6部分完全压入凹槽中。
以上所列举的实施方式仅供理解本发明之用，并非是对本发明所描述的技术方案的限定,有关领域的普通技术人员,在权利要求所述技术方案的基础上，还可以作出多种变化或变形,所有等同的变化或变形都应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种栅板与编绳组合的密封结构，其特征在于，包括与侧壁(4)接触的栅板组(5)，栅板组(5)与侧壁(4)接触的一端加工微米级的凹槽，凹槽中设置微米级的纤维编绳(6)；所述纤维编绳(6)的截面尺寸大于凹槽的深度，所述栅板组(5)另一端设置有弹性薄板(1)，弹性薄板(1)上设置有用于提供预紧压力的弹性元件(3)，弹性元件(3)设置于栅板座套(2)上；
所述预紧压力使纤维编绳( 6) 高于槽顶的部分压入所述凹槽中，从而使栅板组(5)贴合侧壁(4)；
所述纤维编绳(6)分段设置于栅板组(5)的凹槽中。
2.根据权利要求1所述的一种栅板与编绳组合的密封结构，其特征在于，所述栅板组(5)上凹槽宽度为50～600μm，深度为300～600μm，面密度为5％～25％。
3.根据权利要求1所述的一种栅板与编绳组合的密封结构，其特征在于，所述纤维编绳(6)由内部纤维编织的螺旋状内核和外部编织的鞘组成，螺旋状内核编织较为疏松，鞘的编织紧密。
4.根据权利要求1所述的一种栅板与编绳组合的密封结构，其特征在于，所述纤维编绳(6)材料均为耐高温合金或陶瓷，栅板组(5)为陶瓷材料。
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