一種高溫動密封結構及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及密封技術領域，尤其涉及一種高溫動密封結構及其設計方法。
【背景技術】
[0002] 工業領域許多設備或組件在相鄰部件之間存在變化的密封間隙。在某些場合，為 防止高溫高速熱氣流進入低溫低壓結構（如密封間隙），需加入能適應變化間隙的動密封 結構。動密封結構在阻隔高溫氣流同時還需滿足防熱性能要求。在長時高溫密封（大于 IOO(TC)以及大的密封間隙變化情況下，傳統密封結構已經無法滿足要求。這種用于極限 高溫高速熱氣流環境的密封結構常用于航空航天領域，如超燃沖壓發動機動密封或高超聲 速飛行器控制翼面密封。
[0003] 動密封結構工作過程中處于受壓狀態，以保證與密封面緊密貼合。密封結構不僅 要承受高溫（大于1000攝氏度）氧化環境，還要對不斷變化的間隙進行有效密封，即密封 件必須具備較好的回彈性以適應時變的密封間隙。在高溫環境中，常規的密封結構動存在 兩方面的不足：一方面，其材料本身的性能會衰減，另一方面，密封結構會發生塑性變形和 蠕變變形，因此，在密封間隙不斷閉合張開的過程中易導致密封不嚴，從而使高溫氣流流入 低溫結構區域，最終導致整體結構失效。
[0004] 因此，現有技術中存在對能夠對處于高溫環境的時變間隙進行有效密封的技術的 需要。
【發明內容】
[0005] 本發明的實施例提供了一種高溫動密封結構及其設計方法，具備較好的回彈性以 適應時變的密封間隙，能夠對高溫環境的時變密封間隙進行有效密封，防止熱氣流從間隙 直接流入低溫結構區域。
[0006] 根據本發明的一個方面，提供了一種高溫動密封結構的設計方法，包括：
[0007] S1、根據密封間隙的形狀和大小，確定編織套管的形狀和尺寸，編織所述編織套 管；
[0008] S2、根據所述編織套管的形狀和尺寸以及密封間隙的變化范圍，確定彈簧管的參 數，并沿著所述編織套管的軸向方向將所述彈簧管植入所述編織套管內；所述彈簧管具有 徑向彈性和可收縮性，其自然狀態下的直徑大于所述編織套管的內徑；
[0009] S3、向所述編織套管內的中空部分填充耐高溫隔熱材料，所述耐高溫隔熱材料具 有柔韌性。
[0010] 優選地，在步驟Si之前，所述設計方法進一步包括：
[0011] 根據高溫動密封結構的服役溫度，確定所述維編織套管的材料。
[0012] 優選地，所述編織套管的材料包括陶瓷纖維。
[0013] 優選地，所述陶瓷纖維包括硅酸鋁纖維，和/或氧化鋁陶瓷纖維。
[0014] 優選地，所述彈簧管為由多根金屬絲螺旋交錯編織而成的圓管網狀結構。
[0015] 優選地，所述沿著所述編織套管的軸向方向將所述彈簧管植入所述編織套管內具 體為：
[0016] 將所述彈簧管拉伸后，沿著所述編織套管的軸向方向從所述編織套管的一端植入 所述編織套管內；
[0017] 解除對所述彈簧管的拉伸，所述彈簧管沿著徑向方向擴張，并與所述編織套管的 內壁緊密貼合。
[0018] 優選地，所述彈簧管的軸向力F和徑向力P的關系為：
[0021] 式中，η表示金屬絲的根數，E表示金屬絲的彈性模量，G表示剪切模量，I表示金 屬絲橫截面的二次慣性矩，r表示金屬絲的半徑，D。為自然狀態下彈簧管的直徑，D為變形 后彈簧管的直徑，α。為自然狀態下彈簧管的編織角度，α為變形后彈簧管的編織角度。
[0022] 優選地，在步驟S2之前，所述設計方法進一步包括：
[0023] 根據高溫動密封結構的服役溫度，確定所述彈簧管的材料。
[0024] 優選地，所述彈簧管的材料包括：鎳基合金，或者不銹鋼合金。
[0025] 優選地，在步驟S3之后，所述設計方法進一步包括：
[0026] 對高溫動密封結構的兩端進行密封處理，以保護所述耐高溫隔熱材料，并防止所 述彈簧管的軸向伸長和徑向收縮。
[0027] 優選地，高溫動密封結構兩端的密封面上設置有防熱涂層。
[0028] 優選地，采用直徑小于Imm的小線徑金屬絲編織所述彈簧管，以減小所述彈簧管 的塑性變形，并防止所述彈簧管的徑向力對所述防熱涂層造成損傷或破壞。
[0029] 根據本發明的另一個方面，提供了一種高溫動密封結構，包括：編織套管、沿著所 述編織套管的軸向方向植入所述編織套管內的彈簧管，以及填充在所述編織套管內的中空 部分的耐尚溫隔熱材料，其中，
[0030] 所述編織套管的形狀和尺寸根據密封間隙的形狀和大小確定；
[0031] 所述彈簧管的參數根據所述維編織套管的形狀和尺寸以及密封間隙的變化范圍 確定；所述彈簧管具有徑向彈性和可收縮性，其自然狀態下的直徑大于所述編織套管的內 徑；
[0032] 所述耐高溫隔熱材料具有柔韌性。
[0033] 優選地，所述維編織套管的材料包括陶瓷纖維。
[0034] 優選地，所述陶瓷纖維包括硅酸鋁纖維，和/或氧化鋁陶瓷纖維。
[0035] 優選地，所述彈簧管為由多根金屬絲螺旋交錯編織而成的圓管網狀結構。
[0036] 優選地，所述彈簧管的參數包括：金屬絲的根數，金屬絲的半徑，自然狀態下彈簧 管的直徑，自然狀態下彈簧管的編織角度，以及彈簧管的長度。
[0037] 優選地，所述彈簧管的材料包括：鎳基合金，或者不銹鋼合金。
[0038] 優選地，高溫動密封結構的兩端設置有密封面。
[0039] 優選地，所述密封面上設置有防熱涂層。
[0040] 本發明實施例的高溫動密封結構的設計方法，包括：根據密封間隙的形狀和大小， 確定編織套管的形狀和尺寸，編織編織套管；根據維編織套管的形狀和尺寸以及密封間隙 的變化范圍，確定彈簧管的參數，并沿著編織套管的軸向方向將彈簧管植入編織套管內；向 編織套管內的中空部分填充耐高溫隔熱材料。本發明的設計方法，通過采用編織套管阻隔 熱氣流和熱量傳遞，通過植入編織套管內的彈簧管為高溫動密封結構提供回彈力和支撐 力，通過向編織套管內的中空部分填充耐高溫隔熱材料進一步減小通過密封件的熱氣流和 熱量傳遞。根據本發明的設計方法能夠對高溫環境的時變密封間隙進行有效密封，防止熱 氣流從間隙直接流入低溫結構區域。本發明還提供了一種高溫動密封結構，具備如上所述 設計方法的所有有益效果。
【附圖說明】
[0041] 圖1為根據本發明的高溫動密封結構的應用工況示意圖。
[0042] 圖2為根據本發明的高溫動密封結構的示意圖。
[0043] 圖3為根據本發明的彈簧管的結構及受力示意圖。
[0044] 圖4為本發明的高溫動密封結構的設計方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0045] 為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉出優選實 施例，對本發明進一步詳細說明。然而，需要說明的是，說明書中列出的許多細節僅僅是為 了使讀者對本發明的一個或多個方面有一個透徹的理解，即便沒有這些特定的細節也可以 實現本發明的這些方面。
[0046] 在高溫環境中，密封結構動存在兩方面的不足：一方面，其材料本身的性能會衰 減，另一方面，密封結構會發生塑性變形和蠕變變形，因此，在密封間隙不斷閉合張開的過 程中易導致密封不嚴，從而使高溫氣流流入低溫結構區域，最終導致整體結構失效。本發明 旨在提供一種在高溫條件下具有較好的回彈性的高溫動密封結構以適應時變的密封間隙， 使得在密封間隙不斷閉合張開的過程中高溫動密封結構能夠緊貼密封間隙的接觸面，防止 熱氣流從間隙直接流入低溫結構區域
[0047] 圖1示意了根據本發明的高溫動密封結構的應用工況圖。運動部件1之間存在密 封間隙3,高溫動密封結構2設在在密封間隙3內，并與密封間隙3的接觸面貼合。由于高 溫動密封結構2具有較好的回彈性，在運動部件1的運動過程中，密封間隙3不斷地張開或 閉合，高溫動密封結構2也不斷地擴大或縮小以適應時變的密封間隙。當熱氣流4流動到 高溫動密封結構2 -側的表面時，由于高溫動密封結構2與密封間隙3的接觸面緊密貼合， 熱氣流4被高溫動密封結構2阻隔，因此無法從高溫動密封結構2的一側高溫區域流入高 溫動密封結構2另一側的低溫區域。在工作狀態下，運動部件1隨著時間不斷運動的過程 中，密封間隙3不斷地張開或閉合，通過2適應變化的間隙3以阻隔熱氣流4,達到密封的目 的。
[0048] 如圖4,示出了根據本發明的高溫動密封結構的設計方法的一個實施例。步驟SI 中，首先根據密封間隙的形狀和大小，確定編織套管的形狀和尺寸。編織套管是高溫動密封 結構最外層的部分，編織套管決定了高溫動密封結構的形狀。因此，編織套管的形狀必須 根據高溫動密封結構服役環境的密封間隙來確定。優選地，編織套管的形狀與密封間隙的 形狀基本一致。編織套管的尺寸根據密封間隙的大小以及高溫動密封結構的回彈性進行確 定。為了保證高溫動密封結構與密封間隙的接觸面緊密貼合，高溫動密封結構置于密封間 隙內時應處于預壓縮狀態，即編織套管的尺寸應大于密封間隙的尺寸。編織套管的尺寸與 密封間隙的尺寸可以根據高溫動密封結構的回彈性進行確定，為了降低高溫動密封結構的 生產成本，在保證高溫動密封結構的密封效果的前提下，高溫動密封結構的回彈性越好，編 織套管的尺寸越小。然后根據確定號的形狀和尺寸，編織編織套管。
[0049] 高溫動密封結構的服役溫度非常高，往往大于1000°C。在這種高溫條件下，高溫 動密封結構的材料容易被氧化、并發生塑性變形和蠕變變形。為了保證高溫動密封結構的 密封有效性，高溫動密封結構的材料必須能夠耐高溫。因此，根據本發明的優選實施例，在 步驟Sl之前，進一步包括：根據高溫動密封結構的服役溫度，確定維編織套管的材料。優選 地，維編織套管的材料包括陶瓷纖維。進一步優選地，陶瓷纖維包括硅酸鋁纖維，和/或氧 化鋁陶瓷纖維。
[0050] 編織套管由柔性的耐高溫抗氧化的陶瓷纖維編織而成。位于高溫動密封結構最外 層的編織套管，其主要作用是阻隔熱氣流和熱量傳遞，因此必須較好的阻熱性。因此，在編 織編織套管時，應盡量使編織套管的結構致密、孔隙率盡量小，以減小通過編織套管內部小 孔隙的高溫氣體流量，提高高溫動密封結構的密封效果。
[0051] S2、根據編織套管的形狀和尺寸以及密封間隙的變化范圍，確定彈簧管的參數，并 沿著編織套管的軸向方向將彈簧管植入編織套管內。彈簧管的軸向方向與編織套管的軸向 方向相同。在編織套管內植入彈簧管的主要目的是增加高溫動密封結構的回彈性，因此彈 簧管必須具有徑向彈性和可收縮性。當