密封間隙縮小時，運動部件壓縮高溫動密封結構最 外層的編織套管，編織套管壓縮植入在其內部的彈簧管；當密封間隙擴大時，處于壓縮狀態 的彈簧管回彈，驅動編織套管擴大，從而保證編織套管的外側始終與密封間隙的接觸面緊 密結合。
[0052] 若彈簧管的直徑小于編織套管的內徑，當運動部件壓縮高溫動密封結構最外層的 編織套管時，編織套管會先經歷一段空壓縮過程，然后才能壓縮到植入在其內部的彈簧管； 當密封間隙擴大、處于壓縮狀態的彈簧管回彈時，彈簧管會先經歷一段時間的擴大后才能 觸碰到編織套管，并驅動編織套管擴大，這種情況將導致密封間隙的擴大和縮小的過程與 高溫動密封結構的擴大和縮小過程之間存在時間延遲，無法保證高溫動密封結構時刻與密 封間隙的接觸面之間緊密貼合，因此，彈簧管的直徑必須不小于編織套管的內徑。
[0053] 若彈簧管的直徑等于編織套管的內徑，當高溫動密封結構在某一時刻處于自然狀 態、即編織套管和彈簧管均處于不壓縮不擴大的自然狀態，下一時刻時密封間隙擴大時，彈 簧管不會產生回彈，因此也不會驅動編織套管擴大，此時高溫動密封結構將與密封間隙的 接觸面之間分離，熱氣流從高溫動密封結構的一側高溫區域流入高溫動密封結構另一側的 低溫區域，密封結構失效。因此，彈簧管的直徑不能等于編織套管的內徑。
[0054] 綜上所述，彈簧管在自然狀態下的直徑必須大于編織套管的內徑。為了將具有較 大直徑的彈簧管植入編織套管內，優選地，沿著編織套管的軸向方向將彈簧管植入編織套 管內具體為：將彈簧管拉伸后，沿著編織套管的軸向方向從編織套管的一端植入編織套管 內；解除對彈簧管的拉伸，彈簧管沿著徑向方向擴張。由于彈簧管的直徑大于編織套管的內 徑，因此能夠與編織套管的內壁緊密貼合。
[0055] 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。根據本發明的優選實施例，在步驟S2 之前進一步包括：根據高溫動密封結構的服役溫度，確定彈簧管的材料。優選地，彈簧管的 材料包括：鎳基合金，或者不銹鋼合金。為保證彈簧管在高溫下仍具有較好的彈性，彈簧管 的材料需選用耐高溫的鎳基合金或其他高溫性能優異的合金絲。若高溫動密封結構用于溫 度較低的工況下，也可以選用耐高溫的不銹鋼合金絲。
[0056] 為了保證彈簧管具有較好的徑向彈性和可收縮性，根據本發明的優選實施例，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。
[0057] 優選地，彈簧管的軸向力F和徑向力P的關系為：
[0060] 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。
[0061] 彈簧管的徑向變形量14為：
[0062] U1=Dq-D 公式 3
[0063] 當軸向力F為0時，即高溫動密封結構在軸向方向不約束，高溫動密封結構的軸向 自由變形，固定D值，即徑向變形量Ur-定，可知徑向力P與I成正比，即徑向力與金屬絲半 徑r的4次方成正比。當金屬絲的半徑r值固定時，編織角度越大，徑向力P值越小。因此 適當增大彈簧管的編織角度，可有效減小彈簧管的彎矩和塑性變形，提高彈簧管的回彈性。 編織角度值應根據具體情況確定。
[0064] S3、向編織套管內的中空部分填充耐高溫隔熱材料，耐高溫隔熱材料具有柔韌性。 向編織套管內的中空部分填充耐高溫隔熱材料能夠進一步減小通過高溫動密封結構的熱 氣流量以及熱量傳遞。優選地，耐高溫隔熱材料為導熱率極低的陶瓷纖維材料，比如耐高溫 高柔性陶瓷纖維或纖維氈。
[0065] 為了保護編織套管內的中空部分填充的隔熱材料、防止彈簧管的軸向伸長和徑向 收縮、保證彈簧管工作時提供適當的徑向回彈力。優選地，在步驟S3之后進一步包括：
[0066] 對高溫動密封結構的兩端進行密封處理。優選地，高溫動密封結構兩端的密封面 上設置有防熱涂層。優選地，若密封面上有防熱涂層，則選取直徑小于Imm小線徑的金屬絲 來編織彈簧管，以防止過大的徑向力對防熱涂層造成損傷或破壞。選取小絲徑金屬絲還可 以有效減小彈簧管受力過程中的最大應力值，減小塑性變形，提高彈簧管的回彈性能。
[0067] 本發明設計的高溫動密封結構為多孔結構，且不存在內熱源，初期瞬態傳熱過程 中，高溫動密封結構內部的氣相和固相溫度未達到平衡，高溫動密封結構的熱響應控制方 程滿足非平衡假設，傳熱控制方程具體形式如下：
[0070] 經過足夠長時間后，動密封結構內部高溫氣體和固體達到穩態，高溫動密封結構 的熱響應控制方程滿足熱平衡假設，具體形式如下
[0072] 式中，帶下標f的三個參數cf、kf和P f分別為高溫動密封結構中氣相的等壓熱容、 導熱系數和密度；帶下標s的三個參數cs、kJP P s分別為高溫動密封結構中固相的等壓熱 容、導熱系數和密度；非平衡假設下，！^表示固相溫度，T f表示氣相溫度；平衡假設下，T 3和 Tf相等，因此用溫度T統一表示；Φ表示孔隙率，h表示氣固換熱系數，V表示氣流速度。
[0073] 針對實際具體動密封環境，分析動密封結構隔熱性能時，一般采用非熱平衡傳熱 控制方程。當氣固換熱系數大于1000 OWAm2. K)，采用熱平衡傳熱控制方程。
[0074] 本發明中，高溫動密封結構采用如圖2所示的結構。圖3示出了根據本發明的彈 簧管的結構示意圖。本發明實施例的高溫動密封結構包括：編織套管5、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6,以及填充在所述編織套管內的中空部分的耐 高溫隔熱材料7,其中，
[0075] 編織套管6的形狀和尺寸根據密封間隙的形狀和大小確定；
[0076] 彈簧管6的參數根據編織套管5的形狀和尺寸以及密封間隙的變化范圍確定；彈 簧管6具有徑向彈性和可收縮性，其自然狀態下的直徑大于編織套管5的內徑；
[0077] 耐尚溫隔熱材料7具有柔初性。
[0078] 優選地，維編織套管5的材料包括陶瓷纖維。
[0079] 優選地，陶瓷纖維包括硅酸鋁纖維，和/或氧化鋁陶瓷纖維。
[0080] 優選地，彈簧管6為由多根金屬絲螺旋交錯編織而成的圓管網狀結構。
[0081] 優選地，彈簧管6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。
[0082] 優選地，彈簧管6的材料包括：鎳基合金，或者不銹鋼合金。
[0083] 優選地，高溫動密封結構的兩端設置有密封面。
[0084] 優選地，密封面上設置有防熱涂層。
[0085] 與現有技術相比，本發明實施例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。本發明能夠對高 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。
[0086] 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種高溫動密封結構的設計方法，包括： 51、 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； 52、 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； 53、 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。2. 如權利要求1所述的設計方法，其中，在步驟Sl之前，所述設計方法進一步包括： 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。3. 如權利要求1所述的設計方法，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。4. 如權利要求1所述的設計方法，其中，在步驟S3之后，所述設計方法進一步包括： 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。5. 如權利要求4所述的設計方法，其中，高溫動密封結構兩端的密封面上設置有防熱 涂層。6. 如權利要求5所述的設計方法，其中，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。7. -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高溫隔熱材料，其中， 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； 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； 所述耐高溫隔熱材料具有柔韌性。8. 如權利要求7所述的高溫動密封結構，其中，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。9. 如權利要求8所述的高溫動密封結構，其中，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。10. 如權利要求8所述的高溫動密封結構，其中，高溫動密封結構的兩端設置有密封 面。
【專利摘要】公開了一種高溫動密封結構及其設計方法。其中，根據本發明的設計方法包括：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。根據本發明，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。
【IPC分類】F16J15/18, F16L59/04
【公開號】CN105134958
【申請號】CN201510489600
【發明人】孟松鶴, 彭祖軍, 金華, 朱燕偉, 許承海
【申請人】哈爾濱工業大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月11日