叶尖与定子之间利用磨损带的间隙密封技术分析

2015-04-27国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心江苏苏州215000

山东工业技术 2015年4期

关键词：叶尖子叶申请量

刘　京（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心,江苏　苏州　215000）

刘京
（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心,江苏苏州215000）

本文简要介绍了对转子叶尖与定子之间利用磨损带的间隙密封的涂层密封，蜂窝密封，刷式密封三种密封形式，以以上三种主要密封形式的专利申请数据为基础，得出该领域主要申请人的历年申请状况，并重点对涂层密封的技术发展路线进行梳理。

叶尖；定子；间隙密封；涂层

0　前言

叶轮机械中，转子叶片在壳体内部并相对于壳体转动，为了避免转子叶片在转动时与壳体之间碰摩，转子叶片顶部和壳体径向内表面之间通常留有间隙，叶片顶部附近的流体在间隙两侧压差作用下流过间隙，形成间隙泄漏流动，间隙泄漏流动和叶栅通道中的工作流体相互作用导致流动损失增加。叶尖间隙泄漏流动是涡轮发动机中最具影响的流动现象之一[1]。由于叶尖间隙流动对涡轮性能影响明显，研究人员从20世纪50年代开始在涡轮转子叶尖间隙泄漏流动的生成及发展过程、流动结构、损失机理等方面开展了广泛的研究，逐步揭示了涡轮转子叶尖间隙泄漏流动以及损失机理，并在此基础上进一步进行间隙泄漏流动的控制研究，采取措施抑制泄漏流动，减少泄漏流动的影响，提高涡轮性能[2]。

1　三种密封形式简介

利用磨损带这一密封方式进行转子叶尖和定子之间间隙的密封，主要具有以下几种具体实现方式：涂层密封，蜂窝密封，刷式密封。

1.1涂层密封

涂层密封通过采用热喷涂技术在壳体内表面喷涂可磨耗密封涂层形成,其与叶片顶部的硬质涂层形成一对可磨耗密封磨损副,在运行过程中能形成理想的径向间隙,从而能够有效减少泄漏。涂层密封由于其生产工艺简便，封严效果好而得到了广泛应用，航空工业、汽轮机、涡轮增压器等涡轮机械均具有应用

1.2蜂窝密封

蜂窝密封由密封体和蜂窝带构成，蜂窝带由可磨损材料制成，可以将叶尖与壳体间隙缩小，已应用于汽轮机、燃气轮机、航空发动机。

1.3刷式密封

刷式密封是近年发展起来的一种阻尼密封，刷式密封与转动部件的接触面是由细密的金属丝组成，避免了因直接长时间与转动部件碰磨后而导致密封件与转动部件之间密封间隙增大。

2　主要申请人分析

根据申请量排名，申请量最大的公司为通用公司（包括通用电气和通用汽车），其次为联合工艺，而MTU航空发动机股份有限公司（MOTU）、罗尔斯•罗伊斯（RORO）、西门子、阿尔斯通，这些申请人在该领域也具有较多的研究。根据申请人的国别，以美国居首，其申请量占总申请量的50%，其次是德国，占比23%，英国12%，法国8%，日本4%，瑞士3%。由于转子叶尖与定子之间的间隙密封应用在涡轮发动机上，以上占比与这些国家涡轮发动机的发展状况及研究量相关。

通用、联合工艺从1990年至今在该领域的研究始终没有中断，而西门子和阿尔斯通则是在1996年之后保持持续研究；另外，通用虽然在该领域申请量最大，但从近几年的申请情况来看，2008年至2010年间，申请量最大的申请人为联合工艺，2011年至2012年这两年间，申请量最大的为阿尔斯通。可见，联合工艺和阿尔斯通近些年在该领域的研究投入及保护力度具有明显增加的趋势。

3　涂层密封发展脉络分析

涂层密封作为三种密封形式中应用最为广泛、且申请量也最大的一种主要的密封形式，下面对其发展脉络进行梳理。

在1951年，联合飞机公司提出了用于压缩机的涂层结构。在1956年，通用公司提出用于压缩机的密封涂层，具体可以通过刷、喷涂等工艺方法将涂层附着在壳体内部；1967年，福特公司提出了通过火焰喷涂的工艺，形成能够应用于高温的涂层。1980年，USAS公司提出了采用等离子喷涂的方式，在基底上形成一层多孔材料，在多孔材料上喷涂一种可磨耗的陶瓷材料涂层，减少工作时涂层的热应力。1987年，联合工艺公司提出了带有磨料颗粒的涂层，提高涂层对高温的适应性。1991年，SULZERPLASMATECHNIK公司提出了一种用于形成涂层的热喷涂粉末，该粉末中具有固体润滑剂。进而，1998年，SULZ公司提出了一种新的涂层附着方式，在基体上形成有附着骨架，将涂层材料喷涂到骨架上，使涂层具有更好的耐膨胀性、更好的抗脱离性能。2004年，阿尔斯通公司提出了不同叶片具有不同厚度的涂层，从而减少与定子接触对叶片顶部的损坏。2009年，通用公司提出了由具有不同晶格系统的材料形成的软相和硬相材料形成的多层状密封涂层，降低了流体的渗透性。2012年，MOTI公司提出了一种电弧喷涂工艺，该电弧形成于两种不同材料的电极之间，从而降低喷涂的成本。

可见，为了满足不同场所、不同应用环境的涂层性能需求，涂层密封经历了长久的发展历程；结构上，由简单涂层，带有网格图案的涂层，带有磨料颗粒的涂层，然后发展为多层涂层；工艺上，主要从热稳定性、摩擦系数、抗氧化性等角度提高涂层的性能。