一种高温动密封结构及其设计方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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 IOO(TC)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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 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：
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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。
[0010] 优选地，在步骤Si之前，所述设计方法进一步包括：
[0011] 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。
[0012] 优选地，所述编织套管的材料包括陶瓷纤维。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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：
[0016] 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；
[0017] 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。
[0018] 优选地，所述弹簧管的轴向力F和径向力P的关系为：
[0021] 式中，η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，D。为自然状态下弹簧管的直径，D为变形 后弹簧管的直径，α。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。
[0022] 优选地，在步骤S2之前，所述设计方法进一步包括：
[0023] 根据高温动密封结构的服役温度，确定所述弹簧管的材料。
[0024] 优选地，所述弹簧管的材料包括：镍基合金，或者不锈钢合金。
[0025] 优选地，在步骤S3之后，所述设计方法进一步包括：
[0026] 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。
[0027] 优选地，高温动密封结构两端的密封面上设置有防热涂层。
[0028] 优选地，采用直径小于Imm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。
[0029] 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 部分的耐尚温隔热材料，其中，
[0030] 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；
[0031] 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；
[0032] 所述耐高温隔热材料具有柔韧性。
[0033] 优选地，所述维编织套管的材料包括陶瓷纤维。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 优选地，所述弹簧管的材料包括：镍基合金，或者不锈钢合金。
[0038] 优选地，高温动密封结构的两端设置有密封面。
[0039] 优选地，所述密封面上设置有防热涂层。
[0040] 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】
[0041] 图1为根据本发明的高温动密封结构的应用工况示意图。
[0042] 图2为根据本发明的高温动密封结构的示意图。
[0043] 图3为根据本发明的弹簧管的结构及受力示意图。
[0044] 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】
[0045] 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。
[0046] 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
[0047] 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 -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。
[0048] 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SI 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。
[0049] 高温动密封结构的服役温度非常高，往往大于1000°C。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Sl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。
[0050] 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。
[0051] 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