一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構的製作方法
2023-05-14 02:39:51 1
專利名稱：一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械密封技術領域，具體涉及一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構。
背景技術：
在葉輪機械尤其是航空發動機中常需要對不同壓力室進行密封，而旋轉件與靜止件之間的密封形式通常有蓖齒密封和刷式密封。蓖齒密封是一種非接觸式密封，為了確保密封蓖齒與旋轉件不發生破壞性幹涉，蓖齒與旋轉件之間一般有相當大的間隙，這導致洩漏量較大。而刷式密封是一種柔性接觸的密封形式，其洩漏量是蓖齒密封的1/5-1/10，並允許動靜之間瞬態嚴重不同心而保持密封能力不變，既提高了機組效率又改善了轉子的穩 定性，是現代先進透平機發展的關鍵技術之一。刷式密封已經應用於航空發動機、工業燃氣輪機和汽輪機等葉輪機械。在航空領域，應用刷式密封是提高航空發動機性能的重要手段，在GE、西門子等世界各大透平公司的技術創新與發展中，都把刷式密封技術研究作為其中的重要內容之一。但是，刷式密封在實際應用中存在有「吹散效應」和「扇狀散開」現象，這導致洩漏量增加，限制了刷式密封在高壓差條件下的應用。申請號為「200780030625. O」的發明專利較詳細的介紹了「吹散效應」和「扇狀散開」，兩種現象的示意圖見圖I和圖2。另外，在壓差有大的變化時，刷絲往往不會有及時的響應，這導致升壓和降壓時洩漏量曲線不同路，即「遲滯效應」。例如，當壓差突然提高時，刷絲沒有及時被「吹下(blow down)」，刷絲間的排列不夠緻密，這將導致洩漏量的突然提高。針對這些不利現象設計性能優異的低洩漏刷式密封結構是亟待解決的問題。申請號為「200780030625. O」的發明專利提出的解決之道是在刷絲區域沿縱向方向設置了薄膜或盤，對刷絲束起到約束和支撐的作用。但是，上述發明專利提到的薄膜或盤將刷絲束在沿(轉軸)軸向方向隔離成數段，造成刷絲間孔隙率變大，在軸向外側的刷絲束可能有整體被「吹散」或「扇狀散開」的危險，沒有從根本上解決問題，且會造成刷絲區的柔度下降。可以設想，如果刷絲間在苛刻工況下(如高壓差、突變壓差)可以自然產生聚合力，那麼就可以緩解乃至消除上述的「吹散效應」、「扇狀散開」和「遲滯效應」等對密封不利的現象。壓電效應是一種很奇特的自然現象。當壓電晶體或壓電陶瓷受到外力而發生形變時，在它的某些表面上會出現與外力成線性比例的電荷累積，這個現象稱為壓電效應。但是壓電陶瓷元件一般具有很大的脆性，硬度高、耐磨，但是容易脆斷。申請號為「200810019459. O」的發明專利提出了一種含有金屬芯的壓電陶瓷纖維，這種纖維包括金屬芯、包覆在金屬芯上的壓電陶瓷及壓電陶瓷表面的電極，其中金屬芯與壓電陶瓷的結合性很好，纖維直徑可在50微米到1000微米之間。這種纖維的金屬芯和外表面的電極可作為壓電陶瓷的兩極，纖維兼具壓電陶瓷的壓電性和金屬芯的剛度和柔性，可作為傳感器或驅動器。
這種「含金屬芯的壓電陶瓷纖維」可以在解決刷式密封的「吹散效應」、「扇狀散開」和「遲滯效應」等方面有所作為。
發明內容
為解決上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構，能夠緩解乃至消除「吹散效應」、「扇狀散開」和「遲滯效應」等對密封不利的現象，進而能夠降低洩露。為達到上述目的，本發明所採用的技術方案是一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構，包括由刷絲4構成的刷絲區3，夾持刷絲區3約束端部的前擋板I和後擋板2，刷絲區3被吹下後與後擋板2接觸，自由端部與轉子接觸，所述刷絲4是由金屬芯41、包覆在金屬芯41外部的壓電陶瓷42、包覆在壓電陶瓷42外部的表面電極43以及包覆在表面電極43外部的絕緣塗層44組成，每根刷絲4與其相鄰的刷絲4的壓電極化方向均相反，在所述刷絲區3的約束端部塗覆有導電層31並被短路 接地。所述刷絲4的極化方向沿刷絲4的徑向，方向不限。所述金屬芯41的直徑為10 200 μ m。所述壓電陶瓷42的外直徑為50 500 μ m。所述表面電極43的材料為銀，其厚度為O. 5 10 μ m。所述絕緣塗層44的材料為環氧樹脂或鐵氟龍,其厚度為O. 5 10 μ m。從橫截面看，所述刷絲4的排布規律為矩形陣列、環形陣列、三角形陣列或平行四邊形陣列。所述刷絲4的橫截面為圓形、橢圓形、矩形、三角形或多邊形。本發明的有益效果為本發明所述結構的刷絲4之間在苛刻工況下(如高壓差、突變壓差)可以產生聚合力，可以緩解乃至消除「吹散效應」、「扇狀散開」和「遲滯效應」等對密封不利的現象，而在一般穩態工況下，刷絲4之間沒有聚合力。所述的聚合力來自於壓電效應產生的靜電力，當高壓差或突變壓差下，刷絲4的自由端會產生撓曲變形，以刷絲束3內部任一根刷絲4a為例,基於壓電效應任一根刷絲4a的表面電極43會產生電荷,而由於任一根刷絲4a與其相鄰的刷絲的壓電極化方向均相反，故任一根刷絲4a與其相鄰的刷絲的表面電極43的電荷極性相反，絕緣塗層44確保各個刷絲產生的相反極性電荷不會馬上被中和掉，由於靜電力，任一根刷絲4a與其相鄰的刷絲會相互吸引，這樣刷絲不易被「吹散」、「散開」，相互吸引的靜電力也會加速刷絲在壓力變化時的響應，緩解「遲滯效應」，從而達到降低洩漏的目的。而在一般穩態工況下，刷絲表面電極43的電荷會慢慢耗散掉，刷絲之間沒有靜電力。另外，由於刷絲4為金屬芯41和壓電陶瓷42的複合結構，這使刷絲4在不失金屬柔性的同時又兼具壓電性。
圖I為本發明實施例I的結構示意圖。圖2為本發明使用的含金屬芯的壓電陶瓷纖維刷絲的結構示意圖。圖3為本發明的刷絲在高壓差或突變壓差下的變形和電荷生成示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。如圖I和圖2所示，本發明一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構，包括由刷絲4構成的刷絲區3，夾持刷絲區3約束端 部的前擋板I和後擋板2，刷絲區3被吹下後與後擋板2接觸，自由端部與轉子接觸以起到密封效果，所述刷絲4是由金屬芯41、包覆在金屬芯41外部的壓電陶瓷42、包覆在壓電陶瓷42外部的表面電極43以及包覆在表面電極43外部的絕緣塗層44組成，每根刷絲4與其相鄰的刷絲4的壓電極化方向均相反，在所述刷絲區3的約束端部塗覆有導電層31並被短路接地，即所有的刷絲4的金屬芯41被短路接地。刷絲4的極化方向沿刷絲4的徑向，方向不限。優選金屬芯41的直徑為10 200 μ m。優選所述壓電陶瓷42的外直徑為50 500 μ m。優選所述表面電極43的材料為銀，其厚度為O. 5 10 μ m。優選所述絕緣塗層44的材料為環氧樹脂或鐵氟龍，其厚度為O. 5 10 μ m。從橫截面看，所述刷絲4的排布規律為矩形陣列、環形陣列、三角形陣列或平行四邊形陣列。本實施例為平行四邊形陣列。所述刷絲4的橫截面為圓形、橢圓形、矩形、三角形或多邊形。本實施例為圓形。如圖3所示，為本發明的刷絲在高壓差或突變壓差下的變形和電荷生成示意圖。當高壓差或突變壓差下，刷絲4的自由端會產生撓曲變形，以刷絲4內部任一根刷絲4a為例，基於壓電效應任一根刷絲4a的表面電極43會產生電荷,而由於任一根刷絲4a與其相鄰的刷絲的壓電極化方向均相反，故任一根刷絲4a與其相鄰的刷絲的表面電極43的電荷極性相反。
權利要求
1.一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構，包括由刷絲(4)構成的刷絲區(3)，夾持刷絲區(3)約束端部的前擋板(I)和後擋板(2)，刷絲區(3)被吹下後與後擋板(2)接觸，自由端部與轉子接觸，其特徵在於所述刷絲(4)是由金屬芯(41)、包覆在金屬芯(41)外部的壓電陶瓷(42)、包覆在壓電陶瓷(42)外部的表面電極(43)以及包覆在表面電極(43)外部的絕緣塗層(44)組成，每根刷絲(4)與其相鄰的刷絲(4)的壓電極化方向均相反，在所述刷絲區(3)的約束端部塗覆有導電層(31)並被短路接地。
2.根據權利I所述的一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構，其特徵在於所述刷絲(4)的極化方向沿刷絲(4)的徑向，方向不限。
3.根據權利I所述的一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構，其特徵在於所述金屬芯(41)的直徑為10 200 μ m。
4.根據權利I所述的一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構，其特徵在於所述壓電陶瓷(42)的外直徑為50 500 μ m。
5.根據權利I所述的一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構，其特徵在於所述表面電極(43)的材料為銀，其厚度為O. 5 10 μ m。
6.根據權利I所述的一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構，其特徵在於所述絕緣塗層(44)的材料為環氧樹脂或鐵氟龍,其厚度為O. 5 10 μ m。
7.根據權利I所述的一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構，其特徵在於從橫截面看，所述刷絲(4)的排布規律為矩形陣列、環形陣列、三角形陣列或平行四邊形陣列。
8.根據權利I所述的一種利用壓電效應的低洩漏的刷式密封結構，其特徵在於，所述刷絲(4)的橫截面為圓形、橢圓形、矩形、三角形或多邊形。
全文摘要
一種利用壓電效應的低洩漏刷式密封結構，包括由刷絲構成的刷絲區，夾持刷絲區約束端部的前擋板和後擋板，刷絲區被吹下後與後擋板接觸，自由端部與轉子接觸，所述刷絲是由金屬芯、包覆在金屬芯外部的壓電陶瓷、包覆在壓電陶瓷外部的表面電極以及包覆在表面電極外部的絕緣塗層組成，每根刷絲與其相鄰的刷絲的壓電極化方向均相反，在所述刷絲區的約束端部塗覆有導電層並被短路接地；本發明能夠緩解乃至消除「吹散效應」、「扇狀散開」和「遲滯效應」等對密封不利的現象，進而能夠降低洩露。
文檔編號F01D11/00GK102900476SQ20121035556
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者黃首清, 索雙富, 李永健, 譚世勇, 黃偉峰, 王玉明 申請人:清華大學