密封间隙缩小时，运动部件压缩高温动密封结构最 外层的编织套管，编织套管压缩植入在其内部的弹簧管；当密封间隙扩大时，处于压缩状态 的弹簧管回弹，驱动编织套管扩大，从而保证编织套管的外侧始终与密封间隙的接触面紧 密结合。
[0052] 若弹簧管的直径小于编织套管的内径，当运动部件压缩高温动密封结构最外层的 编织套管时，编织套管会先经历一段空压缩过程，然后才能压缩到植入在其内部的弹簧管； 当密封间隙扩大、处于压缩状态的弹簧管回弹时，弹簧管会先经历一段时间的扩大后才能 触碰到编织套管，并驱动编织套管扩大，这种情况将导致密封间隙的扩大和缩小的过程与 高温动密封结构的扩大和缩小过程之间存在时间延迟，无法保证高温动密封结构时刻与密 封间隙的接触面之间紧密贴合，因此，弹簧管的直径必须不小于编织套管的内径。
[0053] 若弹簧管的直径等于编织套管的内径，当高温动密封结构在某一时刻处于自然状 态、即编织套管和弹簧管均处于不压缩不扩大的自然状态，下一时刻时密封间隙扩大时，弹 簧管不会产生回弹，因此也不会驱动编织套管扩大，此时高温动密封结构将与密封间隙的 接触面之间分离，热气流从高温动密封结构的一侧高温区域流入高温动密封结构另一侧的 低温区域，密封结构失效。因此，弹簧管的直径不能等于编织套管的内径。
[0054] 综上所述，弹簧管在自然状态下的直径必须大于编织套管的内径。为了将具有较 大直径的弹簧管植入编织套管内，优选地，沿着编织套管的轴向方向将弹簧管植入编织套 管内具体为：将弹簧管拉伸后，沿着编织套管的轴向方向从编织套管的一端植入编织套管 内；解除对弹簧管的拉伸，弹簧管沿着径向方向扩张。由于弹簧管的直径大于编织套管的内 径，因此能够与编织套管的内壁紧密贴合。
[0055] 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。根据本发明的优选实施例，在步骤S2 之前进一步包括：根据高温动密封结构的服役温度，确定弹簧管的材料。优选地，弹簧管的 材料包括：镍基合金，或者不锈钢合金。为保证弹簧管在高温下仍具有较好的弹性，弹簧管 的材料需选用耐高温的镍基合金或其他高温性能优异的合金丝。若高温动密封结构用于温 度较低的工况下，也可以选用耐高温的不锈钢合金丝。
[0056] 为了保证弹簧管具有较好的径向弹性和可收缩性，根据本发明的优选实施例，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。
[0057] 优选地，弹簧管的轴向力F和径向力P的关系为：
[0060] 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。
[0061] 弹簧管的径向变形量14为：
[0062] U1=Dq-D 公式 3
[0063] 当轴向力F为0时，即高温动密封结构在轴向方向不约束，高温动密封结构的轴向 自由变形，固定D值，即径向变形量Ur-定，可知径向力P与I成正比，即径向力与金属丝半 径r的4次方成正比。当金属丝的半径r值固定时，编织角度越大，径向力P值越小。因此 适当增大弹簧管的编织角度，可有效减小弹簧管的弯矩和塑性变形，提高弹簧管的回弹性。 编织角度值应根据具体情况确定。
[0064] S3、向编织套管内的中空部分填充耐高温隔热材料，耐高温隔热材料具有柔韧性。 向编织套管内的中空部分填充耐高温隔热材料能够进一步减小通过高温动密封结构的热 气流量以及热量传递。优选地，耐高温隔热材料为导热率极低的陶瓷纤维材料，比如耐高温 高柔性陶瓷纤维或纤维毡。
[0065] 为了保护编织套管内的中空部分填充的隔热材料、防止弹簧管的轴向伸长和径向 收缩、保证弹簧管工作时提供适当的径向回弹力。优选地，在步骤S3之后进一步包括：
[0066] 对高温动密封结构的两端进行密封处理。优选地，高温动密封结构两端的密封面 上设置有防热涂层。优选地，若密封面上有防热涂层，则选取直径小于Imm小线径的金属丝 来编织弹簧管，以防止过大的径向力对防热涂层造成损伤或破坏。选取小丝径金属丝还可 以有效减小弹簧管受力过程中的最大应力值，减小塑性变形，提高弹簧管的回弹性能。
[0067] 本发明设计的高温动密封结构为多孔结构，且不存在内热源，初期瞬态传热过程 中，高温动密封结构内部的气相和固相温度未达到平衡，高温动密封结构的热响应控制方 程满足非平衡假设，传热控制方程具体形式如下：
[0070] 经过足够长时间后，动密封结构内部高温气体和固体达到稳态，高温动密封结构 的热响应控制方程满足热平衡假设，具体形式如下
[0072] 式中，带下标f的三个参数cf、kf和P f分别为高温动密封结构中气相的等压热容、 导热系数和密度；带下标s的三个参数cs、kJP P s分别为高温动密封结构中固相的等压热 容、导热系数和密度；非平衡假设下，！^表示固相温度，T f表示气相温度；平衡假设下，T 3和 Tf相等，因此用温度T统一表示；Φ表示孔隙率，h表示气固换热系数，V表示气流速度。
[0073] 针对实际具体动密封环境，分析动密封结构隔热性能时，一般采用非热平衡传热 控制方程。当气固换热系数大于1000 OWAm2. K)，采用热平衡传热控制方程。
[0074] 本发明中，高温动密封结构采用如图2所示的结构。图3示出了根据本发明的弹 簧管的结构示意图。本发明实施例的高温动密封结构包括：编织套管5、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6,以及填充在所述编织套管内的中空部分的耐 高温隔热材料7,其中，
[0075] 编织套管6的形状和尺寸根据密封间隙的形状和大小确定；
[0076] 弹簧管6的参数根据编织套管5的形状和尺寸以及密封间隙的变化范围确定；弹 簧管6具有径向弹性和可收缩性，其自然状态下的直径大于编织套管5的内径；
[0077] 耐尚温隔热材料7具有柔初性。
[0078] 优选地，维编织套管5的材料包括陶瓷纤维。
[0079] 优选地，陶瓷纤维包括硅酸铝纤维，和/或氧化铝陶瓷纤维。
[0080] 优选地，弹簧管6为由多根金属丝螺旋交错编织而成的圆管网状结构。
[0081] 优选地，弹簧管6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。
[0082] 优选地，弹簧管6的材料包括：镍基合金，或者不锈钢合金。
[0083] 优选地，高温动密封结构的两端设置有密封面。
[0084] 优选地，密封面上设置有防热涂层。
[0085] 与现有技术相比，本发明实施例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。本发明能够对高 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。
[0086] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种高温动密封结构的设计方法，包括： 51、 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； 52、 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； 53、 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。2. 如权利要求1所述的设计方法，其中，在步骤Sl之前，所述设计方法进一步包括： 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。3. 如权利要求1所述的设计方法，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。4. 如权利要求1所述的设计方法，其中，在步骤S3之后，所述设计方法进一步包括： 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。5. 如权利要求4所述的设计方法，其中，高温动密封结构两端的密封面上设置有防热 涂层。6. 如权利要求5所述的设计方法，其中，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。7. -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高温隔热材料，其中， 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； 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； 所述耐高温隔热材料具有柔韧性。8. 如权利要求7所述的高温动密封结构，其中，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。9. 如权利要求8所述的高温动密封结构，其中，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。10. 如权利要求8所述的高温动密封结构，其中，高温动密封结构的两端设置有密封 面。
【专利摘要】公开了一种高温动密封结构及其设计方法。其中，根据本发明的设计方法包括：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。根据本发明，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。
【IPC分类】F16J15/18, F16L59/04
【公开号】CN105134958
【申请号】CN201510489600
【发明人】孟松鹤, 彭祖军, 金华, 朱燕伟, 许承海
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月11日