一种栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构

摘要

一种栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构，包括栅板，栅板的一面加工有微米量级厚度的下凹的台阶，多个加工面朝向一致的栅板堆叠安装在安装槽内，形成非等厚度气膜的栅板密封结构，且台阶靠近栅板密封结构高压侧。在栅板之间形成具有阶梯厚度的气膜，由于流体静压效应作用，该气膜具有一定刚度，从而调节栅板间间隙，使间隙自动均匀分配，而均匀分布的间隙具有最小的泄漏量。因此，本发明具有在相同工作温度跨度下大幅降低泄漏量，以及抗轴向扰动的能力。

权利要求

1.一种栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构，其特征在于，包括栅板(1)，栅板(1)的一面加工有微米量级厚度的下凹的台阶(2)，台阶(2)靠近栅板密封结构的高压侧，面积占栅板(1)单面总面积的0.1～0.8，使得在栅板之间形成具有阶梯厚度的气膜，由于流体静压效应作用，该气膜具有一定刚度，从而起到调节栅板间间隙，使间隙自动均匀分配的作用，多个加工面朝向一致的栅板(1)堆叠安装在安装槽(3)内，形成非等厚度气膜的栅板密封结构。

2.根据权利要求1所述栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构，其特征在于，所述栅板(1)的厚度为1～15mm左右，台阶(2)的厚度Δh为1～100μm。

3.根据权利要求1所述栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构，其特征在于，所述栅板(1)通过弹性元件(4)以及桥接元件(5)堆叠安装在安装槽(3)内，其中桥接元件(5)设置于堆叠的栅板(1)的侧面，弹性元件(4)设置于桥接元件(5)与安装槽(3)之间。

4.根据权利要求3所述栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构，其特征在于，所述栅板(1)与桥接元件(5)以及安装槽(3)均不固连，栅板(1)间相互不固连，栅板(1)在弹性元件(4)载荷与摩擦力的共同作用下与侧壁(6)保持一定的接触。

5.根据权利要求3所述栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构，其特征在于，所述安装槽(3)为倒U形槽，弹性元件(4)设置于槽底与桥接元件(5)之间，堆叠的栅板(1)的两端面与槽的两竖直内壁接触，侧壁(6)设置在倒U形槽的开口位置下方。

6.根据权利要求1所述栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构，其特征在于，所述栅板(1)沿厚度的投影面为多边形、带曲边的多边形或弧形，其棱边结构带圆角、倒角或保持锐边。

7.根据权利要求1所述栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构，其特征在于，所述台阶(2)形状为三角形、矩形、多边形、圆、椭圆、双曲线及样条曲线，台阶(2)为单级或多级样式，台阶间的过渡样式为直角、斜面或弧形。

说明书

一种栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构

技术领域

[0001] 本发明属于栅板密封技术领域，特别涉及一种栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构。

背景技术

[0002] 根据现有文献【Jeffrey J.DeMange,Patrick H.Dunlap,Bruce M.Steinetz,Gary J.Drlik and Analex Corporation“, An Evaluation of High Temperature Airframe Seals for Advanced Hypersonic Vehicles,”NASA/TM—2007-215043,AIAA–2007–5743,October 2007】、【Bruce M.Steinetz,”High Temperature Performance Evaluation of a Hypersonic Engine Ceramic Wafer seal”,NASA-TM-103737,N91-22567】，栅板密封结构用于可变流道的一种直线型滑动密封。现有技术中，栅板采用规则的六面体形状，所形成的气膜为等厚度气膜，根据可压缩流体的雷诺方程推导，其压力分布与气膜厚度无关，即气膜没有刚度，因此在工作温度变化或受到轴向扰动时，其栅板间的间隙增加无法自行调节，间隙集中于某一两处栅板间导致泄漏量急剧加大，存在工作温度范围窄，抗扰动能力差的问题。

发明内容

[0003] 为了克服上述现有技术的缺点，增加栅板密封结构温度工作范围和抗扰动能力，增强其适应性，本发明的目的在于提供一种栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构，可以使气膜产生刚度，并可在栅板间产生局部间隙变化时自动实现间隙的均匀分配，从而更好地适应温度跨度大的工作条件。

[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0005] 一种栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构，包括栅板1，栅板1的一面加工有微米量级厚度的下凹的台阶2，多个加工面朝向一致的栅板1堆叠安装在安装槽3内，形成非等厚度气膜的栅板密封结构。

[0006] 当栅板1两侧气膜厚度不一致时，两侧气膜力不一致，栅板1会在气膜力作用下运动，使两气膜达到一致，达到自动均匀栅板间隙的效果。

[0007] 优选地，所述台阶2靠近栅板密封结构的高压侧，所述栅板1的厚度为1～15mm左右，台阶2的厚度Δh为1～100μm，台阶2的面积占栅板1单面总面积的0.1～0.8，使得在栅板之间形成具有阶梯厚度的气膜，由于流体静压效应作用，该气膜具有一定刚度，即在栅板间间隙气膜厚度增大时，气膜力减小，从而起到调节栅板间间隙，使间隙自动均匀分配的作用。

[0008] 优选地，所述栅板1通过弹性元件4以及桥接元件5堆叠安装在安装槽3内，其中桥接元件5设置于堆叠的栅板1的侧面，弹性元件4设置于桥接元件5与安装槽3之间。

[0009] 优选地，所述栅板1与桥接元件5以及安装槽3均不固连，栅板1间相互不固连，栅板1在弹性元件4载荷与摩擦力的共同作用下与侧壁6保持一定的接触。

[0010] 优选地，所述安装槽3为倒U形槽，弹性元件4设置于槽底与桥接元件5之间，堆叠的栅板1的两端面与槽的两竖直内壁接触，侧壁6设置在倒U形槽的开口位置下方。

[0011] 优选地，所述栅板1沿厚度的投影面可以选择多边形、带曲边的多边形、弧形等形状，其棱边结构可以选择带圆角、倒角以及保持锐边。

[0012] 优选地，所述台阶2形状可选择三角形、矩形、其他多边形以及圆、椭圆、双曲线及样条曲线等多种形式，台阶可选择单级或多级样式，台阶间的过渡样式可选择直角、斜面、弧形等形式，在此基础上进行任意组合。

[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0014] 1、使作用在栅板上的气膜力随着气膜厚度增加而减小，达到平衡栅板两侧气膜厚度的作用。

[0015] 2、在受到扰动时，具有自动保持泄漏量最小的趋势。

附图说明

[0016] 图1是本发明自调整的栅板密封结构示意图。

[0017] 图2是其他组织形式的栅板形状示意图，其中a为常规形式，b，c为不同栅板形状，d、e、f、g为不同台阶形状，h、i为不同过渡形式，j、k为组合示例。

[0018] 图3是实施例1的效果图。

[0019] 图4是实施例2的工作形式示意图。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

[0021] 本发明一种栅板堆叠间隙自调整的栅板密封结构，参考图1，包括栅板1，在栅板1的一面加工有微米量级厚度的下凹的台阶2，多个加工面朝向一致的栅板1堆叠安装在安装槽3内，形成非等厚度气膜的栅板密封结构，其中台阶2靠近栅板密封结构高压侧。在栅板1之间形成具有阶梯厚度的气膜，由于流体静压效应作用，该气膜具有一定刚度，从而调节栅板间隙，使间隙自动均匀分配，而均匀分布的间隙具有最小的泄漏量。因此，本发明具有在相同工作温度跨度下大幅降低泄漏量，以及抗轴向扰动的能力。

[0022] 其中，安装槽3可为倒U形槽，栅板1侧放堆叠，堆叠的栅板1通过弹性元件4以及桥接元件5安装在安装槽3内，其中桥接元件5设置于堆叠的栅板1的上侧面(将堆叠栅板的加工面以及加工面的相对面为左右端面，其余面分别定义为上侧面、下侧面、前侧面、后侧面)，弹性元件4设置于桥接元件5与安装槽3的槽底之间。堆叠的栅板1的左右端面与槽的两竖直内壁接触，侧壁6设置在倒U形槽的开口位置下方。

[0023] 栅板1与桥接元件5以及安装槽3均不固连，栅板1间相互不固连，栅板1的下侧面在弹性元件4载荷与摩擦力的共同作用下与同安装槽3的槽底相对的侧壁6保持一定的接触。

[0024] 本发明中，栅板1的厚度为1～15mm左右，台阶2的厚度Δh为1～100μm，台阶2的面积占栅板1单面总面积的0.1～0.8。

[0025] 栅板1沿厚度的投影面可以选择多边形、带曲边的多边形、弧形等形状，其棱边结构可以选择带圆角、倒角以及保持锐边。

[0026] 台阶2形状可选择三角形、矩形、其他多边形以及圆、椭圆、双曲线及样条曲线等多种形式，台阶可选择单级或多级样式，台阶间的过渡样式可选择直角、斜面、弧形等形式，在此基础上进行任意组合。

[0027] 参考图2，其中a为常规形式，b，c为不同栅板形状，d、e、f、g为不同台阶形状，h、i为不同过渡形式，j、k为组合示例。

[0028] 以下是两个具体的实施例，以证实本申请之效果。

[0029] 实施例1

[0030] 参考图1，图3，假设采用图2中a所示的，栅板一角开矩形的槽型，则堆叠后所产生的气膜投影形状为矩形，高压侧带投影面为矩形的凸起，其中，凸起部分厚度为台阶2厚度Δh，这是不变的，不含凸起的厚度为栅板间距h0，是可变的，当栅板面积为12×20mm，台阶2面积为6×10mm时，密封高压侧为相邻两边界(设为左和上)，压力为0.8MPa，低压侧位于右边界，与下边界相接的3.5mm长度，压力为0.1MPa，在右边界和下边界，压力的平方与位置成线性关系，则气膜力与栅板间隙h0的关系见图3a，通过插值得到气膜刚度与栅板间隙的关系见图3b。可见，在不同的台阶2厚度下，该结构均使气膜产生105N/m量级的刚度。

[0031] 实施例2

[0032] 参考图1，图4，图4所示为RBCC二元进气道的几何模型，固定壁面10与可移动平板8通过铰链7连接，所围成的空间形成可变流道9。本发明栅板结构安装在可移动平板8上，与侧壁接触形成密封结构，铰链7的转动角度小，速度慢，因此，该密封结构可看做平行移动的直线密封结构。栅板密封结构的泄漏量与间隙的立方呈正比，即 因此，泄漏量对间隙变化特别敏感。以温度变化为例：栅板材料一般为耐高温的复合陶瓷材料，流道壁面和栅板安装槽3的材料则一般为耐高温合金。而两种材料之间的热膨胀系数分别为2～4×10-6m/m*·℃和12～18×10-6m/m*·℃，假设热膨胀均为线性的，设安装槽3的线膨胀系数为αmetal，栅板1的线膨胀系数为αceramics，栅板密封结构长度为L，当栅板密封结构温度跨度为ΔT时，两者之间会产生变形差Δε＝L*ΔT(αmetal-αceramics)。假设栅板厚度为t mm，堆叠数量为N片，则L＝t×N，栅板间间隙数量为N+1；假设材料的线膨胀系数差为10×10-6m/m*·℃，则温度每升高100℃，变形差将达到t×Nμm，原有结构，该变形差会集中于某一两处栅板间隙上，假设该间隙集中在安装槽3两端，则泄漏量升高为
采用本发明的栅板密封结构，其变形将会均匀分布至各
处间隙，则泄漏量升高为 通常，h0初始值都在1μ
m以下，t×N在数值上则在102量级，且N数量远大于1(N>10)，因此，两者泄漏量升高比例可近似表示为 和 在同等温差下，本发明结构泄漏量可达到
原有技术的4/(N+1)2。