蜂窩密封專利技術綜述

韓蘭蘭+戶秀妹

摘 要：蜂窩密封是非接觸式動態(tài)密封，是針對高溫及高壓差工況開發(fā)的先進密封技術，是當前先進密封技術的前沿性研究方向。目前，蜂窩密封已廣泛應用于航天飛機、大功率火箭軍用及民用飛機和多種艦船的發(fā)動機，以及電力、石化行業(yè)的汽輪機、壓縮機之中， 在減小泄漏量，提高效率以及消除轉子低頻振動等方面，發(fā)揮了重要的作用。本文以蜂窩密封專利技術為研究主題，通過制定檢索策略在專利庫進行相關現有技術的檢索，并針對檢索結果進行了相關專利狀況的分析，包括申請趨勢、地域分布、主要申請人、技術分布等，為該項技術未來的技術研發(fā)和專利申請?zhí)峁┙梃b和啟發(fā)。

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中圖分類號：TQ050 文獻標志碼：A

1 概述

1.1 蜂窩密封簡介

蜂窩密封的密封結構是由密封環(huán)、蜂窩帶和軸等構成一簡單密封結構。蜂窩密封的內孔表面是由蜂巢形狀的六邊形小蜂窩組成，密封環(huán)一般為圓環(huán)形，材質為含Cr的合金鋼，其外圓與密封體相連，內圓則與蜂窩帶通過釬焊連接在一起。蜂窩帶是由一片片沖壓成型的箔片組成，各箔片之間是靠激光點焊焊接在一起。蜂窩帶箔片是由鎳基高溫合金制成，其合金牌號一般選用HASTELLOY X。

1.2 蜂窩密封的起源

蜂窩密封廣泛應用于船舶、航天等行業(yè)，諸如，美國的U-2飛機、烏克蘭GT25000燃氣輪機，我國殲-10飛機發(fā)動機等。在汽輪機上應用蜂窩密封最早是美國西屋公司（WH），西屋公司多用于汽輪機的通流改造中，將低壓缸的末級葉片的級間密封改為蜂窩密封，蜂窩與葉片的間隙為3mm～5mm，其作用是利用蜂窩帶的特殊結構吸附水滴，或者弱化水滴的運行速度，達到有效地除濕和保護葉片，提高局部的真空度，進而提高了機組的效率。然而由于蜂窩密封結構的復雜性，實際應用時主要依靠試驗和長期使用的經驗來確定蜂窩的尺寸。理論分析時，普遍將蜂窩密封壁面簡化成具有一定摩擦因數的粗糙表面，計算與試驗結果有較大的差距。事實上，蜂窩密封中的流動現象并不是強烈地與摩擦有關，而是一種復雜的湍流現象。

1.3 蜂窩密封的優(yōu)點

蜂窩密封與傳統的曲徑式密封相比，具有耐磨損、不傷軸、壽命長、密封效果好等優(yōu)點；蜂窩密封作為一種可磨耗的先進密封結構，有助于提高葉輪機械的效率，減小振動；蜂窩密封允許較小的密封間隙，甚至無安裝間隙；在同樣能保證最小泄漏量的前提下，還能有較抑制密封間隙內的流體激振；另外，蜂窩狀密封在最小的材料質量下密封具有最大的強度，并且允許在高壓降下應用且不增加密封的尺寸，同時簡化了旋轉機械安裝和修理時的裝配工作。

2 專利技術狀況分析

2.1 數據庫的選擇及說明

選用的數據庫為VEN（外文摘要庫）、USTXT、WOTXT、EPTXT（外文全文庫）、CNABS（中文摘要庫）、CNTXT（中文全文庫），于2017年8月2日完成了檢索，故文中統計分析的對象為2017年8月2日之前公開的專利申請。

數據庫部分數據收錄不完整的說明：本文統計的專利申請量少于實際申請量，原因是發(fā)明專利申請通常自申請日起滿18個月才能公開（要求提前公開的除外）；PCT專利申請可能自申請日起30個月甚至更長時間之后才能進入國家階段，導致與之相對應的國家公布更晚；實用新型專利申請在授權后才能獲得公布，其公布日的滯后程度取決于審查周期的長短。

2.2 全球專利申請狀況

2.2.1 申請量趨勢

該領域的技術發(fā)展從1966年開始大致經歷了3個階段：1966年-1981年為第一階段，1981年-2000年為第二階段，2000年以后為第三階段。

第一階段：這一階段，該領域的專利申請持續(xù)發(fā)展，并出現了一次小高峰。1975以前，每年全球專利申請量都在五項以內，且這些專利申請集中于美國，1975以前該技術處于技術摸索時期。在1975年-1981年，蜂窩密封技術迎來了一次技術上的革新，該技術專利申請量首次突破十項，在1975年～1981年期間陸續(xù)有一些英國和日本的技術先進的大公司如ROLLS ROYCE和三菱涉足該領域，其申請量在此期間達到了一次小高峰。蜂窩密封技術在第一階段已經成形，且廣泛分布于美國、英國和日本等技術發(fā)達國家或地區(qū)。

第二階段：在1981年-2000年期間該技術的研究進入平穩(wěn)期，其專利申請量平緩中平穩(wěn)增長，申請量在6項左右。這一時期，美國通用公司、西屋公司仍是研究的主力，日本三菱公司也發(fā)揮了很大作用。

第三階段：這一階段，該領域的全球申請量呈快速上升態(tài)勢，在2010年期間達到二次高峰，其申請量遠遠超過了第一階段和第二階段的最大年申請量。

需要說明的是，由于2016年、2017年申請的專利中有相當一部分還沒有被公開和收錄，因此本文中相關數據統計所顯示的2016年、2017年申請數據并不準確。

2.2.2 申請地域分布

美國專利申請占據主導地位；此外，日本、歐洲、德國也均有一定數量的專利布局；其他方面主要涉及加拿大、英國、俄羅斯等國家的專利申請。

2.2.3 主要申請人

通用公司的蜂窩密封技術起步早，發(fā)展成熟，其專利布局的數量遙遙領先于其他主要申請人；聯合科技、三菱、ROLLS、希哈芬的專利申請量相當，分居第二至五位；隨后的幾位主要申請人如西門子、阿斯通電力、日立等的申請數量相差不大。

2.3 國內專利申請狀況

2.3.1 申請量趨勢

對比國外而言，國內對于蜂窩密封技術的研發(fā)創(chuàng)新起步較晚，最早的專利申請出現在1996年。自2000年起，國內專利申請量總體呈上升趨勢，在2011年出現小高峰；由于數據庫部分數據收錄的不完整性（參見本章2.1節(jié)說明），2016年-2017年的國內專利申請量統計尚不全面。

2.3.2 主要申請來源國家

北京專利申請的數量占據主導地位；此外，遼寧、上海、黑龍江在蜂窩密封技術上也有一定數量的專利申請；其他省份如山東、河北、江蘇、四川等也有一些專利申請。

2.3.3 主要申請人

上海丹迪電力技術有限公司、北京藍愛迪電力技術有限公司的蜂窩密封技術起步早，發(fā)展成熟，其專利布局的數量遙遙領先于其他主要申請人；其余主要申請人的申請數量相差不大，以秦皇島五洲電力設備有限公司、沈陽北碳密封有限公司為代表對蜂窩密封有一定的研究。

2.3.4 技術分支情況

國內專利申請所涵蓋的技術大體可分為以上5類：密封布置（蜂窩密封件在密封環(huán)境中相對于其他組件的布置方式）、蜂窩帶（蜂窩形狀、排列、材料的選擇與設計）、托架（又稱載體/承載件，其結構與材料方面的改良）、制造工藝及其他。

從申請比例來看，國內專利申請中占據主導地位的是密封布置和蜂窩帶方面的技術創(chuàng)新；此外，托架的結構與材料方面的改良技術也有一定申請比例；相對而言，與蜂窩密封的制造工藝相關的國內專利申請較少；歸類于其他方面的技術創(chuàng)新，主要涉及密封補償與應用等。

結語

現有的蜂窩密封技術主要來源于美國，尤以通用電力公司的相關技術最為突出，其具有起步早、發(fā)展成熟、涉及全面的特點。從技術分支來看，蜂窩密封技術整體上主要包括制造工藝、蜂窩帶、托架以及密封布置這四方面的改進。

本文以蜂窩密封專利技術為研究主題，通過制定檢索策略在專利庫進行相關現有技術的檢索，并針對檢索結果進行了相關專利狀況的分析，包括申請趨勢、地域分布、主要申請人、技術分布等，為該項技術未來的技術研發(fā)和專利申請?zhí)峁┙梃b和啟發(fā)。

參考文獻

[1]何立東.蜂窩密封及其應用的研究[J].中國機械工程，2005，16（20）：1855-1857.endprint