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密封，是針對高溫及高壓差工況開發的先進密封技術，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動機，以及電力、石化行業的汽輪機、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和專利申請提供借鑒和啟發。

關鍵詞：

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、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，密封環一般為圓環形，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，諸如，美國的U-2飛機、烏克蘭GT25000燃氣輪機，我國殲-10飛機發動機等。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發展，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達國家或地區。

第二階段：在1981年-2000年期間該技術的研究進入平穩期，其專利申請量平緩中平穩增長，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創新起步較晚，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和專利申請提供借鑒和啟發。

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