金属蜂窝结构最早是应用于飞机工业,由于其具有优良的轻质结构、高温强度、耐热、耐腐蚀、吸能减震等性能,再加上它易于焊接、表面处理、变形等加工特性,便迅速技术性渗透到其他工业。燃气轮机和汽轮机中就广泛应用蜂窝气(汽)封来实现密封。
一、蜂窝气(汽)封的结构
蜂窝气(汽)封的内表面是由正六面体形状的蜂窝孔规则排列而成的蜂窝带构成,其材质通常是由厚度仅为0.05mm-0.10mm的镍基高温合金、不锈钢等材料在特殊成型设备上制成的正六面体网格,再经特殊焊接设备焊接而成的,根据密封环体尺寸制成的蜂窝带在真空钎焊炉中焊接在母体密封环上,组成了蜂窝气(汽)封,成为蜂窝密封最典型的应用之一。
二、蜂窝气封在燃气轮机中的密封
在燃气轮机中担负蜂窝密封作用的称为“蜂窝气封”。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平(涡轮)等组成。
燃气轮机的工作过程是,压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩;压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气,随即流入燃气透平中,推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转;加热后的高温燃气的做功能力显著提高,因而燃气透平在带动压气机的同时,还可以输出机械功。
蜂窝气封为可磨耗气封,用于燃气轮机涡轮部分和压气机部分。在运行过程中,篦齿通过磨耗切入气封的可磨蚀的蜂窝中,从而将间隙减小到其他方法难以实现的程度,以减小漏气量。
三、蜂窝汽封在汽轮机中的密封
在汽轮机中担负蜂窝密封作用的称为“蜂窝汽封”。汽轮机的工作过程是,具有一定压力、温度的蒸汽,进入汽轮机,流过喷嘴并在喷嘴内膨胀获得很高的速度。高速流动的蒸汽流经汽轮机转子上的动叶片做功,当动叶片为反动式时,蒸汽在动叶中发生膨胀产生的反动力亦使动叶片做功,动叶带动汽轮机转子,按一定的速度均匀转动。这就是汽轮机最基本的工作原理。从能量转换的角度讲,蒸汽的热能在喷嘴内转换为汽流动能,动叶片又将动能转换为机械能,反动式叶片,蒸汽在动叶膨胀部分,直接由热能转换成机械能。
汽轮机蜂窝封严是将金属蜂窝封严结构应用于汽轮机通流部分隔板与转轴之间,动叶顶部和汽缸之间、汽轮机汽缸两端与主轴之间间隙的密封。
汽轮机在工作时转子高速旋转,静子固定,因此转子和静子之间必须保持一定的间隙,不使相互摩擦。蒸汽流过汽轮机各级工作时,压力、温度逐级下降,在隔板两侧存在着压差。当动叶片有反动度时,动叶片前后也存在着压差。蒸汽除了绝大部分从导叶、动叶的通道中流过做功外,一小部分会从各种间隙中流过而不做功,成为一种损失,降低了机组的效率。
转子还必须穿出汽缸,支撑在轴承上,此处也必然要留有间隙。对于高压汽缸两端和中压汽缸的前端,汽缸内的蒸汽压力大于外界大气压力,此处将有蒸汽漏出来,降低了机组效率,并造成部分凝结水损失。在中压缸的排气端和低压缸的两端因汽缸内的蒸汽压力低于外界的大气压力,在主轴穿出汽缸的间隙中,将会有空气漏入汽缸中。由于空气在凝汽器中不能凝结,从而降低了真空度,减小了蒸汽做功能力。
为了减小上述各处间隙中的漏气,又要保证汽轮机正常安全运行,设计了各种汽封。这些汽封可分为隔板汽封、叶顶汽封(又称尾带汽封)和轴端汽封三大类。
蜂窝密封仍将广泛应用于航空、航天、船舶、发电等诸多行业。