[发明专利]高温密封系统

说明书

政府权利声明

依据由(AFRL–WPAFB)授予的FA8650-09-D-2922 0002，在美国政府的支持下做出本发明。美国政府在本发明中享有某些权利。

技术领域

本公开大体而言涉及用于极端温度环境中的材料和应用。

背景技术

存在许多高温环境，其中采用基于碳的元素的元件不能持续操作。典型的基于碳的元素在大约和高于700华氏度(F)下遭遇某些严重降解。

更具体而言，滑动部件，诸如包括具有所需部件的活塞和转子装置的线性或往复式应用，越来越多地需要在极端环境中操作。

在一个示例中，流体动压(hydrodynamics)面密封和流体动压周向密封为最小化润滑油泄漏的密封技术。流体动压密封提供一种有吸引力的解决方案，因为它们主要以非接触方式操作，因此增加了密封寿命和在紧凑轴向空间中的可靠性，同时维持严格的密封公差。流体动压面密封以及流体动压周向密封依靠在旋转密封表面与静态密封表面之间压力分布的发展而生成尽可能小的操作间隙。必须在旋转密封表面和静态密封表面上维持良好的表面光洁度以便保持所需的压力分布。尽管流体动压密封在大部分操作中是非接触的，但它们在转子的启动和停止期间经受滑动接触。为了在整个接触操作期间最小化磨损和热裂，并且因此维持高效的流体动压密封，密封部件通常由表现出优良的摩擦和磨损特征的材料制成。

通常由碳制成的传统流体动压密封件并不适合于在诸如超过700华氏度(F)的温度下操作，因为在这样的温度下发生严重的降解氧化。这样的严重降解氧化条件的一个示例在高马赫涡轮航空发动机的燃气涡轮油盘(sump)中出现。一旦密封件损坏，整个油盘便可能出现故障。

在另一应用中，具有以线性方式操作的活塞的发动机采用环和密封件，其具有如本文所指出的相同问题。

因此，需要一种用于操作的系统和方法，其允许增加温度操作同时维持完整性和性能。

发明内容

在一个方面，本系统提供一种用于氧化环境中的密封系统，其包括转子和密封定子。定子包括固体润滑剂或表面处理，而转子被硬化，或者定子被硬化，而转子包括固体润滑剂或表面处理。定子靠近转子定位以提供密封。定子和转子在高于700华氏度(F)的极端温度下是稳固的(robust)，使得定子和转子中的至少一个具有足以维持在定子与转子之间的操作间隙的磨损率和表面粗糙度。

在一个方面，本发明提供一种用于氧化环境中的滑动系统，该滑动系统包括滑动部和密封部。密封部包括固体润滑剂或表面处理，而滑动部被硬化，或者滑动部包括固体润滑剂或表面处理，而密封部被硬化。密封部靠近滑动部定位以提供密封。密封部和滑动部在高于700华氏度(F)的温度下是稳固的，使得密封部和滑动部中的至少一个具有足以维持在密封部与滑动部之间的操作间隙的磨损率和表面粗糙度。

附图说明

当参看附图来阅读下文的详细描述时，本系统的这些和其它特点、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中，相似的附图标记表示相似的部件，其中：

图1为根据本系统的实施例的流体动压密封系统的侧视截面图；

图2为图1的系统的一部分的放大视图；

图3为根据一实施例的流体动压面密封的操作的示意图；

图4描绘了盘在环上(disc-on-ring)的试验设备；

图5为列出了根据图4的设备用于试验的定子和转子中所用的材料的表；

图6为用于图5的转子和定子的试验前和试验后表面粗糙度的图表；

图7为用于图5的转子和定子的试验前和试验后重量变化的图表；

图8为图5的材料在试验期间的平均扭矩的图表；

图9列出了根据图4的设备和图5的材料用于试验的列表数据；

图10为在阶段II试验中试验的定子和转子的表；

图11为图10的转子和定子的试验前和试验后表面粗糙度的图表；

图12为图10的转子和定子的试验前和试验后重量变化的图表；

图13为图10的定子和转子在试验期间的平均扭矩的图表；

图14为图10的定子和转子的试验结果的表；

图15为根据本系统的实施例的活塞和气缸的顶视图；以及

图16为图15的系统的侧视截面图。

具体实施方式

根据本发明的原理，提供用于在极端条件下操作的系统和方法。一个示例为涂层或母体材料，其允许在极端环境下操作，特别是用于滑动元件。