[发明专利]一种基于SMA恒力弹簧的提高石墨封严寿命的方法

说明书

技术领域

本发明属于航空发动机或地面燃气轮机上的封严的技术领域，特别涉及一种基于SMA恒力弹簧的提高石墨封严寿命的方法，其利用SMA材料设计恒力弹簧，并将其用于石墨封严装置，有效地减小了石墨在工作过程中的磨损，从而大大延长了石墨封严使用寿命的方法。

背景技术

石墨封严是目前航空发动机或地面燃气轮机上普遍采用的封严方式，它是一种损耗封严方法，随着工作时间的增加，用于封严的石墨环会被磨损，当磨损进行到一定程度时，石墨封严就会失效。目前对于石墨快速磨损的问题尚没有有效的解决方案，在实际工程中，往往是通过定期对石墨件进行更换来保证封严的有效性。但是，由于石墨件磨损比较快，更导致维护成本过高，经济性变差，因此需要延长石墨封严的使用寿命，减少石墨件的更换次数，降低维护成本，提高经济性。

发明内容

本发明主要解决现有航空发动机或地面燃气轮机上采用的石墨封严装置在使用过程中石墨磨损过快，导致使用及维护成本增加，经济性变差的问题，提供了一种利用形状记忆合金（SMA）材料的超弹性特性设计恒力弹簧，减小工作过程中作用在石墨件上的压紧力，极大减小石墨件工作过程中的磨损，有效延长石墨封严寿命的方法。

本发明采用的技术方案为：一种基于SMA恒力弹簧的提高石墨封严寿命的方法，该方法能够在典型的石墨封严装置上实现，该封严装置由转子轴，轴承，滑油通道，石墨件，机匣支承点和SMA恒力弹簧组成，滑油通过油泵加压后沿滑油通道流入轴承腔对轴承进行润滑，为了防止滑油泄漏，通道端面通过石墨件进行封严，由于滑油通常具有一定的压力，为了保证封严效果良好，需要在石墨件上施加一定压紧力，该压紧力是通过SMA恒力弹簧来提供，由于SMA恒力弹簧具有恒力段，能保证对石墨件的压紧力恒定，而且其大小略大于封严所需要的临界压紧力，和普通弹簧相比，减小了石墨件的磨损，延长了石墨封严使用寿命，其中，普通弹簧为了保证在石墨件整个设计段内都能提供大于临界压紧力F₀的压紧力，则由于其力和变形是线性增加的，在石墨件还未磨损时，普通弹簧作用在石墨件上的压紧力非常大，这样，在石墨件的整个磨损过程中，作用在石墨件上的平均压紧力为F_avg1，而采用的SMA恒力弹簧后，由于该弹簧具有恒力段，保证在石墨件整个磨损过程中，作用在其上的力基本为略大于临界压紧力F₀的恒定力F_avg2，由于F_avg2远小于F_avg1，使得在采用SMA恒力弹簧后，石墨件在单位时间内的磨损量大大降低，极大地延长了石墨件的使用寿命。

其中，所述SMA弹簧的恒力段长短对石墨封严装置的寿命影响比较大，因此选择最大可回复相变应变较大的SMA材料制作该SMA弹簧；

其中，SMA材料在发生屈服进行恒力段前，必须先经历一定的弹性段，对于NiTi记忆合金而言，发生屈服进行恒力段时的等效应变通常在1%左右，为了使SMA弹簧的恒力段足够长，应该保证SMA弹簧发生压并前，其最大等效应变能尽快达到1%，基于此，用于石墨封严的SMA弹簧通常应保证其节距足够大，防止因节距过小导致发生压并后仍未进入恒力段的情况发生，选择节距较大的SMA弹簧，其恒力段较长，更适用于石墨封严装置之中。

其中，该封严装置还能够由转子轴、石墨件、套筒和波纹型SMA恒力弹簧组成，石墨件在波纹型SMA恒力弹簧的作用下压紧转子轴的端面，防止滑油泄漏。

其中，所述的波纹型弹簧是由超弹性状态的SMA材料通过特殊机械加工及热处理得到的，其能极大减小作用在石墨件上的力，减小工作过程中的磨损，延长石墨封严装置的使用寿命。

对本发明的应用而言，SMA（形状记忆合金）材料的“超弹性”是指：材料通过相应热处理或合适配方选择，使其相变点温度低于使用环境温度，在对其进行加载到一定应力（或应变）时，材料发生明显“屈服”，并开始发生相变（如图3中的材料在B点开始“屈服”并发生相变），在相变过程中，保持应变快速增加，而应力少量增加或不增加，材料进入“恒力段”（如图3中的BC段），当相变结束后，应力又开始和应变按线性增加（如图3中CD段），当对其卸载时，应力应变先按线性减小（如图3中DE段），当减小到某一“屈服点”后（如图3中E点），材料开始发生相变，并进入“恒力段”（如图3中EA段），当卸载到某一应变点时，材料相变结束，“恒力段”也终止（如图3中A点），随后材料进入线性减小段，直到完全回复到初始加载点。