航空發動機封嚴技術的進展

沈 虹，鄭天慧，陳玉潔

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

1 引言

現代航空發動機技術已達到很高水平，要進一步提高葉輪機效率，很大程度上取決于葉輪機轉子與機匣之間的封嚴效果。因此，許多航空發動機研究計劃把如何減少發動機內流損失、提高發動機性能作為重點研究內容之一。隨著軍用發動機工作環境越來越苛刻及民用發動機用戶對低能耗、低噪聲和高效益等方面要求的不斷提高，低泄漏封嚴技術將面臨高溫、高轉速、高壓差、高濕度、高摩擦、高頻振動及破壞性化學反應等一系列挑戰。研發泄漏量更小、在惡劣環境中使用壽命更長的先進封嚴裝置已成當務之急。

2 封嚴技術的應用及其影響

封嚴是對轉動部件和非轉動部件間的泄漏進行控制。航空發動機上使用封嚴的地方很多，如主流道密封、空氣系統二次流密封、主軸承油腔密封、附件傳動機匣中傳動附件輸出軸密封等(見圖1)。航空發動機密封裝置的形式也多種多樣，按工作性質可分為接觸式和非接觸式兩種。前者主要有皮碗、漲圈、浮動環、端面石墨、徑向石墨和刷式密封等，后者主要有螺旋槽、篦齒、液力和氣膜密封等。

航空發動機封嚴的密封特性對發動機性能具有極為重要的影響，尤其是氣路密封，將直接影響發動機增壓比和渦輪效率的提高。研究表明，封嚴泄漏量減少1%，可使發動機推力增加1%，耗油率降低0.1%；對于先進戰斗機發動機，在發動機轉速和渦輪轉子進口溫度保持不變的情況下，高壓渦輪封嚴泄漏量減少1%，則推力增加0.8%，耗油率降低0.5%。因此，美國IHPTET計劃第二、第三階段二次流路系統設定的目標分別是密封泄漏量減少50%和60%。由此帶來的發動機性能改善為：高壓壓氣機效率提高4.4%，相當于渦輪進口溫度降低47℃或發動機推力提高7.6%；高壓渦輪效率提高4.2%，相當于渦輪進口溫度降低52℃或發動機推力提高9.7%[1]。此外，現代航空發動機研制技術已達到很高水平，與通過改進壓氣機和渦輪結構設計來提高發動機性能的途徑相比，在效果相近的條件下，采用先進密封技術所需費用要低得多。因此先進密封技術還是一種低投入、高回報的技術。NASA先進亞聲速技術計劃研究表明，提高封嚴裝置性能、減少泄漏量、確保在更惡劣的工作環境中延長壽命，對降低發動機耗油率進而直接減少使用成本起到了非常重要的作用。封嚴技術改進帶來的具體效益為：

(1)使大發動機的直接使用費用減少3%，支線發動機的直接使用費用減少5%；

(2)使發動機耗油量降低10%以上；

(3)使發動機NOx的排放量減少50%以上；

(4)使機場噪聲降低7dB[2]。

由此可以看出，先進封嚴技術在滿足發動機諸多性能，如耗油率、飛行成本、推重比、發動機及其部件壽命以及降噪等方面，都起到了關鍵作用。

3 封嚴技術的特點及進展

3.1 石墨封嚴

石墨封嚴是利用石墨環與轉子相接觸來達到封嚴的目的，它是現代航空發動機較為理想的密封裝置。石墨封嚴主要用在渦輪發動機軸承位置和輔助裝置處?？偟膩砜?，石墨封嚴的密封效果好，壽命長，泄漏量小，甚至完全不泄漏，尤其是在高溫、高壓、高轉速條件下仍能保證可靠的密封性能，這是其它類型密封裝置所不具備的。在航空發動機中，石墨封嚴的石墨環與軸和葉片本身無直接相對摩擦，石墨有自我潤滑作用，在潤滑條件不良的情況下仍能可靠工作，加之石墨摩擦系數小，因此當石墨環磨損時，與之相配合的軸和葉片能完整無損。

目前，國外石墨封嚴的改進主要是針對密封面焦化和起泡問題。聯信公司已用陶瓷環密封替代石墨環密封，成功克服了焦化問題，同時還大大延長了封嚴裝置壽命。GE公司研發了一種可用于高壓差端面的石墨封嚴，它利用流體動力來減少高壓差處石墨的磨損，確保端面石墨封嚴能在壓差為1010Pa、溫度達510℃、摩擦速度為134 m/s的環境下正常工作，且整個壽命期內泄漏量基本不變，壽命比現有的端面石墨封嚴提高了一倍。CF6-80C2發動機4、5號軸承腔改用這種裝置后，不僅泄漏量有所減少，效率更高，而且整個發動機質量還減輕了45 kg。

3.2 篦齒封嚴

篦齒封嚴又稱為迷宮式封嚴，是一種非接觸式封嚴結構，主要由輪盤、鼓、軸、葉冠等轉動部件上的周向篦齒及靜子部件上的環形圓柱面組成，封嚴效率取決于轉子部件與靜子部件之間的徑向間隙和篦齒數目。

篦齒封嚴結構簡單，封氣效果差，泄漏量比接觸式的大。發動機在工作中產生的摩擦會導致密封齒永久性變形，使泄漏量進一步增加，進而加快發動機性能衰減；篦齒在工作中會磨損，磨粒會打壞渦輪葉片；壓差稍大時，常用的篦齒封嚴環在氣流逸漏過程中易發生振動。這主要是因為在設計發動機轉子和靜子之間的間隙值時，必須考慮長期工作時輪盤與葉片的蠕變伸長、機匣的收縮變形、轉子的振動和偏擺等因素，使得間隙設計值偏大。為了減小發動機漏氣損失，提高篦齒封氣效果，又不使轉子和靜子相碰，可采取以下措施：

(1)涂覆可磨耗封嚴涂層。在與篦齒對應的外環表面覆蓋一層質地較軟的氧化物涂層或鍍層，一方面可起到保護作用，承受篦齒與外環的少許接觸；另一方面可自然形成最小間隙，達到最好密封性能。

(2)改進氣流通道結構，提高封氣效果。目前國外的研究表明，與基準結構相比(圖2(a))，采用斜齒和高階梯相結合的方式(圖2(b))可使泄漏量減少17%。這是因為：①刀形篦齒傾斜度的增加使得封嚴腔環流量增加，進而造成刀形齒處氣流的停滯面積增大，齒尖周圍流線的彎曲度加大；②高階梯截面形成的氣流通道更為曲折，流量也隨之增加，使得紊流粘滯損失增加；③傾斜篦齒造成了一節流過程，氣流流經邊緣更為鋒利的篦齒，減小了有效面積和單個篦齒的流量系數[3]。

(3)采用蜂窩密封裝置。蜂窩密封裝置是在機匣封嚴環表面釬焊蜂窩封嚴環，與轉子或葉冠上的篦齒構成封嚴結構，控制盤間腔空氣泄漏。1994年，F-16戰斗機在2個月內損失了4架，其原因是發動機高壓渦輪軸的封嚴篦齒環斷裂。隨后的成功解決方法是，將與篦齒對應的外環表面設計成蜂窩結構，以承受篦齒與外環的少許接觸。這種設計既可盡量減少封嚴篦齒齒頂與外環間的間隙，有效降低泄漏量，又能保證發動機的可靠性和安全性。在壓氣機和渦輪部分采用蜂窩密封裝置，能極大地提高發動機效率，且蜂窩結構的厚度可靈活掌握，可很好地改善轉子葉尖的周向漏氣性能，從而提高發動機的效率和推力[4]。

3.3 刷式封嚴

3.3.1 刷式封嚴的結構特點

刷式封嚴是一種接觸式密封裝置，主要由刷絲、前板、背板和跑道組成（見圖3）。刷絲夾在前板和背板之間，采用焊接工藝將三者焊接成一體。前板處于氣流的高壓側(上游)，作用是夾持刷絲；背板處于氣流的低壓側(下游)，起支承刷絲、承受壓差的作用。背板間隙應控制在任何工作條件或在一系列徑向偏差下，背板都不會與轉子表面接觸。單級刷式封嚴的工作壓力一般低于0.5 MPa，但多個單級刷式封嚴串聯起來形成多級刷式封嚴，可提高其整體耐壓能力。為方便刷式封嚴在航空發動機上的裝配，可采用將刷式封嚴沿周向分為兩個半環或幾個扇形段的設計方式。跑道是與刷絲相接觸的表面，基體材料一般選用高強度、耐熱、導熱性好的結構鋼或高溫合金；跑道涂層則選用氧化鋁、碳化鉻和碳化鎢，采用等離子或爆炸噴涂的方式將涂層材料牢固地附著在機體上。

3.3.2 刷式封嚴與篦齒封嚴的性能比較

與傳統的篦齒封嚴相比，刷式封嚴除質量輕、易于更換外，最突出的優勢是能明顯改善發動機性能。GE公司的試驗表明，刷式封嚴泄漏量只有篦齒封嚴的5%～10%。德國MTU公司研究也發現，用刷式封嚴代替壓氣機和渦輪處的篦齒封嚴，發動機的泄漏量可減少80%(見圖4)。若在高壓壓氣機出口處采用刷式封嚴，可使發動機耗油率降低1%，即一架中等航程的雙發飛機，每年可節省200 t燃油[5]。

刷式封嚴密封性能優良的主要原因在于它是一種接觸式密封。發動機的靜子和轉子之間存在安裝偏差，在工作過程中，由于離心力或熱作用，轉軸將移向靜止部件，刷式封嚴的刷絲可以彎曲，因此能適應發動機轉子瞬時或持久徑向移動，而不會造成泄漏區域發生永久性增大。即使軸瞬時出現很大的偏移，刷式密封也能起到良好的密封效果。而篦齒封嚴是一種非接觸式密封，封嚴效果主要取決于轉子和靜子間的徑向間隙和篦齒數目，本身固有的間隙就存在著寄生泄漏，此外發動機工作中會造成篦齒變形和磨損，使間隙不斷增大，密封性能進一步下降，且這種趨勢不可逆轉。

3.3.3 刷式封嚴技術的發展

國外經過多年的研發，已較全面地了解了刷式封嚴的密封機理、結構尺寸和密封性能，并在應用方面取得了顯著進展，積累了豐富的工程應用經驗。此外，刷式封嚴的理論模型也有了很大的發展，一些與實際情況較為接近的刷式封嚴模型正得到應用和驗證。其主要改進是進一步優化密封結構；開發適應高密封壓力、高環境溫度和高表面速度的刷絲新材料，消除刷絲掉毛現象；降低刷式密封的滯后效應，減少泄漏量。為此，采取以下措施改進刷式封嚴的結構：

(1)解決刷式封嚴掉毛的問題

2002年2月MTU公司成立了一個商用中心刷式封嚴組，專門負責刷式封嚴技術的研發和市場推廣。他們研制的一種新型刷式封嚴結構(見圖5)主要包括核心元件、支撐板和蓋板三部分，工作環境為壓力1 207 kPa、溫度732℃、表面滑動速度396 m/s。核心元件又由核心金屬線、刷絲和夾管組成，刷絲通過夾管被牢固在核心金屬線上，替代了傳統的焊接方式，解決了掉毛的難題。支撐板和蓋板分別起保護、支撐刷絲的作用。此外，其緊湊的結構尺寸可使轉子和機匣設計得到優化。

(2)高壓刷式封嚴

單級標準刷式封嚴只能在壓差低于0.5 MPa的環境中正常工作，雖然多級刷式封嚴能在高壓差下工作，但使用經驗表明，這種結構的下游密封級由于經歷了高速撞擊及隧道效應導致刷絲磨損，使壓差的絕大部分轉移到上一級密封，最終造成密封性能惡化，泄漏量增大。為此美國EG&G公司對單級刷式密封進行了改進，適應1 MPa及以上的高壓差工作環境，其結構見圖6[6]。高壓刷式封嚴的一個突出特點就是采用了更粗的刷絲(刷絲直徑0.15 mm，絲束寬度0.76 mm)，以增大絲束的軸向剛性；第二個特點是在背板和絲束之間有一間隙，以減小壓差對絲束剛性的增強作用；第三個特點是在絲束的高壓側加一遮流器，以減小絲束的隧道效應并減輕絲束在高速撞擊下的過度磨損。

(3)刷式密封的其它改進

當前后壓差超過一定值時，刷絲受壓差影響而變形，從而導致密封性能明顯惡化。為克服這一難題，國外有研究者提出了用多個沿周向壓緊在一起的薄金屬片來代替刷絲。這種結構的優勢是制作簡單、壽命更長，避免了因刷絲變形而造成泄漏量急劇上升的現象。但這種結構的一個顯著缺點是泄漏量偏大，于是又將原來的直通道片式結構改為三層片式結構，前后兩層不變，中間層偏轉，使中間層與前后兩層形成一定角度，以此增加流體流過刷式封嚴的阻力，保證封嚴的低泄漏量[7]。

4 結束語

傳統的石墨封嚴和篦齒封嚴技術雖然存在著效率低、容易磨損等缺點，但采用新工藝、新技術、新結構后仍具有廣闊的應用前景。

刷式封嚴密封性好、結構簡單、易于安裝、重量較輕，可大大減少航空發動機二次流路氣流損失，提高效率，降低耗油率，是傳統篦齒封嚴最理想的替代裝置，也是研發高性能渦扇發動機的重要技術措施之一。目前國外多個軍民用渦扇發動機(如PW4000系列、GE90、EJ200和F119)采用了這種先進裝置。

國外通過對刷式封嚴技術的多年研究，已對其結構和密封機理有了較全面的了解，在工程應用方面也積累了豐富的經驗。但作為一種新的封嚴技術，刷式封嚴的結構設計、生產工藝和材料還有待進一步改進，在提高耐磨能力和適應高速、高溫、高壓差工作環境方面還有一系列問題需要解決。建議我國航空業界加快航空發動機應用刷式封嚴技術的研發工作，加大人力和資金投入，借鑒國外成功經驗建立起自己的刷式封嚴設計和理論模型研究方法學，提高刷式密封的結構設計和應用水平，進而為高性能航空發動機設計打下堅實基礎。

[1]Mayhew E R，Bill R C.Military Engine Seal Development:Potential for Dual Use[R].AIAA 94-2699，1994.

[2]Steinetz B M，Hendricks R C.Advanced Seal Technology Role in Meeting Next Generation Turbine Engine Goals[R].NASA/TM-1998-206961，1998.

[3]Michaud M，Vakili A，Meganathan A，et al.An Experimen?tal Study of Labyrinth Seal Flow[R].IJPGC 2003-40097，2003.

[4]陳禮順.航空發動機封嚴技術的研究和應用進展[J].航空制造技術，2008，(8)：82—84.

[5]Brush Seal Technology—Innovative Sealing Solutions for Industrial Turbo Machinery and Aero-Engines[Z].MTU Areo Engine GmbH.

[6]Tseng T W，Short J F，Steienet Z.Development of a Low Hysteresis Brush Seal for Modern Engine Application[R].AIAA 99-2683,1999.

[7]吳寧興.航空發動機密封技術的最新進展[J].航空發動機，1998，(1)：44—48.