航空發動機密封技術應用研究

胡廣陽

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

0 引言

隨著航空發動機技術的發展，密封技術已成為影響發動機性能和壽命的重要因素。自20世紀80年代中期以來，世界航空發動機技術領先國家均將新型密封技術作為具有巨大潛力的領域，投入大量的人力、物力，進行了深入研究，相繼開發出了刷式密封、指狀密封、氣膜密封等多種不同結構的新型密封技術。發動機密封的工作條件除具有流體機械轉子系統的典型特征外，還要承受高密封表面相對速度、高環境溫度、高密封壓差以及劇烈振動等各種因素引起的變形和位移。基于此，近年來密封技術在發動機上的應用從傳統的石墨圓周密封到各種新型的密封都有不同程度的發展。

本文主要介紹了近年來幾種新型密封技術在航空發動機上的應用。

1 石墨圓周密封技術

經過幾十年的發展，石墨圓周密封技術已經在航空發動機軸承腔密封中成功應用。但隨著先進發動機中彈性支撐和齒輪驅動渦輪風扇（GTF）發動機等新技術的廣泛應用，對石墨圓周密封結構要求除了具有更高的抗氧化溫度和高摩擦線速度外，又增加了承受大徑向跳動和一定角向偏差的能力。而現有石墨圓周密封結構只能承受綜合考慮不大于1 mm的徑向跳動，很難滿足新的設計要求。

STEIN密封公司曾為PW公司提供了2種用于GTF發動機風扇軸的石墨圓周密封方案，如圖1所示[1]。這種密封結構可承受2.5 mm的徑向跳動，同時還可承受0.5°的角向偏差，并且具有30000 h的平均拆換間隔時間。2種方案均基于浮動背環設計，能將石墨環作為1個整體部件隨軸一起做徑向運動。第1種方案放棄了傳統設計中的接頭和定位槽，改動了石墨環的內徑，增加了軸向墊板；第2種方案通過“搖臂環”減少石墨軸向墊板與石墨環密封面間的相對運動，徑向相對運動被轉移到搖臂環與密封座之間。2種方案均能在不對石墨裝置進行大改動的情況下，顯著提高密封適應轉子大徑向跳動的能力；但存在浮動背板與固定背板間的磨損、浮動背板和浮動襯套的防轉等難點尚未解決。盡管如此，2種方案對較傳統的石墨圓周密封結構提供了1種改進的新思路和新方向。

石墨圓周密封裝置除了在結構上的創新外，在材料選擇上，要以高彎曲強度和低彈性模量為基準，而密封跑道材料則選用高熱傳導率的低合金鋼，以便于快速散發摩擦密封表面產生的熱量。同時為適應更高的密封溫度和其它應用環境（例如鹽霧環境），采用新工藝取代高溫抗氧化石墨的浸漬無機鹽的處理工藝。美國在IHPTET計劃中，已開發驗證了用氮化硼（BN）作為高溫抗氧化石墨添加劑的材料制造工藝技術，該材料具有優良的高溫耐磨損性能，不但可以延長熱端密封結構的使用壽命，而且能夠提高發動機密封技術在海洋等潮濕環境下的工作可靠性，并大大減少因浸漬物析出所帶來的維護成本。

2 刷式密封和指狀密封技術

目前，篦齒密封技術在航空發動機中有著最廣泛的應用。面對其較高的泄漏和性能損失，更需要積極地發展新的密封技術。而刷式密封[2]和指狀密封技術在許多方面均具有優勢，但也由于存在一些相似的問題，至今仍沒有在先進航空發動機（特別是軍用發動機）上得到廣泛應用。

近年來，刷式密封技術研究主要集中在解決密封的“滯后效應”、刷絲束的“剛化效應”和“壓力閉合效應”等方面。密封的“滯后”使其在轉子發生擺動時的泄漏大大增加，而刷絲的“剛化”與“壓力閉合”或稱“吹伏”則會造成磨損增加，同時產生更多的功率損耗。

“吹伏”是氣流流過刷絲時產生的1種現象。氣流順著刷絲流動會對刷絲產生1個指向軸心的徑向力，因此，增加了刷絲朝向密封跑道的運動趨勢。這種趨勢可以減小刷絲端部與密封跑道之間的縫隙，從而減少泄漏；但是在密封作用于大壓差的情況下，這種趨勢也會造成刷絲與跑道的接觸力過大，引起過度磨損，進而使泄漏增加。試驗顯示[3]，在刷絲前增加遮流板能有效減少氣流對刷絲的“吹伏”（特別是在采用低剛度刷絲的情況下），同時遮流板還能減緩密封結構上游高速氣流吹向刷絲時對刷絲造成的“擾亂”。

密封的“滯后”與刷絲的“剛化”都是由密封結構所承受的高壓差造成的，氣體不平衡力將刷絲壓在背板上，并使之與背板間產生較大摩擦力。當轉子發生徑向偏移時，刷絲被轉子壓向外側，而當轉子轉離刷絲時，由于刷絲與背板間的摩擦力使刷絲難以復位，產生較大密封間隙，使泄漏增加，直到壓力減小使摩擦力減小后，刷絲才能跟隨轉子保持貼合減少泄漏，這樣就造成了“滯后”。刷絲與背板間的摩擦力還使刷絲隨轉子浮動時需要承受更大的接觸力，使刷絲“相對剛度”大大增加造成“剛化”，進而增加了密封結構的磨損。研究表明，密封元件所承受的氣體不平衡力造成刷絲與背板間的摩擦力過大，是密封“滯后”與“剛化”的根本原因[4]。

指狀密封結構也存在“滯后”和“剛化”的問題[5]。為有效改善普通指狀密封結構的“滯后”，開發了1種壓力平衡型指狀密封結構[6]，如圖2所示。其結構與普通指狀密封的相似，只是除了有前隔環外，又在指狀元件與背板之間增加了1個后隔環，使指狀元件與背板之間形成1個縫隙，同時又在靠近密封結構內徑的位置布置了1個窄密封壩，而形成了1個平衡腔。平衡腔通過一些小孔與密封結構上游高壓側相通，使其壓力始終與上游壓力保持一致。這種結構使作用在指狀元件上的氣體不平衡力大為減小，從而減小指狀元件與背板間的摩擦力，使指狀密封墊在全部工作條件下都能保持在合適位置，有效地防止“滯后”的發生。因此，指狀密封結構的泄漏無論在穩態或是過渡態均能保持在較低水平。

采用類似低滯后結構并另外帶有遮流板以防止“吹伏”和“擾亂”的低滯后刷式密封結構（如圖3所示）已經進行了全尺寸（915 mm)的試驗器試驗[7]，并在GE90發動機發展型上進行了試驗，對單級低滯后刷式密封結構進行了385 h共1300個低周疲勞循環試驗，試驗后的刷式密封結構磨痕平滑，沒有出現刷絲的擾亂。盡管由于密封跑道的徑向偏移，使刷式密封內徑有偏摩的痕跡，但其內徑仍然保持光順。單級低滯后型刷式密封結構的性能比1個傳統型雙級刷式密封結構的優勢明顯。二者試驗前的泄漏率相當，但試驗后單級低滯后型刷式密封結構的泄漏率只增大了16%，而傳統型雙級刷密封結構的泄漏率增大了110%。

功率損失也是刷式密封結構和指狀密封結構等接觸式密封結構遇到的共同問題，并隨著密封線速度以及密封壓差的增加而增加。試驗表明[8]，對于1個初始過盈量為165 μm的指狀密封結構和初始過盈量為96.5 μm的刷式密封結構而言，當密封線速度達到366 m/s，密封壓差分別為70、275和517 kPa時的功率損失分別為1.5、6和10 kW。刷式密封結構的功率損失略大于指狀密封結構的，而二者功率損失的水平基本相當。

3 氣膜密封技術

憑借在高摩擦線速度、高工作溫度和高密封壓差等工況下所具有的出色工作能力，端面氣膜密封技術在轉子運轉較平穩的地面旋轉機械中得到廣泛應用。但發動機轉子系統劇烈振動和變形使密封面在工作時的位移和跳動可達到氣膜厚度的幾十倍，因此，盡管對端面氣膜密封技術的研究與開發已進行了幾十年，發展了流體靜壓、流體動壓和動靜壓混合等多種形式，以及包括吸氣式端面密封結構在內的多種創新結構，但由于密封結構端面的磨損過度或是泄漏過大等原因，迄今為止仍很少見到端面氣膜密封技術在航空發動機上實際應用。

同端面氣膜密封結構相比，柱面氣膜密封結構可以有較高的徑向柔性，并可以避免端面跳動對密封效果的影響，因此，更適于在航空發動機上應用。近年來，越來越多的研究集中于柱面氣膜密封技術。

經過改進的柔順片密封結構[9]如圖4所示。其薄片狀的密封元件在流體動壓氣膜的作用下與轉子外邊面保持非接觸狀態，背面的波形凸起起到柔順彈性支撐的作用，使密封片隨轉子上下浮動，保持密封性能。試驗表明，在直徑為72 mm、轉速為40000 r/s、環境溫度為20℃、壓比為6的情況下，氣膜的泄漏僅為刷式密封結構的30%且沒有發現磨損。在此基礎上，正計劃進行直徑為152 mm的密封試驗，試驗轉速可達到20000 r/s，溫度達1200℃。

4 幾種新型密封技術

（1）“靴襯”刷式密封結構[10]如圖5所示。該密封結構在刷絲尖部增加了靴形的襯墊與轉子接觸。當轉子轉動時，“靴襯”會在流體動力產生的壓力作用下與轉子脫離接觸。產生的氣膜使密封轉、靜子不再接觸，能夠減輕磨損，并減少熱量的產生，降低工作溫度，同時還具有反轉能力。這種密封結構具有接觸式密封的高性能，同時還有非接觸式密封的長壽命。

（2）壓力驅動薄片密封結構[11]如圖6所示。該密封結構在啟動（冷態）和停車等過程壓力較小的狀態時是非接觸的，由此可以避免磨損；而在工作狀態時是接觸式的，其密封性能可以達到刷式密封性能衰減以前的水平。這種結構的主要密封元件由多層薄片高溫合金（如Haynes25）疊加而成，在薄帶的邊緣切出一些縫隙，并向軸的內側彎曲一定角度，形成類似圓臺狀的結構。由密封結構所承受的壓力決定薄片的層數，每1層薄片上的縫隙像瓦片一樣相互錯開來阻擋氣流。密封的支撐元件面向密封的高壓側，支撐著密封薄片，承受密封壓差。密封結構扇形段通過背環插入靜子部件中。背環、支撐元件和密封元件采用焊接連接。通過初步的試驗和理論分析認為，該型密封可以適應不同的工作狀態，在避免磨損、提高磨損承受力、延長密封壽命、降低泄漏、提高耐壓能力、適應反轉工況、縮小密封的軸向尺寸以及降低制造成本等多方面，比篦齒密封結構和刷式密封結構都具有一定優勢。

（3）非金屬刷式密封結構是1種用于軸承腔的新型滑油密封結構，試驗[12]結果表明，該密封結構（特別是在滑油的作用下）在泄漏特性和磨損等方面均優于金屬刷式密封結構，但要滿足在發動機軸承腔中的應用，密封摩擦熱產生的溫升能否滿足滑油結焦溫度的限制仍是主要制約因素。

5 結束語

綜上所述，密封技術研究對密封材料和特種加工工藝的大力推動和牽引非常重要，同時要對密封機理進行創新性發展，需對密封結構內部在建立大量翔實準確的試驗數據的基礎上進行詳細分析。

另外，密封技術還應該引入控制的概念。所謂的渦輪間隙控制，實際上就是通過對葉尖密封間隙的控制提高密封性能，從而提高渦輪性能。在發動機密封引氣流路上增加控制活門，則可以為不同工況提供不同的封密封氣流，以降低密封結構的使用要求，提高可靠性。壓力驅動薄片密封結構就是1種控制密封狀態的密封結構，可以在不同工況下提供大間隙、小間隙和接觸等不同密封形式，以適應工況的復雜多變。

先進航空發動機密封技術對材料性能和加工精度具有特殊的依賴性，現階段單一的密封形式很難滿足發動機越來越復雜的工作環境和增大的工況范圍以及苛刻的性能/壽命要求。相反，一些復合型結構密封顯現出旺盛的生命力。1套密封結構在不同工作條件下表現出不同的工作狀態，為復雜的發動機工況提供最合適的密封形式。先進國家的密封技術進展表明，密封技術必須進行材料、工藝、結構、機理等多方面的開創性設計變革，才能適應航空發動機的發展需要。

[1] Pescosolido A,Dobek L.Development of high m isalignment carbon seals[R].AIAA-2001-3625.

[2] 孫曉萍，李衛東，劉曉遠.刷式密封設計與試驗研究[J].航空發動機，2005,31（2）：17-19.

[3] Short J F,Basu P,Datta A,et al.Advanced brush seal development[R].AIAA-96-2907.

[4] Basu P,Datta A,Johnson R,et al.Hysteresis and bristle stiffening effects of conventional brush seals[R].AIAA-93-1996.

[5] 曹靜，吉洪湖，金峰，等.指式封嚴結構中氣流流動與傳熱特性分析[J].航空發動機，2011，37（4）：33-36.

[6] Arora G K,Proctor M P,Steinetz B M,et al.Pressure balanced,low hysteresis,finger seal test results[R].AIAA-99-2686.

[7] Tseng T W,Short J F,Steinetz B M.Development of a low hysteresis brush seal for modern engine applications[R].AIAA-99-2683.

[8] Proctor M P,Delgado I R.Leakage and power loss test results for competing turbine engine seals[R].ASME 2004-GT-53935.

[9] Salehi M,Heshmat H.Evaluation of large compliant foil seals under engine simulated conditions[R].AIAA-2002-3792.

[10] Grondahl C.Pressure actuated leaf seals for improved turbine shaft sealing[R].AIAA-2005-3985.

[11] Delgado A,Andres L S,Justak J F.Analysis of performance and rotordynamic force coefficients of brush seals with reverse rotation ability[R].ASME 2004-GT-53614.

[12] Bhate N,Thermos A C,Aksit M F.Non-metallic brush seals for gas turbine bearings[R].ASME 2004-GT-54296.