典型航空發動機密封技術應用概況

張遠森

摘 ?要：隨著技術的進步，航空發動機對密封技術提出了更高的指標要求，采用先進的密封結構可顯著提高航空發動機的性能。本文對航空發動機中的常見的篦齒密封、石墨密封、刷式密封和指式密封幾種典型密封結構特點、優缺點及其應用情況等進行了介紹。

關鍵詞：航空發動機;密封;篦齒密封;石墨密封;刷式密封;指式密封

中圖分類號：TK14 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：KX-190659

密封技術是航空發動機的重要組成部分，隨著現代科學技術水平的進步，對密封裝置也提出了更高的要求，先進的密封結構可顯著提高航空發動機的性能，自20世紀80年代以來，世界航空強國投入大量的人力和物力對先進的密封結構進行了深入研究[1]，相繼開發出了多種不同結構的新型密封技術。本文主要介紹現代航空發動機中常見的幾種典型密封結構的特點、優缺點及其工程應用情況。

一、篦齒密封技術

篦齒密封是一種非接觸式密封，是航空發動機中最常用的密封結構，其結構如圖1所示，主要由轉動件上的一系列周向篦齒及靜子件上的環形圓柱面組成。密封原理是密封齒和靜子間形成一系列間隙和耗散空腔，當泄漏流體通過間隙時，急劇加速膨脹，速度能量在通過耗散空腔時由湍流旋渦耗散為熱能，由于流體產生節流與熱力學效應，泄漏流的壓力逐級降低而達到密封效果。因此篦齒的封嚴效率與轉子和靜子的徑向間隙以及篦齒數目有很大關系。

篦齒密封具備結構簡單和成本低的優點，但是封嚴效果差，工作過程中篦齒與外環的刮摩會增大密封間隙，導致泄漏量增加，并且在封嚴環前后壓差較大的情況下，氣體逸漏過程中容易激發封嚴環震動，帶來不利影響。因此出現了幾種篦齒封嚴的改進方式：（1）在靜子件外環表面涂覆可磨損封嚴涂層，涂層一般為質地較軟的氧化物涂層或者鍍層，可以承受篦齒與外環的輕微刮摩;（2）改進篦齒封嚴通道，提高封嚴效果，比如臺階型篦齒，篦齒朝氣流方向傾斜一定角度的傾斜篦齒，刀型篦齒等結構;（3）采用蜂窩阻尼外環密封技術，將蜂窩封嚴環通過高溫真空纖焊焊接到機匣封嚴環表面，國外某型發動機采用蜂窩結構的封嚴裝置后，發動力推力提高了10%以上。

二、石墨密封技術

石墨密封是密封用的石墨裝在石墨座內，靠彈簧力和封嚴座軸向連接在一起，封嚴座通過鉚釘與靜子件連接。石墨密封是一種接觸式密封裝置，通過石墨環與轉子相接觸來達到封嚴目的，是航空發動機中較理想的封嚴裝置，目前該密封結構主要用于航空發動機軸承腔的封嚴。

石墨密封具備低泄漏，壽命長，尤其在高溫、高壓、高轉速下仍能保持可靠性的優點。并且石墨具備潤滑和摩擦系數小的特點，當石墨環磨損時，與之配合的軸和葉片能完好無損。但是石墨密封也存在密封面焦化和起泡的問題，因此出現了用陶瓷環密封替代石墨密封的解決方案。

三、刷式密封技術

刷式密封[2]是一種接觸式密封結構，主要由前后背板、刷絲束和跑道組成，如圖2，刷絲束由排列緊密柔軟纖細的刷絲層疊而成，前夾板處于氣流高壓側，主要是固定保護刷絲，后夾板處于氣流低壓側，起支撐刷絲、承受壓差作用，以避免刷絲在大壓差下產生軸向變形，保持穩定的密封性能。刷式封嚴具有結構簡單、安裝方便、質量輕、易于更換和密封性好等優點。刷絲束在安裝時與轉子件僅有微小的初始干涉量，氣流只能通過刷絲之間的微小孔隙泄漏通過，因此它的泄漏量非常低。GE公司的試驗結果表明，刷式封嚴的泄漏量只有篦齒封嚴的5%～10%。

刷絲束是決定刷式封嚴性能的關鍵，發動機中封嚴裝置通常處于高溫高壓工作環境中，通常選擇鈷基合金作為刷絲材料，這種合金在高溫下具有很好的耐磨和耐腐蝕性，但是金屬材質制造的刷絲不能用于軸承腔密封，因為金屬刷絲磨損產生的金屬顆粒會對精密軸承造成損傷，因此近些年來出現了非金屬纖維制造的刷絲用于特殊的場合。

四、指式密封技術

指式密封[2]是從刷式密封衍變而來，其結構與刷式密封相似，它是一種柔性接觸式密封，由許多精密加工的薄鋼片疊置而成，在端部密封片相互鉚接，密封前后端用前隔片和后隔片壓緊，同時在密封內徑處設置壓力平衡腔。

指式密封的特點是指尖具有柔性，能夠有效避免指尖與轉子的相互碰摩，工作時一部分氣流從高壓側經轉靜間隙流向低壓側，另一部分氣流沿密封片之間的間隙徑向流動，指尖在徑向壓差的作用下貼近轉子側，可減小指式密封的泄漏間隙。在相同的封嚴效果下，指式密封功率損失與刷式密封接近，但制造成本僅為刷式密封的40%～50%，并且指式密封不存在類似刷式密封的斷絲和磨損問題。

五、結論

航空發動機被譽為工業皇冠上的明珠，是一個國家科技和國防實力的重要體現，密封技術的水平直接影響到航空發動機性能，密封問題的設計研究在科學和技術領域具有非常重要的意義。當前航空發動機工作環境日益復雜，對密封結構也提出了更高的要求，我們需要在密封材料、工藝和結構方面進行變革和創新，同時加大人力、物力和研發資金投入，借鑒國外成功經驗建立相關理論準則和研究模型，不僅要研究和發展新型的密封技術，同時仍需要對常規的密封技術進行更加系統的、細致的、深入的研究，以滿足我們國家對于先進航空發動機技術的發展需求。

參考文獻

[1] ?胡廣陽，航空發動機密封技術應用研究，航空發動機，2012

[2] ?李軍，熱力透平密封技術，西安交通大學出版社，2017