典型航空發(fā)動機密封技術(shù)應(yīng)用概況獲獎科研報告

典型航空發(fā)動機密封技術(shù)應(yīng)用概況獲獎科研報告摘

要：隨著技術(shù)的進步，航空發(fā)動機對密封技術(shù)提出了更高的指標(biāo)要求，采用先進的密封結(jié)構(gòu)可顯著提高航空發(fā)動機的性能。本文對航空發(fā)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(jié)構(gòu)特點、優(yōu)缺點及其應(yīng)用情況等進行了介紹。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機;密封;篦齒密封;石墨密封;刷式密封;指式密封

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密封技術(shù)是航空發(fā)動機的重要組成部分，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)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(jié)構(gòu)可顯著提高航空發(fā)動機的性能，自20世紀(jì)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(jié)構(gòu)進行了深入研究[1]，相繼開發(fā)出了多種不同結(jié)構(gòu)的新型密封技術(shù)。本文主要介紹現(xiàn)代航空發(fā)動機中常見的幾種典型密封結(jié)構(gòu)的特點、優(yōu)缺點及其工程應(yīng)用情況。

一、篦齒密封技術(shù)

篦齒密封是一種非接觸式密封，是航空發(fā)動機中最常用的密封結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由轉(zhuǎn)動件上的一系列周向篦齒及靜子件上的環(huán)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(dāng)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(chǎn)生節(jié)流與熱力學(xué)效應(yīng)，泄漏流的壓力逐級降低而達(dá)到密封效果。因此篦齒的封嚴(yán)效率與轉(zhuǎn)子和靜子的徑向間隙以及篦齒數(shù)目有很大關(guān)系。

篦齒密封具備結(jié)構(gòu)簡單和成本低的優(yōu)點，但是封嚴(yán)效果差，工作過程中篦齒與外環(huán)的刮摩會增大密封間隙，導(dǎo)致泄漏量增加，并且在封嚴(yán)環(huán)前后壓差較大的情況下，氣體逸漏過程中容易激發(fā)封嚴(yán)環(huán)震動，帶來不利影響。因此出現(xiàn)了幾種篦齒封嚴(yán)的改進方式：（1）在靜子件外環(huán)表面涂覆可磨損封嚴(yán)涂層，涂層一般為質(zhì)地較軟的氧化物涂層或者鍍層，可以承受篦齒與外環(huán)的輕微刮摩;（2）改進篦齒封嚴(yán)通道，提高封嚴(yán)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(jié)構(gòu);（3）采用蜂窩阻尼外環(huán)密封技術(shù)，將蜂窩封嚴(yán)環(huán)通過高溫真空纖焊焊接到機匣封嚴(yán)環(huán)表面，國外某型發(fā)動機采用蜂窩結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)裝置后，發(fā)動力推力提高了10%以上。

二、石墨密封技術(shù)

石墨密封是密封用的石墨裝在石墨座內(nèi)，靠彈簧力和封嚴(yán)座軸向連接在一起，封嚴(yán)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(huán)與轉(zhuǎn)子相接觸來達(dá)到封嚴(yán)目的，是航空發(fā)動機中較理想的封嚴(yán)裝置，目前該密封結(jié)構(gòu)主要用于航空發(fā)動機軸承腔的封嚴(yán)。

石墨密封具備低泄漏，壽命長，尤其在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速下仍能保持可靠性的優(yōu)點。并且石墨具備潤滑和摩擦系數(shù)小的特點，當(dāng)石墨環(huán)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(xiàn)了用陶瓷環(huán)密封替代石墨密封的解決方案。

三、刷式密封技術(shù)

刷式密封[2]是一種接觸式密封結(jié)構(gòu)，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(xì)的刷絲層疊而成，前夾板處于氣流高壓側(cè)，主要是固定保護刷絲，后夾板處于氣流低壓側(cè)，起支撐刷絲、承受壓差作用，以避免刷絲在大壓差下產(chǎn)生軸向變形，保持穩(wěn)定的密封性能。刷式封嚴(yán)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、質(zhì)量輕、易于更換和密封性好等優(yōu)點。刷絲束在安裝時與轉(zhuǎn)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(jié)果表明，刷式封嚴(yán)的泄漏量只有篦齒封嚴(yán)的5%～10%。

刷絲束是決定刷式封嚴(yán)性能的關(guān)鍵，發(fā)動機中封嚴(yán)裝置通常處于高溫高壓工作環(huán)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(zhì)制造的刷絲不能用于軸承腔密封，因為金屬刷絲磨損產(chǎn)生的金屬顆粒會對精密軸承造成損傷，因此近些年來出現(xiàn)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(shù)

指式密封[2]是從刷式密封衍變而來，其結(jié)構(gòu)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(nèi)徑處設(shè)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(zhuǎn)子的相互碰摩，工作時一部分氣流從高壓側(cè)經(jīng)轉(zhuǎn)靜間隙流向低壓側(cè)，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(zhuǎn)子側(cè)，可減小指式密封的泄漏間隙。在相同的封嚴(yán)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(jié)論

航空發(fā)動機被譽為工業(yè)皇冠上的明珠，是一個國家科技和國防實力的重要體現(xiàn)，密封技術(shù)的水平直接影響到航空發(fā)動機性能，密封問題的設(shè)計研究在科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域具有非常重要的意義。當(dāng)前航空發(fā)動機工作環(huán)境日益復(fù)雜，對密封結(jié)構(gòu)也提出了更高的要求，我們需要在密封材料、工藝和結(jié)構(gòu)方面進行變革和創(chuàng)新，同時加大人力