沈 虹，鄭天慧，陳玉潔

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

1 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已達(dá)到很高水平，要進(jìn)一步提高葉輪機(jī)效率，很大程度上取決于葉輪機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)匣之間的封嚴(yán)效果。因此，許多航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究計(jì)劃把如何減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流損失、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能作為重點(diǎn)研究內(nèi)容之一。隨著軍用發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境越來越苛刻及民用發(fā)動(dòng)機(jī)用戶對(duì)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(yán)技術(shù)將面臨高溫、高轉(zhuǎn)速、高壓差、高濕度、高摩擦、高頻振動(dòng)及破壞性化學(xué)反應(yīng)等一系列挑戰(zhàn)。研發(fā)泄漏量更小、在惡劣環(huán)境中使用壽命更長的先進(jìn)封嚴(yán)裝置已成當(dāng)務(wù)之急。

2 封嚴(yán)技術(shù)的應(yīng)用及其影響

封嚴(yán)是對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件和非轉(zhuǎn)動(dòng)部件間的泄漏進(jìn)行控制。航空發(fā)動(dòng)機(jī)上使用封嚴(yán)的地方很多，如主流道密封、空氣系統(tǒng)二次流密封、主軸承油腔密封、附件傳動(dòng)機(jī)匣中傳動(dòng)附件輸出軸密封等(見圖1)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封裝置的形式也多種多樣，按工作性質(zhì)可分為接觸式和非接觸式兩種。前者主要有皮碗、漲圈、浮動(dòng)環(huán)、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(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)的密封特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有極為重要的影響，尤其是氣路密封，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)增壓比和渦輪效率的提高。研究表明，封嚴(yán)泄漏量減少1%，可使發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加1%，耗油率降低0.1%；對(duì)于先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口溫度保持不變的情況下，高壓渦輪封嚴(yán)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(jì)劃第二、第三階段二次流路系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)分別是密封泄漏量減少50%和60%。由此帶來的發(fā)動(dòng)機(jī)性能改善為：高壓壓氣機(jī)效率提高4.4%，相當(dāng)于渦輪進(jìn)口溫度降低47℃或發(fā)動(dòng)機(jī)推力提高7.6%；高壓渦輪效率提高4.2%，相當(dāng)于渦輪進(jìn)口溫度降低52℃或發(fā)動(dòng)機(jī)推力提高9.7%[1]。此外，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)已達(dá)到很高水平，與通過改進(jìn)壓氣機(jī)和渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的途徑相比，在效果相近的條件下，采用先進(jìn)密封技術(shù)所需費(fèi)用要低得多。因此先進(jìn)密封技術(shù)還是一種低投入、高回報(bào)的技術(shù)。NASA先進(jìn)亞聲速技術(shù)計(jì)劃研究表明，提高封嚴(yán)裝置性能、減少泄漏量、確保在更惡劣的工作環(huán)境中延長壽命，對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率進(jìn)而直接減少使用成本起到了非常重要的作用。封嚴(yán)技術(shù)改進(jìn)帶來的具體效益為：

(1)使大發(fā)動(dòng)機(jī)的直接使用費(fèi)用減少3%，支線發(fā)動(dòng)機(jī)的直接使用費(fèi)用減少5%；

(2)使發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量降低10%以上；

(3)使發(fā)動(dòng)機(jī)NOx的排放量減少50%以上；

(4)使機(jī)場噪聲降低7dB[2]。

由此可以看出，先進(jìn)封嚴(yán)技術(shù)在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)諸多性能，如耗油率、飛行成本、推重比、發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件壽命以及降噪等方面，都起到了關(guān)鍵作用。

3 封嚴(yán)技術(shù)的特點(diǎn)及進(jìn)展

3.1 石墨封嚴(yán)

石墨封嚴(yán)是利用石墨環(huán)與轉(zhuǎn)子相接觸來達(dá)到封嚴(yán)的目的，它是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)較為理想的密封裝置。石墨封嚴(yán)主要用在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承位置和輔助裝置處。總的來看，石墨封嚴(yán)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(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)中，石墨封嚴(yán)的石墨環(huán)與軸和葉片本身無直接相對(duì)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(shù)小，因此當(dāng)石墨環(huán)磨損時(shí)，與之相配合的軸和葉片能完整無損。

目前，國外石墨封嚴(yán)的改進(jìn)主要是針對(duì)密封面焦化和起泡問題。聯(lián)信公司已用陶瓷環(huán)密封替代石墨環(huán)密封，成功克服了焦化問題，同時(shí)還大大延長了封嚴(yán)裝置壽命。GE公司研發(fā)了一種可用于高壓差端面的石墨封嚴(yán)，它利用流體動(dòng)力來減少高壓差處石墨的磨損，確保端面石墨封嚴(yán)能在壓差為1010Pa、溫度達(dá)510℃、摩擦速度為134 m/s的環(huán)境下正常工作，且整個(gè)壽命期內(nèi)泄漏量基本不變，壽命比現(xiàn)有的端面石墨封嚴(yán)提高了一倍。CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)4、5號(hào)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(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量還減輕了45 kg。

3.2 篦齒封嚴(yán)

篦齒封嚴(yán)又稱為迷宮式封嚴(yán)，是一種非接觸式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，主要由輪盤、鼓、軸、葉冠等轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的周向篦齒及靜子部件上的環(huán)形圓柱面組成，封嚴(yán)效率取決于轉(zhuǎn)子部件與靜子部件之間的徑向間隙和篦齒數(shù)目。

篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)簡單，封氣效果差，泄漏量比接觸式的大。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中產(chǎn)生的摩擦?xí)?dǎo)致密封齒永久性變形，使泄漏量進(jìn)一步增加，進(jìn)而加快發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰減；篦齒在工作中會(huì)磨損，磨粒會(huì)打壞渦輪葉片；壓差稍大時(shí)，常用的篦齒封嚴(yán)環(huán)在氣流逸漏過程中易發(fā)生振動(dòng)。這主要是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間的間隙值時(shí)，必須考慮長期工作時(shí)輪盤與葉片的蠕變伸長、機(jī)匣的收縮變形、轉(zhuǎn)子的振動(dòng)和偏擺等因素，使得間隙設(shè)計(jì)值偏大。為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣損失，提高篦齒封氣效果，又不使轉(zhuǎn)子和靜子相碰，可采取以下措施：

(1)涂覆可磨耗封嚴(yán)涂層。在與篦齒對(duì)應(yīng)的外環(huán)表面覆蓋一層質(zhì)地較軟的氧化物涂層或鍍層，一方面可起到保護(hù)作用，承受篦齒與外環(huán)的少許接觸；另一方面可自然形成最小間隙，達(dá)到最好密封性能。

(2)改進(jìn)氣流通道結(jié)構(gòu)，提高封氣效果。目前國外的研究表明，與基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)相比(圖2(a))，采用斜齒和高階梯相結(jié)合的方式(圖2(b))可使泄漏量減少17%。這是因?yàn)椋孩俚缎误鼾X傾斜度的增加使得封嚴(yán)腔環(huán)流量增加，進(jìn)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(jié)流過程，氣流流經(jīng)邊緣更為鋒利的篦齒，減小了有效面積和單個(gè)篦齒的流量系數(shù)[3]。

(3)采用蜂窩密封裝置。蜂窩密封裝置是在機(jī)匣封嚴(yán)環(huán)表面釬焊蜂窩封嚴(yán)環(huán)，與轉(zhuǎn)子或葉冠上的篦齒構(gòu)成封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，控制盤間腔空氣泄漏。1994年，F(xiàn)-16戰(zhàn)斗機(jī)在2個(gè)月內(nèi)損失了4架，其原因是發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪軸的封嚴(yán)篦齒環(huán)斷裂。隨后的成功解決方法是，將與篦齒對(duì)應(yīng)的外環(huán)表面設(shè)計(jì)成蜂窩結(jié)構(gòu)，以承受篦齒與外環(huán)的少許接觸。這種設(shè)計(jì)既可盡量減少封嚴(yán)篦齒齒頂與外環(huán)間的間隙，有效降低泄漏量，又能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性。在壓氣機(jī)和渦輪部分采用蜂窩密封裝置，能極大地提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，且蜂窩結(jié)構(gòu)的厚度可靈活掌握，可很好地改善轉(zhuǎn)子葉尖的周向漏氣性能，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和推力[4]。

3.3 刷式封嚴(yán)

3.3.1 刷式封嚴(yán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

刷式封嚴(yán)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(cè)(上游)，作用是夾持刷絲；背板處于氣流的低壓側(cè)(下游)，起支承刷絲、承受壓差的作用。背板間隙應(yīng)控制在任何工作條件或在一系列徑向偏差下，背板都不會(huì)與轉(zhuǎn)子表面接觸。單級(jí)刷式封嚴(yán)的工作壓力一般低于0.5 MPa，但多個(gè)單級(jí)刷式封嚴(yán)串聯(lián)起來形成多級(jí)刷式封嚴(yán)，可提高其整體耐壓能力。為方便刷式封嚴(yán)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的裝配，可采用將刷式封嚴(yán)沿周向分為兩個(gè)半環(huán)或幾個(gè)扇形段的設(shè)計(jì)方式。跑道是與刷絲相接觸的表面，基體材料一般選用高強(qiáng)度、耐熱、導(dǎo)熱性好的結(jié)構(gòu)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(jī)體上。

3.3.2 刷式封嚴(yán)與篦齒封嚴(yán)的性能比較

與傳統(tǒng)的篦齒封嚴(yán)相比，刷式封嚴(yán)除質(zhì)量輕、易于更換外，最突出的優(yōu)勢是能明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。GE公司的試驗(yàn)表明，刷式封嚴(yán)泄漏量只有篦齒封嚴(yán)的5%～10%。德國MTU公司研究也發(fā)現(xiàn)，用刷式封嚴(yán)代替壓氣機(jī)和渦輪處的篦齒封嚴(yán)，發(fā)動(dòng)機(jī)的泄漏量可減少80%(見圖4)。若在高壓壓氣機(jī)出口處采用刷式封嚴(yán)，可使發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率降低1%，即一架中等航程的雙發(fā)飛機(jī)，每年可節(jié)省200 t燃油[5]。

刷式封嚴(yán)密封性能優(yōu)良的主要原因在于它是一種接觸式密封。發(fā)動(dòng)機(jī)的靜子和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸將移向靜止部件，刷式封嚴(yán)的刷絲可以彎曲，因此能適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子瞬時(shí)或持久徑向移動(dòng)，而不會(huì)造成泄漏區(qū)域發(fā)生永久性增大。即使軸瞬時(shí)出現(xiàn)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(yán)是一種非接觸式密封，封嚴(yán)效果主要取決于轉(zhuǎn)子和靜子間的徑向間隙和篦齒數(shù)目，本身固有的間隙就存在著寄生泄漏，此外發(fā)動(dòng)機(jī)工作中會(huì)造成篦齒變形和磨損，使間隙不斷增大，密封性能進(jìn)一步下降，且這種趨勢不可逆轉(zhuǎn)。

3.3.3 刷式封嚴(yán)技術(shù)的發(fā)展

國外經(jīng)過多年的研發(fā)，已較全面地了解了刷式封嚴(yán)的密封機(jī)理、結(jié)構(gòu)尺寸和密封性能，并在應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展，積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。此外，刷式封嚴(yán)的理論模型也有了很大的發(fā)展，一些與實(shí)際情況較為接近的刷式封嚴(yán)模型正得到應(yīng)用和驗(yàn)證。其主要改進(jìn)是進(jìn)一步優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)；開發(fā)適應(yīng)高密封壓力、高環(huán)境溫度和高表面速度的刷絲新材料，消除刷絲掉毛現(xiàn)象；降低刷式密封的滯后效應(yīng)，減少泄漏量。為此，采取以下措施改進(jìn)刷式封嚴(yán)的結(jié)構(gòu)：

(1)解決刷式封嚴(yán)掉毛的問題

2002年2月MTU公司成立了一個(gè)商用中心刷式封嚴(yán)組，專門負(fù)責(zé)刷式封嚴(yán)技術(shù)的研發(fā)和市場推廣。他們研制的一種新型刷式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)(見圖5)主要包括核心元件、支撐板和蓋板三部分，工作環(huán)境為壓力1 207 kPa、溫度732℃、表面滑動(dòng)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(tǒng)的焊接方式，解決了掉毛的難題。支撐板和蓋板分別起保護(hù)、支撐刷絲的作用。此外，其緊湊的結(jié)構(gòu)尺寸可使轉(zhuǎn)子和機(jī)匣設(shè)計(jì)得到優(yōu)化。

(2)高壓刷式封嚴(yán)

單級(jí)標(biāo)準(zhǔn)刷式封嚴(yán)只能在壓差低于0.5 MPa的環(huán)境中正常工作，雖然多級(jí)刷式封嚴(yán)能在高壓差下工作，但使用經(jīng)驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)的下游密封級(jí)由于經(jīng)歷了高速撞擊及隧道效應(yīng)導(dǎo)致刷絲磨損，使壓差的絕大部分轉(zhuǎn)移到上一級(jí)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(duì)單級(jí)刷式密封進(jìn)行了改進(jìn)，適應(yīng)1 MPa及以上的高壓差工作環(huán)境，其結(jié)構(gòu)見圖6[6]。高壓刷式封嚴(yán)的一個(gè)突出特點(diǎn)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(gè)特點(diǎn)是在背板和絲束之間有一間隙，以減小壓差對(duì)絲束剛性的增強(qiáng)作用；第三個(gè)特點(diǎn)是在絲束的高壓側(cè)加一遮流器，以減小絲束的隧道效應(yīng)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(jìn)

當(dāng)前后壓差超過一定值時(shí)，刷絲受壓差影響而變形，從而導(dǎo)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(gè)沿周向壓緊在一起的薄金屬片來代替刷絲。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(xiàn)象。但這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是泄漏量偏大，于是又將原來的直通道片式結(jié)構(gòu)改為三層片式結(jié)構(gòu)，前后兩層不變，中間層偏轉(zhuǎn)，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(yán)的阻力，保證封嚴(yán)的低泄漏量[7]。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的石墨封嚴(yán)和篦齒封嚴(yán)技術(shù)雖然存在著效率低、容易磨損等缺點(diǎn)，但采用新工藝、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)后仍具有廣闊的應(yīng)用前景。

刷式封嚴(yán)密封性好、結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝、重量較輕，可大大減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)二次流路氣流損失，提高效率，降低耗油率，是傳統(tǒng)篦齒封嚴(yán)最理想的替代裝置，也是研發(fā)高性能渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要技術(shù)措施之一。目前國外多個(gè)軍民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)(如PW4000系列、GE90、EJ200和F119)采用了這種先進(jìn)裝置。

國外通過對(duì)刷式封嚴(yán)技術(shù)的多年研究，已對(duì)其結(jié)構(gòu)和密封機(jī)理有了較全面的了解，在工程應(yīng)用方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但作為一種新的封嚴(yán)技術(shù)，刷式封嚴(yán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝和材料還有待進(jìn)一步改進(jìn)，在提高耐磨能力和適應(yīng)高速、高溫、高壓差工作環(huán)境方面還有一系列問題需要解決。建議我國航空業(yè)界加快航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用刷式封嚴(yán)技術(shù)的研發(fā)工作，加大人力和資金投入，借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)建立起自己的刷式封嚴(yán)設(shè)計(jì)和理論模型研究方法學(xué)，提高刷式密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用水平，進(jìn)而為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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