【長(zhǎng)知識(shí)】航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)技術(shù)的進(jìn)展

1、【長(zhǎng)知識(shí)】航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)技術(shù)的進(jìn)展導(dǎo)讀：封嚴(yán)技術(shù)一直是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作的重要組成部分，先進(jìn)封嚴(yán)技術(shù)是滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率、推重比、污染物排放、耐久性及壽命期成本目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流的泄漏量，可大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型封嚴(yán)技術(shù)，詳細(xì)介紹了石墨封嚴(yán)、篦齒封嚴(yán)、刷式封嚴(yán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其技術(shù)改進(jìn)和發(fā)展趨勢(shì)。重點(diǎn)闡述了德國(guó)MTU公司開(kāi)發(fā)的新型刷式封嚴(yán)技術(shù),其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)解決了刷式封嚴(yán)掉毛這一技術(shù)難題。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

2、失、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。隨著軍用發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境越來(lái)越苛刻及民用發(fā)動(dòng)機(jī)用戶(hù)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(zhǎng)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)附件輸由軸密封等（見(jiàn)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)、

3、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(guó)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(lái)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47c或發(fā)動(dòng)機(jī)推力提高7.

4、6%;高壓渦輪效率提高4.2%,相當(dāng)于渦輪進(jìn)口溫度降低52c或發(fā)動(dòng)機(jī)推力提高9.7%。止匕外，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(guò)改進(jìn)壓氣機(jī)和渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)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(zhǎng)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(lái)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(xiàn)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)

5、動(dòng)機(jī)NOx的排放量減少50%以上；（4）使機(jī)場(chǎng)噪聲降低7dB。由此可以看由，先進(jìn)封嚴(yán)技術(shù)在滿(mǎn)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(lái)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(lái)看，石墨封嚴(yán)的密封效果好，壽命長(zhǎng),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(lèi)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(wú)直接相對(duì)摩擦，石墨有自我潤(rùn)滑作用，在

6、潤(rùn)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(wú)損。目前，國(guó)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(wèn)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(wèn)題，同時(shí)還大大延長(zhǎng)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(lái)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10A10Pa、溫度達(dá)510C、摩擦速度為134m/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

7、還減輕了45kg。3.2 篦齒封嚴(yán)篦齒封嚴(yán)又稱(chēng)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(pán)、豉、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(jiǎn)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(guò)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(zhǎng)期工作時(shí)輪盤(pán)與葉片的蠕變伸長(zhǎng)、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

8、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問(wèn)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(guó)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)椋旱缎误鼾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?chē)骶€(xiàn)的彎曲度加大；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；傾

9、斜篦齒造成了一節(jié)流過(guò)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)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(pán)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

10、漏氣性能，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和推力。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(jiàn)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0.5MPa，但多個(gè)單級(jí)刷式封嚴(yán)串聯(lián)起來(lái)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

11、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、碳化銘和碳化鴇，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。.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，最突生的優(yōu)勢(shì)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(guó)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(jiàn)圖4）。若在高壓壓氣機(jī)由口處采用刷式封嚴(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200t燃油。刷式封嚴(yán)密封性能優(yōu)良的主要原因在于

12、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(guò)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)由現(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(shì)不可逆轉(zhuǎn)。3.4 .3刷式封嚴(yán)技術(shù)的發(fā)展國(guó)外經(jīng)過(guò)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

13、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(kāi)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(wèn)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(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)刷式封嚴(yán)技術(shù)的研發(fā)和市場(chǎng)推廣。他們研制的一種新型刷式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)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1207kPa、溫度732C、表面滑動(dòng)速度396m/s。核心元件又由核心金屬線(xiàn)

14、、刷絲和夾管組成，刷絲通過(guò)夾管被牢固在核心金屬線(xiàn)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。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0.5MPa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(guó)EG&G公司對(duì)單級(jí)刷式密封進(jìn)行了改進(jìn)，適應(yīng)1MPa及以上的高壓差工作環(huán)境，具結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。高壓刷式封嚴(yán)的一個(gè)突生特點(diǎn)就是采用了更粗的刷絲（刷絲直徑0.1

15、5mm,絲束寬度0.76mm）,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(guò)度磨損。（3）刷式密封的其它改進(jìn)當(dāng)前后壓差超過(guò)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(guó)外有研究者提由了用多個(gè)沿周向壓緊在一起的薄金屬片來(lái)代替刷絲。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是制作簡(jiǎn)單、壽命更長(zhǎng)，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(lái)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(guò)刷式封嚴(yán)的阻力，保證封嚴(yán)的低泄漏量。4結(jié)束語(yǔ)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(jiǎn)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(guó)外多個(gè)軍民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（如PW4000系歹U、GE90、EJ200和F119）采用了這種先進(jìn)裝置。國(guó)外通過(guò)對(duì)刷式封嚴(yán)