孫勇

摘要：高性能且可靠的封嚴技術(shù)一直是航空發(fā)動機研發(fā)的重點。先進的封嚴技術(shù)可滿足人們對發(fā)動機推力、油耗的不斷追求。通過采取先進的、適合使用環(huán)境的封嚴技術(shù)，可以大大降低發(fā)動機的內(nèi)流系統(tǒng)的泄漏量，從而提高發(fā)動機的性能和效率。本文針對航空發(fā)動機的幾種典型封嚴技術(shù)，詳細地介紹了在發(fā)動機中常用的石墨封嚴、蓖齒封嚴、刷式封嚴等密封技術(shù)，對它們的特征和優(yōu)缺點進行描述。對目前廣泛應(yīng)用的刷式封嚴提出了改進意見。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；燃氣輪機；封嚴裝置

經(jīng)過幾十年的迅速發(fā)展，航空發(fā)動機及在其基礎(chǔ)上衍生的艦船用和地面用燃氣輪機技術(shù)已經(jīng)達到了較高的水平。隨著人們對軍用航空發(fā)動機高推重比和民用發(fā)動機低耗油率的不斷追求，發(fā)動機的壓比和溫度都不斷升高，這對整機效率的要求越來越高。材料和加工工藝與工業(yè)基礎(chǔ)有很大關(guān)系，在目前的材料和加工工藝無法滿足航空發(fā)動機的需求時，已經(jīng)無法大幅度提高燃燒室出口溫度這一影響功率的關(guān)鍵參數(shù)。發(fā)動機自身的消耗越來越引起人們的關(guān)注，內(nèi)部空氣系統(tǒng)的消耗尤其重要。經(jīng)過多種型號數(shù)百臺發(fā)動機的運行數(shù)據(jù)表明，僅僅把發(fā)動機內(nèi)部關(guān)鍵部位的泄漏量減少一半，就可以使推力增大1～3%，耗油率降低3～5%。因此各大航空發(fā)動機及改型燃氣輪機廠商都在深入研究如何減少發(fā)動機內(nèi)部空氣系統(tǒng)的損失，以提高發(fā)動機性能。對于軍用發(fā)動機來說，可以有效提高推重比，提升3%的推重比對于軍用發(fā)動機來說具有里程碑式的意義。對于民用發(fā)動機來說可以較大幅度的提升效率，減少油耗，有效增加航程。發(fā)動機的封嚴裝置本身就會隨著運行時數(shù)的增加而磨損，選擇適當?shù)姆鈬澜Y(jié)構(gòu)同時可以增加發(fā)動機的壽命。

1封嚴對發(fā)動機的影響

封嚴技術(shù)是指對發(fā)動機中的轉(zhuǎn)動部件和靜子部件間的泄漏進行控制，并不是完全限制其流動。廣義的封嚴也包括對轉(zhuǎn)子葉尖和機匣的間隙，即葉尖間隙控制，但這部分內(nèi)容在發(fā)動機領(lǐng)域有單獨的專業(yè)進行深入研究，在本文中不包含這部分內(nèi)容。本文主要對發(fā)動機內(nèi)部空氣系統(tǒng)、軸承腔密封、傳動系統(tǒng)中密封技術(shù)進行淺析。

航空發(fā)動機及航改燃氣輪機的密封結(jié)構(gòu)按工作性質(zhì)可以分為接觸式和非接觸式密封兩大類。接觸式密封主要用于空氣系統(tǒng)的皮碗、刷式封嚴、浮動環(huán)密封和用于液體介質(zhì)，主要是滑油的石墨密封。非接觸式密封主要包括螺紋槽密封、篦齒、液力和氣膜密封，其中以篦齒密封應(yīng)用最廣泛。

航空發(fā)動機的密封性對發(fā)動機性能有極其重要的影響?？諝庀到y(tǒng)的密封對發(fā)動機的推力、效率有直接影響。整機封嚴泄漏量減少1%，發(fā)動機的推力可增加1%，耗油率降低0.1%。保持發(fā)動機運行參數(shù)不變，僅將高壓渦輪封嚴泄漏量減少1%，發(fā)動機推力就可以增加0.5%。因此，與提高壓氣機性能和熱端部件耐溫性來提升發(fā)動機性能相比，改善封嚴系統(tǒng)顯然更“經(jīng)濟實惠”，投入的人力、物力也要少得多。

常用封嚴技術(shù)及特點：

1.1石墨封嚴

石墨封嚴是一種接觸式密封，主要用于發(fā)動機軸承腔和輔機系統(tǒng)。利用石墨環(huán)與轉(zhuǎn)子相接觸來達到封嚴的目的。石墨密封的密封效果好，發(fā)動機在不出現(xiàn)振動大等故障的情況下可長期使用，泄漏量保持長時間較小，尤其在軸承腔附近高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速條件下依然可以保持密封的可靠性。在實際運行中，石墨環(huán)與轉(zhuǎn)子之間形成油膜，所以石墨與轉(zhuǎn)子無直接摩擦。

同時，石墨封嚴也有不可避免的缺點。由于石墨環(huán)的直徑較寬度和厚度大得多，加上石墨材質(zhì)較脆，在裝配和分解發(fā)動機時可能會對石墨環(huán)造成損壞，如果在裝配時石墨環(huán)已經(jīng)損壞，裝配后一般無法檢查石墨環(huán)是否完好。石墨密封屬于一種接觸式密封，初始裝配間隙一般較小甚至沒有間隙。在運行時轉(zhuǎn)子受熱膨脹和離心力影響，高速運轉(zhuǎn)時會壓迫石墨環(huán)，可能將石墨環(huán)壓壞。發(fā)動機轉(zhuǎn)靜子不同心在運行中同樣會造成石墨環(huán)損壞。這些都是石墨封嚴不可避免的缺點。

1.2蓖齒密封

篦齒封嚴是一種非接觸式密封，又稱為迷宮式密封。主要盤、軸、葉尖等由轉(zhuǎn)子上的周向篦齒和對應(yīng)靜子部件上的環(huán)形柱面組成，封嚴的效果主要由齒形、齒數(shù)、篦齒結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)靜子間隙決定。

篦齒封嚴結(jié)構(gòu)相對簡單，但由于是非接觸式密封，而且轉(zhuǎn)、靜子材質(zhì)都較硬，密封效果較差。在發(fā)動機運行一段時間后，由于轉(zhuǎn)子熱膨脹和離心力作用，運轉(zhuǎn)中的摩擦會導(dǎo)致密封齒尖或?qū)?yīng)的靜子部件磨損和永久變形，間隙放大后泄漏量進一步增加。加快發(fā)動機性能衰減。初始裝配間隙過大，密封效果很差，初始裝配間隙小，運轉(zhuǎn)中磨損嚴重，齒尖很容易由于發(fā)動機振動掉塊，掉下來的磨削顆?？赡軙Πl(fā)動機其他部件造成影響。如果有磨削顆粒進入軸承腔，很可能在很短的時間內(nèi)使發(fā)動機“報廢”。所以篦齒封嚴轉(zhuǎn)靜子間隙的選取是設(shè)計中的難點。在設(shè)計篦齒封嚴時，要綜合考慮發(fā)動機工作時轉(zhuǎn)子的熱變形、機匣的收縮變形、轉(zhuǎn)子的振動等問題，合理設(shè)計篦齒間隙。但封嚴系統(tǒng)本身就屬于磨損件，隨著運行時數(shù)增加就要正常損耗。因此篦齒封嚴的“硬碰硬”很難長時間保證封嚴效果的同時又保證發(fā)動機運行安全。

1.3刷式封嚴

刷式封嚴技術(shù)從20世紀80年代初開始逐漸發(fā)展，至90年代成熟起來，它是一種性能優(yōu)異的新式密封技術(shù)。首先，刷式封嚴的密封效果優(yōu)異，在相同條件下，刷式封嚴的泄漏水平只有典型篦齒封嚴結(jié)構(gòu)的50%甚至10%～20%。經(jīng)過試驗驗證，僅把發(fā)動機某些關(guān)鍵部位的篦齒封嚴換成刷式封嚴，就可以使發(fā)動機的推力增加1%～3%，耗油率降低3%～5%。其次，它克服了篦齒封嚴容易磨損的缺點，刷式封嚴中與轉(zhuǎn)子表面接觸的是刷束部分，刷束由大量直徑0.1mm以下的刷絲整齊排列組成，數(shù)量約為幾萬至幾十萬根。它在轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向跳動或熱膨脹時可以彎曲變形，從而有效地減小了封嚴磨損，在轉(zhuǎn)子跳動結(jié)束恢復(fù)原位時又可以彈回以保持與轉(zhuǎn)子的接觸，從而可以長期維持較低的泄漏水平。屬于一種“軟碰硬”的接觸式密封。壽命大大優(yōu)于傳統(tǒng)的篦齒封嚴。

2結(jié)語

傳統(tǒng)的石墨密封和篦齒密封在航空發(fā)動機上應(yīng)用過了多年，雖然存在著密封效率低、易損壞等缺點，但在沒有出現(xiàn)更可靠的密封結(jié)構(gòu)之前依然是發(fā)動機內(nèi)流系統(tǒng)密封的首選，尤其是篦齒密封，在發(fā)動機上使用數(shù)量非常多。

刷式密封的密封性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡單、安裝容易、重量相對其他密封結(jié)構(gòu)有巨大的優(yōu)勢。國外已經(jīng)成功應(yīng)用很多年，我國很多型號的發(fā)動機也已經(jīng)在一些部位采取刷式密封，但是同時也存在使用時間短、可靠性不高等缺點。焊接后的刷絲變脆在使用時很容易折斷，導(dǎo)致刷環(huán)在一些區(qū)域集中缺絲是主要問題。