柱面气膜密封报告 定

柱面气膜密封
冯飞李发国朱自明
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朱自明：PPT制作及报告撰写
一、研究背景及意义
气膜密封是一种新型的、依靠微米级的气体薄膜润滑的非接触式机械密封，也称为干气密封。

气膜密封技术相比于传统密封技术具有很多优点，其主要有端面气膜密封技术和柱面气膜密封技术，端面气膜密封技术在地面透平机、压缩机等设备中广泛应用，取得了很好的经济效益。

人们想将端面气膜密封应用于航空燃气轮机转子系统，但都以失败告终，其原因在于航空燃气轮机转子系统具有高转速、高压差、高温等严苛的工作环境，对此有学者提出柱面气膜密封技术。

柱面气膜密封其独特的柔性结构可以应对航空燃气轮机转子系统剧烈的振动和热力变形，实现业界所追求的密封副之间的非接触摩擦，对降低航空燃气轮机油耗具有重要的意义。

鉴于航空发动机工况十分严峻，学者们提出了采用柱面气膜密封。

研发应用于高压压缩机的柱面气膜密封，提高密封效果，使发动机的推力提高2％～2．5％，耗油率降低1％～2％，可使航空发动机节约能源，减少污染，提高构建的耐久性，并大幅度改善整机性能，具有重大的军事价值和经济价值。

气膜密应封技术是基于气体动静压原理，在密封位置形成一定薄的压力气膜，产生密封密封效果。

其突出的特点在于通过很薄的压力气膜实现密封界面的非接触和小间隙，由此所表现出的优越的防泄漏特性和长寿命、低维护特性，已使其成为先进密封技术领域的一个重要研究方向。

二、发展状况
（一）气膜密封的产生与发展
（二）柱面气膜密封研究方法
柱面气膜密封当前尚处于研究阶段，鲜见成功应用。

柱面气膜密封类似于径向轴承的工作原理，对其研究主要有2种方法：1)根据密封条件，建立适合的雷诺方程及纳斯一斯托克斯方程等物理方程，然后采用解析法、有限差分法或者有限元法求解相关方程，从而得出密封表面的压力分布，再进一步求得其稳态性能；2)建立正确的几何模型，采用fluent等流体有限元分析软件，得出密封表面的气膜压力，再研究密封结构各方面的性能。

目前，对于柱面气膜密封的研究主要采用的是第1种方法。

（1）柱面气膜密封性能的研究
从1994年开始，Gardner和Mohsen Salehi等进行了一系列的柱面气膜密封相关理论和试验研究，建立了其数学模型，推导出了表征其性能的参数计算公式。

Moshen Salehi等在转速为56 000 r／min、轴径为72．1 mm、环境温度为650℃和边界压差为10 psi(689．5 Pa)的条件下，在涡轮发动机模拟器上，进行了柔顺箔密封(柱面气膜密封的一种结构形式)性能测试。

结果表明，柔顺箔密封的泄漏远小于刷式密封，轴颈表面没有明显的摩擦痕迹，且具有较高的柔性。

2000年以后，北京航空航天大学针对柱面气膜密封进行了一系列的研究，
通过求解数学模型数值模拟，得出了柱面气膜密封的气膜反力、气膜刚度、摩擦转矩和密封泄漏量等随可压缩数及气膜厚度的变化规律曲线；并采用微扰法，对柱面气膜密封的动态特性进行了研究，得出了动刚度系数和阻尼系数的计算式。

由于国内起步较晚，现在的理论研究还停留在数值模拟的阶段，后期研究应该尽可能采用试验的方法来验证和弥补理论研究方面的不足。

（2）柱面气膜密封结构的研究
工作中的柱面气膜密封依靠产生的动压气膜来实现，所以，要采用合理的结构来产生具有一定刚度和稳定性的动压气膜。

最常见的结构就是在浮动环上刻数个槽，最常用的就是螺旋槽。

马纲等对常见的几种螺旋槽形式下的性能进行了比较，并得出结论：在小膜厚下，顺流型螺旋槽的气膜反力较大，泄漏较小。

故密封界面允许有较大的位移和变形，更适应于航空发动机关键部位密封的工况。

国内学者采用有限元法对人字形螺旋槽的柱面气膜密封结构进行了数值计算，定量地分析了螺旋槽结构的各个参数对于密封特性的影响，得出了变化规律曲线，并得出螺旋槽的适合槽数为14～24，螺旋角的最优值约为60。

，槽宽比应选择约0．5u1I．应用中动压槽参数的选择还需考虑其动态性能和自振稳定性等¨2I。

上述为柱面气膜密封的设计提供了一定的理论基础。

（3）柔性支承系统的研究
柱面气膜密封相比端面气膜密封的优势在于允许更大的径向位移，但是由于柱面气膜密封的气膜厚度很薄，一般只有几微米，而轴的径向摆动常常多达几毫米，为了避免密封轴和浮动环密封表面相接触应合理选用柱面气膜密封的柔性支承结构来隔离。

自从1994年提出柱面气膜密封的概念以来，尝试了采用柔顺箔和橡胶等作为柔性支承结构，都取得了一定的成果。

（三）柱面气膜密封研究的关键
先进的柱面气膜密封的研究关键在于以下2个方面：
（1）密封系统结构形式
柱面气膜密封研究的基础是提出新型的密封系统结构形式，应满足2个基本要点：
1.从系统整体结构进行考虑，通过有关弹性件和浮动件使系统具有足够的柔性支承，形成来自转子的大振位移主要为柔性支承所吸收，通过系统的自适应性确保有足够气膜厚度形成非接触摩擦气膜密封。

2.结构形式设计中要充分考虑到，具有自适应性的大柔性支承结构形式要易于进行定量设计和分析。

（2）完整定量设计分析方法
建立特定工况条件下密封系统定量分析方法，对密封性能进行预测分析，对密封系统相关参数进行定量协调设计，是密封系统试验研究和应用的前提，能够起到事半功倍的效果。

（四）柱面气膜密封的潜力
在典型的流体动密封中，就能够真正有能力应对航空发动机的大振位移来讲，只有刷密封具备较大的柔性，且经过大量的成功应用实践的考验；但接触式的刷密封难以形成流体动力气膜，存在着固有的金属接触摩擦和磨损。

对于航空发动机转子内流系统应用柱面气膜密封的研究呈现出：柱面密封可有较强的柔性浮动支承结构，在转子剧烈振动和热力变形下保持一定气膜润滑。

柔顺箔密封和薄叶板密封在模拟试验器和地面燃气轮机上的试验表明其能够在轴颈处形成流体动力的气膜密封，避免金属直接接触所发生的剧烈摩擦和磨损。

虽然这种密封还存在着不足，但其具有较强的柔性适应能力，使其在克服大位移的障碍上更具潜力。

（五）柱面气膜密封研究存在的问题以及未来的发展方向
柱面气膜密封已经发展了几十年，但是对于其研究应用还存在下述问题。

（1）将柱面气膜密封结构的设计定量化需要一套完整的结构设计理论，虽然对于柱面气膜密封的结构设计已经做了大量的研究，但是这方面的研究主要是基于稳态性能的影响而提出的，实际应用中还需要考虑动态性能、气膜的自振特性和自振稳定性等的影响。

（2）柔性支承结构是气膜密封的一个重要组成部分，对于柔性支承结构材料的选择和结构的设计是气膜密封研究中一个亟待解决的问题，最终要达到对柔性支承结构的定量设计和分析的要求。

（3）柱面气膜密封的许多相关理论研究还不完善，在国内只有北京航空航天大学等少数单位在从事这方面的研究；因此，应充分考虑理论的细节，如温度和密封结构的表面粗糙度等对密封性能的影响。

（4）柱面气膜密封的结构较复杂，而且对于制造工艺的要求相当高；所以，气膜密封的制造理论和技术是一项关键的技术。

三、柱面气膜密封的结构及分类
（一）密封原理
柱面气膜密封系统主要由柔性支承系统、浮动环
和密封轴构成，其原理如图所示，动环有一定的偏心，
在给定的载荷W 和转速ωj 下，在密封轴转向的收敛
楔形间隙里，气体因黏性摩擦被轴从大口带向小口，
产生憋油升压现象。

如图（ａ）所示的周向压力分布，
收敛间隙里高压侧气体同时迫使气体本身向密封轴两端运动，即产生端泄Qz ，轴向气膜压力分布如图（ｂ）所示，流体动压效应使密封轴和浮动环相互分离，在动压效应中密封轴和浮动环保持相对动平衡状态。

（二）模型结构
柱面气膜密封结构如图l 所示．图中密封
副为静环和动环，静环上开有槽，并且在周向
位置可以浮动，缓冲吸收来自动环的振动位
移．弹性元件主要作用为补偿和缓冲传动件的
惯性，其一般用耐腐蚀、耐疲劳材料制成；辅
助密封装置主要有O 形圈等密封元件构成，保
证了动环与轴或轴套之间的密封性和浮动性，制作材料要求有一定的耐热、耐寒性、可以和密封介质相容。

在浮环外层有柔性结构，用来吸收浮环的周向振动，开始时浮环由于自身重力原因和密封轴配合时产生偏心作用，当密封轴高速转动时，会形成楔形流体间隙，产生流体动压效应，在密封轴和浮环的间隙中形成一层很薄的气膜，具有足够的刚度来维持密封轴和浮环系统的动态平衡。

（三）柱面气膜密封的分类
自20世纪90年代中期以来，随着对转子内流系统密封技术研究的深入，气膜密封的研究开始由端面气膜密封转向对于柱面气膜密封的研笔者认为，比较而言后者的优势在于：易于在径向实现较大的柔性，以应对剧烈振动和热、力变形，且结构尺寸可以更为紧凑。

代表性的研究有：
（1）柔顺轴密封
NASA 首先在1994年提出了这种新概念密封。

其薄片密封元件在流体动压气膜上浮动，以有效消除密封副磨损，并运转在设计的径向位移范围以内(≤
0．381mm)。

这是一种典型的通密封系统构件的弹性实现浮动，以在所设计径向位移范围内避免柱面气膜密封。

同时又提出数曲线的分层薄片指密封，它与轴颈之间能形成气膜。

(2)柔顺箔密封
该密封形式是在成功应用的径向柔顺箔轴承(CFB)的基础上提出来的。

它的基本组成包括顶箔、弹性凸起波形箔和支座。

工作过程中，
在箔孔与轴颈之间形成动压气膜，波形箔作为弹
性支承适应转子轴颈的振动和变形。

Gardner和Mohsen Salehi
等从1994年开始，进行了一些列的相关理论和实验研究。

Mohsen Salehi首先在小型燃气涡轮发动机模拟器上，进行了柔顺箔密封（CFS）系统的性能实验研究。

在转速56000r／min、轴颈72．1mm、环境温度650"C、边界压差lOPsi之下实验表明，这种密封的泄露远小于刷密封，在箔片和轴颈表面未发现有明显的摩擦和磨损迹象。

该密封系统形式具有较高的柔性，地面试验效果较好，但在航空发动机高速柔性转子动态工况下的特性尚待研究；同时波形柔顺弹性支承难以进行定量设计和性能预测，限制了其应用推广。

(3)混合浮动刷密封(HFBS)
该密封结构是一种刷密封和端面气膜密封的组合型式。

这种密封的特点是：既可以消除它们各自单独使用时来自转子的振动位移工况下的不良后果，又能够在混合运用中，发挥刷密封的“极富柔性”以应对振动位移等工况，发挥气膜密封的摩擦小、易浮动、密封性好并能应对高滑速、高环境温度的长处。

此项研究仅为一种新颖的设计概念，还未进行深入的理论和试验研究。

(4)薄叶板密封
该密封结构与指密封类似。

5～10mm宽的多片薄叶板沿圆周方向规则排列，相邻叶板间留有很小的间隙，同时叶板的刚性通过厚度、径向高度，倾斜角来控制。

叶板尖部在转子停止时与转子轴径接触，转子旋转时，由动压开启力使得叶板与转子轴颈分开，从而实现非接触状态。

其工作特点为：由于叶板密封有一定的轴向宽度，叶板间的间隙非常小，空气的流动被叶板阻隔，总泄漏量减小；动压作用使得叶板与轴颈处于非接触状态，避免了工作过程中的摩擦和乍热；轴向宽度和不同压差下刚度的变化使得叶板密封可以适用干多种不同的压差环境。

在地面涡轮发动机的压气机与涡轮之间部位的试验研究表明：这种
密封的泄漏性能接近刷式密封，叶板的尖部有轻微擦亮，磨损量非常小。

从结构和工作特点看，这种薄叶板密封也可以看成是柔顺轴密封的一种具体设计结构和试验运转验证。

国内对于柱面气膜密封技术的研究刚刚起步，相关的研究资料很少。

（5）带金属橡胶外环的柱面密封结构口
2011年，王虹等首次提出了带金属橡胶外环的柱面密封结
构，并对其稳态性能进行了数值模拟。

结果表明，如果合理
设计该结构，其泄漏量远小于直 通式篦齿密封。

同时，提出
了对该种柔性支承结构 的定量设计方法。

该结构如图3所示，
工作时，刚性 浮环和转子轴颈之间形成动压气膜，而金属橡胶作为弹性支承结
构，不仅其自身具有一定的刚度，而且可以允许一定的径向位移。

（四）六种典型界面结构型式
螺旋槽顺流型、逆流型、对称人字槽型、顺流人字槽型、逆流人字槽型和
阶梯型结构。

四、性能分析
以柱面螺旋槽气膜密封为例
（一）偏心率对稳态性能的影响
图中3种稳态特性参数都随着偏心率ε的
增加而增大。

其中泄漏量Q 和摩擦转矩M 随着偏
心率的增加呈现近似抛物线形的增长。

对于气膜
浮升力F 而言，当偏心率ε<0.3时，气膜浮升
力F 随偏心率的增加而快速上升；当偏心率ε介于0.3～0.6之间时，气膜浮升力呈线性趋势持续增加，但上升趋势有所减缓；当偏心率ε>0.6时，气膜浮升力上升趋势增大。

这是因为当偏心率增大时，气膜的挤压效应逐渐明显，转轴对气膜的挤压使得在气膜较薄处产生了较大的压力，并且在此处动压效应也明显增加，产生了较大的气膜浮升力，故气膜浮升力持续上升。

同时，由于偏心率增大使得气膜分布的不均匀性加强，使得气膜的压力梯度发生了较大幅度的增加，导致了密封泄漏量与摩擦转矩的上升。

（二）密封压差对稳态性能的影响
在图中，气膜浮升力F 与摩擦转矩M 随着密封压差Δ
p 的增大呈抛物线状增加，而泄漏量则呈线性趋势增
大，三者中，密封压差Δp 对摩擦转矩的影响最为明
显，摩擦转矩随着密封压差的增长幅值最大，气膜浮
升力次之，泄漏量的增长幅度最小。

这是由于在柱面螺旋槽气膜密封运转的过程中，螺旋槽所产生的动压效应有限，因此动压效应产生的局部高压增长幅度也是有限的，故随着密封压差的增大，动压效应所产生的局部高压不足以密封高压侧介质，导致泄漏量逐渐增大。

与此同时，在高压差工况环境下，气膜内压力变化明显，且分布不均匀，会产生压力梯度的剧烈变化，从而使得摩擦转
矩急剧增大，导致密封性能下降。

（三）槽数对稳态性能的影响
（1）不同偏心率下槽数对稳态特性的影响
从图 (a)中可得，随着槽数的增
加，气膜浮升力在一固定数值上下浮
动，变化幅度不明显，但是随着偏心
率 ε 的上升，气膜浮升力数值逐渐
增大。

在图 (b)中，随着槽数的增加，
摩擦转矩逐渐增大，且偏心率越大增加的幅值越大；当
ε=0.2 时，摩擦转矩
变化较小，只有当 n>20 时发生小幅度上升。

从图 (c)
中可以得出，随着槽数的增加，泄漏量逐渐减小最后趋于稳定，当槽数n>12 时，泄漏量基本不变。

（2）不同密封压差下
槽数对稳态特性的影响
从图(a)中可得：随着槽
数的增加，气膜浮升力逐渐
减小，当密封压差Δp 增大时，气膜浮升力的下降幅值也相应增加，当Δp=10 MPa 时，气膜浮升力的下降幅值高达44%。

图5(b)中，随着槽数的增加，摩擦转矩也呈现上升趋势。

随着密封压差的增加，摩擦转矩增大的幅值也越大。

图5(c)中，随着槽数的增加，泄漏量先下降后上升，最后达到稳定。

在n=12附近，泄漏量达到最小值。

随着密封压差的增大，泄漏量也逐渐增加，但3条曲线的变化趋势一致。

（四）螺旋角对稳态特性的影响
（1）不同偏心率下螺旋角对稳态特性的影响
从图(a)中，随着螺旋角α的增加，
气膜浮升力逐渐减小，并且随着偏心
率的增大，气膜浮升力下降越快，且
下降幅值也逐渐增大。

随着螺旋角的
不断增大，螺旋槽母线曲率逐渐增大，使得槽型区域逐渐平缓，从而螺旋槽对气体的压缩作用也逐渐减小，导致气膜压力下降，引起了气膜浮升力的相应下降。

图(b)中，摩擦转矩随着螺旋角的增加而增大，图(c)中，泄漏量随着螺旋角的增大而相应变大，并且偏心率越大，
泄漏量也越大。

（2）不同密封压差下螺旋角对稳态特性的影响
在图(a)中，随着螺旋角的增加，气膜浮升力先小幅度上升后剧烈下降，呈现“波峰”的变化趋势；在图(b)中，摩擦转矩随着螺旋角的增大而逐渐增大；在图(c)中，泄漏量随着螺旋角的增加呈现先上升后下降并趋于稳定的分布规律。

并且随着密封压差的增大，泄漏量的数值虽有上升，但变化不大。

（五）槽深对稳态特性的影响
（1）不同偏心率下槽深对稳态特性的影响
从图 (a)中可得，随着槽深的增
加，气膜浮升力逐渐下降，而且随着
偏心率的增大，气膜浮升力下降越剧
烈；在图 8(b)中，摩擦转矩随着槽
深的增大而增大；在图 8(c)中，泄漏量随着槽深的增加虽呈现近似线性上升趋势但增大幅度并不明显。

（2）不同密封压差下槽深对稳态特性的影响
随着槽深的增加，气膜浮升力、摩擦
转矩和泄漏量都呈上升趋势。

在图(a)中，
随着槽深的增加，气膜浮升力逐渐增大，
且密封压差越高，气膜浮升力的上升幅
值越大；在图(b)中，随着槽深的增大，摩擦转矩的变化幅度逐渐加大，且随着密封压差的升高，摩擦转矩数值成倍上升。

在图(c)中，随着槽深的增加，泄漏量增大。

（六）密封宽度对稳态特性的影响
（1）不同偏心率下密封宽度对稳态特性的影响
从图(a)中可得，随着密封宽度L 的增
加，气膜浮升力也随之上升。

图(b)中，随着密封宽度的增加，摩擦转矩呈上升趋
势但幅度较小，随着偏心率的上升，摩擦转矩的变化幅度增大。

图10(c)中，泄漏量随着密封宽度的增加逐渐下降最后在L=0.035m处趋于稳定。

而且偏心率越大，泄漏量越大。

（2）不同密封压差下密封宽度对稳态特性的影响
度的增加先增大后减小。

当密封宽度较
小时，所产生的动压效应较小，产生的
局部动压也较小，并且在密封压差的影
响下，使得气膜浮升力逐渐下降，随着密封宽度的增大，螺旋槽所产生的动压效应逐渐显现，此时随着密封宽度的增加，气膜浮升力上升。

图(b)中，随着密封宽度的增加，摩擦转矩呈线性增长，但增长幅值并不大，随着密封压差的上升，摩擦转矩也呈现上升趋势，但是其数值成倍增加；从图(c)可得，在L=0.02～0.035 m之间泄漏量迅速下降，在L>0.04 m时，泄漏量的数值基本趋于稳定。

此外，当密封压差越大时，泄漏量也越大。

（七）性能分析的结论
（1）随着偏心率的增加，泄漏量和摩擦转矩呈现近似抛物线形的增长。

气膜浮升力随偏心率的增大先快速上升后上升幅度减缓，当偏心率ε>0.6时，又恢复快速上升趋势。

气膜浮升力、摩擦转矩和泄漏量都随着密封压差的增大而上升，上升幅值：摩擦转矩>气膜浮升力>泄漏量。

（2）在不同偏心率下，随着槽数的增大，摩擦转矩增大，泄漏量减小，气膜浮升力基本不变；气膜浮升力随着槽深的增加而减小，但摩擦转矩和泄漏量呈下降趋势；密封宽度的增大使得气膜浮升力和摩擦转矩上升，泄漏量下降；螺旋角增大，气膜浮升力下降，摩擦转矩和泄漏量上升。

在不同的密封压差下，槽数的增加导致了气膜浮升力和泄漏量的下降，以及摩擦转矩的上升；随着槽深的增加，三者皆呈上升趋势；气膜浮升力随着密封宽度的增加先下降后上升，摩擦转矩逐渐上升，泄漏量下降并趋于稳定；螺旋角的增大导致了气膜浮升力先小幅度上升后下降的趋势，摩擦转矩上升，泄漏量先上升后下降。

（3）综合分析气膜浮升力、泄漏量和摩擦转矩的影响，推荐柱面螺旋槽槽数的取值范围应在12～18之间；在满足气膜浮升力的前提下，槽深应尽可能小以减小泄漏量和摩擦转矩；螺旋槽密封宽度的推荐值为L=0.03～0.045 m，螺旋
角的推荐值为40°～50°。

五、结束语
先进的密封技术对于航空发动机整机性能提高的影响日益突出，气膜密封技术的发展意义重大。

针对航空发动机密封工况和研究进程的研究分析表明，柱面气膜密封研究具有很大的潜力。

在国外对于相关技术设计分析研究严格保密的情况下，对于航空燃气轮机转子柱面气膜密封研究的关键在于：从结构的柔性出发，探求具有足够“自适应性”且易于进行定量设计分析的大柔性支承结构形式；建立密封系统完整的定量设计分析方法，以期进行进一步的试验研究和应用。