航空发动机封严技术的进展_沈虹

2 封严技术的应用及其影响
封严是对转动部件和非转动部件间的泄漏进行 控制。航空发动机上使用封严的地方很多，如主流 道密封、空气系统二次流密封、主轴承油腔密封、附 件传动机匣中传动附件输出轴密封等(见图 1)。航 空发动机密封装置的形式也多种多样，按工作性质 可分为接触式和非接触式两种。前者主要有皮碗、 涨圈、浮动环、端面石墨、径向石墨和刷式密封等，后 者主要有螺旋槽、篦齿、液力和气膜密封等。
向偏差下，背板都不会与转子表面接触。单级刷式 封严的工作压力一般低于 0.5 MPa，但多个单级刷式 封严串联起来形成多级刷式封严，可提高其整体耐 压能力。为方便刷式封严在航空发动机上的装配， 可采用将刷式封严沿周向分为两个半环或几个扇形 段的设计方式。跑道是与刷丝相接触的表面，基体 材料一般选用高强度、耐热、导热性好的结构钢或高 温合金；跑道涂层则选用氧化铝、碳化铬和碳化钨， 采用等离子或爆炸喷涂的方式将涂层材料牢固地附 着在机体上。
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燃气涡轮试验与研究
第 24 卷
齿轮箱
管路系统 主轴
热端部件 附件
机械端面密封 石墨环组密封 焊接波纹管 端面密封 O型环密封 端面密封 间隙密封
刷式密封
金属过滤器 静态金属密封
金属波纹管 阀门 管路系统
刚性接头
管道密封
图 1 密封装置在航空发动机上的应用 Fig.1 Sealing devices in aero-engine
(1) 使大发动机的直接使用费用减少 3%，支线 发动机的直接使用费用减少 5%；
(2) 使发动机耗油量降低 10%以上； (3) 使发动机 NOx 的排放量减少 50%以上； (4) 使机场噪声降低 7dB[2]。 由此可以看出，先进封严技术在满足发动机诸 多性能，如耗油率、飞行成本、推重比、发动机及其部 件寿命以及降噪等方面，都起到了关键作用。
1 引言
现代航空发动机技术已达到很高水平，要进一 步提高叶轮机效率，很大程度上取决于叶轮机转子 与机匣之间的封严效果。因此，许多航空发动机研 究计划把如何减少发动机内流损失、提高发动机性 能作为重点研究内容之一。随着军用发动机工作环 境越来越苛刻及民用发动机用户对低能耗、低噪声 和高效益等方面要求的不断提高，低泄漏封严技术 将面临高温、高转速、高压差、高湿度、高摩擦、高频 振动及破坏性化学反应等一系列挑战。研发泄漏量 更小、在恶劣环境中使用寿命更长的先进封严装置 已成当务之急。
3 封严技术的特点及进展
3.1 石墨封严 石墨封严是利用石墨环与转子相接触来达到封
严的目的，它是现代航空发动机较为理想的密封装 置。石墨封严主要用在涡轮发动机轴承位置和辅助 装置处。总的来看，石墨封严的密封效果好，寿命 长，泄漏量小，甚至完全不泄漏，尤其是在高温、高 压、高转速条件下仍能保证可靠的密封性能，这是其 它类型密封装置所不具备的。在航空发动机中，石 墨封严的石墨环与轴和叶片本身无直接相对摩擦， 石墨有自我润滑作用，在润滑条件不良的情况下仍 能可靠工作，加之石墨摩擦系数小，因此当石墨环磨 损时，与之相配合的轴和叶片能完整无损。
航空发动机封严技术的进展 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严
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摘 要：封严技术一直是高性能航空发动机研发工作的重要组成部分，先进封严技术是满足发动机耗油率、推重比、 污染物排放、耐久性及寿命期成本目标的关键技术。通过减少发动机内部气流的泄漏量，可大大提高发动机的性能 和效率。本文针对航空发动机典型封严技术，详细介绍了石墨封严、篦齿封严、刷式封严的结构特点及其技术改进和 发展趋势。重点阐述了德国 MTU 公司开发的新型刷式封严技术，其独特的结构解决了刷式封严掉毛这一技术难题。 关键词：航空发动机；封严技术；掉毛；高压刷式封严 中图分类号：TB42；V23 文献标识码：A 文章编号：1672-2620 (2011) 04-0051-05
Improvement of Aero-Engine Sealing Technology
SHEN Hong，ZHENG Tian-hui，CHEN Yu-jie
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China) Abstract：Sealing technology has always been a significant part of high-performance aero-engine develop⁃ ment. And advanced sealing technology is the key to achieve lower SFC, higher thrust-to-weight ratio, less emission, improved endurance and less life cycle cost. The performance and efficiency of aero-engines can be greatly improved by reducing the leakage of inner flow. Focusing on the typical seal technology used in aero-engines, this paper introduces the features, technology improvement and development tendencies of graphite sealing, labyrinth sealing and brush sealing in details, particularly the new brush sealing technolo⁃ gy developed by MTU, which solved bristle looses by its unique configuration. Key words：aero-engine；sealing technology；bristle looses；high-pressure brush sealing
篦齿封严又称为迷宫式封严，是一种非接触式 封严结构，主要由轮盘、鼓、轴、叶冠等转动部件上的 周向篦齿及静子部件上的环形圆柱面组成，封严效 率取决于转子部件与静子部件之间的径向间隙和篦 齿数目。
篦齿封严结构简单，封气效果差，泄漏量比接触 式的大。发动机在工作中产生的摩擦会导致密封齿 永久性变形，使泄漏量进一步增加，进而加快发动机 性能衰减；篦齿在工作中会磨损，磨粒会打坏涡轮叶 片；压差稍大时，常用的篦齿封严环在气流逸漏过程 中易发生振动。这主要是因为在设计发动机转子和 静子之间的间隙值时，必须考虑长期工作时轮盘与 叶片的蠕变伸长、机匣的收缩变形、转子的振动和偏 摆等因素，使得间隙设计值偏大。为了减小发动机 漏气损失，提高篦齿封气效果，又不使转子和静子相 碰，可采取以下措施：
气流
(a) 基准结构
气流
30°
(b) 改进结构 图 2 篦齿封严结构示意图 Fig.2 Sketch of labyrinth sealing structure
第 24 卷 第 4 期 2011 年 11 月
燃气涡轮试验与研究 Gas Turbine Experiment and Research
Vol.24,No.4
Nov.,2011
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0.1%；对于先进战斗机发动机，在发动机转速和涡 轮转子进口温度保持不变的情况下，高压涡轮封严 泄 漏 量 减 少 1% ，则 推 力 增 加 0.8% ，耗 油 率 降 低 0.5%。因此，美国 IHPTET 计划第二、第三阶段二次 流路系统设定的目标分别是密封泄漏量减少 50%和 60%。由此带来的发动机性能改Baidu Nhomakorabea为：高压压气机 效率提高 4.4%，相当于涡轮进口温度降低 47℃或 发动机推力提高 7.6%；高压涡轮效率提高 4.2%，相 当 于 涡 轮 进 口 温 度 降 低 52℃ 或 发 动 机 推 力 提 高 9.7% 。 [1] 此外，现代航空发动机研制技术已达到很 高水平，与通过改进压气机和涡轮结构设计来提高 发动机性能的途径相比，在效果相近的条件下，采用 先进密封技术所需费用要低得多。因此先进密封技 术还是一种低投入、高回报的技术。NASA 先进亚 声速技术计划研究表明，提高封严装置性能、减少泄 漏量、确保在更恶劣的工作环境中延长寿命，对降低 发动机耗油率进而直接减少使用成本起到了非常重 要的作用。封严技术改进带来的具体效益为：
目前，国外石墨封严的改进主要是针对密封面 焦化和起泡问题。联信公司已用陶瓷环密封替代石 墨环密封，成功克服了焦化问题，同时还大大延长了 封严装置寿命。GE 公司研发了一种可用于高压差 端面的石墨封严，它利用流体动力来减少高压差处 石墨的磨损，确保端面石墨封严能在压差为 1010 Pa、 温度达 510℃、摩擦速度为 134 m/s 的环境下正常工 作，且整个寿命期内泄漏量基本不变，寿命比现有的 端面石墨封严提高了一倍。CF6-80C2 发动机 4、5 号轴承腔改用这种装置后，不仅泄漏量有所减少，效 率更高，而且整个发动机质量还减轻了 45 kg。 3.2 篦齿封严
航空发动机封严的密封特性对发动机性能具有 极为重要的影响，尤其是气路密封，将直接影响发动 机增压比和涡轮效率的提高。研究表明，封严泄漏 量减少 1%，可使发动机推力增加 1%，耗油率降低
收稿日期：2011-02-15；修回日期：2011-09-20 作者简介：沈 虹(1970-)，女，重庆人，副译审，主要从事航空发动机情报课题研究工作。
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(1) 涂覆可磨耗封严涂层。在与篦齿对应的外 环表面覆盖一层质地较软的氧化物涂层或镀层，一 方面可起到保护作用，承受篦齿与外环的少许接触； 另一方面可自然形成最小间隙，达到最好密封性能。
(2) 改进气流通道结构，提高封气效果。目前
第4期
沈 虹等：航空发动机封严技术的进展
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国外的研究表明，与基准结构相比(图 2(a))，采用斜 齿和高阶梯相结合的方式(图 2(b))可使泄漏量减少 17%。这是因为：①刀形篦齿倾斜度的增加使得封 严腔环流量增加，进而造成刀形齿处气流的停滞面 积增大，齿尖周围流线的弯曲度加大；②高阶梯截面 形成的气流通道更为曲折，流量也随之增加，使得紊 流粘滞损失增加；③倾斜篦齿造成了一节流过程，气 流流经边缘更为锋利的篦齿，减小了有效面积和单 个篦齿的流量系数[3]。