航空发动机石墨密封技术研究

航空发动机石墨密封技术研究

李丹,朱洪基,刘向影

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市150066

摘要：密封材料以及加工精度在很大程度上影响着先进航空发动机密封技术的发展。当前，航空发动机面对的工作环境日益复杂、工况范围日益扩大，这对发动机密封结构的性能和使用寿命提出了更高的要求。在这样的状况下，相较于单一的密封形式，复合型密封结构的优势愈加凸显。同样的密封结构在不同的工作条件下会呈现出完全不同的工作状态。因而，相关人员必须加强科学研究，进行密封材料、工艺、结构等创新与变革，优选最合适的密封形式用于复杂的发动机工况，以满足快速发展的航空发动机需要。

关键词：航空发动机；石墨；密封技术

前言

随着航空发动机技术的发展，密封技术已成为影响发动机性能和寿命的重要因素。自20世纪80年代中期以来，世界航空发动机技术领先国家均将新型密封技术作为具有巨大潜力的领域，投入大量的人力、物力，进行了深入研究，相继开发出了刷式密封、指状密封、气膜密封等多种不同结构的新型密封技术。发动机密封的工作条件除具有流体机械转子系统的典型特征外，还要承受高密封表面相对速度、高环境温度、高密封压差以及剧烈振动等各种因素引起的变形和位移。因此，近年来密封技术在发动机上的应用从传统的石墨圆周密封到各种新型的密封都有不同程度的发展。

1石墨圆周密封技术

石墨圆周密封技术虽经过长期的研究试验，已被成功的应用于航空发动机轴承腔密封中，但齿轮驱动涡轮风扇发动机等新技术的出现，对石墨圆周密封结构提出了更高的要求，一方面其抗氧化温度和高摩擦线速度要更高，另一方面还要具备更大的径向跳动和一定角向偏差能力。但就当前现有的石墨圆周密封结构而言，尚不能满足这一高要求，其径向跳动的最大承受能力只能达到1mm。为此，相关人员必须加强对石墨圆周密封装置结构的优化和创新，选取弯曲强度较高、弹性较低的材料。低合金钢适用于密封跑道，其高热传导率能够确保摩擦密封表面产生的热量在短时间内迅速散发。除此之外，为了使石墨圆周装置能具备更强大的应用环境适应能力，适应更高的密封温度，应优化过去的高温抗氧化石墨的浸渍无机盐处理工艺，比如采用氮化硼进行该项工艺技术处理。美国已经过一系列的研究证明该材料的高温耐磨损性能十分强大，既能有效延长石墨圆周密封结构的使用寿命，也能使发动机密封技术对于潮湿环境有更强大的适应能力。

2刷式密封技术

刷式密封技术尽管具有较明显的优势，但存在的一些问题也限制了其在先进航空发动机上的应用。其中，密封的“滞后效应”造成转子摆动时泄露增加，而刷丝的“刚化效应”和“压力闭合效应”则增加了磨损，造成更大的能耗，为此，我国航空技术领域也在这几方面加大了研究力度。“压力闭合”也称为“吹伏”，是气流流过刷丝时的现象。气流在流动过程中，会使刷丝产生径向力，这个径向力指向轴心，使得刷丝朝向密封跑道的运动趋势加大，进而造成刷丝与密封跑道间的缝隙缩小，避免泄漏。然而，当密封作用于大压差时，这一运动趋势会加大刷丝与跑道间的接触力，使得磨损增加，泄漏也自然会加大。有研究表明，将遮流板置于刷丝之前，既能在一定程度上减少“吹伏”，又能减缓高速气流对刷丝的干扰。高压差是造成密封结构发生“滞后效应”和“刚化效应”的重要因素，刷丝在气体不平衡力的作用下，被压在背板上，并产生较大摩擦力。转子一旦出现径向偏移，刷丝就会被压在外侧，而转子离开刷丝后，刷丝由于与背板之间存在较大摩擦力无法复位，密封间隙因而加大，泄漏也会随之增加，一直到摩擦力随着压力的减小而渐渐变小之后，转子与刷丝才会保持同一节奏进而贴合，泄漏才会减小，这就产生了“滞后效应”。刷丝与背板间的摩擦力除了阻碍刷丝的复位，还使得刷丝在跟随转子转动时承受的接触力变得更加强大，极大地增加了刷丝的相对刚度，发生“刚化效应”，最终造成密封结构的磨损加大。经过一系列的科学分析与研究得知，造成密封“滞后”与“刚化”的最主要原因，是刷丝与背板间的摩擦力过大，而这一现象则是气体不平衡力造成的。除此之外，功率损失也是刷式密封结构面对的重要问题。

3气膜密封技术

凭借在高摩擦线速度、高工作温度和高密封压差等工况下所具有的出色工作能力，端面气膜密封技术在转子运转较平稳的地面旋转机械中得到广泛应用。但发动机转子系统剧烈振动和变形使密封面在工作时的位移和跳动可达到气膜厚度的几十倍，因此，尽管对端面气膜密封技术的研究与开发已进行了几十年，发展了流体静压、流体动压和动静压混合等多种形式，以及包括吸气式端面密封结构在内的多种创新结构，但由于密封结构端面的磨损过度或是泄漏过大等原因，迄今为止仍很少见到端面气膜密封技术在航空发动机上实际应用。同端面气膜密封结构相比，柱面气膜密封结构可以有较高的径向柔性，并可以避免端面跳动对密封效果的影响，因此，更适于在航空发动机上应用。近年来，越来越多的研究集中于柱面气膜密封技术。经过改进的柔顺片密封结构。其薄片状的密封元件在流体动压气膜的作用下与转子外边面保持非接触状态，背面的波形凸起达到柔顺弹性支撑的作用，使密封片随转子上下浮动，保持密封性能。

4新型密封结构

（1）靴衬式密封结构：这是一种新型密封结构，它将类似于靴子形状的衬垫置于刷丝尖部，使其与转子接触。转子在运转过程中，流体动力会产生一定的压力，在这种压力的作用下，“靴衬”将不再与转子接触，而产生的气膜也使得密封转子与静子脱离接触，使得磨损和产生的热量减少，进而降低密封结构的工作温度，并具备反转能力。这种靴衬式密封结构相较于接触式密封结构而言，不但具备与之相同的高性能，且使用寿命更长、更可靠。（2）压力驱动薄片密封结构：该密封结构在启动（冷态）和停车等过程压力较小的状态时是非接触的，由此可以避免磨损；而在工作状态时是接触式的，其密封性能可以达到刷式密封性能衰减以前的水平。这种结构的主要密封元件由多层薄片高温合金（如Haynes25）叠加而成，在薄带的边缘切出一些缝隙，并向轴的内侧弯曲一定角度，形成类似圆台状的结构。由密封结构所承受的压力决定薄片的层数，每1层薄片上的缝隙像瓦片一样相互错开来阻挡气流。密封的支撑元件面向密封的高压侧，支撑着密封薄片，承受密封压差。密封结构扇形段通过背环插入静子部件中。背环、支撑元件和密封元件采用焊接连接。（3）非金属刷式密封结构：这是一种新型滑油密封结构，主要用于航空发动机的轴承腔。科学试验得知，相较于金属刷式密封结构，这种滑油密封结构有着更加强大的防泄漏特性和磨损特性。但若要将此项密封结构广泛应用于航空发动机轴承腔，仍需加强密封摩擦热产生的温升研究，使其能够满足滑油结焦温度。

结束语

综上所述，密封技术研究对密封材料和特种加工工艺的大力推动和牵引非常重要，同时要对密封机理进行创新性发展，需对密封结构内部在建立大量翔实准确的试验数据的基础上进行详细分析。另外，密封技术还应该引入控制的概念。所谓的涡轮间隙控制，实际上就是通过对叶尖密封间隙的控制提高密封性能，从而提高涡轮性能。在发动机密封引气流路上增加控制活门，则可以为不同工况提供不同的封密封气流，以降低密封结构的使用要求，提高可靠性。压力驱动薄片密封结构是控制密封状态，可以在不同工况下提供大间隙、小间隙和接触等不同密封形式，以适应工况的复杂多变。

参考文献：

[1]胡广阳.航空发动机密封技术应用研究[J].航空发动机，2012,38(3):1-4.

[2]胡广阳,孙丹,刘宁宁,等.刷式密封泄漏及磨损特性实验研究[J].沈阳航空航天大学学报,2016,33(2):1-5.