整机丨624所：航空发动机整机封严技术的应用及进展
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。
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。 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。 
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善为：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%。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： (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%； 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。 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。 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10^10Pa、温度达510℃、摩擦速度为134m/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45kg。 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： (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) 采用蜂窝密封装置。蜂窝密封装置是在机匣封严环表面钎焊蜂窝封严环，与转子或叶冠上的篦齿构成封严结构，控制盘间腔空气泄漏。1994年，F-16战斗机在2个月内损失了4架，其原因是发动机高压涡轮轴的封严篦齿环断裂。随后的成功解决方法是，将与篦齿对应的外环表面设计成蜂窝结构，以承受篦齿与外环的少许接触。这种设计既可尽量减少封严篦齿齿顶与外环间的间隙，有效降低泄漏量，又能保证发动机的可靠性和安全性。在压气机和涡轮部分采用蜂窝密封装置，能极大地提高发动机效率，且蜂窝结构的厚度可灵活掌握，可很好地改善转子叶尖的周向漏气性能，从而提高发动机的效率和推力。 刷式封严是一种接触式密封装置，主要由刷丝、前板、背板和跑道组成（见图3）。刷丝夹在前板和背板之间，采用焊接工艺将三者焊接成一体。前板处于气流的高压侧(上游)，作用是夹持刷丝；背板处于气流的低压侧(下游)，起支承刷丝、承受压差的作用。背板间隙应控制在任何工作条件或在一系列径向偏差下，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0.5MPa，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。 与传统的篦齿封严相比，刷式封严除质量轻、易于更换外，最突出的优势是能明显改善发动机性能。GE公司的试验表明，刷式封严泄漏量只有篦齿封严的5%～10%。德国MTU公司研究也发现，用刷式封严代替压气机和涡轮处的篦齿封严，发动机的泄漏量可减少80%(见图4)。若在高压压气机出口处采用刷式封严，可使发动机耗油率降低1%，即一架中等航程的双发飞机，每年可节省200t燃油。 刷式封严密封性能优良的主要原因在于它是一种接触式密封。发动机的静子和转子之间存在安装偏差，在工作过程中，由于离心力或热作用，转轴将移向静止部件，刷式封严的刷丝可以弯曲，因此能适应发动机转子瞬时或持久径向移动，而不会造成泄漏区域发生永久性增大。即使轴瞬时出现很大的偏移，刷式密封也能起到良好的密封效果。而篦齿封严是一种非接触式密封，封严效果主要取决于转子和静子间的径向间隙和篦齿数目，本身固有的间隙就存在着寄生泄漏，此外发动机工作中会造成篦齿变形和磨损，使间隙不断增大，密封性能进一步下降，且这种趋势不可逆转。 国外经过多年的研发，已较全面地了解了刷式封严的密封机理、结构尺寸和密封性能，并在应用方面取得了显著进展，积累了丰富的工程应用经验。 此外，刷式封严的理论模型也有了很大的发展，一些与实际情况较为接近的刷式封严模型正得到应用和验证。其主要改进是进一步优化密封结构；开发适应高密封压力、高环境温度和高表面速度的刷丝新材料，消除刷丝掉毛现象；降低刷式密封的滞后效应，减少泄漏量。为此，采取以下措施改进刷式封严的结构： 2002年2月MTU公司成立了一个商用中心刷式封严组，专门负责刷式封严技术的研发和市场推广。他们研制的一种新型刷式封严结构(见图5)主要包括核心元件、支撑板和盖板三部分，工作环境为压力1207 kPa、温度732℃、表面滑动速度396 m/s。 
核心元件又由核心金属线、刷丝和夹管组成，刷丝通过夹管被牢固在核心金属线上，替代了传统的焊接方式，解决了掉毛的难题。支撑板和盖板分别起保护、支撑刷丝的作用。此外，其紧凑的结构尺寸可使转子和机匣设计得到优化。 单级标准刷式封严只能在压差低于0.5MPa的环境中正常工作，虽然多级刷式封严能在高压差下工作，但使用经验表明，这种结构的下游密封级由于经历了高速撞击及隧道效应导致刷丝磨损，使压差的绝大部分转移到上一级密封，最终造成密封性能恶化，泄漏量增大。为此美国EG&G公司对单级刷式密封进行了改进，适应1MPa及以上的高压差工作环境，其结构见图6。 高压刷式封严的一个突出特点就是采用了更粗的刷丝(刷丝直径0.15 mm，丝束宽度0.76 mm)，以增大丝束的轴向刚性；第二个特点是在背板和丝束之间有一间隙，以减小压差对丝束刚性的增强作用；第三个特点是在丝束的高压侧加一遮流器，以减小丝束的隧道效应并减轻丝束在高速撞击下的过度磨损。 当前后压差超过一定值时，刷丝受压差影响而变形，从而导致密封性能明显恶化。为克服这一难题，国外有研究者提出了用多个沿周向压紧在一起的薄金属片来代替刷丝。这种结构的优势是制作简单、寿命更长，避免了因刷丝变形而造成泄漏量急剧上升的现象。但这种结构的一个显著缺点是泄漏量偏大，于是又将原来的直通道片式结构改为三层片式结构，前后两层不变，中间层偏转，使中间层与前后两层形成一定角度，以此增加流体流过刷式封严的阻力，保证封严的低泄漏量。 传统的石墨封严和篦齿封严技术虽然存在着效率低、容易磨损等缺点，但采用新工艺、新技术、新结构后仍具有广阔的应用前景。刷式封严密封性好、结构简单、易于安装、重量较轻，可大大减少航空发动机二次流路气流损失，提高效率，降低耗油率，是传统篦齿封严最理想的替代装置，也是研发高性能涡扇发动机的重要技术措施之一。目前国外多个军民用涡扇发动机(如PW4000系列、GE90、EJ200和F119)采用了这种先进装置。 国外通过对刷式封严技术的多年研究，已对其结构和密封机理有了较全面的了解，在工程应用方面也积累了丰富的经验。但作为一种新的封严技术，刷式封严的结构设计、生产工艺和材料还有待进一步改进，在提高耐磨能力和适应高速、高温、高压差工作环境方面还有一系列问题需要解决。建议我国航空业界加快航空发动机应用刷式封严技术的研发工作，加大人力和资金投入，借鉴国外成功经验建立起自己的刷式封严设计和理论模型研究方法学，提高刷式密封的结构设计和应用水平，进而为高性能航空发动机设计打下坚实基础。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-08-29
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