刷式密封泄漏及磨损特性实验研究

胡广阳，孙　丹，刘宁宁，艾延廷，王克明

(1.中航工业沈阳发动机设计研究所 航空发动机动力传输航空科技重点实验室，沈阳 110015；2.沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136)



航空宇航工程

刷式密封泄漏及磨损特性实验研究

胡广阳1，孙丹2，刘宁宁2，艾延廷2，王克明2

(1.中航工业沈阳发动机设计研究所 航空发动机动力传输航空科技重点实验室，沈阳 110015；2.沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136)

摘要：刷式密封是航空发动机的关键部件，其泄漏与磨损特性直接影响航空发动机工作性能。分析了刷式密封的结构与原理，设计搭建了刷式密封性能实验台，通过实验研究了刷式密封的泄漏特性和磨损特性及对振动的影响。实验结果表明，在进气温度为常温，出口压力为大气压的情况下，刷式密封的泄漏量与进气压力成正比，在不同进气压力下刷式密封泄漏量低于迷宫密封，且转速对其泄漏量影响不大，性能明显优于迷宫密封；30 h磨损实验结果表明，刷丝与转子的摩擦增大了转子振动，10 h后摩擦减小，转子振动趋于稳定。

关键词：刷式密封；泄漏；磨损；性能实验

刷式密封是20世纪80年代发展起来的新型密封装置。刷式密封能够显著降低漏气损失[1]，并且能够保持良好的密封性，已经越来越多的应用在航空发动机上[2]。实际应用表明，仅在航空发动机一处或几处关键部位采用刷式密封代替传统迷宫密封，就可使发动机推力提高1%～3%，燃油消耗率下降3%～5%[3]。因此刷式密封对提高发动机性能[4-5]具有极大潜力。

刷式密封一直都是国内外透平机械密封领域的研究热点。在国外，Ferbuson[6]首先通过实验研究验证刷式密封的密封性能远优于传统的迷宫密封；Bayley和Long[7]在静态刷式密封实验台上研究了刷式密封的泄漏特性，刷式密封泄漏量随着压比升高而增加；Carlile[8]测量了在转子静止和低转速时刷式密封的泄漏量，认为刷式密封的泄漏量在低转速时相比静止时会略微降低；John F.Short[9]和P.BASU[10]等对刷式密封的滞后、刚化及压力闭合等现象进行了研究，提出了新的低滞后结构，并进行了实验器试验[11]；Gary M.等[12-13]开发了轴内旋转刷式密封并进行了实验，开创了刷式密封设计的新领域。在国内，朱宗举等[14]对刷式密封的静态泄漏特性进行了实验研究；李军等[15]建立刷式密封的泄漏量实验测试平台，研究密封间隙、压比、转速对刷式密封泄漏量的影响规律。研究表明，刷式密封的泄漏与磨损特性对航空发动机性能有着重要影响，国内关于刷式密封性能实验研究较少，鲜有关于刷式密封泄漏与磨损特性的相关实验成果报道。

本文设计搭建了刷式密封性能实验台，研究刷式密封的泄漏特性和磨损特性及其影响因素，分析了进气压力、转速等因素对密封泄漏量的影响，比较了刷式密封与迷宫密封泄漏特性的差异，并实验研究了刷式密封磨损特性。

1　刷式密封的结构及原理

1.1刷式密封的结构

刷式密封主要由刷丝束和前后挡板共同组成，刷丝束由大量紧密排列的刷丝层层重叠而成，刷丝束的一端与前后挡板连接为一体，另一端为自由端与转子表面接触，如图1所示。刷式密封的结构参数为：刷丝束倾斜角度θ为30°～60°，通常取40°或45°；刷丝直径一般取为0.05 mm～0.15 mm；刷丝相对轴的初始过盈量为0.05 mm～0.15 mm；在汽轮机上应用的刷式密封其刷丝密度在圆周方向为90～180根/mm；一般而言刷丝束厚度不超过2 mm。

图1　刷式密封结构

1.2刷式密封的原理

刷式密封的工作原理有别于迷宫密封，刷式密封的原理如图2所示。由于刷丝束中刷丝间空隙的不均匀性作用，均匀的来流进入刷丝束中就变得不均匀，从紧密的刷丝束区域向疏松的刷丝束区域偏流，这些偏流在刷丝排之间逐渐形成同向流和射流，并产生随机的二次流和旋涡流。而当射流遇到前面紧密的刷丝束，就会改变运动方向而变成和主流方向垂直的横向流动，即横向流。正是由于刷丝束破坏流动而确保流动的不均匀性，使流体产生了自密封效应，横向流动代替向前流动能使横流过刷子的总压降增大，从而减少密封的泄漏。刷式密封中气体流动存在4种基本形式，即同向流、射流、旋涡流和横向流。当来流通过刷丝有一定间隙的区域，就变成同向流或射流，当遇到刷丝周向没有间隙而轴向(横向)有间隙的区域就变成横向流，当同相流、射流或横向流进入一较大的空隙区域就有可能产生旋涡流。刷丝在流体流动过程中就像无数多的迷宫密封中的梳齿，能起到很好的节流作用，消耗气流的能量，产生降压作用。

2　实验研究内容

本文密封实验采用的密封结构尺寸如图3所示，刷式密封与迷宫密封结构尺寸相同，刷式密封将迷宫密封其中的一个高齿代替为刷丝束，实物图如图4所示。密封实验台进气采用气缸中间部位进气，保证气流全部流经密封，便于密封泄漏量的实验测量。气缸进气口两侧各设置3组密封，密封与气缸之间采用燕尾槽连接，密封实验气缸如图5所示。对刷式密封的静态性能即密封的泄漏特性及磨损特性进行实验研究。实验分析了进气压力、转速等因素对密封泄流量的影响，并将刷式密封泄流量与传统的迷宫密封进行比较。刷式密封作为一种接触式密封，不可避免地会在刷丝尖端和转子表面产生摩损，对密封及转子产生不良影响。本文利用密封实验台实验研究了刷式密封泄漏特性和磨损特性。

图2　刷式密封的原理

图3　密封结构尺寸(单位：mm)

3　泄漏量实验及分析

图6、图7分别给出了不同进气压力与转速下，刷式密封与迷宫密封的泄漏量关系图，该实验所测得泄漏量数据是刷式密封磨损实验30 h后，转子振动稳定时所测试的泄漏量。从图中可以看出，刷式密封与迷宫密封的泄漏量都与进气压力成正比，与迷宫密封相比，刷式密封的泄漏量明显减小，且随着进气压力的增加，两者泄漏量偏差增大。刷式密封的密封性能明显优于迷宫密封。

图4　迷宫密封与刷式密封实物图

4　磨损实验及分析

本文进行密封磨损实验累计为30 h，转子转速1 000 r/min，密封刷丝的线速度为9.42 m/s，刷式密封与转子间有0.050 mm的过盈装配量。刷式密封磨损实验时，对气缸与转子的相对振动进行了监测。图8给出了磨损实验气缸与转子的相对振动趋势图，由图中可以看出，工作初始时，刷丝与转子的摩擦导致转子振动增大，刷丝与转子磨损主要发生在0～10 h实验期间内，由于刷丝与转子之间的相对摩擦运动产生的热量，实验时发现，气缸温度上升20℃。工作10 h后，刷丝与转子跑道间有足够大的间隙，刷丝与转子磨损量变小，振动保持平稳。打开气缸后可以看到转子表面明显的磨损沟痕，如图9所示。刷丝与转子跑道间形成平均0.2 mm的沟痕间隙，最大磨痕深度达0.35 mm。由此可以得出，刷式密封过盈安装时会使转子系统振动增大，尽管刷式密封在初始安装时会有一定的安装过盈量，但在很短时间内就会由于转子和刷式密封本身的磨损而产生间隙。因此,为刷式密封设计过大的初始过盈配合,并不能提高密封长期工作时的性能,甚至会因为初期的过度磨损而造成更大的实际间隙，从而影响密封性能。

图5　密封实验气缸

图6　泄漏量与进气压力之间的关系

图7　泄漏量与转速之间的关系

图8　磨损实验振动趋势图

图9　密封磨损实验图片

5　结论

本文分析了刷式密封的结构与原理，设计搭建刷式密封性能实验台，研究了进气压力、转速等因素对刷式密封泄流量的影响规律，以及刷丝与转子的磨损特性。得出以下结论：

(1)刷式密封与迷宫密封的泄漏量与进气压力近似成正比关系，转子转速对刷式密封和迷宫密封的泄漏量影响较小，刷式密封泄流量明显小于迷宫密封；

(2)磨损实验累计共进行了30 h，刷丝与转子磨损主要发生在0～10 h实验期间内，工作10 h后，刷丝与转子跑道间有足够大的间隙，刷丝与转子磨损量变小，振动保持平稳，刷式密封特性基本保持稳定；

(3)刷式密封过盈安装时会使转子系统振动增大，尽管刷式密封在初始安装时会因有一定的过盈量而获得较好的性能，但在很短时间内就会由于磨损转子而产生间隙导致性能下降，因此在刷式密封应用中不应设计过大的初始过盈配合。

参考文献(References)：

[1]PESCOSOLIDO A,DOBEK L.Development of high misalignment carbon seals[R].AIAA-2001-3625.

[2]王之栋，王宗根.航空发动机刷式密封技术研究与进展[J].润滑与密封，2005(171):203-209.

[3]孙晓萍.刷式密封性能及耐久性实验研究[J].航空发动机，2002(3)：37-41.

[4]DING S,DEMIROGLU M,TURNQUIST N,et al.Fundamental design issues of brush seals for industrial applications[J].ASEM Journal of Turbomachinery,2002,124(2):293-300.

[5]陈礼顺.航空发动机封严技术的研究和应用进展[J].航空制造技术，2008(8)：82-84.

[6]FERGUSON J G.Brushes as high performance gas turbine seals[C]//USA:ASME paper 88-GT-182,1988

[7]BAYLEYF J,LONG C A.A combined experimental and theoretical-study of flow and pressure distributions in a brush seal[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,1993,115(2):404-410.

[8]CARLILE J A,HENDRICKS R C,YODER D A.Brush seal leakage performance with gaseous working fluids at static and low rotor speed conditions[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,1993,115(2):397-403.

[9]JOHN F.SHORT,PRITHWISH BASU,AMITAVA DATTA,et al.Advanced brush seal development[R].AIAA-96-2907,1996.

[10]P.BASU,A.DATTA,R.JOHNSON,et al.Hysteresis and bristle stiffening effects of conventional brush seals[R].AIAA-93-1996,1996.

[11]TOM W.TSENG,JOHN F.SHORT,BRUCE M.STEINETZ.Development of a low hysteresis brush seal for modern engine applications[R].AIAA-99-2683,1999.

[12]GARY M.HOLLOWAY,JAYESH MEHTA，LEWIS ROSADO，et al.Rotating intershaft brush seal for sealing between rotating shafts[R].AIAA 2007-5737,2007.

[13]GARY M.HOLLOWAY,JAYESH MEHTA，LEWIS ROSADO，et al.Rotating brush seal-experimental performance evaluation[R].AIAA 2008-4509,2008.

[14]朱宗举，陈国林，林基恕.刷式密封的静动态泄漏特性[J].航空发动机，1995,21(3)：39-44.

[15]邱波，李军，冯增国，等.两级刷式密封泄漏特性的实验与数值研究[J].西安交通大学学报,2013,47(7):7-12.

(责任编辑：宋丽萍英文审校：王云雁)

收稿日期：2015-04-27

基金项目：国家自然科学基金(项目编号：11302133)；航空科学基金(项目编号：20140454)；辽宁省自然科学基金(项目编号：2015020113)

作者简介：胡广阳(1970-)，男,广东兴宁人，研究员，主要研究方向:航空发动机机械系统技术研究工作，E-mail:hu_gy@163.com。

文章编号：2095-1248(2016)02-0001-05

中图分类号：V233

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.2095-1248.2016.02.001

Experimental study on the performance of leakage and wear of brush seals

HU Guang-yang1，SUN Dan2，LIU Ning-ning2，AI Yan-ting2，WANG Ke-ming2

(1.Key Lab of Power Transmission Technology for Aero-Engine,AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China;2.Liaoning Key Lab of Advanced Test Technology for Aerospace Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Abstract：The performance of aircraft engines is greatly influenced by the leakage and wear of brush seals,which are the key components of aircraft engines and other turbines.The experimental platform of leakage and wear of brush seals is established and the static performance test of leakage and wear for the brush seals have been carried out in this paper based on the principle and structure of brush seals.Test results show that the leakage rate of brush seals is proportional to pressure ratio.The leakage of brush seal is lower than the labyrinth seal under different inlet pressures,and the rotation speed has few effects on the leakage.Obviously,it is superior to that of labyrinth seal.The 30h test results also show that the vibration of the rotor resulted from friction increases,especially in the initial 10h.Afterwards,the vibration would tend to be stable due to reduced wear.To some extent,the analysis and results help the brush seal design.

Key words：brush seal;leakage;wear;performance test