发动机封严技术浅析

孙勇

摘要：高性能且可靠的封严技术一直是航空发动机研发的重点。先进的封严技术可满足人们对发动机推力、油耗的不断追求。通过采取先进的、适合使用环境的封严技术，可以大大降低发动机的内流系统的泄漏量，从而提高发动机的性能和效率。本文针对航空发动机的几种典型封严技术，详细地介绍了在发动机中常用的石墨封严、蓖齿封严、刷式封严等密封技术，对它们的特征和优缺点进行描述。对目前广泛应用的刷式封严提出了改进意见。

关键词：航空发动机；燃气轮机；封严装置

经过几十年的迅速发展，航空发动机及在其基础上衍生的舰船用和地面用燃气轮机技术已经达到了较高的水平。随着人们对军用航空发动机高推重比和民用发动机低耗油率的不断追求，发动机的压比和温度都不断升高，这对整机效率的要求越来越高。材料和加工工艺与工业基础有很大关系，在目前的材料和加工工艺无法满足航空发动机的需求时，已经无法大幅度提高燃烧室出口温度这一影响功率的关键参数。发动机自身的消耗越来越引起人们的关注，内部空气系统的消耗尤其重要。经过多种型号数百台发动机的运行数据表明，仅仅把发动机内部关键部位的泄漏量减少一半，就可以使推力增大1～3%，耗油率降低3～5%。因此各大航空发动机及改型燃气轮机厂商都在深入研究如何减少发动机内部空气系统的损失，以提高发动机性能。对于军用发动机来说，可以有效提高推重比，提升3%的推重比对于军用发动机来说具有里程碑式的意义。对于民用发动机来说可以较大幅度的提升效率，减少油耗，有效增加航程。发动机的封严装置本身就会随着运行时数的增加而磨损，选择适当的封严结构同时可以增加发动机的寿命。

1封严对发动机的影响

封严技术是指对发动机中的转动部件和静子部件间的泄漏进行控制，并不是完全限制其流动。广义的封严也包括对转子叶尖和机匣的间隙，即叶尖间隙控制，但这部分内容在发动机领域有单独的专业进行深入研究，在本文中不包含这部分内容。本文主要对发动机内部空气系统、轴承腔密封、传动系统中密封技术进行浅析。

航空发动机及航改燃气轮机的密封结构按工作性质可以分为接触式和非接触式密封两大类。接触式密封主要用于空气系统的皮碗、刷式封严、浮动环密封和用于液体介质，主要是滑油的石墨密封。非接触式密封主要包括螺纹槽密封、篦齿、液力和气膜密封，其中以篦齿密封应用最广泛。

航空发动机的密封性对发动机性能有极其重要的影响。空气系统的密封对发动机的推力、效率有直接影响。整机封严泄漏量减少1%，发动机的推力可增加1%，耗油率降低0.1%。保持发动机运行参数不变，仅将高压涡轮封严泄漏量减少1%，发动机推力就可以增加0.5%。因此，与提高压气机性能和热端部件耐温性来提升发动机性能相比，改善封严系统显然更“经济实惠”，投入的人力、物力也要少得多。

常用封严技术及特点：

1.1石墨封严

石墨封严是一种接触式密封，主要用于发动机轴承腔和辅机系统。利用石墨环与转子相接触来达到封严的目的。石墨密封的密封效果好，发动机在不出现振动大等故障的情况下可长期使用，泄漏量保持长时间较小，尤其在轴承腔附近高温、高压、高转速条件下依然可以保持密封的可靠性。在实际运行中，石墨环与转子之间形成油膜，所以石墨与转子无直接摩擦。

同时，石墨封严也有不可避免的缺点。由于石墨环的直径较宽度和厚度大得多，加上石墨材质较脆，在装配和分解发动机时可能会对石墨环造成损坏，如果在装配时石墨环已经损坏，装配后一般无法检查石墨环是否完好。石墨密封属于一种接触式密封，初始装配间隙一般较小甚至没有间隙。在运行时转子受热膨胀和离心力影响，高速运转时会压迫石墨环，可能将石墨环压坏。发动机转静子不同心在运行中同样会造成石墨环损坏。这些都是石墨封严不可避免的缺点。

1.2蓖齿密封

篦齿封严是一种非接触式密封，又称为迷宫式密封。主要盘、轴、叶尖等由转子上的周向篦齿和对应静子部件上的环形柱面组成，封严的效果主要由齿形、齿数、篦齿结构和转静子间隙决定。

篦齿封严结构相对简单，但由于是非接触式密封，而且转、静子材质都较硬，密封效果较差。在发动机运行一段时间后，由于转子热膨胀和离心力作用，运转中的摩擦会导致密封齿尖或对应的静子部件磨损和永久变形，间隙放大后泄漏量进一步增加。加快发动机性能衰减。初始装配间隙过大，密封效果很差，初始装配间隙小，运转中磨损严重，齿尖很容易由于发动机振动掉块，掉下来的磨削颗粒可能会对发动机其他部件造成影响。如果有磨削颗粒进入轴承腔，很可能在很短的时间内使发动机“报废”。所以篦齿封严转静子间隙的选取是设计中的难点。在设计篦齿封严时，要综合考虑发动机工作时转子的热变形、机匣的收缩变形、转子的振动等问题，合理设计篦齿间隙。但封严系统本身就属于磨损件，随着运行时数增加就要正常损耗。因此篦齿封严的“硬碰硬”很难长时间保证封严效果的同时又保证发动机运行安全。

1.3刷式封严

刷式封严技术从20世纪80年代初开始逐渐发展，至90年代成熟起来，它是一种性能优异的新式密封技术。首先，刷式封严的密封效果优异，在相同条件下，刷式封严的泄漏水平只有典型篦齿封严结构的50%甚至10%～20%。经过试验验证，仅把发动机某些关键部位的篦齿封严换成刷式封严，就可以使发动机的推力增加1%～3%，耗油率降低3%～5%。其次，它克服了篦齿封严容易磨损的缺点，刷式封严中与转子表面接触的是刷束部分，刷束由大量直径0.1mm以下的刷丝整齐排列组成，数量约为几万至几十万根。它在轉子发生径向跳动或热膨胀时可以弯曲变形，从而有效地减小了封严磨损，在转子跳动结束恢复原位时又可以弹回以保持与转子的接触，从而可以长期维持较低的泄漏水平。属于一种“软碰硬”的接触式密封。寿命大大优于传统的篦齿封严。

2结语

传统的石墨密封和篦齿密封在航空发动机上应用过了多年，虽然存在着密封效率低、易损坏等缺点，但在没有出现更可靠的密封结构之前依然是发动机内流系统密封的首选，尤其是篦齿密封，在发动机上使用数量非常多。

刷式密封的密封性能优越、结构简单、安装容易、重量相对其他密封结构有巨大的优势。国外已经成功应用很多年，我国很多型号的发动机也已经在一些部位采取刷式密封，但是同时也存在使用时间短、可靠性不高等缺点。焊接后的刷丝变脆在使用时很容易折断，导致刷环在一些区域集中缺丝是主要问题。