典型航空发动机密封技术应用概况

张远森

摘  要：随着技术的进步，航空发动机对密封技术提出了更高的指标要求，采用先进的密封结构可显著提高航空发动机的性能。本文对航空发动机中的常见的篦齿密封、石墨密封、刷式密封和指式密封几种典型密封结构特点、优缺点及其应用情况等进行了介绍。

关键词：航空发动机;密封;篦齿密封;石墨密封;刷式密封;指式密封

中图分类号：TK14          文献标识码：A                     文章编号：KX-190659

密封技术是航空发动机的重要组成部分，随着现代科学技术水平的进步，对密封装置也提出了更高的要求，先进的密封结构可显著提高航空发动机的性能，自20世纪80年代以来，世界航空强国投入大量的人力和物力对先进的密封结构进行了深入研究[1]，相继开发出了多种不同结构的新型密封技术。本文主要介绍现代航空发动机中常见的几种典型密封结构的特点、优缺点及其工程应用情况。

一、篦齿密封技术

篦齿密封是一种非接触式密封，是航空发动机中最常用的密封结构，其结构如图1所示，主要由转动件上的一系列周向篦齿及静子件上的环形圆柱面组成。密封原理是密封齿和静子间形成一系列间隙和耗散空腔，当泄漏流体通过间隙时，急剧加速膨胀，速度能量在通过耗散空腔时由湍流旋涡耗散为热能，由于流体产生节流与热力学效应，泄漏流的压力逐级降低而达到密封效果。因此篦齿的封严效率与转子和静子的径向间隙以及篦齿数目有很大关系。

篦齿密封具备结构简单和成本低的優点，但是封严效果差，工作过程中篦齿与外环的刮摩会增大密封间隙，导致泄漏量增加，并且在封严环前后压差较大的情况下，气体逸漏过程中容易激发封严环震动，带来不利影响。因此出现了几种篦齿封严的改进方式：（1）在静子件外环表面涂覆可磨损封严涂层，涂层一般为质地较软的氧化物涂层或者镀层，可以承受篦齿与外环的轻微刮摩;（2）改进篦齿封严通道，提高封严效果，比如台阶型篦齿，篦齿朝气流方向倾斜一定角度的倾斜篦齿，刀型篦齿等结构;（3）采用蜂窝阻尼外环密封技术，将蜂窝封严环通过高温真空纤焊焊接到机匣封严环表面，国外某型发动机采用蜂窝结构的封严装置后，发动力推力提高了10%以上。

二、石墨密封技术

石墨密封是密封用的石墨装在石墨座内，靠弹簧力和封严座轴向连接在一起，封严座通过铆钉与静子件连接。石墨密封是一种接触式密封装置，通过石墨环与转子相接触来达到封严目的，是航空发动机中较理想的封严装置，目前该密封结构主要用于航空发动机轴承腔的封严。

石墨密封具备低泄漏，寿命长，尤其在高温、高压、高转速下仍能保持可靠性的优点。并且石墨具备润滑和摩擦系数小的特点，当石墨环磨损时，与之配合的轴和叶片能完好无损。但是石墨密封也存在密封面焦化和起泡的问题，因此出现了用陶瓷环密封替代石墨密封的解决方案。

三、刷式密封技术

刷式密封[2]是一种接触式密封结构，主要由前后背板、刷丝束和跑道组成，如图2，刷丝束由排列紧密柔软纤细的刷丝层叠而成，前夹板处于气流高压侧，主要是固定保护刷丝，后夹板处于气流低压侧，起支撑刷丝、承受压差作用，以避免刷丝在大压差下产生轴向变形，保持稳定的密封性能。刷式封严具有结构简单、安装方便、质量轻、易于更换和密封性好等优点。刷丝束在安装时与转子件仅有微小的初始干涉量，气流只能通过刷丝之间的微小孔隙泄漏通过，因此它的泄漏量非常低。GE公司的试验结果表明，刷式封严的泄漏量只有篦齿封严的5%～10%。

刷丝束是决定刷式封严性能的关键，发动机中封严装置通常处于高温高压工作环境中，通常选择钴基合金作为刷丝材料，这种合金在高温下具有很好的耐磨和耐腐蚀性，但是金属材质制造的刷丝不能用于轴承腔密封，因为金属刷丝磨损产生的金属颗粒会对精密轴承造成损伤，因此近些年来出现了非金属纤维制造的刷丝用于特殊的场合。

四、指式密封技术

指式密封[2]是从刷式密封衍变而来，其结构与刷式密封相似，它是一种柔性接触式密封，由许多精密加工的薄钢片叠置而成，在端部密封片相互铆接，密封前后端用前隔片和后隔片压紧，同时在密封内径处设置压力平衡腔。

指式密封的特点是指尖具有柔性，能够有效避免指尖与转子的相互碰摩，工作时一部分气流从高压侧经转静间隙流向低压侧，另一部分气流沿密封片之间的间隙径向流动，指尖在径向压差的作用下贴近转子侧，可减小指式密封的泄漏间隙。在相同的封严效果下，指式密封功率损失与刷式密封接近，但制造成本仅为刷式密封的40%～50%，并且指式密封不存在类似刷式密封的断丝和磨损问题。

五、结论

航空发动机被誉为工业皇冠上的明珠，是一个国家科技和国防实力的重要体现，密封技术的水平直接影响到航空发动机性能，密封问题的设计研究在科学和技术领域具有非常重要的意义。当前航空发动机工作环境日益复杂，对密封结构也提出了更高的要求，我们需要在密封材料、工艺和结构方面进行变革和创新，同时加大人力、物力和研发资金投入，借鉴国外成功经验建立相关理论准则和研究模型，不仅要研究和发展新型的密封技术，同时仍需要对常规的密封技术进行更加系统的、细致的、深入的研究，以满足我们国家对于先进航空发动机技术的发展需求。

参考文献

[1]  胡广阳，航空发动机密封技术应用研究，航空发动机，2012

[2]  李军，热力透平密封技术，西安交通大学出版社，2017