航空发动机气膜密封技术的发展

何 强，黄伟峰，胡广阳，李永健，刘 莹，王玉明

（1.清华大学摩擦学国家重点实验室，北京100084；2.中国航发沈阳发动机研究所航空发动机动力传输重点实验室，沈阳110015）

0 引言

航空发动机是飞机的核心部分，是衡量一个国家军事能力、基础工业水平以及综合国力的重要指标。随着航空发动机技术的发展，动密封成为影响航空发动机性能和可靠性的关键基础技术之一[1]。航空发动机动密封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高速度、高环境温度、高密封压差（“三高”条件）以及剧烈振动等恶劣条件[2]，而航空发动机密封结构的性能直接影响着发动机的燃油消耗率、推重比、运行可靠性等参数。研究航空发动机密封机理，掌握设计、制造性能优良的密封产品，对研发新一代航空发动机技术，对我国的战略发展都有着十分重要的意义。

在各类航空发动机动密封中，迷宫密封应用广泛，而迷宫密封与转轴表面之间留有间隙，并且在转轴表面径向运动的影响下，迷宫齿容易磨损导致泄漏增大甚至密封失效，使得其应用前景受到限制；刷式密封泄漏率低于迷宫密封，但是其数值仍然较大，且存在接触摩擦发热、磨损严重、刷丝折断等问题，并且刷式密封加工成本高昂。相对于这些密封形式，作为非接触式密封，气膜密封具有磨损小、泄漏小、能耗低、寿命长等优点[3]，被认为是航空发动机中最有前景的动密封型式之一，有望代替航空发动机特定区域中的迷宫密封或刷式密封。本文从结构类型和基础技术研究2方面，就航空发动机气膜密封的研究发展现状进行综述。

1 气膜密封结构类型概述

气膜密封技术是基于气体动静压原理，在动密封界面形成具有一定厚度的气膜，从而达到密封和润滑的效果。其突出特点是利用很薄的气膜实现密封界面的非接触状态，从而表现出低泄漏、长寿命的特性。根据结构形式的不同，气膜密封可分为端面气膜密封和柱面气膜密封2种类型。

1.1 端面气膜密封结构

1.1.1 槽型端面动压型端面气膜密封结构

20世纪60年代后期，NASA[4-5]率先对端面气膜密封结构在航空发动机转子内流系统中的应用开展研究，对直径为711.2 mm的动压型（实际为动静压混合）的扇形浮块型端面气膜密封结构进行了设计和试验。研究表明：制造误差、热变形及转子振动等原因使得密封动环的轴向跳动较大，而气膜厚度和气膜刚度不足，使得密封端面发生过度磨损失效，最终未能实现工程应用。70年代，NASA设计了瑞利阶梯槽结构的端面气膜密封结构，但试验研究表明副密封摩擦和动环端面跳动2个因素极大地影响了密封结构的动态性能，副密封结构的摩擦阻力过大或者动环端面跳动超过临界值都会使得密封结构发生磨损失效[6]。1976年，Ludwig等[7]提出了一种在密封端面刻有螺旋槽的气膜密封技术（被称为干气密封），并成功运用于地面天然气管道压缩机中，随后在鼓风机等地面设备中推广使用，极大地推动了气膜密封技术的发展。到了90年代，端面气膜密封结构发展更加成熟，以GE公司为代表开始研究端面气膜密封技术在涡轮入口和压气机出口的应用，但在动态试验过程中，密封结构因泄漏率过大而发生失效[8]。20世纪末及之后，对端面气膜密封技术的研究侧重于高速、高压和大直径条件[9]，但由于其技术限制均未见到有成功应用于航空发动机上的相关报道。2000年，Stein密封公司[10]在专利中提出一种适用于透平机械的静压型端面密封装置，密封面之间保留较大的间隙以适应大的变形。2012年，因该结构未能满足航空发动机的密封要求[11]，又提出一种改进的结构专利，如图1所示。该密封结构中采用L型密封环，环面加工有台阶并且沿径向设置多个径向坝以增加流体动静压效果[11]，但未发现相关的试验研究内容，该结构能否满足航空发动机的密封要求仍然未知。

图1 端面密封结构[11]

1.1.2 吸气式静压端面气膜密封结构

20世纪90年代中期发展的一种应用于航空发动机的静压气膜密封结构，即吸气式端面密封（Aspirat⁃ing Face Seal）结构[12]，如图2所示。其最主要特点是具有1个吸气装置和弹簧回弹结构，使得密封结构端面在低压和高压工况下均与转子保持非接触的状态。2002年，GE、Stein公司和NASA联合研制了直径为914.4 mm的吸气式端面密封结构，并在GE90系列高涵道比涡扇发动机上试验成功，可在恶劣工况下始终保证密封结构端面非接触的状态，同时将耗油率降低1.86%，且其泄漏率小于迷宫密封的1/5[13]。其后一些学者在原结构的基础上进行了改进[14-15]。

图2 航空发动机典型端面密封结构

1.1.3 箔片式端面气膜密封结构

2001年，Munson等[16]提出了一种新颖的弹性箔端面气膜密封(Foil Face Seal)技术，结构如图3所示。该密封技术结合了端面密封结构和轴向箔片气动轴承的特点，利用轴向箔片具有的柔性，提高密封副对转子位移的承受能力，并通过试验证明了该密封技术的可行性[17]。在弹性箔端面气膜密封技术的基础上，NASA又提出了一种新颖的耐高温的柔顺箔端面气膜密封技术，其密封结构结合了端面密封结构和轴向箔片气动轴承的特点，研究者设计了3种不同尺寸的柔顺箔端面气膜密封结构，试验表明：在转子大变形的情况下密封结构依然可以正常工作，表明该密封技术性能优越[18-19]。

图3 箔片端面气膜密封结构[18]

总之，端面气膜密封技术已经得到了较为深入的研究，尤其是动/静压端面密封技术相对成熟，并在地面设备上具有多年的成功应用经验。但是在航空发动机的苛刻工况条件下，常用的端面气膜密封技术很难适应端面跳动等问题，限制了其在航空发动机转子系统中的应用[2]。而吸气式端面密封技术和箔片端面气膜密封技术虽具有独特技术优势，但迄今为止很少见到其在航空发动机上实际应用的公开报道。

1.2 柱面气膜密封结构

从20世纪90年代以来，由于已有的密封技术无法满足航空发动机在一些极限工况下对密封性能的要求，而柱面气膜由于其对轴向位移的适应性逐渐受到更多关注。

1.2.1 柔顺轴柱面气膜密封结构

1992年，NASA[20]提出了一种用于航空发动机的新概念密封形式——柔顺轴密封（Compliant Shaft Seal），其结构如图4所示。金属箔片可以在流体膜上浮动，从而有效减少了密封副磨损，并允许密封轴具有一定的径向位移[21]。该结构是最早提出的柱面气膜密封结构，其原理是通过结构的弹性设计来消除轴的位移，对后续其它类型柱面气膜密封结构设计具有重要指导意义。近些年，不少密封技术专利[22-24]同样采用薄片或者薄壁梁的结构以增加密封结构的柔性，并结合迷宫密封或者指尖密封等结构形式，提出了不同类型的可适应大变形的密封结构，但此类结构由于定量设计比较困难，除专利外，未有公开报道的试验研究结果。

图4 柔顺轴密封结构[9]

1.2.2 柔性支承柱面气膜密封结构

2000年，美国Mohawk Innovative Technology公司的Salehi和Heshmat等基于箔片气体径向轴承的原理首次提出了柔顺箔密封结构，如图5所示。仿真计算结果及台架试验结果表明：柔顺箔密封结构的泄漏率远小于刷式密封结构的，并且密封副之间没有发生明显的磨损现象[25,26]，实现了柱面气膜密封副表面的无接触状态。Salehi[27]在柔顺箔密封结构中采用金属波形箔，在温度为649℃的工况条件下，研究了转速和压差对密封性能的影响。其测试结果表明：密封泄漏随着压差的增加而增大，但仍处在合理的范围内，证明了柔顺箔密封结霜适用于具有较大压差的工况。NASA的Proctor等[28]在室温条件下对直径为215.9 mm的柔顺箔密封装置进行测试，发现在转速为30000 r/min、压差为0.103 MPa的工况参数下，动环发生了严重磨损，但报告中未给出事故的具体原因。2015年，Raghuraman[29]对柔顺箔密封装置中的顶箔零件采用单段加工和3段加工的工艺，并通过试验证明顶箔的加工工艺及加工精度会对密封性能造成显著影响。柔顺箔密封结构存在的最大的设计问题是不能根据实际工作条件进行定量设计波形柔顺弹性支撑结构的参数，以及预测其性能，因此并未得到推广和运用。2011年由王虹等[30]提出一种带金属橡胶外环的柱面密封结构，组成的气膜-刚性浮环-大柔性支承系统的结构，以金属橡胶来体现柔性，允许有一定的径向位移，但其耐高温性能有所不足。

1.2.3 薄片板气膜密封结构

三菱重工于2002年提出一种薄片板柱面气膜密封结构[31]，也被称为叶式密封（Leaf Seal），其原理如图6所示。薄片密封结构沿周向布置多层柔性叶片，薄片之间有微小间隙，随着旋转速度的加快，叶片的尖端由于流体动力效应而从转子表面抬起，从而实现密封面的非接触状态，并有效降低磨损。此外，由于叶片具有轴向宽度，可承受的密封压差可达刷式密封结构的几倍。在地面试验中，启动不大于50次，运转超过1000 h，试验结果表明：此种密封向发起人泄漏量与刷式密封结构的相当，薄片板尖部仅有微小的摩损[32]。2010年Grondahl等[33]提出具有分段滑道的叶式密封结构（如图7所示），该结构能自动适应轴的瞬态振动，保证密封面始终保持非接触状态。

图6 薄片板密封结构[34]

图7 具有分段滑道的薄片板密封结构[33]

1.2.4浮动式柱面气膜密封结构

20世 纪80年 代 末，NASA首先提出了一种直筒式柱面密封结构[35-36]，通过在静环上开设槽型结构，在转动过程中由于密封界面内的动压效应使得转子和密封环分开，避免了二者直接接触摩擦。2004年，NASA提出了直筒式气膜密封的几种常见槽型，包括锥角型、瑞利阶梯槽、螺旋槽等，但槽型设计在浮环或者静环之上，如图8所示[37]。由于在浮动环内壁加工槽型比较困难，国内学者选择在轴套上加工槽型结构。丁雪兴[38]使用3D激光打标机对柱面旋转环进行表面槽型雕刻，研制了具有浮动与微槽特性的新型柱面气膜密封结构（如图9所示），通过试验验证了其有效性，并通过数值模拟的方法研究了该密封结构中的流场特性和密封机理[39]。此外，陆俊杰[40]也设计了结构类似的柱面气膜密封结构。在其它一些文献中，类似密封结构又被称为柱面干气密封结构[41]。

图8 NASA报告中提出的槽型[37]

图9 新型柱面气膜密封[38]

2 气膜密封技术研究现状

由于受到技术封锁，可查到的针对航空发动机气膜密封的国外公开研究报道较少，但从研究的角度出发，其与地面设备中的气膜密封结构（如干气密封，下文将干气密封均称为气膜密封）及工作原理有很大相似之处。因此，本文立足于航空发动机的密封需求，将对象拓展至更为一般的气膜密封技术，从理论研究、试验研究2个方面对研究现状进行总结。

2.1 气膜密封技术理论

2.1.1 气膜密封技术稳态性能分析

2.1.1.1 气膜流场分析

气膜密封结构是在气浮轴承的基础上发展起来的。20世纪40年代，Whipple[42]首先提出了螺旋槽气浮轴承基本理论；Muijderman[43]对其进行了进一步完善与发展，得到了螺旋槽轴承雷诺方程的解析解方法，被称为“窄槽理论”；Zuk等[44]都发表了对气体润滑密封技术的研究成果，但为方便分析计算，这些研究中均假定密封表面不存在任何变形。其次，以上方法只能求解得到密封流场的径向压力分布，获得1维的流场信息。为更加全面地反映流场特性，众多学者通过数值求解方法对2维密封端面进行了计算研究。James等[45]采用有限差分法、Bonneau等[46]采用有限体积法，分别对螺旋槽气膜流场进行数值求解，并根据数值结果进行槽型结构优化设计。2004年，NASA针对端面气膜密封和柱面气膜密封结构，采用有限体积法分别发展得到专用的2维流场计算分析软件GFACE和GCYLT[37]。随着数值计算技术的发展，越来越多的研究者利用商用CFD技术对刻有不同槽形的气膜密封流场进行分析。

综上所述，众多专家学者在气膜密封流场求解方面进行了大量研究，发展出多种较为成熟的分析方法，用于螺旋槽密封技术的解析法，基于有限元法、有限差分法、有限体积法等的全数值法以及结合了解析法和离散方法特征的半解析法等，这些方法在工程领域得到了广泛应用。

2.1.1.2 多物理场耦合

由于密封结构间隙中的压力分布、变形以及温度分布三者之间相互影响，如果模型只考虑气膜的作用，忽略气膜与固体之间耦合作用，往往不能反映密封结构真实的工作状态及准确预测密封性能，因此，对气膜密封结构进行流固热多物理场耦合分析至关重要。

2010年，Heshmat等[47]针对柔顺箔密封首次提出了流-固耦合计算模型，并通过实验结果验证了模型的正确性，为柔顺箔密封的设计提供了指导。Vino⁃gradov等[48]考虑了密封环在任意变形下的流场分布，并与有限元方法结合起来建立了流-固耦合模型，证明了固体变形对流场产生显著影响，但该模型未考虑温度场对流场及固体场的耦合影响。Galenne[49]、黄伟峰[50]、何强等[51]考虑密封组件间的多体接触，对端面静压密封建立了流-固-热多物理场耦合计算模型，并对不同的密封问题开展研究。

考虑密封结构中多物理场耦合作用，建立流-固-热耦合计算模型可以更真实而有效地反映密封结构中复杂的物理行为，因此，机械密封结构中多物理场耦合研究是当今的研究热点及未来仿真分析的发展方向。另外，可以看出针对端面密封结构的流-固-热耦合研究相对较多，而对柱面密封结构的研究相对较少，一方面是因为柱面气膜密封结构发展历史较短，另一方面是因为柱面气膜密封结构中存在柔性支撑件，柔性件的大变形会给流固耦合计算分析带来更大的挑战。

2.1.2 气膜密封技术动力学

气膜密封结构在实际工程中会受到振动干扰，而密封系统的动态特性决定了密封结构的工作效果，如外界振动过大或密封气膜稳定性差，会引发系统失稳，从而导致密封端面碰摩和密封失效。因此，气膜稳定性是航空发动机气膜密封研究的核心和难点之一。分析气膜密封结构动态特性包括线性化和非线性化2种方法。基于线性假设的线性化方法主要包括步进法、小扰动法和直接数值频率响应法；而非线性化方法通常采用直接数值模拟，通过对含时间项的瞬态雷诺方程和系统动力学方程进行耦合求解，获得密封环运动规律进而研究系统的动特性。

2.1.2.1 密封结构动态刚度和阻尼系数

Miller等[52]采用步进法研究了螺旋槽密封的气膜刚度和阻尼特性，结果表明步进法的计算效率高于直接频率响应法的，但是在高频时步进法计算精度较低；Liu等[53]在3自由度下使用小扰动逼近法，采用有限元法对稳态和摄动雷诺方程进行求解并获得了气膜端面密封结构的刚度和阻尼系数，并发现轴向扰动和角度扰动之间的相互作用可忽略不计；徐恒杰等[54]考虑实际气体效应和阻塞流效应，采用小扰动法分析了操作参数对气膜动态特性的影响规律。在气膜密封结构中，副密封结构对其动态特性影响巨大。李坤[55]通过自制的试验台，测试了作为机械密封副密封的O形圈在不同介质压力下的极限位移和最大静摩擦力，得到了O形圈微动时的刚度和阻尼系数。

2.1.2.2 密封追随动态特性

Bagepalli等[56]对航空发动机中的气膜端面密封模型进行了简要描述，对启动、空转、起飞、转子倾斜等代表性的发动机瞬态和稳态工况下的密封性能进行了动态分析，求解得到了密封环追随动态特性；Green等[57]采用有限差分法和有限元法对瞬态雷诺方程进行数值离散，并与系统动力学方程进行耦合求解，研究了动态特性系数的变化规律和系统追随响应特性；马纲等[58]针对柔性支承浮环柱面气膜密封结构，建立了基于旋转体坐标系的系统稳态工作特性数值模型，实现系统稳态工作状态下的性能分析和预测。

总体而言，对气膜密封动力学研究逐渐由稳态动力学拓展到了非稳态动力学，从小扰动线性动力学拓展到了非线性动力学，从重点研究气膜特性拓展到研究整个气膜密封系统，其中包括支撑方式、O形圈行为等对动力学行为的影响[59]，但仍有许多问题没有解决，例如气膜密封与轴的耦合动力学问题、实际气体效应及黏温/压效应对密封动力学行为的影响、密封面接触阶段的动力学行为等。目前，对端面气膜动态特性的研究相对较为系统[59]，而对柱面气膜密封的研究较少，已有的成果也均集中在动态特性系数研究方面，仍有很多的动力学问题亟需进一步的研究解决。

2.2 气膜密封结构试验

国内外学者对不同类型的气膜密封结构做过大量试验研究，上一节内容也涉及部分试验研究工作。在本节中，主要侧重于介绍密封结构试验研究中所采用技术手段和密封环槽型加工工艺。

2.2.1 气膜密封结构测试方法

在气膜密封结构试验研究方面，Kasem等[60-61]利用光纤双色高温计与红外摄像机相结合测试了制动盘温度并监测了真实的摩擦面积，结果表明在制动盘表面上形成了周向热梯度；黄伟峰等[62-63]利用声发射监测手段对气膜密封结构进行了试验研究，试验装置如图10所示。利用声发射技术实现对气膜密封结构启动和停止过程接触状况的检测，并据此将启停过程分为3个阶段，从而证明声发射技术是监测和研究气膜密封端面碰摩的一种有效手段。Ding等[64]利用温度传感器埋入静环端面，对端面不同径向位置进行了测试，发现高速下槽根处对应的气膜热量最高；Jin等[65]测试了密封的平衡膜厚、内外泄漏量、气膜刚度等参数，分析了结构参数对密封性能的影响规律并进行优化设计。

2.2.2气膜密封端面微槽加工技术

如前所述，端面微槽是很多气膜密封结构的关键结构，但由于密封结构刻槽端面材料常为陶瓷、硬质合金或做了硬化处理的金属材料，其硬度大、熔点高、加工精度要求高，加工难度很大。常用的加工方法包括光刻加工、电火花加工、喷砂法、加工加工等。其中激光加工具有对材料适应性好、效率高、加工质量好等优点，成为目前微槽结构主要的加工方式之一。

Muller[66]和Etsion等[67]采用激光技术在密封端面上加工出微米级微孔和动压沟槽，证明了微孔和微槽结构能提高端面流体的承载能力。白少先[68]则利用激光加工技术加工出具有方向性的椭圆形微孔，测试其带来的动静压效应。丁雪兴等[39]使用3D光纤激光打标机，通过将伺服电机将信号与激光设备、计算机相连，实现柱面旋转环表面的槽型雕刻，如图11所示。此外，张珊等[69]则从工艺的角度，采用单因素、正交试验法或二者方法结合研究了激光工艺参数对密封端面微槽加工质量的影响规律。

3 总结和展望

（1）与迷宫密封、刷式密封等航空发动机密封技术相比，气膜密封技术兼具低泄漏、低磨损、长寿命等突出优点，是航空发动机密封技术中具有巨大发展潜力的重要方向。

（2）传统的动/静压端面气膜密封技术取得了一定的进展，但航空发动机“三高”和强振动苛刻条件限制了传统端面气膜密封结构的工程应用；相对而言，柱面气膜密封结构轴向自由度大，可减少甚至避免由于密封结构转环倾斜引起的接触和磨损，但柱面气膜密封结构对径向热膨胀的适应能力差，部分气膜密封结构存在表面槽型加工困难等问题。

（3）通过引入柔性箔、薄板、薄壁梁等柔性部件以增加密封结构对转子振动、不均匀热变形等问题的适应能力，是非常有希望解决航空发动机气膜密封结构现有问题的技术途径，但目前这些柔性密封结构尚存在定量设计及制造工艺方面的难题，需亟待解决。

（4）在气膜密封结构机理研究方面，基于多物理场耦合的密封行为研究和性能预测是当今的研究热点及未来的必由之路，因此开发航发密封结构专用的多场耦合计算及结构设计软件，以深入了解密封结构工作机理，并提升密封结构自主设计和创新能力是密封技术发展的迫切需求。其次，随着气膜密封技术理论研究的深入发展和密封原理和结构创新的需要，基于先进和复合传感技术的密封测试和评价技术研究同样是非常重要的。

目前，航空发动机气膜密封技术的发展正处于新的关键时期，随着对已有密封机理认识的不断深化，以及基于新原理、新材料、新结构的密封创新设计不断涌现，甚至引入智能监测等先进技术手段，气膜密封技术有望在航空发动机上实现广泛应用，为航空发动机整体性能的提升发挥重要作用。