航发小知识17 飞机发动机封严

我是袋鼠 2020-08-25

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航空发动机封严结构，其主要是针对转动结构与非转动结构来说的。我们知道压气机、涡轮转子都是转动件，转动则其与相应机匣之间必然有间隙，有间隙就有了封严的需要。封严就是为了对泄露进行控制。

一、为什么要封严?

气路封严是为了尽量减小气流损失，提高增压比和涡轮效率，有研究表明，封严泄露量减少1%，可使发动机推力增加1%，耗油率降低0.1%;对于先进的战斗机发动机，在发动机转速和涡轮转子进口温度保持不变的情况下，高压涡轮封严泄露减少1%，则推力增加0.8%，耗油率降低0.5%。[1]由此可见气路封严对提高发动机的性能还是很有帮助的。

油路封严(密封)是为了减小滑油的泄露，主要来说针对的是轴承的封严，往往是伴有油气。滑油系统对于发动机来说是相当重要的，正是有滑油系统对轴承进行润滑(散热)，才保证了发动机正常运转。油路密封效果也将直接影响滑油系统的效率，间接影响发动机性能。

二、有哪些结构?

航空发动机封严结构一般分为接触式和非接触式两种。接触式就是封严结构直接与转动件接触，之间会存在摩擦。非接触式结构就是与转动件无直接接触。

接触式封严结构主要有:涨圈、浮动环、石墨、刷式等密封结构。非接触式封严结构主要有:篦齿、螺旋槽等结构。以下我们主要介绍在航空发动机中广泛应用的篦齿封严和石墨封严结构以及蜂窝封严。

三、篦齿封严

所谓篦齿，我们都见过一种梳头用具篦子吧。我们所说的篦齿封严就跟这种结构很像，通常篦齿封严装置主要由轮盘、鼓、轴、叶冠等转动机件上的周向篦齿及静子部件上的环形圆柱面组成(这个描述还是有些抽象，请看下图)，通过减小压力差来减少漏气损失, 封严的效率取决于转子部件和静子部件之间的径向间隙和篦齿数目。

篦齿封严结构

如何到达减小压力差的呢，来看上图这个结构，气流要泄露必然要从这些缝隙中出来，从左往右，由于这种篦齿结构使得气流从左边一次通过时能量逐渐损失(压力、速度)，所以越往后气体能量越低就很难“逃逸”了。篦齿封严也称“迷宫式密封”，篦齿结构通过不断的试验优化还有以下形式:

不同形式的篦齿封严

文中给出的都是截面图，实际是一个“环形”的，有点像内螺纹。一般还会涂上一些耐磨涂层，增强封严效果。

四、石墨封严

石墨封严属于接触式封严结构，就是利用石墨环与转子直接接触来封严，既然要接触要达到防止泄露的目的，又不能损伤了转动件所以只能选择一种较软的且自带润滑功能的材料，于是石墨被选中。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。[1] 一般石墨封严用在轴承腔处的封严，往下来看下结构:

石墨环

五、蜂窝封严

蜂窝封严属于非接触式封严结构，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。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。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。[1] 航发中蜂窝封严多用于涡轮处。