周 坤 力 寧,2 潘 君 王曉燕 胡廷勛 鄒晗陽(yáng) 譚 鍵

(1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 湖南株洲 412002；2.直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南株洲 412002)

指尖密封是可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)和渦輪級(jí)間氣體流路以及主軸承腔的新型柔性密封技術(shù)[1]，相比于篦齒、刷式密封，因其密封性能好和相對(duì)制造工藝簡(jiǎn)單[2]，逐步在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了應(yīng)用。

工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封在工作時(shí)，因?yàn)橹讣獗∑c后擋板之間的摩擦力而存在滯后現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致泄漏量增大。為了緩解滯后效應(yīng)對(duì)指尖密封性能的影響，工程上解決方法是在后擋板處設(shè)計(jì)壓力平衡腔。近年來(lái)，隨著高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的需要，指尖密封得到了較為廣泛的重視和研究。國(guó)外學(xué)者ARORA等[3]對(duì)指尖密封與篦齒密封進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，表明指尖密封的泄漏量相比于篦齒密封下降20%～70%；PROCTOR等[4]通過(guò)指尖密封與刷式密封的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其泄漏量低于刷式密封；HENDRICKS[5]采用Bulk Flow模型數(shù)值分析了環(huán)境工況對(duì)指尖密封泄漏特性的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者白花蕾[6]基于多孔介質(zhì)模型對(duì)指尖密封的泄漏特性進(jìn)行了數(shù)值分析；雷燕妮和陳國(guó)定[7-8]采用有限元接觸分析方法研究了指尖梁型線、數(shù)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力平衡型指尖密封性能的影響規(guī)律，同時(shí)采用有限元法分析了后遮流板尺寸對(duì)壓力平衡型指尖密封性能的影響規(guī)律；周坤等人[9]實(shí)驗(yàn)研究了標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封的泄漏特性，發(fā)現(xiàn)相比于刷式密封其泄漏量下降約18%；杜春華等[10]對(duì)不同配合狀態(tài)下的指尖密封進(jìn)行軸心軌跡和泄漏特性實(shí)驗(yàn)，研究了環(huán)境工況對(duì)轉(zhuǎn)子軌跡和泄漏特性的影響規(guī)律；張延超等[11]數(shù)值分析了轉(zhuǎn)速和壓差對(duì)指尖密封泄漏特性的影響；曹靜等人[12]對(duì)指尖密封結(jié)構(gòu)中的氣流流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行數(shù)值分析；白花蕾等[13]實(shí)驗(yàn)研究了指尖密封的泄漏特性，指出指尖梁的軸向間隙對(duì)泄漏影響比較大。從已有的文獻(xiàn)看，目前的研究主要集中于指尖密封性能的數(shù)值計(jì)算分析，部分學(xué)者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封進(jìn)行了泄漏特性試驗(yàn)研究，鮮有進(jìn)行壓力平衡型指尖密封試驗(yàn)研究。

本文作者以壓力平衡型指尖密封為研究對(duì)象，試驗(yàn)研究其泄漏特性，探討轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口壓差和環(huán)境溫度等參數(shù)對(duì)泄漏特性的影響規(guī)律；同時(shí)比較標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封和壓力平衡型指尖密封的性能。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

為了更好地模擬壓力平衡型指尖密封工作時(shí)的高溫、高速和高壓等工況，試驗(yàn)在圖1所示的動(dòng)密封試驗(yàn)臺(tái)[14]上進(jìn)行。

圖1 動(dòng)密封試驗(yàn)臺(tái)

動(dòng)密封試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)接裝置的旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到試驗(yàn)所需的轉(zhuǎn)速；空氣系統(tǒng)具有空氣加熱功能，具備提供試驗(yàn)所需的氣體溫度和壓力的能力；潤(rùn)滑系統(tǒng)用來(lái)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)臺(tái)架的軸承進(jìn)行潤(rùn)滑；測(cè)試系統(tǒng)主要用來(lái)對(duì)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、氣體壓力、轉(zhuǎn)子振動(dòng)和氣體泄漏量等試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其中轉(zhuǎn)速測(cè)量精度為滿量程的±0.1%，氣體壓力測(cè)量精度為滿量程的±1%，氣體溫度測(cè)量精度為±5 ℃，滑油壓力測(cè)量精度為滿量程的±1%；氣體泄漏量采用高精度的質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量精度為±0.5%。

1.2 泄漏量測(cè)試方法

由于指尖密封介質(zhì)為熱空氣，環(huán)境溫度及測(cè)量精度要求較高，因此采用壓力平衡法測(cè)量泄漏量，測(cè)試原理如圖2所示。B腔連接試驗(yàn)臺(tái)的空氣系統(tǒng)，密封試驗(yàn)件的氣體泄漏進(jìn)入A腔，A腔與大氣相通。試驗(yàn)時(shí)當(dāng)高壓腔(B腔)壓力值恒定時(shí)，B腔的進(jìn)氣量即為密封試驗(yàn)件的氣體泄漏量。

圖2 指尖密封測(cè)試方法示意

1.3 試驗(yàn)件

壓力平衡型指尖密封由前擋板、若干層指尖薄片、環(huán)形平衡腔、后擋板等組成，采用鉚接或焊接工藝將它們連接成一體，如圖3所示。前擋板總是處于氣流的高壓側(cè)，后擋板總是處于氣流的低壓側(cè)，多層指尖薄片交錯(cuò)疊置在一起，用后一個(gè)指尖薄片的指尖梁遮擋住前一個(gè)指尖薄片的指尖梁間的間隙，從而防止氣體從指尖梁的縫隙泄漏。指尖薄片與密封跑道形成密封界面，限制氣流從高壓側(cè)向低壓側(cè)泄漏。

圖3 壓力平衡型指尖密封結(jié)構(gòu)示意

標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。壓力平衡型指尖密封與標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封結(jié)構(gòu)參數(shù)(如內(nèi)徑、外徑、軸向總寬度、指尖梁數(shù)目等)均保持一致，唯一不同之處在于壓力平衡型指尖密封的后擋板處采用了壓力平衡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。壓力平衡腔與指尖薄片間有一定的軸向間隙，通過(guò)在高壓側(cè)開(kāi)設(shè)一定寬度的引氣槽和引氣孔，使高壓氣體進(jìn)入壓力平衡腔，產(chǎn)生的壓力能平衡部分高壓側(cè)壓力作用下指尖薄片承受的作用力，從而減小指尖薄片與后擋板的摩擦力。壓力平衡型指尖密封能更適應(yīng)轉(zhuǎn)子的偏移或升降速變化，緩解或消除滯后效應(yīng)，因而具有更好的密封性能和更長(zhǎng)的使用壽命。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封結(jié)構(gòu)示意

壓力平衡型指尖密封實(shí)物圖如圖5所示。前、后擋板及指尖薄片材料為高溫合金。在密封跑道上和指尖薄片接觸部分噴涂有耐磨涂層，以降低指尖薄片和跑道的磨損。為了進(jìn)行指尖密封對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)計(jì)加工了標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封試驗(yàn)件，如圖5(b)所示。

圖5 壓力平衡型指尖密封裝置和標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封

1.4 試驗(yàn)工況及泄漏參數(shù)

壓力平衡型指尖密封泄漏特性試驗(yàn)包括靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和與標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速為30 000 r/min，最高溫度為350 ℃，最大壓差為0.4 MPa。

在工程上，一般通過(guò)泄漏參數(shù)Φ2來(lái)衡量指尖密封的密封性能，其值越小說(shuō)明密封性能越好。泄漏參數(shù)Φ2的關(guān)系式[15]為

(1)

式中：W為質(zhì)量泄漏量，kg/s；Tu為上游氣體總溫，K；Do為跑道外徑，mm；pu為上游氣體總壓，MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 靜態(tài)試驗(yàn)

靜態(tài)試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)壓力平衡型指尖密封在密封跑道靜止?fàn)顟B(tài)下的泄漏特性,是檢驗(yàn)指尖密封性能的基礎(chǔ)，通常用于出廠性能檢驗(yàn)，也可作為指尖密封工作一段時(shí)間后性能變化的檢驗(yàn)[16]。圖6所示為壓力平衡型指尖密封在20 ℃和350 ℃工況下的靜態(tài)泄漏特性曲線?？煽闯?，隨著壓比(高壓側(cè)壓力和低壓側(cè)壓力比值)的增加，指尖密封的密封泄漏參數(shù)Φ2先逐漸增大后趨于定值；當(dāng)壓比在1.6～5范圍內(nèi)時(shí)，20 ℃工況下泄漏參數(shù)Φ2在5 g·K1/2·mm/(N·s)附近波動(dòng)，而在350 ℃工況下，泄漏參數(shù)Φ2在2.5 g·K1/2·mm/(N·s)以?xún)?nèi)。從圖中還可以看出，隨著溫度的增加壓力平衡型指尖密封泄漏參數(shù)Φ2減小，這是因?yàn)闇囟壬吆?，跑道在熱膨脹作用下密封間隙減小以及氣體密度下降，所以泄漏量降低。

圖6 不同溫度下壓力平衡型指尖密封靜態(tài)特性曲線

2.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)通過(guò)模擬指尖密封的主要工作條件，如轉(zhuǎn)速、壓差和溫度等環(huán)境參數(shù)，測(cè)取氣體泄漏量。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是檢驗(yàn)指尖密封裝置性能的重要試驗(yàn)之一，主要用于評(píng)估其密封性能、結(jié)構(gòu)可靠性等[16]。

圖7所示為20 ℃和350 ℃工況下不同轉(zhuǎn)速時(shí)壓力平衡型指尖密封動(dòng)態(tài)泄漏特性曲線。可以看出，在壓比1.2～1.8范圍內(nèi)，隨著壓比的升高，密封泄漏參數(shù)Φ2逐漸增加；在壓比1.8～5范圍內(nèi)，隨著壓比的升高，密封泄漏參數(shù)Φ2在很小的范圍波動(dòng)。從圖中還可以得出，隨著轉(zhuǎn)速和溫度的增加，泄漏參數(shù)Φ2均減小。這是因?yàn)樵陔x心力和熱膨脹的影響下，壓力平衡型指尖密封與密封跑道之間的泄漏間隙會(huì)減小，且氣體的黏度變大，因此隨著溫度和轉(zhuǎn)速的上升，泄漏量下降。

在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，由于壓力平衡腔的存在，指尖薄片承受的空氣壓力作用力會(huì)被抵消掉一部分，因而指尖薄片與后擋板之間的摩擦力會(huì)降低，因此增加了指尖薄片的柔順性，使指尖薄片能及時(shí)跟隨密封跑道運(yùn)動(dòng)，使得其泄漏量會(huì)保持在比較低的水平。從圖7可知，壓力平衡型指尖密封在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)的泄漏參數(shù)保持在5 g·K1/2·mm/(N·s)左右，表現(xiàn)出優(yōu)異的密封性能?？梢?jiàn)，平衡型指尖密封的指尖片有比較好的跟隨性，有效緩解了滯后效應(yīng)。

圖7 不同溫度和轉(zhuǎn)速下壓力平衡型指尖密封裝置動(dòng)態(tài)泄漏特性曲線

為驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和合理性，將文中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[11]中指尖密封泄漏特性數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖8所示?？梢钥闯?，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果存在一定的誤差，這是由于數(shù)值計(jì)算時(shí)給定的轉(zhuǎn)子激勵(lì)與試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子激勵(lì)不一致產(chǎn)生的。但不同壓差下試驗(yàn)得到的泄漏參數(shù)Φ2與理論計(jì)算結(jié)果有比較好的一致性，一定程度上驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和合理性。

圖8 不同壓差下指尖密封泄漏參數(shù)文獻(xiàn)值與試驗(yàn)值比較

2.3 與標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封對(duì)比試驗(yàn)

圖9所示為基本型指尖密封和壓力平衡型指尖密封在室溫和 350 ℃工況下的靜態(tài)泄漏特性對(duì)比曲線?？梢钥闯?，室溫工況下壓力平衡型指尖密封靜態(tài)泄漏參數(shù)Φ2相比于標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封減小約25.6%；在350 ℃工況下壓力平衡型指尖密封相比于標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封靜態(tài)泄漏參數(shù)Φ2減小約29.4%。這是因?yàn)閴毫ζ胶庑椭讣饷芊庠O(shè)計(jì)有壓力平衡腔，可將高壓側(cè)的壓力空氣引入到壓力平衡腔，抵消了一部分高壓側(cè)氣體壓力的作用力，而使指尖薄片與后擋板之間的摩擦力減小，進(jìn)而增加了指尖薄片的柔順性。因指尖薄片的指尖梁在氣體壓力作用下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)指向軸心的徑向力，使指尖薄片向軸心方向移動(dòng)而減小指尖薄片與密封跑道之間的泄漏間隙，從而降低了指尖密封的泄漏量。而標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封沒(méi)有壓力平衡腔，在指尖薄片與后擋板間摩擦力作用下，指尖薄片指尖梁不能向下移動(dòng)，指尖薄片與密封跑道之間的泄漏間隙基本不變，所以標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封的泄漏量明顯大于壓力平衡型指尖密封。

圖9 不同溫度下標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封和壓力平衡型指尖密封靜態(tài)泄漏特性比較

圖10所示為基本型指尖密封和壓力平衡型指尖密封在室溫工況及不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)泄漏特性曲線?？梢钥闯?，在室溫工況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時(shí)，壓力平衡型指尖密封泄漏參數(shù)Φ2相比于標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封下降約25.9%；當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時(shí)，壓力平衡型指尖密封泄漏參數(shù)相比于標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封下降約34.2%。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下指尖密封和壓力平衡型指尖密封動(dòng)態(tài)泄漏特性曲線(20 ℃)

圖11所示為基本型指尖密封和壓力平衡型指尖密封在350 ℃工況及不轉(zhuǎn)速下動(dòng)態(tài)泄漏特性曲線?？梢钥闯?，在轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時(shí)，壓力平衡型指尖密封泄漏參數(shù)Φ2相比于標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封下降約28.5%；轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時(shí)，壓力平衡型指尖密封泄漏參數(shù)Φ2相比于標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封下降約26.4%。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下指尖密封和壓力平衡型指尖密封動(dòng)態(tài)泄漏特性曲線(350 ℃)

從圖10、11可以看出，在室、高溫工況下壓力平衡型指尖密封泄漏參數(shù)Φ2小于標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封。在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，密封跑道在熱膨脹和離心力作用下進(jìn)入指尖薄片，引起指尖薄片的變形，因?yàn)閴毫ζ胶馇坏拇嬖谠黾恿酥讣獗∑娜犴樞裕怪讣獗∑茌^好地跟隨密封跑道移動(dòng)，從而保證了不同工況下指尖密封泄漏間隙一致，使壓力平衡型指尖密封泄漏參數(shù)Φ2能保持在比較低的水平。而標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封因指尖薄片與后擋板之間摩擦力的關(guān)系，當(dāng)指尖薄片發(fā)生變形后而不能及時(shí)跟隨密封跑道移動(dòng)，因存在滯后現(xiàn)象而導(dǎo)致泄漏量增大。

與標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封泄漏特性對(duì)比分析結(jié)果表明，壓力平衡型指尖密封的指尖薄片能有效緩解滯后效應(yīng)，使該密封結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的密封性能。

3 結(jié)論

(1)壓力平衡型指尖密封在試驗(yàn)工況下，泄漏參數(shù)Φ2保持在5 g·K1/2·mm/(N·s)以?xún)?nèi)，表現(xiàn)出優(yōu)異的密封性能，這說(shuō)明壓力平衡腔能有效緩解指尖密封滯后效應(yīng)。

(2)壓力平衡型指尖密封隨著轉(zhuǎn)速、溫度的上升，泄漏參數(shù)Φ2降低。

(3)壓力平衡型指尖密封與標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封相比，靜態(tài)泄漏參數(shù)Φ2下降約29.4%,動(dòng)態(tài)泄漏參數(shù)Φ2在轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時(shí)減小約28.5%，在轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時(shí)減小約34.2%。

(4)研究表明，與標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封相比，壓力平衡型指尖密封表現(xiàn)出更優(yōu)異的密封性能。后續(xù)將通過(guò)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)壓力平衡腔結(jié)構(gòu)對(duì)指尖密封指尖薄片剛度和泄漏量的影響規(guī)律進(jìn)行更深入的研究。