航空燃气涡轮发动机密封装置的现状和未来

一、前言目前,航空工业不断发展,为了进一步提高飞机用发动机的性能,其转速和温度也要大大的提高。因此,发动机轴承的密封装置要求在更高的条件下工作,特别是高压压气机的密封装置,根据计算,由于非接触式密封装置(如篦齿密封装置,浮动环密封装置等)的漏气,能使压气机效率降低1%,所以说,改进密封装置是提高发动机性能的一种手段。图1—3表示涡轮轴承密封装置的周速,负荷和环境温度过去的实际值和未来的要求值。由于要求密封装置能在接近临界条件下使用,并长期保持良好的可靠性,故欧美各国对各种密封装置正在进行研制,并已发表了许多研究报告。     

刷式篦齿组合密封性能试验研究

与传统篦齿密封相比,刷式密封作为一种新型密封装置,密封性能改善明显。但在高压差条件下,刷式密封的封严性能提升效果不明显。为满足航空发动机高压差高性能需求,本文设计一种刷式篦齿组合密封来提升刷式密封的综合封严性能。刷式密封和刷式篦齿组合密封泄漏特性的仿真分析及对比试验结果表明,同工况条件下,刷式篦齿组合密封相比刷式密封,其泄漏量可减小（34.7%～68.5%）,封严性能更优异。因而,刷式篦齿组合密封为航空发动机高压差密封提供新的低成本途径,且结构紧凑、泄漏量低。     

某实际发动机篦齿封严装置振动特性和稳定性分析

篦齿式封严装置是一种非常有效的非接触密封装置,在航空燃气涡轮发动机等叶轮机械中得到广泛应用。随着航空发动机性能的提高,篦齿封严装置的振动故障问题愈发突出,颤振、声固耦合及振型协调等振动故障发生的可能性越来越大。本文针对某实际航空发动机的篦齿封严装置,对其进行了振动特性和气弹稳定性分析,有较强的工程实际意义。      

典型阶梯篦齿高转速密封性能试验

在高转速密封试验设备上,进行了实际尺寸阶梯篦齿压比(1.05～28)、相对密封间隙(齿尖密封间隙和齿宽比)(24～40)、泄漏流雷诺数(1900～28000)及旋转速度(0～12000r/min)等对密封性能影响的试验。结果显示:篦齿流量系数随压比变大而上升,随相对密封间隙变大而降低;转速低于5000r/min时,旋转对篦齿流量系数影响不明显,高转速、小压比时,篦齿流量系数随转速的升高而降低,降幅超过301%;较小雷诺数下,篦齿流量系数随雷诺数的减小快速降低,雷诺数超过6000以后,篦齿流量系数受雷诺数的影响不明显;气流通过阶梯篦齿第一道齿的压力损失最小,通过最后一道齿的压力损失最大,通过中间各齿的压力损失相当。基于试验测试数据,修正了典型阶梯篦齿流量系数的求解关系式,修正后的关系式计算值与实测值吻合良好。      

篦齿式封严装置气动弹性稳定性研究

随着航空发动机对高性能、高推重比的要求 ,发动机上零部件的工作环境愈发恶劣 ,此时篦齿封严装置的稳定性问题则显得非常突出。该装置沿周向作节径型振动 ,在某些模态时 ,密封气体的气动阻尼可能为负值 ,使整个系统稳定性下降 ,甚至出现不稳定状态。本文采用双控制体模型计算篦齿封严装置的气动刚度和气动阻尼 ,然后应用有限元软件对篦齿式封严装置的稳定性进行了分析 ,获得了比较满意的结果     

刷密封的静动态泄漏特性

对10件密封名义直径为174mm的刷密封在试验器上进行了一系列静、动态泄漏特性试验。试验结果表明,刷密封具有优异的密封性能,其静、动态泄漏率小于精确设计的5齿0.25mm间隙的篦齿封严的1/3,是4齿0.5mm间隙的篦齿封严的1/10。在发动机内流系统中以刷密封替代蓖齿封严可使发动机性能有显著提高。     

直通式封严篦齿内部流动和换热的实验研究

为了研究外界因素对高推动比航空发动机中密封装置性能的影响,介绍了在吸气式内流传热风洞实验台测量了不同雷诺数和不同齿顶厚和齿隙比的工况下对篦齿腔内部流动的影响规律, 并利用该实验台对篦齿顶板表面的换热特性进行了研究． 测量结果说明了在篦齿腔中旋涡的分布及雷诺数变化对旋涡分布的影响．并得出了在不同雷诺数和Ｔ／Ｃ工况下对篦齿顶板表面换热特性的影响     

刷衬—篦齿密封技术

本文介绍一种密封技术新概念,即刷衬一篦齿密封。顾名思义,刷衬一篦齿密封就是用金属刷丝作成衬套(静止件),用篦齿作成转动件,组合成一种新型密封结构。它既具有刷密封的低泄漏优点,又具有篦齿密封的长寿命优点。它既能适应转子回转影响不会产生永久性间隙增大,又避免了刷密封对偶介面易磨损的缺点,从而改善了发动机性能,成为比刷密封更有吸引力的新密封方案。这种密封的关键在于制造一种宽的刷丝衬套,在一定的工艺技术水平下,较为容易获得成功。因此推荐给发动机设计师们参考,并建议开展有关的研究工作,以期用于新机研制,进一步改善发动机的工作性能。     

高空台动静架连接新型篦齿密封结构封严特性研究

针对高空模拟试车台动静架连接处气体泄漏问题,开展基于中段进气的新型篦齿密封结构优化设计与封严特性的数值模拟与试验研究。设计了新型篦齿密封结构,选取篦齿齿尖厚、齿根厚及后倾角为参数变量,泄漏量为优化目标函数,根据Box-Behnken方法设计的样本点和数值计算结果建立二阶响应面模型,开展新型篦齿密封结构泄露特性数值模拟与优化研究,并通过实验进行验证。研究表明,实验结果与有限元计算结果误差不超过10％,验证了数值模型的准确性;通过优化设计与分析,新型篦齿连接结构泄漏量降低12.5％,使得该结构更容易实现最优的封严效果。新型篦齿密封结构封严特性较初始结构提高99.2％,消除了由连接处泄漏带来的附加阻力695.2N。本研究对改进现有高空台动静架连接篦齿密封结构,提升其试验台推力测量的准确性具有重要作用。     

齿间凸起对直通篦齿封严特性影响的数值研究

为提升篦齿的密封性能,对在齿间光滑衬套上增加矩形凸起的直通篦齿的流动特性进行了数值研究,分析了压比、凸起的尺寸和轴向位置对篦齿泄漏特性的影响。和光滑齿相比,凸起破坏了壁面射流附面层的连续性,改变了流体在齿腔中的流动方向,有效地提高了通道的密封性能,降低了通道的泄漏量。结果表明,当压比为2时,含有凸起结构的篦齿的泄漏系数较光滑齿降低了13%,当压比增加到4时,泄漏系数更是降低了18%;凸起的高度越大宽度越小,凸起对篦齿密封性能的提高就越明显;凸起和下级齿之间的轴向距离越短,凸起对流入下级齿的气体流动方向改变就越大,密封性能也就越好。     

篦齿封严装置减振方法研究及减振装置设计

本文研究了用于篦齿封严装置的干摩擦式阻尼减振器的减振原理,采用篦齿封严装置气弹稳定性分析方法,分别研究了用于篦齿封严装置的阻尼环和阻尼套筒的减振效果,并在此基础上提出了阻尼减振器的工程设计方法。研究表明,干摩擦式阻尼减振器可以有效地提高篦齿封严装置的气动弹性稳定性。     

篦齿密封装置标准的剖析

ADS标准是英国Rous-Royce公司的设计标准。ADS标准号并不反映在工程设计图上,而是将其内容贯彻于设计图中。现将ADS篦齿密封装置有关标准介绍如下:     

旋转状态下篦齿流量特性试验研究

篦齿是航空发动机中非常重要的密封流动单元。本文用试验方法研究了2齿和10齿直通型篦齿在旋转状态下的流量特性,获得了篦齿流量特性随进出口压比的变化关系,同时测量了不同转速下篦齿各齿间压力。结果表明:在低压比(<1.8)、低转速(<1 000 r/min)情况下,旋转对篦齿流量特性影响较小;但随着转速的升高,同一压比下,流量系数会降低,在转速2 500 r/min时,流量系数比静止状态时降低了约8%,齿间压力也有一定程度的下降。     

带阻尼套简篦齿封严装置的动力响应和减振规律研究

为有效解决篦齿封严装置在设计和使用中出现的振动过大的问题,提出了带阻尼套筒篦齿封严装置的动力响应分析方法,并对篦齿封严装置转子件在摩擦片不同分布位置时的动力响应进行了计算分析,得到了减振效果随摩擦片不同分布位置的变化规律。     

两类常用篦齿密封和临界特性的分析与比较

对于根据大量实验数据提出的计算两类篦齿流量系数的经验公式相对于理论公式所做的各种修正进行了讨论。对它们的密封特性作了深入的分析和比较,指出了各自的特点和适用条件。探讨了篦齿的临界特性,提出了新的能够准确计算两类篦齿临界压比的经验公式。      

用于篦齿封严装置的阻尼套筒减振性能研究

在篦齿封严装置减振的开口阻尼环设计方法的基础上,对比研究了阻尼套筒的设计方法.采用动柔度法求解了安装有阻尼套筒的篦齿封严装置的动力响应.分析了阻尼套筒结构尺寸(厚度、接触面积)和安装过盈量等参数对篦齿封严装置动力响应的影响规律;在篦齿封严装置和阻尼套筒的组合结构中,存在最佳的阻尼套筒结构参数,此时阻尼套筒减振效果最佳;对组合结构不同的周波型振动,阻尼套筒的减振效果不同.      

考虑间隙变化的旋转篦齿流动特性实验

对台阶型封严篦齿流动特性进行了实验研究。考虑齿顶间隙变化,研究了不同压比(1.1~1.6),不同转速(0~8 100r/min)对篦齿泄漏流量、流量系数、风阻温升的影响。通过测量转盘和静止机匣的径向变形来获得篦齿工作间隙。利用插值法保证间隙一定,研究了转速这一个单一变量对篦齿封严流动特性的影响。结果表明:随着压比增大,泄漏流量增大,流量系数增大,小压比(压比为1.3)时增长较快,齿顶间隙微弱降低,风阻温升减小。随着转速的增加,泄漏流量和流量系数降低,齿顶间隙减小,风阻温升增大。间隙一定时,转速增加有利于提高篦齿密封特性。     

篦齿封严泄漏特性的实验

为了研究工程实际尺寸下篦齿封严泄漏特性,设计并搭建了篦齿封严实验台.在进出口压比为1.1~2.0的条件下,探究了节流间隙、齿数、齿腔深度和宽度等对篦齿封严泄漏量和密封腔内压力分布的影响.结果表明:泄漏系数随着压比和节流间隙的提高而增加,但压比达到1.6后,增加趋势逐渐变缓;增加齿数能显著提高篦齿的封严性能,但随着齿数变多,效果逐渐减弱;较浅和较宽的齿腔对于提高篦齿的封严性能更有利;进出口压比、节流间隙和齿腔深度对于篦齿腔内压力系数的分布几乎没有影响;篦齿腔内沿程压力不断降低,但在各齿腔内降低的程度逐渐减小;在篦齿封严中,越接近入口的齿腔对密封性能提高的贡献越大,对封严性能的优劣起着决定性作用.      

转动和旋流对压气机级间封严影响的数值研究

对压气机级间封严篦齿进行了流场数值模拟。基于文献实验数据,进行了湍流模型的验证。在稳态条件下获得了带有进出口旋转盘腔的篦齿泄漏特性、风阻温升特性和旋流特性,对比了系统特性和篦齿特性。研究了转速(3~12kr/min)和进口旋转比(0~0.4)对级间篦齿密封的流量系数、风阻温升和出口旋转比的影响。结果表明随着转速的增大,流量系数减小,风阻温升和出口旋转比增大;随着进口旋转比的增大,流量系数和风阻温升减小,出口旋转比增大。     

刷式密封设计与试验研究

介绍了刷式密封的原理、结构、性能以及应用与发展,对刷式密封进行了模拟航空发动机工作条件的340h耐久试验。试验结果表明:国产和进口刷环的密封泄漏特性基本相同;刷式密封的密封特性明显优于篦齿密封的。