摘要：针对航空发动机密封技术，在简述其对大飞机发动机造成的影响基础上，对主流道密封和二次流密封的先进密封技术应用进行深入分析。
关键词：大飞机；航空发动机；发动机涡轮；密封技术
涡轮部件是发动机重要组成部分，其能否正常、稳定运行主要取决于密封效果是否良好。因此，研制并应用先进密封技术，无论是保证发动机正常运行，还是提高效率、降低油耗都有重要作用与现实意义。
1密封技术对大飞机发动机的影响分析
1.1密封技术
在飞机发动机中，会用到很多种密封技术，其中以二次流密封与主流道密封最为重要。主流道密封作用在于避免主流道气流产生泄漏，保证发动机性能保持稳定。二次流密封作用在于符合热端部件对冷却提出的要求，同时达到腔压方面的要求。
1.2技术影响
无论是军用飞机还是民用飞机，密封风机都会对发动机性能造成影响，比如主流道气流一旦泄漏，将对发动机上各个部件实际效率造成影响。在空气系统中，密封技术还是决定其成败的重要因素[1]。
相较于军用飞机发动机，民用飞机更加注重经济性，而且对环保与噪音也提出了很高要求，但对重量却没有那么高的要求。密封技术在这一方面可以发挥很大作用。在商用飞机中，采用先进密封技术，能取得以下效果：（1）减少3%左右的操作成本；（2）降低10%左右的耗油量；（3）降低至少50%的氮氧化合物排放量；（4）减少声能75%左右的噪音。
研究表明，如果二次流密封产生泄漏，发动机内腔实际温度将有所增加，使性能大幅降低，耗油率变高，增加寿命期总费用。
2主流道密封
2.1叶尖间隙封严
针对这一问题的研究主要分成以下两个方面：其一，通过数值计算或试验分析确定发动机性能受叶尖间隙的影响。当叶尖间隙和叶高的比值增大0.01时，涡轮效率将减小0.8%-1.2%；增加2%左右的耗油率。如今，伴随数值计算技术不断发展，该方面分析研究正逐步深入。研究表明，当叶尖间隙增大时，将使峰值等熵效率明显降低。而如果间隙很小，则叶尖间隙产生变化时，不会对效率造成太大影响。同时，转子时速裕度和叶尖间隙之间的关系并非完全单调，当弦长比为0.434%时，可以达到峰值。
在军机研制过程中，已能认识到对叶尖间隙进行控制是十分重要的，围绕间隙分析、材料选择、涂层设计，开展了很多相关工作，但实际上的深度还不足。对于主动间隙控制，仅仅是开展了概念性分析，和测量技术相对滞后存在直接关系。大力发展和推动大飞机的发动机，不仅要重视主动间隙控制，而且还应做好被动间隙控制方面的研究及完善。
2.2内流道密封
对于内流道密封，它是指利用高压空气对主流道上的气流进行密封。研究表明，在现在常用的发动机中，如果能减少内流道实际冷气量，则可以显著改善部件效率，有效降低耗油率。针对两级涡轮，如果减少一半冷气量，可提高0.5%左右的涡轮效率，降低0.9%左右的油耗，并使内腔温度明显降低；针对四级涡轮，如果减少一半冷气量，可提高1.4%左右的涡轮效率，也能使内腔温度得以明显降低[2]。
在大飞机发动机中，其高压涡轮通常采用一级或者是二级，对于低压涡轮，不会低于三级，内流道封严会对涡轮实际效率造成很大影响，这种影响远远超过战斗机。同时，采用先进密封技术，能极大的降低耗油率，保证经济性。
对内流道封严而言，其关键在于构造符合实际要求的多种封严腔，在不同工作状态不仅要实现预期封严目标，而且还要防止转静子产生碰磨。对于多种结构形式，需要进行试验与计算。
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现阶段我国对内流道封严作出的研究还很好，体现在以下两个方面：其一，对封严效果作出的研究很少；其二，对不同结构形式作出的研究也很少，同时，从涡轮部件角度讲，这是一个容易发生故障的部位。由此可见，对内流道封严而言，基础研究将变成主要薄弱环节，这一问题在今后大飞机的发展中将表现的更为突出。
3二次流密封
3.1迷宫式密封
所谓迷宫式密封，即篦齿密封，在内流道密封及二次流密封中使用。其封严因工艺简单，具有很高的安全性，所以在战斗机中占据重要地位，而且在将来的打飞机领域也将发挥出重要作用。我国对这一方面的研究结果绝大部分还未能用于实际的工程设计，在篦齿密封中还有着很大的潜力。挖掘成果的其中一部分主要用于战斗机，另外一部分则用于将来的大飞机。
3.2刷式密封
这项技术是在八十年代兴起的，相较于迷宫式密封，这项密封技术具有更好的性能，其泄漏率只有迷宫式密封10%-50%。目前，正引起国内外普遍关注，同时在两种发动机中均有成功案例。刷式密封在我国也得到了大量分析和研究，同时进行了相应的尝试。然而，因刷式密封会受到耐高转速与耐高温等的影响和限制，所以在航空发动机领域还存在很大局限性。但因其具备良好密封效果，所以在大飞机领域仍具有良好发展趋势。相信通过不断的改良与发展，这项技术的影响和限制将被合理解决。
3.3吸气式密封
九十年代初就对这项密封进行进行了分析研究。对于吸气式密封，还可称作吸气式面密封，其基本原理为：利用上、下游压差使弹簧系统发生运动，完成面接触密封。
针对日趋严格的油耗减少目标，采用迷宫式密封根本无法实现目标，虽然刷式密封可以解决问题，但压力、转子速度与环境温度将对其应用造成限制。在这种情况下，吸气式密封应运而生。研究表明，面密封实际泄漏量能减少80%以上。通过全尺寸试验，相较于迷宫式密封，采用吸气式密封后，三个位置上的实际油耗能减少1.86%[3]。
3.4气膜面密封
吸气式密封实际效果取决于上、下游之间的压差，如果压差较小，或根本没有压差，则实际的封严效果将受到很大影响。对此，人们分析了可在压差较小时使用的技术，即气膜面密封。比如，John Munson研制出一种新型带有薄片的可用于发动机系统的密封技术。
3.5指尖密封
指尖密封的基础是刷式密封，它的结构和刷式密封相类似，将刷丝替换成刷片。与刷式及迷宫式密封技术相比，指尖密封不仅封严性能良好，而且成本低廉，所以从AE公司正式提出该专利以后，就得到了业界的高度重视，并开展了深入的分析研究。
3.6其它密封
3.6.1刷衬篦齿密封
使用金属刷丝制作衬套，然后用篦齿制作转动件，再通过组合形成密封结构。这种密封结构不仅具备刷式密封所有优点，而且使用寿命也较长。该密封的关键是采用了刷丝衬套。
3.6.2柔顺片密封
即采用柔顺金属薄片制作而成的密封结构，除了具有非接触性，还具有柔顺性与低泄漏性。该密封结构主要由多个手指状的箔片制作而成。
4结束语
综上所述，涡轮部件封严既属于流体力学方面的问题，还属于结构分析、热分析与强度分析方面的问题，伴随多学科技术不断发展，针对密封技术开展多学科分析研究现已成为现实，并且也是十分必要的。
参考文献：
[1]杨军，张靖周，郭文.超疏水表面技术在发动机防冰部件中的应用[J].燃气涡轮试验与研究，2013（1）：58-62.
[2]周留成，李应红.激光冲击复合强化机理及在航空发动机涡轮叶片上的应用研究[J].机械工程学报，2016，52（13）：81-81.
[3]杨杰，刘冬华，潘尚能.一体化过渡段大叶片对涡轮部件气动影响研究[J].推进技术，2017，38（4）：779-786.
论文作者:郭作燃1,王少锋2,张强3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/3/29
标签：涡轮论文; 技术论文; 间隙论文; 发动机论文; 部件论文; 耗油率论文; 迷宫论文; 《基层建设》2019年第1期论文;