关键词：航空发动机 涡轮 封严 叶尖封严 涂层 蜂窝
1绪论
当代典型航空燃气涡轮发动机，其涡轮流道是一条环形通道，燃气压力和温度沿轴向发生极其剧烈的变化。虽然气体流动过程是连续的，但是进入涡轮的燃气压力和温度，从前到后是递减的。每个工作叶片排或静子叶片排都有一个压力差。此外，涡轮各零组件之间，特别是转动件和静子件之间又不可避免地要留有间隙，燃气流体泄漏必然发生，不仅给发动机性能带来损失，而且恶化了有关件的工作条件和环境，直接影响零组件的寿命、可靠性，甚至造成零件损坏。因此发动机零件之间的封严显得尤为重要。
航空发动机涡轮部件的封严方式主要包括主流道的封严和空气系统二次流的封严。主流道封严主要是防止主流道气流泄漏，从而降低发动机的性能。空气系统二次流的封严主要是满足热端部件的冷却要求，并满足轴向力对各封严腔的腔压要求。
本文主要就航空发动机涡轮部件常用的封严方式进行了研究，同时介绍了新型封严技术的研究进展、推广应用及发展趋势。
2主流道的封严
涡轮主流道封严结构设计的主要内容包括下列三个方面：涡轮主流道中转动件与静子件间的封严结构；涡轮主流道中静子件间的封严结构；涡轮主流道中转动件间的封严结构。本文主要就转动件和静子件之间的封严结构进行介绍，这种封严结构主要包括叶尖间隙的封严和内流道封严。
2.1 叶尖间隙的封严
2.1.1叶尖间隙封严方式介绍
为了把叶尖泄漏降低，涡轮每级叶片排都要采用外壁封严装置，在这种设计中，工作叶片是转动的，而叶片上面的环面或叫“磨道”是静止不动的。根据控制原理的不同，间隙控制种类可分为主动间隙控制和被动间隙控制两大类。
2.1.2叶尖间隙封严方式存在的问题
蜂窝结构采用钎焊的方式焊接于涡轮机匣上，对焊接质量要求较高，若焊透率不符合要求，在使用过程中会出现蜂窝开焊的问题。由于常用的蜂窝材料为变形高温合金材料，其使用温度以及蜂窝本身结构的限制，蜂窝封严方式通常用于低压涡轮叶尖封严，对使用温度有一定限制。
常用的镍铝、镍铬和镍铝铬的粉末冶金，其耐温能力较低。随着发动机性能要求提高，涡轮工作温度也随之提高，要求涡轮封严材料能在1200℃条件下工作，等离子喷涂金属/陶瓷系列材料、金属间陶瓷化合物材料，如硅化物和氮化物以及纯陶瓷材料均得到极大的发展。
2.1.3叶尖封严对发动机性能的影响研究
对于叶尖间隙封严的研究分为两个方面，一方面借助数值计算和研究分析叶尖间隙对性能的影响，目前在这方面国内外均开展了大量的研究。另一方面研究则是通过结构、空气系统或控制来实现对叶尖间隙的控制，这方面的研究在涡轮叶尖间隙处较为突出。
2.1.4叶尖封严技术国内发展现状
目前在国内的发动机研制中，已经深刻认识到叶尖间隙控制的重要性，从间隙分析和外环选材及喷涂涂层各方面对被动间隙控制开展了大量的工作，但专题的深入研究还远远不够。主动间隙控制也只是进行了一些概念性的研究，这与涡轮叶尖间隙测量技术的滞后也有一定的关系。因此需要继续完善和深入研究被动间隙控制技术，积极开展主动间隙控制技术研究。
2.2 内流道封严
为了减少涡轮各排静子的泄漏，气流流道的内径必须进行封严。涡轮盘前端面和后端面也要根据发动机的具体情况进行封严。篦齿式的封严装置由于其构造简单，广泛应用于流道内壁的空气封严装置中。内流道封严方式主要包括涡轮盘对齿封严结构和篦齿封严结构。
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2.2.1涡轮盘对齿封严结构
涡轮盘对齿封严结构即在转动件的前后各伸出一个封严篦齿，与之相对应的静子件也相应伸出叉口型的篦齿，两者构成迷宫式结构。
2.2.2篦齿封严结构
篦齿封严结构广泛用于发动机涡轮内流道封严，主要用于涡轮级间封严，用于高低压压腔之间的流体泄漏。篦齿封严装置主要由轮盘等转动件上的周向篦齿及静子部件上的环形圆柱面组成，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。
2.2.3内流道封严存在的问题
发动机篦齿封严结构中，与篦齿相配合的机匣表面喷涂的是可消耗涂层，涂层存在状态不稳定的问题。
2.2.4内流道封严研究现状
国内对篦齿封严结构的研究成果很大一部分还没有应用到航空发动机的篦齿封严的工程设计中，在航空发动机领域篦齿密封还有潜力可挖。其挖潜的结果一部分应用到未来战斗机发动机的研制中，很大一部分应用到未来大飞机发动机的应用中。
3空气系统二次流封严
目前空气系统二次流封严较为常见的主要包括篦齿封严结构及刷式封严结构。其中篦齿封严结构在内流道封严中已进行了详细介绍，本章中主要对刷式封严以及其他先进的封严技术进行介绍。
3.1刷式封严
刷式封严技术是上世纪八十年代由R.R公司发展起来的一种新型的空气系统二次流封严技术，与广泛应用的传统的篦齿封严相比，刷式封严具有优异的封严性能，它的泄漏率仅为篦齿封严的1/10-1/2。受到国内外的广泛关注，并且在战斗机发动机和大飞机发动机上都有成功应用的例子。
由于刷式封严技术受到耐高温和耐高转速的限制，在航空发动机上的应用还有一定的局限性。由于其可观的封严效果，在未来先进发动机上适当的应用刷式封严技术是必然趋势。
3.2其他先进的封严技术
3.2.1吸气式封严
吸气式面密封的工作原理为，通过上下游的压差，推动弹簧系统，实现面接触或非接触封严。
刷式封严逐渐成为篦齿封严的替代品，而且在很多机种上使用。但转子速度、环境温度和压力限制了刷式密封在高压涡轮封严的应用。吸气式面封严有望达到该目标。
3.2.2气膜面封严
吸气式封严的效果主要依赖于上下游的压差，当上下游压差很小或没有压差时，其封严效果受到影响。人们开始研究在小压差下工作的气膜面封严技术。
3.2.3指尖封严
指尖封严是从刷式封严衍变而来的，其结构也与刷式封严相似，它是用一组刷片取代刷式封严的刷丝。
相比于篦齿封严和刷式封严，指尖封严具有相对优良的封严性能和较低的制造成本，因此自该封严技术被提出后，得到了国内外学者的重视和研究。
3.2.4刷衬篦齿封严
用金属刷丝做成衬套（静子件），用篦齿做成转动件组合成一种新型密封结构。它既具有刷式封严的低泄漏的优点，又具有篦齿封严的长寿命要点。这种密封的关键在于制造一种宽的刷丝衬套。
3.2.5柔顺片封严
柔顺金属薄片封严，兼有篦齿的非接触特性，机械端面封严的低泄漏特性及刷式封严的柔顺特性。柔顺片封严由若干指状薄金属元件或箔片组成。
4结论
封严技术一直是高性能航空发动机研发工作的重要组成部分，先进封严技术是满足发动机耗油率、推重比、污染物排放、耐久性及寿命期成本目标的关键技术。
在国内，要发展先进的发动机，不仅需研究和发展新型的封严技术，同时仍需对常规的封严技术进行系统的、细致的、深入的研究，如叶尖处的被动间隙控制技术、内流道封严技术和篦齿封严技术等。
涡轮的封严问题不仅是流体力学的问题，同时也是热分析、强度分析、材料分析和结构分析的问题，随着多学科优化技术的发展，对涡轮部件的封严技术进行多学科研究已成为可能，同时也很必要。
论文作者: 唐艳
论文发表刊物:《科学与技术》2019年18期
论文发表时间:2020/4/28
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