壓力平衡型指尖密封泄漏特性試驗研究

周 坤 力 寧,2 潘 君 王曉燕 胡廷勛 鄒晗陽 譚 鍵

(1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所 湖南株洲 412002；2.直升機傳動技術(shù)重點實驗室 湖南株洲 412002)

指尖密封是可用于航空發(fā)動機壓氣機和渦輪級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制造工藝簡單[2]，逐步在航空發(fā)動機中得到了應(yīng)用。

工程應(yīng)用經(jīng)驗表明，標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封在工作時，因為指尖薄片與后擋板之間的摩擦力而存在滯后現(xiàn)象，進而導(dǎo)致泄漏量增大。為了緩解滯后效應(yīng)對指尖密封性能的影響，工程上解決方法是在后擋板處設(shè)計壓力平衡腔。近年來，隨著高性能航空發(fā)動機研制的需要，指尖密封得到了較為廣泛的重視和研究。國外學(xué)者ARORA等[3]對指尖密封與篦齒密封進行對比實驗研究，表明指尖密封的泄漏量相比于篦齒密封下降20%～70%；PROCTOR等[4]通過指尖密封與刷式密封的對比實驗，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)境工況對指尖密封泄漏特性的影響。國內(nèi)學(xué)者白花蕾[6]基于多孔介質(zhì)模型對指尖密封的泄漏特性進行了數(shù)值分析；雷燕妮和陳國定[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)對壓力平衡型指尖密封性能的影響規(guī)律，同時采用有限元法分析了后遮流板尺寸對壓力平衡型指尖密封性能的影響規(guī)律；周坤等人[9]實驗研究了標(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]對不同配合狀態(tài)下的指尖密封進行軸心軌跡和泄漏特性實驗，研究了環(huán)境工況對轉(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)速和壓差對指尖密封泄漏特性的影響；曹靜等人[12]對指尖密封結(jié)構(gòu)中的氣流流動和傳熱特性進行數(shù)值分析；白花蕾等[13]實驗研究了指尖密封的泄漏特性，指出指尖梁的軸向間隙對泄漏影響比較大。從已有的文獻看，目前的研究主要集中于指尖密封性能的數(shù)值計算分析，部分學(xué)者對標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封進行了泄漏特性試驗研究，鮮有進行壓力平衡型指尖密封試驗研究。

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

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

為了更好地模擬壓力平衡型指尖密封工作時的高溫、高速和高壓等工況，試驗在圖1所示的動密封試驗臺[14]上進行。

圖1 動密封試驗臺

動密封試驗臺通過傳動系統(tǒng)帶動試驗轉(zhuǎn)接裝置的旋轉(zhuǎn)軸達到試驗所需的轉(zhuǎn)速；空氣系統(tǒng)具有空氣加熱功能，具備提供試驗所需的氣體溫度和壓力的能力；潤滑系統(tǒng)用來對試驗設(shè)備和試驗臺架的軸承進行潤滑；測試系統(tǒng)主要用來對試驗轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、氣體壓力、轉(zhuǎn)子振動和氣體泄漏量等試驗參數(shù)進行測量，其中轉(zhuǎn)速測量精度為滿量程的±0.1%，氣體壓力測量精度為滿量程的±1%，氣體溫度測量精度為±5 ℃，滑油壓力測量精度為滿量程的±1%；氣體泄漏量采用高精度的質(zhì)量流量計進行實時測量，測量精度為±0.5%。

1.2 泄漏量測試方法

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

圖2 指尖密封測試方法示意

1.3 試驗件

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)，多層指尖薄片交錯疊置在一起，用后一個指尖薄片的指尖梁遮擋住前一個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。壓力平衡腔與指尖薄片間有一定的軸向間隙，通過在高壓側(cè)開設(shè)一定寬度的引氣槽和引氣孔，使高壓氣體進入壓力平衡腔，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。為了進行指尖密封對比試驗，設(shè)計加工了標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封試驗件，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 試驗工況及泄漏參數(shù)

壓力平衡型指尖密封泄漏特性試驗包括靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗和與標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封對比試驗。試驗最高轉(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，一般通過泄漏參數(shù)Φ2來衡量指尖密封的密封性能，其值越小說明密封性能越好。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 試驗結(jié)果及分析

2.1 靜態(tài)試驗

靜態(tài)試驗是為了檢驗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,是檢驗指尖密封性能的基礎(chǔ)，通常用于出廠性能檢驗，也可作為指尖密封工作一段時間后性能變化的檢驗[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?？煽闯觯S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，20 ℃工況下泄漏參數(shù)Φ2在5 g·K1/2·mm/(N·s)附近波動，而在350 ℃工況下，泄漏參數(shù)Φ2在2.5 g·K1/2·mm/(N·s)以內(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，這是因為溫度升高后，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 動態(tài)試驗

動態(tài)試驗通過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)，測取氣體泄漏量。動態(tài)試驗是檢驗指尖密封裝置性能的重要試驗之一，主要用于評估其密封性能、結(jié)構(gòu)可靠性等[16]。

圖7所示為20 ℃和350 ℃工況下不同轉(zhuǎn)速時壓力平衡型指尖密封動態(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。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。這是因為在離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。

在動態(tài)試驗中，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被抵消掉一部分，因而指尖薄片與后擋板之間的摩擦力會降低，因此增加了指尖薄片的柔順性，使指尖薄片能及時跟隨密封跑道運動，使得其泄漏量會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態(tài)試驗時的泄漏參數(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。可見，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態(tài)泄漏特性曲線

為驗證試驗數(shù)據(jù)的真實性和合理性，將文中的試驗數(shù)據(jù)與文獻[11]中指尖密封泄漏特性數(shù)值計算結(jié)果進行了比較，如圖8所示。可以看出，試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果存在一定的誤差，這是由于數(shù)值計算時給定的轉(zhuǎn)子激勵與試驗臺轉(zhuǎn)子激勵不一致產(chǎn)生的。但不同壓差下試驗得到的泄漏參數(shù)Φ2與理論計算結(jié)果有比較好的一致性，一定程度上驗證了試驗數(shù)據(jù)的真實性和合理性。

圖8 不同壓差下指尖密封泄漏參數(shù)文獻值與試驗值比較

2.3 與標(biāo)準(zhǔn)型指尖密封對比試驗

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)泄漏特性對比曲線。可以看出，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%。這是因為壓力平衡型指尖密封設(shè)計有壓力平衡腔，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產(chǎn)生一個指向軸心的徑向力，使指尖薄片向軸心方向移動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，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)速下的動態(tài)泄漏特性曲線。可以看出，在室溫工況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時，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，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)速下動態(tài)泄漏特性曲線。可以看出，在轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時，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，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。在動態(tài)試驗中，密封跑道在熱膨脹和離心力作用下進入指尖薄片，引起指尖薄片的變形，因為壓力平衡腔的存在增加了指尖薄片的柔順性，使指尖薄片能較好地跟隨密封跑道移動，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跟隨密封跑道移動，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工況下，泄漏參數(shù)Φ2保持在5 g·K1/2·mm/(N·s)以內(nèi)，表現(xiàn)出優(yōu)異的密封性能，這說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%,動態(tài)泄漏參數(shù)Φ2在轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時減小約28.5%，在轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時減小約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)將通過數(shù)值計算和試驗驗證相結(jié)合的方法，對壓力平衡腔結(jié)構(gòu)對指尖密封指尖薄片剛度和泄漏量的影響規(guī)律進行更深入的研究。