端面密封裝置泄漏分析與結構改進設計

孫 震，祝天一，陳少俊，李永健，楊 璠

(1.中國航發常州蘭翔機械有限責任公司，江蘇 常州 213022；2.清華大學 摩擦學國家重點實驗室，北京 100084)

1 引言

端面密封又稱為石墨密封，屬于機械密封，它利用石墨環與轉子相接觸來達到封嚴目的，是現代航空發動機較為理想的密封裝置。端面密封主要應用在航空發動機軸承及輔助裝置位置[1]，具有密封效果好、壽命長、泄漏量小等特點，尤其是在高溫、高壓、高轉速條件下仍能保證可靠的密封性能[2]。端面密封失效的一種外在表現是持續發生過大的泄漏，主要原因是設計、制造、裝配和使用環境等產生的問題[3]。

針對端面密封的摩擦磨損性能以及泄漏特性，已有多位學者進行了研究。如胡廣陽等[4-5]介紹了石墨圓周密封技術研究的新進展，分析了密封材料、工藝、結構對密封技術的影響，還模擬分析了某石墨圓周密封的接觸特性，探討了不同工況參數對密封環最高溫度、最大變形等的作用規律。李小彭等[6]分析了接觸式機械密封端面形貌的表征方法，建立了磨損模型。張杰等[7]采用有限元分析方法對鑲裝式石墨密封環的壓力變形進行了研究，得到鑲裝式結構能提高機械密封可靠性、減小密封端面壓力變形的結論。張棟等[8]分析了石墨圓周密封環斷裂失效原因，指出在沖擊和磨損作用下，脆性材料石墨易發生斷裂。林基恕等[9]對發動機中接觸式圓周密封技術進行了研究，提出了提升圓周密封工作能力和耐久性的發展方向。趙帥等[10]研究了材料及表面織構對機械密封磨損的影響?；萦裣榈萚11]引入Archard 磨損模型，結合半解析方法得到了密封泄漏量、端面溫度等性能參數，并通過臺架試驗驗證了半解析模型的可行性。房桂芳[12]、魏龍[13]基于Archard 黏著磨損理論，建立了機械密封端面磨損分形模型，用以預測石墨密封端面磨損情況。肖云鵬等[14]研究了密封端面材料配對對干摩擦機械密封性能的影響，并選擇三種典型的材料配對進行了干摩擦和磨損試驗。蘇呈龍等[15]結合某石墨環密封部位滑油泄漏故障，通過對密封件進行測量和檢查，分析了石墨密封失效原因，并給出相應的改進建議。結合以上學者對端面密封的研究可知，多數偏向理論研究，工程實際研究較少。

本文針對某型航空發動機一端面密封裝置出現泄漏的情況，基于工況參數和幾何參數對端面密封結構進行仿真分析，并采用掃描電鏡方法觀察密封樣件表面形貌以及磨損情況；結合零件的使用，從潛在的泄漏通道、密封壓力、波形彈簧壓緊力以及偏載、傾斜等方面進行泄漏分析，找出了滑油泄漏原因。最后對該端面密封裝置進行結構改進設計，并完成了仿真分析和試驗驗證。

2 端面密封裝置結構

2.1 結構概述

該端面密封裝置包括石墨封嚴盒與金屬動環，其中石墨封嚴盒由封嚴盒外環、封嚴盒內環、石墨環、波形彈簧及O 型密封圈組成，如圖1 所示。發動機工作時，石墨封嚴盒上的石墨環與隨轉子旋轉的金屬動環接觸起主要封嚴作用；石墨封嚴盒內的O 型密封圈起輔助封嚴作用；波形彈簧提供彈力，使石墨環能在軸向自由移動且能夠與金屬動環緊密接觸，防止滑油腔內的滑油進入氣流通道。

圖1 端面密封裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of end face seal device

2.2 仿真分析

提取端面密封的主體結構(金屬動環和石墨環)建立模型，模型截面形貌如圖2 所示。上面部分為石墨環，下面部分為金屬動環，右側為高壓區域(滑油)，石墨環與金屬動環相接觸，形成密封。仿真計算時，對此模型進行簡化，將圖中原有坐標(8.75，-9.00)到(12.30，-4.50)之間的直線和圓弧改為1 條直線，并省略倒角，其他幾何尺寸不變。

圖2 模型截面形貌Fig.2 Cross-sectional morphology

計算時僅考慮石墨環與金屬動環接觸的端面為泄漏通道，借助ANSYS Fluent 軟件對模型劃分網格并施加邊界條件進行泄漏量分析。根據實際工況，密封主要參數如表1 所示。石墨環為靜止狀態，其外側壁面為壓力入口(高壓側)，內側壁面為壓力出口(低壓側)，給定金屬動環旋轉速度，計算得到端面密封泄漏量為0.361 6 mL/h

表1 密封主要參數Table 1 Main parameters of sealing

2.3 試驗分析

對端面密封裝置進行試驗分析。根據機械密封的工作特點和工作環境，分別考察端面密封的靜態與動態密封性能，以評估試驗件的功能優劣。端面密封試驗臺如圖3 所示，試驗臺使用了高速變頻電機以及配套轉速控制軟件，能夠實現驅動系統、供氣系統及相關設備的控制。在靜態試驗中，緩慢加溫滑油直至393 K，保持5 min，試驗過程中未出現滑油泄漏。在動態試驗中，升溫與加速過程中未出現明顯滑油泄漏，保持腔體壓力0.04 MPa、滑油溫度393 K、轉速20 000 r/min 運轉20 h，試驗結束后可觀察到試驗器中存在星星點點的油跡。

圖3 端面密封試驗臺Fig.3 End face seal test stand

3 磨損檢查

3.1 金屬動環磨損

使用電鏡在17 倍放大倍數下拍攝金屬動環樣件的表面形貌，如圖4 所示。4 個拍攝位置相差約90°，圖中箭頭所指為石墨環密封接觸區域的兩側邊緣，即金屬動環與石墨接觸區域。17 倍放大倍率下，中間位置以及靠近外徑位置磨損不同，磨痕深淺有明顯的區別。表面不規則黑色區域主要成分為石墨，推測是在摩擦磨損過程中石墨發生轉移所致。

圖4 17 倍放大倍數下金屬動環磨損情況Fig.4 Wear of moving ring at low magnification

對圖4 中箭頭所指區域的中心位置，使用電鏡在500 倍放大倍數下拍攝磨損情況(圖5)，對磨痕以及表面形貌進一步放大檢測?？梢钥闯?，整體磨痕方向與表面形貌有很大差異，亮度深淺說明金屬動環與石墨環之間接觸并不均勻，兩端面貼合較差，金屬動環與石墨環之間的工作壓力不夠均勻。

圖5 500 倍放大倍數下金屬動環磨損情況Fig.5 Wear of moving ring at high magnification

3.2 石墨環磨損

使用電鏡在18 倍放大倍數下拍攝與3.1 節中金屬動環相配的石墨環樣件的表面形貌，如圖6 所示。4 個拍攝位置相差約90°，圖中箭頭所指為石墨密封接觸區域，即金屬動環與石墨環接觸范圍。這一放大倍率下，石墨表面亮暗程度有輕微不同，邊緣出現崩邊現象，但并不嚴重。

圖6 18 倍放大倍數下石墨環磨損情況Fig.6 Static ring wear at low magnification

對圖6 中箭頭所指區域，使用電鏡在100 倍放大倍數下拍攝磨損情況(圖7)，對磨痕以及表面形貌進一步放大檢測?？梢钥闯?，磨損痕跡較為一致，都是周向圓弧狀磨痕。黑白色分界是由于磨損不均所導致，反映了石墨密封件工作時載荷并不均勻?？傮w而言，端面密封在工作時運轉較為平穩，沒有出現較大磨損。

圖7 100 倍放大倍數下石墨環磨損情況Fig.7 Static ring wear at high magnification

4 泄漏分析

4.1 潛在的泄漏通道

在航空發動機裝配過程中，當某個零件未裝配到位，零件之間配合關系與設計要求發生偏差，或者零件局部尺寸超差，可能會產生泄漏通道，最終造成滑油泄漏。

此外，在本密封方案中，金屬動環與軸之間為間隙配合(間隙0.01～0.04 mm)，存在潛在的泄漏通道，可能導致滑油從間隙流過，最終產生泄漏。

4.2 密封壓力的影響

對不同密封壓力時的泄漏量進行計算，結果如圖8 所示。從圖中可以看出，隨著密封壓力的升高，泄漏量也隨之上升。當密封壓力增加至0.20 MPa時，泄漏量會超過文獻[16]中的推薦值3.0 mL/h。密封壓力對泄漏性能有較顯著的影響，壓力變化可能是實際應用過程中導致泄漏量變化的重要原因。

圖8 密封壓力對泄漏量的影響Fig.8 Effect of sealing pressure on leakage

4.3 波形彈簧壓緊力的影響

對不同彈簧壓緊力時的泄漏量進行計算，結果如圖9 所示?？梢钥闯?，波形彈簧壓緊力對泄漏量也有影響。

圖9 波形彈簧壓緊力對泄漏量的影響Fig.9 Effect of wave spring pressure on leakage

結合該型發動機的使用要求，此處端面密封泄漏量需低于0.3 mL/h。若想通過改變彈簧壓緊力降低泄漏量，需將波形彈簧壓緊力調整為45.5 N，但調整至該壓緊力值后，更容易出現偏載等現象，且會加快整個石墨環的磨損，減少密封壽命。

4.4 石墨環偏載與傾斜的影響

根據前文磨損檢查情況可知，金屬動環與石墨環在接觸時并不均勻，可能是石墨環發生了偏載、傾斜。這種情況的出現一方面導致局部的膜厚增加、泄漏量增大；另一方面使得局部的磨損增加，可能通過磨損產生新的泄漏通道。石墨環的偏載、傾斜，可能是由于裝配石墨密封盒時操作不當或波形彈簧提供壓緊力不均勻引發。

5 改進方案與驗證

5.1 改進方案

綜合上述分析，對端面密封裝置結構進行改進，主要改進如下：①在金屬動環與軸之間增加1 個O型密封圈，以減少潛在的泄漏通道；②在金屬動環端面上開設淺螺旋槽，工作時該槽有一定的逆流泵送效應；③增加石墨環寬度，并與開設的螺旋槽配合使用；④在裝置裝配前對波形彈簧的彈性以及壓力進行測試比對，挑選壓力較為均勻的波形彈簧使用，以避免因偏載引發的泄漏。改進后的端面密封裝置如圖10 所示。

圖10 改進后的端面密封裝置Fig.10 Improved end face seal

5.2 仿真驗證

由于加入的O 型密封圈在次要泄漏通道，且改進前的仿真計算也未考慮此泄漏通道，所以改進后的方案只對端面密封的主要泄漏通道(石墨環與金屬動環配合面)進行分析。

金屬動環上螺旋槽以及石墨環的尺寸選取需經多次計算分析驗證。采用與2.2 節中相同的仿真軟件進行相同工況的泄漏量計算，最終確定螺旋槽的個數、半徑和深度以及石墨環的內徑。計算得到泄漏量為0.075 7 mL/h，相比改進前計算的泄漏量有明顯減少。

液膜壓力分布如圖11 所示?？梢?，螺旋槽內流體進口處產生了一個低壓區域(藍色部分)，流體出口處產生了一個高壓區域(紅色部分)，從而使得出口處以及泄漏出的部分滑油向進口處逆向流動，重新流回到液膜中，進而降低了滑油的泄漏量。

圖11 端面密封的液膜壓力分布Fig.11 Liquid film pressure distribution of end face seal

5.3 試驗驗證

按照5.2 節中確定的尺寸進行零組件加工，并采用與2.3 節相同的試驗臺，對改進后的端面密封裝置進行相同工況的靜態與動態試驗驗證。靜態試驗過程中未出現滑油泄漏，與改進前的試驗結果相同；動態試驗結束后無明顯可見油跡，與改進前的試驗結果相比有明顯改善。

6 結論

針對航空發動機一端面密封裝置出現的滑油泄漏情況進行了仿真分析，找出了滑油泄漏原因，并對此端面密封裝置結構進行了改進和試驗驗證。主要得出如下結論：

(1) 仿真分析得到端面密封裝置滑油泄漏量為0.361 6 mL/h；

(2) 密封樣件表面存在明顯的磨痕，且磨痕不均勻，表明在工作過程中金屬動環與石墨環之間存在相對傾斜的情況；

(3) 端面密封裝置在金屬動環與軸之間存在潛在的泄漏通道，此外由于裝配操作不當或波形彈簧壓緊力不均勻引發裝置偏載、傾斜，使密封環在接觸時不均勻而產生滑油泄漏；

(4) 密封壓力與波形彈簧壓緊力對密封有影響，當密封壓力增加至0.2 MPa 時泄漏量會超過推薦值3.0 mL/h，當波形彈簧壓緊力調整為45.5 N 時泄漏量低于0.3 mL/h；

(5) 對端面密封裝置結構進行改進，通過增加O 型密封圈與螺旋槽等方式，一方面減少了潛在的泄漏通道，另一方面產生逆流泵送效果，而仿真分析與試驗驗證也證明改進方案效果良好。