胡廣陽，孫　丹，劉寧寧，艾延廷，王克明

(1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所 航空發(fā)動機動力傳輸航空科技重點實驗室，沈陽 110015；2.沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室，沈陽 110136)

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航空宇航工程

刷式密封泄漏及磨損特性實驗研究

胡廣陽1，孫丹2，劉寧寧2，艾延廷2，王克明2

(1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所 航空發(fā)動機動力傳輸航空科技重點實驗室，沈陽 110015；2.沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室，沈陽 110136)

摘要：刷式密封是航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件，其泄漏與磨損特性直接影響航空發(fā)動機工作性能。分析了刷式密封的結(jié)構(gòu)與原理，設計搭建了刷式密封性能實驗臺，通過實驗研究了刷式密封的泄漏特性和磨損特性及對振動的影響。實驗結(jié)果表明，在進氣溫度為常溫，出口壓力為大氣壓的情況下，刷式密封的泄漏量與進氣壓力成正比，在不同進氣壓力下刷式密封泄漏量低于迷宮密封，且轉(zhuǎn)速對其泄漏量影響不大，性能明顯優(yōu)于迷宮密封；30 h磨損實驗結(jié)果表明，刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦增大了轉(zhuǎn)子振動，10 h后摩擦減小，轉(zhuǎn)子振動趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：刷式密封；泄漏；磨損；性能實驗

刷式密封是20世紀80年代發(fā)展起來的新型密封裝置。刷式密封能夠顯著降低漏氣損失[1]，并且能夠保持良好的密封性，已經(jīng)越來越多的應用在航空發(fā)動機上[2]。實際應用表明，僅在航空發(fā)動機一處或幾處關(guān)鍵部位采用刷式密封代替?zhèn)鹘y(tǒng)迷宮密封，就可使發(fā)動機推力提高1%～3%，燃油消耗率下降3%～5%[3]。因此刷式密封對提高發(fā)動機性能[4-5]具有極大潛力。

刷式密封一直都是國內(nèi)外透平機械密封領(lǐng)域的研究熱點。在國外，F(xiàn)erbuson[6]首先通過實驗研究驗證刷式密封的密封性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)的迷宮密封；Bayley和Long[7]在靜態(tài)刷式密封實驗臺上研究了刷式密封的泄漏特性，刷式密封泄漏量隨著壓比升高而增加；Carlile[8]測量了在轉(zhuǎn)子靜止和低轉(zhuǎn)速時刷式密封的泄漏量，認為刷式密封的泄漏量在低轉(zhuǎn)速時相比靜止時會略微降低；John F.Short[9]和P.BASU[10]等對刷式密封的滯后、剛化及壓力閉合等現(xiàn)象進行了研究，提出了新的低滯后結(jié)構(gòu)，并進行了實驗器試驗[11]；Gary M.等[12-13]開發(fā)了軸內(nèi)旋轉(zhuǎn)刷式密封并進行了實驗，開創(chuàng)了刷式密封設計的新領(lǐng)域。在國內(nèi)，朱宗舉等[14]對刷式密封的靜態(tài)泄漏特性進行了實驗研究；李軍等[15]建立刷式密封的泄漏量實驗測試平臺，研究密封間隙、壓比、轉(zhuǎn)速對刷式密封泄漏量的影響規(guī)律。研究表明，刷式密封的泄漏與磨損特性對航空發(fā)動機性能有著重要影響，國內(nèi)關(guān)于刷式密封性能實驗研究較少，鮮有關(guān)于刷式密封泄漏與磨損特性的相關(guān)實驗成果報道。

本文設計搭建了刷式密封性能實驗臺，研究刷式密封的泄漏特性和磨損特性及其影響因素，分析了進氣壓力、轉(zhuǎn)速等因素對密封泄漏量的影響，比較了刷式密封與迷宮密封泄漏特性的差異，并實驗研究了刷式密封磨損特性。

1　刷式密封的結(jié)構(gòu)及原理

1.1刷式密封的結(jié)構(gòu)

刷式密封主要由刷絲束和前后擋板共同組成，刷絲束由大量緊密排列的刷絲層層重疊而成，刷絲束的一端與前后擋板連接為一體，另一端為自由端與轉(zhuǎn)子表面接觸，如圖1所示。刷式密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：刷絲束傾斜角度θ為30°～60°，通常取40°或45°；刷絲直徑一般取為0.05 mm～0.15 mm；刷絲相對軸的初始過盈量為0.05 mm～0.15 mm；在汽輪機上應用的刷式密封其刷絲密度在圓周方向為90～180根/mm；一般而言刷絲束厚度不超過2 mm。

圖1　刷式密封結(jié)構(gòu)

1.2刷式密封的原理

刷式密封的工作原理有別于迷宮密封，刷式密封的原理如圖2所示。由于刷絲束中刷絲間空隙的不均勻性作用，均勻的來流進入刷絲束中就變得不均勻，從緊密的刷絲束區(qū)域向疏松的刷絲束區(qū)域偏流，這些偏流在刷絲排之間逐漸形成同向流和射流，并產(chǎn)生隨機的二次流和旋渦流。而當射流遇到前面緊密的刷絲束，就會改變運動方向而變成和主流方向垂直的橫向流動，即橫向流。正是由于刷絲束破壞流動而確保流動的不均勻性，使流體產(chǎn)生了自密封效應，橫向流動代替向前流動能使橫流過刷子的總壓降增大，從而減少密封的泄漏。刷式密封中氣體流動存在4種基本形式，即同向流、射流、旋渦流和橫向流。當來流通過刷絲有一定間隙的區(qū)域，就變成同向流或射流，當遇到刷絲周向沒有間隙而軸向(橫向)有間隙的區(qū)域就變成橫向流，當同相流、射流或橫向流進入一較大的空隙區(qū)域就有可能產(chǎn)生旋渦流。刷絲在流體流動過程中就像無數(shù)多的迷宮密封中的梳齒，能起到很好的節(jié)流作用，消耗氣流的能量，產(chǎn)生降壓作用。

2　實驗研究內(nèi)容

本文密封實驗采用的密封結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，刷式密封與迷宮密封結(jié)構(gòu)尺寸相同，刷式密封將迷宮密封其中的一個高齒代替為刷絲束，實物圖如圖4所示。密封實驗臺進氣采用氣缸中間部位進氣，保證氣流全部流經(jīng)密封，便于密封泄漏量的實驗測量。氣缸進氣口兩側(cè)各設置3組密封，密封與氣缸之間采用燕尾槽連接，密封實驗氣缸如圖5所示。對刷式密封的靜態(tài)性能即密封的泄漏特性及磨損特性進行實驗研究。實驗分析了進氣壓力、轉(zhuǎn)速等因素對密封泄流量的影響，并將刷式密封泄流量與傳統(tǒng)的迷宮密封進行比較。刷式密封作為一種接觸式密封，不可避免地會在刷絲尖端和轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生摩損，對密封及轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不良影響。本文利用密封實驗臺實驗研究了刷式密封泄漏特性和磨損特性。

圖2　刷式密封的原理

圖3　密封結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm)

3　泄漏量實驗及分析

圖6、圖7分別給出了不同進氣壓力與轉(zhuǎn)速下，刷式密封與迷宮密封的泄漏量關(guān)系圖，該實驗所測得泄漏量數(shù)據(jù)是刷式密封磨損實驗30 h后，轉(zhuǎn)子振動穩(wěn)定時所測試的泄漏量。從圖中可以看出，刷式密封與迷宮密封的泄漏量都與進氣壓力成正比，與迷宮密封相比，刷式密封的泄漏量明顯減小，且隨著進氣壓力的增加，兩者泄漏量偏差增大。刷式密封的密封性能明顯優(yōu)于迷宮密封。

圖4　迷宮密封與刷式密封實物圖

4　磨損實驗及分析

本文進行密封磨損實驗累計為30 h，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 000 r/min，密封刷絲的線速度為9.42 m/s，刷式密封與轉(zhuǎn)子間有0.050 mm的過盈裝配量。刷式密封磨損實驗時，對氣缸與轉(zhuǎn)子的相對振動進行了監(jiān)測。圖8給出了磨損實驗氣缸與轉(zhuǎn)子的相對振動趨勢圖，由圖中可以看出，工作初始時，刷絲與轉(zhuǎn)子的摩擦導致轉(zhuǎn)子振動增大，刷絲與轉(zhuǎn)子磨損主要發(fā)生在0～10 h實驗期間內(nèi)，由于刷絲與轉(zhuǎn)子之間的相對摩擦運動產(chǎn)生的熱量，實驗時發(fā)現(xiàn)，氣缸溫度上升20℃。工作10 h后，刷絲與轉(zhuǎn)子跑道間有足夠大的間隙，刷絲與轉(zhuǎn)子磨損量變小，振動保持平穩(wěn)。打開氣缸后可以看到轉(zhuǎn)子表面明顯的磨損溝痕，如圖9所示。刷絲與轉(zhuǎn)子跑道間形成平均0.2 mm的溝痕間隙，最大磨痕深度達0.35 mm。由此可以得出，刷式密封過盈安裝時會使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動增大，盡管刷式密封在初始安裝時會有一定的安裝過盈量，但在很短時間內(nèi)就會由于轉(zhuǎn)子和刷式密封本身的磨損而產(chǎn)生間隙。因此,為刷式密封設計過大的初始過盈配合,并不能提高密封長期工作時的性能,甚至會因為初期的過度磨損而造成更大的實際間隙，從而影響密封性能。

圖5　密封實驗氣缸

圖6　泄漏量與進氣壓力之間的關(guān)系

圖7　泄漏量與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

圖8　磨損實驗振動趨勢圖

圖9　密封磨損實驗圖片

5　結(jié)論

本文分析了刷式密封的結(jié)構(gòu)與原理，設計搭建刷式密封性能實驗臺，研究了進氣壓力、轉(zhuǎn)速等因素對刷式密封泄流量的影響規(guī)律，以及刷絲與轉(zhuǎn)子的磨損特性。得出以下結(jié)論：

(1)刷式密封與迷宮密封的泄漏量與進氣壓力近似成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對刷式密封和迷宮密封的泄漏量影響較小，刷式密封泄流量明顯小于迷宮密封；

(2)磨損實驗累計共進行了30 h，刷絲與轉(zhuǎn)子磨損主要發(fā)生在0～10 h實驗期間內(nèi)，工作10 h后，刷絲與轉(zhuǎn)子跑道間有足夠大的間隙，刷絲與轉(zhuǎn)子磨損量變小，振動保持平穩(wěn)，刷式密封特性基本保持穩(wěn)定；

(3)刷式密封過盈安裝時會使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動增大，盡管刷式密封在初始安裝時會因有一定的過盈量而獲得較好的性能，但在很短時間內(nèi)就會由于磨損轉(zhuǎn)子而產(chǎn)生間隙導致性能下降，因此在刷式密封應用中不應設計過大的初始過盈配合。

參考文獻(References)：

[1]PESCOSOLIDO A,DOBEK L.Development of high misalignment carbon seals[R].AIAA-2001-3625.

[2]王之棟，王宗根.航空發(fā)動機刷式密封技術(shù)研究與進展[J].潤滑與密封，2005(171):203-209.

[3]孫曉萍.刷式密封性能及耐久性實驗研究[J].航空發(fā)動機，2002(3)：37-41.

[4]DING S,DEMIROGLU M,TURNQUIST N,et al.Fundamental design issues of brush seals for industrial applications[J].ASEM Journal of Turbomachinery,2002,124(2):293-300.

[5]陳禮順.航空發(fā)動機封嚴技術(shù)的研究和應用進展[J].航空制造技術(shù)，2008(8)：82-84.

[6]FERGUSON J G.Brushes as high performance gas turbine seals[C]//USA:ASME paper 88-GT-182,1988

[7]BAYLEYF J,LONG C A.A combined experimental and theoretical-study of flow and pressure distributions in a brush seal[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,1993,115(2):404-410.

[8]CARLILE J A,HENDRICKS R C,YODER D A.Brush seal leakage performance with gaseous working fluids at static and low rotor speed conditions[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,1993,115(2):397-403.

[9]JOHN F.SHORT,PRITHWISH BASU,AMITAVA DATTA,et al.Advanced brush seal development[R].AIAA-96-2907,1996.

[10]P.BASU,A.DATTA,R.JOHNSON,et al.Hysteresis and bristle stiffening effects of conventional brush seals[R].AIAA-93-1996,1996.

[11]TOM W.TSENG,JOHN F.SHORT,BRUCE M.STEINETZ.Development of a low hysteresis brush seal for modern engine applications[R].AIAA-99-2683,1999.

[12]GARY M.HOLLOWAY,JAYESH MEHTA，LEWIS ROSADO，et al.Rotating intershaft brush seal for sealing between rotating shafts[R].AIAA 2007-5737,2007.

[13]GARY M.HOLLOWAY,JAYESH MEHTA，LEWIS ROSADO，et al.Rotating brush seal-experimental performance evaluation[R].AIAA 2008-4509,2008.

[14]朱宗舉，陳國林，林基恕.刷式密封的靜動態(tài)泄漏特性[J].航空發(fā)動機，1995,21(3)：39-44.

[15]邱波，李軍，馮增國，等.兩級刷式密封泄漏特性的實驗與數(shù)值研究[J].西安交通大學學報,2013,47(7):7-12.

(責任編輯：宋麗萍英文審校：王云雁)

收稿日期：2015-04-27

基金項目：國家自然科學基金(項目編號：11302133)；航空科學基金(項目編號：20140454)；遼寧省自然科學基金(項目編號：2015020113)

作者簡介：胡廣陽(1970-)，男,廣東興寧人，研究員，主要研究方向:航空發(fā)動機機械系統(tǒng)技術(shù)研究工作，E-mail:hu_gy@163.com。

文章編號：2095-1248(2016)02-0001-05

中圖分類號：V233

文獻標志碼：A

doi:10.3969/j.issn.2095-1248.2016.02.001

Experimental study on the performance of leakage and wear of brush seals

HU Guang-yang1，SUN Dan2，LIU Ning-ning2，AI Yan-ting2，WANG Ke-ming2

(1.Key Lab of Power Transmission Technology for Aero-Engine,AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China;2.Liaoning Key Lab of Advanced Test Technology for Aerospace Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Abstract：The performance of aircraft engines is greatly influenced by the leakage and wear of brush seals,which are the key components of aircraft engines and other turbines.The experimental platform of leakage and wear of brush seals is established and the static performance test of leakage and wear for the brush seals have been carried out in this paper based on the principle and structure of brush seals.Test results show that the leakage rate of brush seals is proportional to pressure ratio.The leakage of brush seal is lower than the labyrinth seal under different inlet pressures,and the rotation speed has few effects on the leakage.Obviously,it is superior to that of labyrinth seal.The 30h test results also show that the vibration of the rotor resulted from friction increases,especially in the initial 10h.Afterwards,the vibration would tend to be stable due to reduced wear.To some extent,the analysis and results help the brush seal design.

Key words：brush seal;leakage;wear;performance test