鄔寧杰，王雨晨

（哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

1 前言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程當(dāng)中，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐分析，密封技術(shù)在影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命情況的因素中占有的地位愈加的關(guān)鍵，甚至可以稱其為至關(guān)重要[1-2]。石墨密封環(huán)的表面粗糙度、平面度、垂直度、平行度及氣密封性等技術(shù)指標(biāo)是保證密封端面良好粘合的先決條件，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的石墨密封環(huán)要承受高相對(duì)轉(zhuǎn)速、高工作溫度、高密封壓差以及劇烈振動(dòng)等各種工作環(huán)境因素的影響，為了保證在實(shí)際應(yīng)用中單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)能夠起到其相應(yīng)作用的同時(shí)保證其質(zhì)量的可靠性，在其真正搭載發(fā)動(dòng)機(jī)前的各項(xiàng)技術(shù)檢測(cè)試驗(yàn)就顯得尤為重要[3-4]。

2 氣密性檢測(cè)試驗(yàn)原理

單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)氣密性檢測(cè)的原理是，將石墨密封環(huán)裝在專用設(shè)備當(dāng)中，專用設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。依據(jù)檢驗(yàn)系統(tǒng)原理圖（如圖2所示）將專用設(shè)備裝配在其中。要求在密封裝置裝配到試驗(yàn)器中以后，能夠通過(guò)手輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)工藝密封跑道。應(yīng)保證試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)濕度不超過(guò)20%，溫度在288~298（15~25℃）之間。氣源使用壓力不低于0.6MPa潔凈的空氣或氮?dú)狻Ｍㄟ^(guò)專用設(shè)備使得單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)的兩端面產(chǎn)生壓力差，從而檢驗(yàn)氣體泄漏流量來(lái)判斷試驗(yàn)中石墨密封環(huán)及其金屬組件的氣密效果。

圖1 單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)氣密性檢驗(yàn)專用裝置圖Fig.1 Drawing of special device for air tightness test of single circular graphite sealing ring

圖2 單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)氣密性檢驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of air tightness test system for single circular graphite sealing ring

3 試驗(yàn)組件要求及作用

在單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)氣密性試驗(yàn)之前要準(zhǔn)備相應(yīng)的試驗(yàn)裝置和夾具。與石墨密封環(huán)成套組件包括工藝密封座組件或發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用的組件、工藝密封跑道、芯棒、周向彈簧、推環(huán)、波簧擋板組件以及卡圈。

為保證試驗(yàn)效果的可靠性，密封裝置試驗(yàn)用的密封組件必須要使用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用的相應(yīng)組件。這樣做的目的第一保證了各個(gè)零部件的質(zhì)量符合相關(guān)要求且經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)；第二使用原件來(lái)進(jìn)行配合試驗(yàn)使得效果穩(wěn)定，避免了某個(gè)零件的長(zhǎng)時(shí)間使用后出現(xiàn)的不可察覺(jué)的損傷進(jìn)而影響試驗(yàn)效果；第三也減少了工藝件使用前大量的檢驗(yàn)工作，從而在一定程度上提高了生產(chǎn)效率。

除了用到的組件采用了金屬原件還有一些必要的工藝件也有著不同的功用。工藝密封跑道，制造時(shí)依照發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用的零件設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照相關(guān)尺寸公差進(jìn)行生產(chǎn)。但是在整體尺寸上要進(jìn)行一定的修整，在保證試驗(yàn)效果的同時(shí)盡可能的將試驗(yàn)器材的體量縮小，以便攜帶使用。

芯軸的主要作用是用于徑向隨動(dòng)性檢查，這就要求芯軸的外徑尺寸及公差、粗糙度和形位公差要嚴(yán)格的按照發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工制造[5]。工藝密封座在試驗(yàn)中起到的作用十分重要，因此它的生產(chǎn)制造更要嚴(yán)格的參照發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用的相應(yīng)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要的技術(shù)要求是安裝時(shí)，二次密封端面對(duì)夾具軸心線的不垂直度不大于0.02mm，內(nèi)孔對(duì)夾具軸心線的不同軸度不大于φ0.05mm。工藝密封跑道屬于結(jié)合了芯軸和工藝密封座二者設(shè)計(jì)要求，在試驗(yàn)中直接的與石墨密封環(huán)接觸的組件。這就使得工藝跑道相關(guān)的技術(shù)要求要同時(shí)滿足芯軸和工藝密封座二者的所有要求。

4 石墨密封環(huán)組件密封原理

單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)氣密性試驗(yàn)原理是將推環(huán)直接安裝在石墨密封環(huán)非工作面的溝槽中，在波簧組件的作用力下將石墨密封環(huán)的工作面與金屬原件的端面密封面緊緊貼合起到端面密封效果，同時(shí)石墨密封環(huán)多角度搭接口處在波簧組件的作用力下實(shí)現(xiàn)緊密貼合達(dá)到搭口密封效果[6-7]。將金屬原件組件和石墨密封環(huán)裝配完成后形成新的組件裝在工藝密封跑道上，在周向彈簧的作用下將石墨密封環(huán)密封工作面緊緊的貼合在工藝跑道上形成有效的徑向密封。

氣密性試驗(yàn)專用裝置工作時(shí)氣源氣體由高壓空氣進(jìn)口進(jìn)入，氣體經(jīng)由工藝跑道時(shí)有在徑向工作面作用下形成密封結(jié)構(gòu)，氣體經(jīng)制品外側(cè)時(shí)被工作端面和工藝密封座兩者貼合形成的端面作用下形成密封結(jié)構(gòu)，氣體經(jīng)過(guò)搭接口時(shí)被兩兩間斜角度搭接口處工作面作用下形成密封結(jié)構(gòu)。徑向密封、軸向（端面）密封、搭接口處斜角密封三類密封形式在金屬原件和工藝密封裝置的組裝下形成了整套的密封系統(tǒng)。進(jìn)口處氣體經(jīng)由成套密封后在出氣端由空氣流量計(jì)測(cè)量一定壓力下的氣體流量情況來(lái)判斷整體密封裝置的密封效果。

5 氣密性試驗(yàn)前的隨動(dòng)性檢查

在進(jìn)行單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)氣密性檢測(cè)試驗(yàn)之前，一定要做好零組件的隨動(dòng)性檢查工作。隨動(dòng)性的目的是檢驗(yàn)裝配完成的組件在芯軸存在的工作狀態(tài)下的各瓣石墨件和金屬原件的適配性以及和芯軸、工藝密封座的貼合性。

隨動(dòng)性檢測(cè)分為兩個(gè)部分，一是檢測(cè)徑向隨動(dòng)性、另一種是軸向隨動(dòng)性檢測(cè)[10]。具體方式如下：徑向隨動(dòng)性檢查方法，將密封組件平放在底座上（卡圈朝上），將芯棒（按發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用的相應(yīng)零件加工）裝入密封組件的石墨環(huán)內(nèi)孔。芯棒在直徑方向往任意一方偏移至與底座頂靠時(shí)，要求芯棒與石墨環(huán)在與偏移方向周向相距180°的位置，除“R槽”和“搭接頭”外，其余不允許有透光。整周都要檢查，見(jiàn)圖3所示。“R槽”和“搭接頭”在石墨環(huán)上的位置見(jiàn)圖4所示。軸向隨動(dòng)性檢查方法：將密封組件平放在底座上（卡圈朝上），將芯棒（按發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用的相應(yīng)零件加工）裝入密封組件的石墨環(huán)內(nèi)孔，保持密封組件不動(dòng)，然后將芯棒抽出，要求石墨環(huán)與密封座貼合端面處不能有間隙（實(shí)際操作標(biāo)準(zhǔn)可按“不能插入一片硫酸紙”執(zhí)行)，見(jiàn)圖5所示。

圖3 圓周密封裝置徑向隨動(dòng)性檢查專用夾具原理圖Fig.3 Schematic diagram of special fixture for radial follow-up inspection of circumferential sealing device

圖4 石墨環(huán)上的“R槽”和“搭接頭”特征位置Fig.4 Characteristic positions of "R slot" and "lap joint" on graphite ring

圖5 圓周密封裝置軸向隨動(dòng)性檢查專用夾具原理圖Fig.5 Schematic diagram of special fixture for axial follow-up inspection of circumferential sealing device

6 氣密性試驗(yàn)失效分析

在試驗(yàn)中，失效的結(jié)果主要分成兩種表現(xiàn)。第一種，高壓進(jìn)氣口處壓力示數(shù)不能滿足試驗(yàn)要求；第二種，泄漏空氣出口處的空氣流量計(jì)示數(shù)大于要求數(shù)值。下面我們將從試驗(yàn)裝置、工藝密封座、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際用金屬組件、單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)四個(gè)方面進(jìn)行故障原因分析。

高壓進(jìn)氣口處壓力示數(shù)不達(dá)標(biāo)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)排查得出一下幾種故障原因：第一、高壓空氣進(jìn)氣一側(cè)即圖1中工藝密封跑道左側(cè)腔體內(nèi)存在泄漏情況，可先進(jìn)行腔體的密封情況排查。第二、工藝密封座和工藝跑道之間的形位公差以及密封端面的平度和平面度的質(zhì)量情況。第三、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際用金屬組件和密封環(huán)組合后的整體隨動(dòng)性出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致密封出現(xiàn)貫穿式泄漏點(diǎn)。此種情況比較復(fù)雜，需排查金屬原件的波簧組件、周向彈簧之間的力學(xué)要求是否滿足設(shè)計(jì)要求，推環(huán)和石墨密封環(huán)裝配間的卡置現(xiàn)象等等。第四、檢查石墨密封環(huán)密封工作面的質(zhì)量情況，可能出現(xiàn)工作面貫穿式損傷。

泄漏空氣出口處的空氣流量示數(shù)不達(dá)標(biāo)，除了同上述方式進(jìn)行排查之外，石墨密封環(huán)的質(zhì)量以及組件的隨動(dòng)性是重要的失效影響因素，依照裝配要求可以調(diào)整石墨密封環(huán)與金屬原件的裝配位置來(lái)進(jìn)行隨動(dòng)性調(diào)整。

7 結(jié)語(yǔ)

單聯(lián)圓周石墨密封環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)常用的密封方式，氣密性試驗(yàn)就是保證石墨密封環(huán)在其組件中能起到相應(yīng)的作用的一道重要關(guān)卡。文中介紹到的單量圓周石墨密封環(huán)屬于美式設(shè)計(jì)形式，符合了航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封技術(shù)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、易裝配、安全性高的創(chuàng)新發(fā)展路線。希望通過(guò)本文的內(nèi)容能夠?qū)?lái)國(guó)內(nèi)密封技術(shù)的發(fā)展提供幫助，對(duì)新技術(shù)的發(fā)展提供參考。