王 雄，王小珏，王恩天

（中航工业南方航空工业（集团）有限公司，湖南 株洲 412002）

某型发动机在外场使用和厂内试车时,多次出现轴承封严圈(压气机前轴承封严圈、压气机后轴承封严圈及后封严盒)石墨涂层磨损或剥落,封严能力下降的现象，导致发动机滑油消耗量大的故障，造成发动机提前返厂维修，影响了用户的使用，也给企业带来巨大的损失。

石墨封严环结构作为一种较为典型的航空发动机轴承封严结构，在许多航空发动机中广泛采用。为有效解决某型发动机封严部位的故障，本文开展了一系列研究工作，对发动机的封严结构进行了设计改进，加工出了改进试验件，并将试验件装于发动机上进行了试车考核验证，验证结果表明改进措施结构可靠，封严效果良好，满足设计改进目的。

1 某型发动机原封严结构简介

1.1 发动机中轴承篦齿封严结构

某型发动机中轴承封严结构如图1所示，发动机中轴承的封严是由空气流过内篦齿封严装置(由挡油盘19、封严套21以及内封气圈7组成)实现的。

图1 压气机后轴承封严结构

压气机第10级后的高压空气经外、中篦齿封严装置进入，为减小转子轴向力而设置的卸荷腔B，其压力在地面起飞状态时由0.745MPa（绝对压力）降至约0.245MPa（绝对压力）。当高压空气进入B腔后，高压空气经内篦齿封严装置封严压气机球轴承滑油。

1.2 发动机后轴承篦齿封严结构

某型发动机后轴承封严结构如图2所示。后轴承封严圈A与封严篦齿B、C共同组成后轴承封严装置，以防止润滑滚子轴承的滑油流向涡轮部分。

发动机后轴承封严装置由后轴承封严圈和篦齿封严装置组成。燃烧室二股气流进入D腔，然后经过外篦齿封严装置到达封严腔E，空气压力降为约0.245MPa（绝对压力）。E腔空气分两路，一路由导管引至调压口4，在这里有孔径可更换的调整垫3来控制E腔的压力；另一路经内篦齿封严装置封严滑油，工作过的空气穿过轴承形成油雾，进入涡轮轴腔，压力降约为0.186MPa（绝对压力）。

图2 涡轮轴承封严装置

发动机外场长期使用与工厂交付试车表明，由于该型发动机轴承封严采用篦齿封严结构，与篦齿接合的封严面采用喷涂镍-石墨结构，石墨涂层结合力偏低，多次出现由于石墨封严涂层磨损或剥落，造成发动机滑油消耗量偏大的现象。另外，由于篦齿-石墨封严间隙较大（直径间隙0.12~0.3），造成漏入涡轮轴腔的空气量偏大，影响了中后轴承抽油泵的回油能力，进而影响了发动机滑油消耗量。

2 结构改进方案

参照当前国际上航空发动机先进的轴承封严结构，综合考虑某型发动机中、后轴承封严部位的腔压、结构空间、冷却油路等，制定了篦齿封严结构改径向接触式石墨封严环结构的改进方案。

2.1 接触式石墨封严环结构形式简介

图3为拟改进采用的径向接触式石墨封严环典型结构示意图，主要密封构件是沿周向分成若干等分弧形段的高精度碳石墨材料密封环(简称密封环)。碳石墨密封环的内孔表面与装在转轴上的密封跑道的高表面品质、高精度外圆柱面相接触，构成主密封界面，承受高速摩擦。碳石墨密封环装在静子的壳体（称密封座）内，其端面与密封座内伸凸边端面相贴合，构成辅助密封界面。碳石墨密封环与密封跑道的初始接触负荷，是靠紧箍在碳石墨分段环外径沟槽中的螺旋拉伸环弹簧（简称周向弹簧）实现的；与密封座辅助密封端面的初始接触，是靠螺旋压缩弹簧或波形弹簧（简称轴向弹簧）实现的。碳石墨封严环的各弧形段，以其凹槽坐入密封座辅助密封端面伸出的圆柱止动销上，防止随密封跑道旋转，但能径向浮动，以适应偏心和跟随跑道跳动。

图3 石墨封严环密封装置结构示意图

碳石墨密封环的主密封表面和辅助密封表面上，靠近低压力侧设计有密封凸缘、径向槽与周向槽（简称卸荷槽），将高压力侧的气体引到密封凸缘处，以减小气体作用的接触负荷。碳石墨密封环沿周向的分段数目，是依据密封直径大小和碳石墨材料的强度确定的，段端头之间留有适量的间隙，以补偿磨损和制造、装配误差，防止端头顶死而导致主密封界面出现间隙。XX燃机采用的是三环结构，其制造上比单环结构容易。

接触式圆周密封成功工作的一个关键问题，是尽可能降低接触负荷和降低摩擦面的温度。影响接触负荷的主要因素是密封的压差、卸荷程度及依据转速及跑道径向特性而确定的圆周弹簧负荷；影响密封摩擦界面温度的主要因素有：摩擦生热量、跑道的冷却方式与冷却滑油温度及碳石墨密封环、跑道的导热性能。

2.2 一般使用要求

（1）主要用于轴承腔的转子对静子的滑油密封；

（2）按照目前的抗氧化碳石墨的技术水平，被密封的气体温度范围一般在-220℃~+450℃；

（3）对于较长寿命（≤1 000 h）应用，被密封的空气温度最高不超过450℃，压差最高不超过0.62MPa，滑动速度最高不超过122m/s，但这些参数不能同时达到最高；

（4）不适用于作为轴向密封；

（5）不限制转子的轴向窜动；

（6）不应经受反向压差；

（7）不应在滑油淹没状态下工作，否则易造成滑油泄漏。

2.3 一般设计要求

（1）主密封界面应贴合良好，沿圆周密接不间断，并沿圆周接触负荷均匀分布；

（2）辅助密封界面应贴合良好；

（3）密封跑道应有充足的滑油进行冷却。

3 结构改进技术难点

3.1 密封面的冷却

在发动机工作过程中，由于石墨封严环与封严面采取接触式封严，故摩擦产生热量较大，一般需要采用专门的喷嘴对密封跑道进行冷却。由于某型发动机本身的滑油流量较大，且受机匣结构的影响，新增加冷却喷嘴将导致燃烧室机匣结构需重新设计改进，但是改进工作量和技术风险均较大。因此，如何有效解决封严面的冷却是本设计改进能否成功的关键。

3.2 结构尺寸优化设计

由于采用石墨涂层封严的某型发动机，其涂层较薄，厚度一般仅0.5~1mm，因此，其结构尺寸较小，而径向接触式封严所采用的石墨环，一般厚度要求不小于5mm，且外部还需有提供压缩的弹簧，其结构尺寸要求较大。如何在保证发动机其他零件及结构尺寸不受影响的情况下，即与现役某型发动机具有良好的互换性，优化径向接触式封严结构尺寸也是本设计改进的关键。

4 结构改进设计

4.1 发动机中轴承封严改进结构

发动机中轴承石墨封严结构由图4所示。

图4 中轴承石墨封严装置

设计要点为：

（1）为保证封严套与石墨封严装置的密封效果，石墨封严装置与封严套之间、封严套与压气机轴之间、石墨封严盒组件与内封严盒之间均采用精密配合。

（2）为保证密封跑道的冷却效果，与石墨环配合的封严套(即改进前的封严篦齿部分)设计成“［”形，以引入滑油对封严面进行冷却。

4.2 发动机后轴承封严改进结构

发动机后轴承石墨封严结构由图5所示中的跑道7和后轴承封严盒组合组成，后轴承封严盒组合包括：后轴承封严圈1、周向弹簧2、石墨环组件3、挡圈组合4、波形弹簧5、卡环6。（零件图片见附图3及附图4所示）。

图5 后轴承石墨封严装置

设计要点为：

（1）为保证跑道与石墨封严装置的密封效果，跑道与石墨封严装置之间、跑道与涡轮轴之间均采用精密配合。

（2）为保证密封跑道的冷却效果，与石墨环配合的封严套(即改进前的封严篦齿部分)设计成“［”形，并在跑道上设计8个油孔,以引入滑油对封严面进行冷却。

5 试车验证情况

中后轴承石墨封严结构装入发动机后进行了试验件磨合试车和工厂试车，试车过程中监控了发动机振动值的变化情况，试车过程中及顺浆停车、正常停车尾喷管的冒烟情况，监测了中、后轴承腔压及轴腔腔压，测量了发动机滑油散热量以及滑油消耗量和发动机正常停车和顺桨停车后，从后轴承放油开关处放出的滑油量，并记录了各次发动机停车余转情况。

从试车验证结果表明：

（1）试车性能数据符合某型发动机试车技术条件要求；

（2）发动机滑油消耗量为0.3 L/h，而改进前为0.8 L/h。滑油消耗量明显改善；

（3）某型发动机改进前在停车后常出现尾喷管冒白烟现象,而装用改进后的封严结构，停车后尾喷管冒白烟现象基本消除；

（4）发动机振动要求、滑油散热量、滑油流量、余转时间均符合发动机工厂及检验试车技术条件要求。

（5）试车后分解检查无异常。

6 结束语

本文对某型发动机轴承腔封严结构进行了改进,提出了石墨封严结构，并通过试验对改进方案进行了验证，结果表明该设计是合理，其有效改善了中、后轴承部位的封严性能，满足设计改进要求，同时，该结构对其它发动机结构设计具有重要的参考价值。