端面密封裝置泄漏分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

孫 震，祝天一，陳少俊，李永健，楊 璠

(1.中國(guó)航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213022；2.清華大學(xué) 摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

1 引言

端面密封又稱為石墨密封，屬于機(jī)械密封，它利用石墨環(huán)與轉(zhuǎn)子相接觸來(lái)達(dá)到封嚴(yán)目的，是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)較為理想的密封裝置。端面密封主要應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承及輔助裝置位置[1]，具有密封效果好、壽命長(zhǎng)、泄漏量小等特點(diǎn)，尤其是在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)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(xiàn)是持續(xù)發(fā)生過(guò)大的泄漏，主要原因是設(shè)計(jì)、制造、裝配和使用環(huán)境等產(chǎn)生的問(wèn)題[3]。

針對(duì)端面密封的摩擦磨損性能以及泄漏特性，已有多位學(xué)者進(jìn)行了研究。如胡廣陽(yáng)等[4-5]介紹了石墨圓周密封技術(shù)研究的新進(jìn)展，分析了密封材料、工藝、結(jié)構(gòu)對(duì)密封技術(shù)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(shù)對(duì)密封環(huán)最高溫度、最大變形等的作用規(guī)律。李小彭等[6]分析了接觸式機(jī)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(duì)鑲裝式石墨密封環(huán)的壓力變形進(jìn)行了研究，得到鑲裝式結(jié)構(gòu)能提高機(jī)械密封可靠性、減小密封端面壓力變形的結(jié)論。張棟等[8]分析了石墨圓周密封環(huán)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(fā)生斷裂。林基恕等[9]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中接觸式圓周密封技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了提升圓周密封工作能力和耐久性的發(fā)展方向。趙帥等[10]研究了材料及表面織構(gòu)對(duì)機(jī)械密封磨損的影響?；萦裣榈萚11]引入Archard 磨損模型，結(jié)合半解析方法得到了密封泄漏量、端面溫度等性能參數(shù)，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)械密封端面磨損分形模型，用以預(yù)測(cè)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(duì)對(duì)干摩擦機(jī)械密封性能的影響，并選擇三種典型的材料配對(duì)進(jìn)行了干摩擦和磨損試驗(yàn)。蘇呈龍等[15]結(jié)合某石墨環(huán)密封部位滑油泄漏故障，通過(guò)對(duì)密封件進(jìn)行測(cè)量和檢查，分析了石墨密封失效原因，并給出相應(yīng)的改進(jìn)建議。結(jié)合以上學(xué)者對(duì)端面密封的研究可知，多數(shù)偏向理論研究，工程實(shí)際研究較少。

本文針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)一端面密封裝置出現(xiàn)泄漏的情況，基于工況參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)端面密封結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)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(jìn)行泄漏分析，找出了滑油泄漏原因。最后對(duì)該端面密封裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，并完成了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 端面密封裝置結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)概述

該端面密封裝置包括石墨封嚴(yán)盒與金屬動(dòng)環(huán)，其中石墨封嚴(yán)盒由封嚴(yán)盒外環(huán)、封嚴(yán)盒內(nèi)環(huán)、石墨環(huán)、波形彈簧及O 型密封圈組成，如圖1 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，石墨封嚴(yán)盒上的石墨環(huán)與隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的金屬動(dòng)環(huán)接觸起主要封嚴(yán)作用；石墨封嚴(yán)盒內(nèi)的O 型密封圈起輔助封嚴(yán)作用；波形彈簧提供彈力，使石墨環(huán)能在軸向自由移動(dòng)且能夠與金屬動(dòng)環(huán)緊密接觸，防止滑油腔內(nèi)的滑油進(jìn)入氣流通道。

圖1 端面密封裝置結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)(金屬動(dòng)環(huán)和石墨環(huán))建立模型，模型截面形貌如圖2 所示。上面部分為石墨環(huán)，下面部分為金屬動(dòng)環(huán)，右側(cè)為高壓區(qū)域(滑油)，石墨環(huán)與金屬動(dòng)環(huán)相接觸，形成密封。仿真計(jì)算時(shí)，對(duì)此模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將圖中原有坐標(biāo)(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(jì)算時(shí)僅考慮石墨環(huán)與金屬動(dòng)環(huán)接觸的端面為泄漏通道，借助ANSYS Fluent 軟件對(duì)模型劃分網(wǎng)格并施加邊界條件進(jìn)行泄漏量分析。根據(jù)實(shí)際工況，密封主要參數(shù)如表1 所示。石墨環(huán)為靜止?fàn)顟B(tài)，其外側(cè)壁面為壓力入口(高壓側(cè))，內(nèi)側(cè)壁面為壓力出口(低壓側(cè))，給定金屬動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)速度，計(jì)算得到端面密封泄漏量為0.361 6 mL/h

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

2.3 試驗(yàn)分析

對(duì)端面密封裝置進(jìn)行試驗(yàn)分析。根據(jù)機(jī)械密封的工作特點(diǎn)和工作環(huán)境，分別考察端面密封的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)密封性能，以評(píng)估試驗(yàn)件的功能優(yōu)劣。端面密封試驗(yàn)臺(tái)如圖3 所示，試驗(yàn)臺(tái)使用了高速變頻電機(jī)以及配套轉(zhuǎn)速控制軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的控制。在靜態(tài)試驗(yàn)中，緩慢加溫滑油直至393 K，保持5 min，試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)滑油泄漏。在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，升溫與加速過(guò)程中未出現(xiàn)明顯滑油泄漏，保持腔體壓力0.04 MPa、滑油溫度393 K、轉(zhuǎn)速20 000 r/min 運(yùn)轉(zhuǎn)20 h，試驗(yàn)結(jié)束后可觀察到試驗(yàn)器中存在星星點(diǎn)點(diǎn)的油跡。

圖3 端面密封試驗(yàn)臺(tái)Fig.3 End face seal test stand

3 磨損檢查

3.1 金屬動(dòng)環(huán)磨損

使用電鏡在17 倍放大倍數(shù)下拍攝金屬動(dòng)環(huán)樣件的表面形貌，如圖4 所示。4 個(gè)拍攝位置相差約90°，圖中箭頭所指為石墨環(huán)密封接觸區(qū)域的兩側(cè)邊緣，即金屬動(dòng)環(huán)與石墨接觸區(qū)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(qū)別。表面不規(guī)則黑色區(qū)域主要成分為石墨，推測(cè)是在摩擦磨損過(guò)程中石墨發(fā)生轉(zhuǎn)移所致。

圖4 17 倍放大倍數(shù)下金屬動(dòng)環(huán)磨損情況Fig.4 Wear of moving ring at low magnification

對(duì)圖4 中箭頭所指區(qū)域的中心位置，使用電鏡在500 倍放大倍數(shù)下拍攝磨損情況(圖5)，對(duì)磨痕以及表面形貌進(jìn)一步放大檢測(cè)?？梢钥闯觯w磨痕方向與表面形貌有很大差異，亮度深淺說(shuō)明金屬動(dòng)環(huán)與石墨環(huán)之間接觸并不均勻，兩端面貼合較差，金屬動(dòng)環(huán)與石墨環(huán)之間的工作壓力不夠均勻。

圖5 500 倍放大倍數(shù)下金屬動(dòng)環(huán)磨損情況Fig.5 Wear of moving ring at high magnification

3.2 石墨環(huán)磨損

使用電鏡在18 倍放大倍數(shù)下拍攝與3.1 節(jié)中金屬動(dòng)環(huán)相配的石墨環(huán)樣件的表面形貌，如圖6 所示。4 個(gè)拍攝位置相差約90°，圖中箭頭所指為石墨密封接觸區(qū)域，即金屬動(dòng)環(huán)與石墨環(huán)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(xiàn)崩邊現(xiàn)象，但并不嚴(yán)重。

圖6 18 倍放大倍數(shù)下石墨環(huán)磨損情況Fig.6 Static ring wear at low magnification

對(duì)圖6 中箭頭所指區(qū)域，使用電鏡在100 倍放大倍數(shù)下拍攝磨損情況(圖7)，對(duì)磨痕以及表面形貌進(jìn)一步放大檢測(cè)?？梢钥闯觯p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(dǎo)致，反映了石墨密封件工作時(shí)載荷并不均勻?？傮w而言，端面密封在工作時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)較為平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)較大磨損。

圖7 100 倍放大倍數(shù)下石墨環(huán)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(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)零件未裝配到位，零件之間配合關(guān)系與設(shè)計(jì)要求發(fā)生偏差，或者零件局部尺寸超差，可能會(huì)產(chǎn)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(dòng)環(huán)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(dǎo)致滑油從間隙流過(guò)，最終產(chǎn)生泄漏。

4.2 密封壓力的影響

對(duì)不同密封壓力時(shí)的泄漏量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)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(dāng)密封壓力增加至0.20 MPa時(shí)，泄漏量會(huì)超過(guò)文獻(xiàn)[16]中的推薦值3.0 mL/h。密封壓力對(duì)泄漏性能有較顯著的影響，壓力變化可能是實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中導(dǎo)致泄漏量變化的重要原因。

圖8 密封壓力對(duì)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(duì)不同彈簧壓緊力時(shí)的泄漏量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖9 所示。可以看出，波形彈簧壓緊力對(duì)泄漏量也有影響。

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

結(jié)合該型發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)改變彈簧壓緊力降低泄漏量，需將波形彈簧壓緊力調(diào)整為45.5 N，但調(diào)整至該壓緊力值后，更容易出現(xiàn)偏載等現(xiàn)象，且會(huì)加快整個(gè)石墨環(huán)的磨損，減少密封壽命。

4.4 石墨環(huán)偏載與傾斜的影響

根據(jù)前文磨損檢查情況可知，金屬動(dòng)環(huán)與石墨環(huán)在接觸時(shí)并不均勻，可能是石墨環(huán)發(fā)生了偏載、傾斜。這種情況的出現(xiàn)一方面導(dǎo)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(guò)磨損產(chǎn)生新的泄漏通道。石墨環(huán)的偏載、傾斜，可能是由于裝配石墨密封盒時(shí)操作不當(dāng)或波形彈簧提供壓緊力不均勻引發(fā)。

5 改進(jìn)方案與驗(yàn)證

5.1 改進(jìn)方案

綜合上述分析，對(duì)端面密封裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，主要改進(jìn)如下：①在金屬動(dòng)環(huán)與軸之間增加1 個(gè)O型密封圈，以減少潛在的泄漏通道；②在金屬動(dòng)環(huán)端面上開(kāi)設(shè)淺螺旋槽，工作時(shí)該槽有一定的逆流泵送效應(yīng)；③增加石墨環(huán)寬度，并與開(kāi)設(shè)的螺旋槽配合使用；④在裝置裝配前對(duì)波形彈簧的彈性以及壓力進(jìn)行測(cè)試比對(duì)，挑選壓力較為均勻的波形彈簧使用，以避免因偏載引發(fā)的泄漏。改進(jìn)后的端面密封裝置如圖10 所示。

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

5.2 仿真驗(yàn)證

由于加入的O 型密封圈在次要泄漏通道，且改進(jìn)前的仿真計(jì)算也未考慮此泄漏通道，所以改進(jìn)后的方案只對(duì)端面密封的主要泄漏通道(石墨環(huán)與金屬動(dòng)環(huán)配合面)進(jìn)行分析。

金屬動(dòng)環(huán)上螺旋槽以及石墨環(huán)的尺寸選取需經(jīng)多次計(jì)算分析驗(yàn)證。采用與2.2 節(jié)中相同的仿真軟件進(jìn)行相同工況的泄漏量計(jì)算，最終確定螺旋槽的個(gè)數(shù)、半徑和深度以及石墨環(huán)的內(nèi)徑。計(jì)算得到泄漏量為0.075 7 mL/h，相比改進(jìn)前計(jì)算的泄漏量有明顯減少。

液膜壓力分布如圖11 所示?？梢?jiàn)，螺旋槽內(nèi)流體進(jìn)口處產(chǎn)生了一個(gè)低壓區(qū)域(藍(lán)色部分)，流體出口處產(chǎn)生了一個(gè)高壓區(qū)域(紅色部分)，從而使得出口處以及泄漏出的部分滑油向進(jìn)口處逆向流動(dòng)，重新流回到液膜中，進(jìn)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(yàn)驗(yàn)證

按照5.2 節(jié)中確定的尺寸進(jìn)行零組件加工，并采用與2.3 節(jié)相同的試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)改進(jìn)后的端面密封裝置進(jìn)行相同工況的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證。靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)滑油泄漏，與改進(jìn)前的試驗(yàn)結(jié)果相同；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)束后無(wú)明顯可見(jiàn)油跡，與改進(jìn)前的試驗(yàn)結(jié)果相比有明顯改善。

6 結(jié)論

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)一端面密封裝置出現(xiàn)的滑油泄漏情況進(jìn)行了仿真分析，找出了滑油泄漏原因，并對(duì)此端面密封裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證。主要得出如下結(jié)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(guò)程中金屬動(dòng)環(huán)與石墨環(huán)之間存在相對(duì)傾斜的情況；

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

(4) 密封壓力與波形彈簧壓緊力對(duì)密封有影響，當(dāng)密封壓力增加至0.2 MPa 時(shí)泄漏量會(huì)超過(guò)推薦值3.0 mL/h，當(dāng)波形彈簧壓緊力調(diào)整為45.5 N 時(shí)泄漏量低于0.3 mL/h；

(5) 對(duì)端面密封裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)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(chǎn)生逆流泵送效果，而仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證也證明改進(jìn)方案效果良好。