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1、航空发动机关键材料技术的发展现状与趋势航空发动机是在高温、高压、高速旋转的恶劣环境条件下长期可靠工作的复杂热力机械，在各类武器装备中，航空发动机对材料和制造技术的依存度最为突出，航空发动机高转速、高温的苛刻使用条件和长寿命、高可靠性的工作要求，把对材料和制造技术的要求逼到了极限。
材料和工艺技术的发展促进了发动机更新换代，如：第一、二代发动机的主要结构件均为金属材料，第三代发动机开始应用复合材料及先进的工艺技术，第四代发动机广泛应用复合材料及先进的工艺技术，充分体现了一代新材料、一代新型发动机的特点。
在航空发动机研制过程中，设计是主导，材料是基础，制造是保障，试验是关键。
从总体上看，航空发动机部件正向着高温、高压比、高可靠性发展，航空发动机结构向着轻量化、整体化、复合化的方向发展，发动机性能的改进一半靠材料。
据预测，新材料、新工艺和新结构对推重比12~15一级发动机的贡献率将达到50%以上，从未来发展来看，甚至可占约2/3。
因此，先进的材料和制造技术保证了新材料构件及新型结构的实现，使发动机质量不断减轻，发动机的效率、使用寿命、稳定性和可靠性不断提高，可以说没有先进的材料和制造技术就没有更先进的航空发动机。
正是由于不断提高的航空发动机性能对发动机材料与制造技术提出了更高的要求，各航空发达国家都投入了大量人力、物力和财力，对航空发动机用的材料与制造技术进行全面、深入的研究，取得了丰硕的成果，满足了先进发动机的技术要求。
从国外航空发动机材料与制造技术的发展情况来看，加强材料与制造技术工程化研究是缩短发动机研制周期、减少应用风险、增加研制投入产出比最有效的途径之一。
因此从20世纪70年代至今，航空发达国家安排了一系列的发动机材料和制造技术工程化研究计划，规划了整个材料和制造技术领域的发展方向，为各种先进军、民用发动机提供了坚实的技术基础。
如美国综合高性能发动机技术(IHPTET)计划、下一代制造技术计划(NG-MTI)，美国空军复合材料经济可承受性计划(CAI)等（见表1)。
典型航空发动机密封技术应用概况密封技术是航空发动机的重要组成部分，随着现代科学技术水平的进步，对密封装置也提出了更高的要求，先进的密封结构可显著提高航空发动机的性能，自20世纪80年代以来，世界航空强国投入大量的人力和物力对先进的密封结构进行了深入研究，相继开发出了多种不同结构的新型密封技术。
本文主要介绍现代航空发动机中常见的几种典型密封结构的特点、优缺点及其工程应用情况。
一、篦齿密封技术篦齿密封是一种非接触式密封，是航空发动机中最常用的密封结构，其结构如图1所示，主要由转动件上的一系列周向篦齿及静子件上的环形圆柱面组成。
密封原理是密封齿和静子间形成一系列间隙和耗散空腔，当泄漏流体通过间隙时，急剧加速膨胀，速度能量在通过耗散空腔时由湍流旋涡耗散为热能，由于流体产生节流与热力学效应，泄漏流的压力逐级降低而达到密封效果。
因此篦齿的封严效率与转子和静子的径向间隙以及篦齿数目有很大关系。
篦齿密封具备结构简单和成本低的優点，但是封严效果差，工作过程中篦齿与外环的刮摩会增大密封间隙，导致泄漏量增加，并且在封严环前后压差较大的情况下，气体逸漏过程中容易激发封严环震动，带来不利影响。
因此出现了几种篦齿封严的改进方式：（1）在静子件外环表面涂覆可磨损封严涂层，涂层一般为质地较软的氧化物涂层或者镀层，可以承受篦齿与外环的轻微刮摩;（2）改进篦齿封严通道，提高封严效果，比如台阶型篦齿，篦齿朝气流方向倾斜一定角度的倾斜篦齿，刀型篦齿等结构;（3）采用蜂窝阻尼外环密封技术，将蜂窝封严环通过高温真空纤焊焊接到机匣封严环表面，国外某型发动机采用蜂窝结构的封严装置后，发动力推力提高了10%以上。
二、石墨密封技术石墨密封是密封用的石墨装在石墨座内，靠弹簧力和封严座轴向连接在一起，封严座通过铆钉与静子件连接。
石墨密封是一种接触式密封装置，通过石墨环与转子相接触来达到封严目的，是航空发动机中较理想的封严装置，目前该密封结构主要用于航空发动机轴承腔的封严。
航空发动机用W型截面封严环新型成形工艺及有限元仿真王海波;桑贺【摘要】本文提出了一种新型 W型截面封严环成形工艺,即辊弯-弯圆-焊接成形工艺.将新工艺与传统工艺进行了对比,并在有限元软件 ABAQUS中建立了辊弯-弯圆成形有限元模型,通过对仿真结果进行成形机理分析探究金属板材在辊弯-弯圆成形过程中的变形行为.【期刊名称】《北方工业大学学报》【年(卷),期】2018(030)005【总页数】7页(P83-89)【关键词】W型截面封严环;辊弯成形;弯圆;有限元仿真;成形机理【作者】王海波;桑贺【作者单位】北方工业大学机械与材料工程学院,100144,北京;北方工业大学机械与材料工程学院,100144,北京【正文语种】中文【中图分类】TH1621 绪论1.1 国内外发展状况W型截面封严环是用于航空发动机上高速转动的密封环，是安装在两个法兰之间，用来保证在预定的使用寿命内两个法兰之间的密封性能的密封环.在国外，W型截面封严环核心加工技术只掌握在美国、加拿大等少数发达国家手中.国内尚未具备成熟、系统的设计分析和制造体系，应用于航空发动机上的封严环一直依赖进口.中航空天发动机研究院有限公司的朱宇和北京航空航天大学的万敏等人基于液压成形，提出动模外压成形方法，并建立了有限元模型，进行数值模拟和工艺试验，探讨了成形过程中环向失稳起皱等失效形式，提出了优化工艺参数.[1]南昌航空大学的陈希等利用有限元软件对其性能进行模拟分析，并计算了其在工作时的气体泄漏率，为设计封严环提供一定的理论依据及准则.[2]旋压或液压精密塑性成形是类似航空 W型截面封严环的“超薄、大变形、精密”环件加工的有效技术途径之一，也是值得深入研究发展的未来精密塑性成形技术的发展趋势.辊弯成形能保证零件质量、性能、使用要求[3]，而且可以降低成本，提高零件的耐磨性及疲劳强度，具有成本低、效率高、可以生产复杂变截面产品等优点.[4]因此本文提出采用辊弯成形来制造此类薄壁复杂截面环件，开辟该类零件成形制造的另一种新方法.1.2 新型成形工艺简介W型截面封严环是航空发动机所用关键零件，在本文给出的新型W型截面封严环生产工艺中，其核心生产工艺为辊弯成形技术.辊弯成形是通过顺序配置的多道次成形轧辊，把金属板带不断地进行横向弯曲，以制成特定断面型材的工艺技术，是一种节材、节能、高效、先进适用的板金属成形工艺.[5-6]新型W型截面封严环生产工艺流程具体分为开卷、校直、辊弯、弯圆、焊接，工艺示意图如图1所示.金属板材经过校直之后进入辊弯生产线，得到直线形特定断面的零件.为获得符合形状的工艺产品，将直线形产品送入弯圆机.产品经过弯圆机成形之后变为端口未连接的环形件.最后将环形件的端口焊接在一起即可得到W型封严环.本文主要研究工艺为辊弯-弯圆连续成形工艺，未对焊接工艺进行探究.图1 工艺示意图2 新型W型截面封严环生产工艺有限元分析W型截面封严环的辊弯成形属于变截面辊弯成形，是大变形复杂非线性的成形过程.W型截面封严环材质为高温合金GH4169.在W型截面封严环成形过程中，轧辊自转，板料借助与轧辊之间的摩擦力的向前运动，发生形变.为了探究本文提出的新型W型截面封严环生产工艺中板材的变形行为，采用ABAQUS软件对该工艺进行有限元分析.本次仿真并未涉及焊接工艺.2.1 新工艺与传统工艺对比目前国内生产此类薄壁复杂截面密封环有两种工艺：一是中航空天发动机研究院有限公司的朱宇和北京航空航天大学的万敏等人基于液压成形，提出动模外压成形工艺[7]，二是南昌航空大学提出的环形毛坯滚压成形工艺.[8]这两种工艺均能够生产符合要求的薄壁复杂截面密封环，技术发展较为成熟.新工艺核心技术为板材的辊弯成形，辊弯成形技术是一种节能、高效的金属成形工艺技术，节能意味着该成形工艺产生的能耗较低，高效意味着该工艺自动化程度较高，即由机械故障、能源失控以及人员操作失误所带来的风险程度较小.与传统工艺相比，本文提出的辊弯-弯圆成形工艺可以实现工件的连续性生产，在中航空天发动机研究院有限公司提出的动模外压成形工艺中，环形毛坯件需要置放于成形模具中，成形完毕后再取出，随后再置入新的毛坯件；南昌航空大学提出的滚压成形工艺需要将毛坯件在不同的成形道次间频繁取出、安置.相比较于这两种传统工艺，本文提出的新工艺能够将直线型板材连续、不间断地完成成形.工件成形完毕后，只需将板材切断，即可进行后续工件的成形.被切割的板材在完成焊接之后即为所需工件.新工艺大大提高了生产效率，节约了时间成本.2.2 新工艺成形过程变形与缺陷分析新型W型截面封严环在成形过程中，板材发生了较大的弹塑性变形.在板材的横截面成形为W型的过程中，板材的运动方向以及横截面方向都发生了较大的弹塑性变形，这两个方向上的变形均是通过轧辊对板材施加载荷实现的，轧辊形状的改变会导致载荷施加的大小、位置发生改变，从而使板材在成形方向与截面方向发生复杂的、不均匀的变形，经过一系列的道次，将板材成形为目标形状.在弯圆成形时，W型截面的板料是受压的过程，利用材料的特性和辅助轧辊完成弯圆的成形.在辊弯成形过程中，板材在出现能够预计到的横向弯曲、纵向弯曲的同时，还会产生出一些额外的、多余的变形.这些多余的变形会导致板料产生翘曲、扭曲、边波、减薄、破损、撕裂等现象，这种变形被称为冗余变形，冗余变形会影响零件成品的质量.在辊弯成形所应用的板材中，板材的的横向尺寸与纵向尺寸差距较大.在板材受到轧辊的载荷时，板材的纵向与横向产生的应变容易分布不均，从而引起翘曲及边波等现象.[9]边波经常出现在道次间切换时.边波的出现既响了产品的质量，也会引起材料堆积等情况影响生产线的正常运行.[10]在本工艺中，板材的辊弯成形与弯圆成形是连续进行的.由于目标零件的半径较大，以及高温合金钢优良的力学性能，板材弯圆成形中不会出现很大的弯曲变形量.[11] 2.3 有限元建模新型W型截面封严环的成形是复杂的、非线性大变形过程.板材选择高温合金GH4169.选择ABAQUS中的Explicit求解模块进行计算.对板材主要变形区域进行网格细化，通过有限元计算结果分析板材在成形过程的变形行为，探究其成形机理.2.3.1 高温合金钢力学性能及零件尺寸表1为GH4169材料性能参数.[12]目标零件及截面形状如图2所示，板材总长为176 mm，宽度为 16.6 mm，板材厚度 0.3 mm，板材厚度方向的变形对于分析板材整体的变形行为影响不大，所以板材选取壳单元建模.表1 GH4169的材料性能参数高温合金密度／（kg·m－3）弹性模量／MPa 泊松比屈服强度／MPa 抗拉强度／MPa GH4169 8 200 203 100 0.3 286.6 844.2 图2 封严环及其截面形状W型截面封严环成形的过程中，板材一共经历了15个成形道次，第一道次为熨平道次，第2～6道次成形带有翼缘的U型截面，第7～13的成形W型截面，在这个过程中先将其两侧翼缘成形，随后将缘折弯，成形最终目标形状，第14、15道次为弯圆道次.2.3.2 成形工艺三维建模将板材与轧辊在有限元软件ABAQUS中装配在一起.轧辊间距为20 mm，第14道次与第15道次轧辊间距为12 mm，成形过程中，上下轧辊自身旋转，依靠摩擦力带动板料向前运动，摩擦系数0.3，这种建模方式符合实际生产情况.[13]第1道次为过压状态，其轧辊间隙为0.29 mm，第2、3道次为无间隙状态，其间隙为0.3 mm，第4 道次至第13 道次其间隙为0.35 mm.[14]图3 为W型截面封严环辊弯-弯圆成形工艺的三维简化模型装配图.模型网格划分：根据冷弯成形技术手册并借助Autocad绘图软件设计W型封严环成形轧辊，导入到有限元仿真软件ABAQUS草图模块中.在部件模块中将草图导入，通过旋转体选项完成轧辊的建模.板料网格全部为四边形，网格单元类型为S4R.在整个成形过程中，板材的变形相对于中线完全对称，所以对板材划分1／2的网格.这种划分方式既不影响仿真结果精度，又大大节省了仿真计算时间.上下轧辊采用离散刚体处理，网格单元类型为R3D4部分圆弧较大区域，网格给予细化处理.[15]图4为网格划分示意图.图3 装配示意图4 网格示意图3 新工艺仿真结果分析3.1 弯圆工艺应力分析根据仿真结果，对 W型截面封严环辊弯-弯圆连续成形中弯圆成形部分进行应力分析.对弯圆折弯弯角处（B、C），边腿边（A）的应力值进行分析.提取3个节点A、B、C如图5所示.图5 节点示意提取A、B、C的3个方向的应力如图6～8所示，板料在成形过程中的变形非常复杂，其应力值变化较大，反向加载应力比较大.图6 A点成形应力图7 B点成形应力图8 C点成形应力3.2 应力应变场分析有限元模型计算完成后，得到了板料的应力应变云图.图9为等效应力云图，图10为等效塑性应变云图.通过观察两幅云图可以看到，板材的折弯区域等效塑性应变较大，出现了轻微的材料堆积现象，同时在折弯区域少量节点处出现应力集中现象，以上现象与轧辊与板料间隙有关.3.3 成形力分析图9 等效应力云图图10 等效塑性应变云图从W型截面封严环成形过程有限元模型的仿真计算结果中提取各个道次的轧辊成形力，由于第1道次为熨平道次，所以轧辊的成形力从第2道次开始提取，可以得出如下规律：第2道次和第3道次的轧辊成形力增加幅度不大，说明板料在该阶段变形程度不大，随着板料成形角度的增加，变形程度逐渐加剧，轧辊成形力逐渐增大；直到完成类似“U”形件时轧辊力开始下降，继续成形边腿成形时，轧辊成形力的变化趋势不大，进行完成“W”型截面成形时轧辊力迅速增大，达到轧辊成形力的最大值.3.4 封严环厚度减薄分析传统滚压式封严环生产工艺会导致封严环成品厚度减薄较为严重，影响产品使用.辊弯成形工艺中，板材主要发生横向弯曲，厚度方向变形较小，因此材料减薄情况较轻.在有限元仿真结果中选取26个节点作为典型截面，如图11所示.通过提取第一、第二主应变计算板材减薄率[16]，进而求得板材成形之后的厚度.将成形厚度与原始厚度进行对比，如图12，发现在辊弯成形中，由于材料不断进行横向弯曲，材料流动较为明显，在第12～14节点处材料厚度发生较明显改变.图11 节点示意图图12 板材厚度对比3.5 成形全过程分析根据以上应力应变云图以及板材厚度变化，在图12中选取厚度减薄较为明显的3个单元节点（其减薄率分别为 26.4% 、26.7% 、26.1% ），分析节点在完整的成形过程中应力、应变变化.根据仿真结果提取3个节点的全程应力应变数据，发现在成形过程中其最大应力分别为837.7 MPa、829.9 MPa、829.1 MPa，均未超过材料的抗拉强度，说明板材在成形过程中未出现断裂情况.提取3个节点的等效塑性应变数据，发现在成形过程中最大等效塑性应变分别为 0.7，0.67，0.58.通过观察动态云图发现，3个节点应力值达到最大时，其处于第6道次.在本工艺中，板材在完成前6道次的变形后，板材截面已经由“一”型变成了带有翼缘的“U”型，3个节点处于翼缘的过渡区域，板材在变形中纵向高度变化较大，导致材料流动现象明显.通过仿真结果探究板材的变形行为：在前6个道次中，板材发生变形的主要区域为“U”型截面底部板材以及翼缘过渡区域板材，这两区域的材料流动较为剧烈，具体表现为“U”型截面底部板材加厚，翼缘过渡区域板材减薄.第7～9道次中，板材变形区域为翼缘部分，板材变形均匀.第10～12道次中，板材主要变形区域为翼缘过渡区域，该区域板材将进行折弯，将板材截面成形为“W”型.直线型板材的成形完毕后，板材进入弯圆道次中完成最后的成形，在弯圆道次中，主要变形区域为“W”型截面3处折弯区域，由于这3处区域在前12道次中同样进行了较大程度的材料变形，所以这3处区域的板材的等效塑性应变最大（见图10）.通过对仿真结果的研究发现，虽然板材在完整的成形工艺过程中未发生断裂情况，但是在1～6道次中的“U”型截面底部板材以及翼缘过渡区域板材成形应力已经接近板料的抗拉极限，在将板材进行折弯时，翼缘部分受到轧辊的挤压也产生了较大的成形应力.总结这两处现象发现，在本工艺中，当板材在进行纵向落差较大的成形时，成形应力上升明显，接近材料的抗拉强度.为避免成形应力高于抗拉强度导致板材断裂，应增加相对应的成形道次，缓解由于板材纵向高度变化引起的成形应力的增加，使板材更加平稳地过渡到相邻道次，保证产品的质量.4 结语本文提出了一种新型W型截面封严环生产工艺，即辊弯-弯圆-焊接成型工艺.将新工艺与传统工艺对比后发现，本文所提出的新工艺是具有节能、高效、成本低等优点的金属成形工艺技术，有着不可忽视的发展潜力，为国内生产薄壁复杂截面密封环形件提供了新的思路.对新工艺的核心工艺——辊弯-弯圆连续成形进行了有限元模拟.通过对有限元仿真结果的分析可以验证新工艺的可行性，板材在整个成形过程中并未出现拉裂、破损等情况，证明了新工艺可以用于生产W型截面封严环.同时指出了新工艺的需要改进之处，并给出优化方案.有限元模型的仿真计算结果中，通过对 W型截面封严环辊弯-弯圆连续成形的等效应力云图、等效塑性应变云图、轧辊成形力的成形规律以及板材厚度变化等方面的研究，研究了板材的变形行为.在新工艺中，板材的变形较大的区域为“W”型截面折弯处，板材在辊弯成形工艺中纵向高度变化较大，成形应力明显上升，3处弯角处变形程度最大；板材在弯圆成形工艺中变形程度较为均匀，所以在完整的成形工艺中，“W”型截面折弯处变形最为剧烈.折弯处板材最大成形应力接近于板材的抗拉强度.为了避免出现材料拉裂、破损等情况，应相应地增加成形道次，以保证产品的质量.参考文献【相关文献】[1][7] 朱宇，万敏.航空发动机薄壁W形封严环动模外压成形 [J].航空学报，2015，36（7）：2457-2467[2][8] 陈希.航空发动机用金属封严环设计与性能分析研究[D].南昌航空大学，2014：1-9[3] 张若青，李凯，景作军.单轴变截面冷弯成型系统设计[J].机械设计与制造，2011（11）：44-46[4] 刘化民，赵振山.冷弯型钢在板材深加工中的应用[C].全国钢材深加工研讨会.2014：111-115[5] 林军.高效节能连续油管关键制造技术研究[D].济南：山东大学，2010：3-9[6] 刘冰，张若青.多通道信号采集与分析系统在冷弯机组中的应用[J].中国仪器仪表，2012（3）：43-46[9] 陈静.基于有限元分析的变高度定模动辊辊弯成形工艺研究[D].北京：北方工业大学，2016：15-17[10] 刘建伟，史建鹏，石朝亮.轻量化技术在汽车上的应用分析[J].汽车科技，2012（6）：10-14[11] 胡星星，裘乐淼，张树有，等.基于混合响应面法的滚压成型回弹角预测控制及应用[J].浙江大学学报，2013，47（11）：2010-2019[12] 郭凯云.高温合金复杂截面圆环多道次滚压不均匀变形行为研究[D].江西：南昌航空大学，2015：23[13] 刘江林，杨晓明，文建峰.有限元在冷弯型钢中的应用[J].精密成形工程，2011，3（2）：60-62[14] 付磊.用数值模拟的方法分析轧辊间距对冷弯成型的影响[J].四川理工学院学报，2011，24（2）：224-227[15] 陈兰，张新洲，孙宇，等.大型船用卷板机卷板成形过程的数值模拟[J].锻压技术，2011，36（5）：76-80[16] Wang Haibo，Yan 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封严涂层及其制备技术1、概念封严涂层是涂覆在飞机（航空）发动机气流通道的间隙部份的。
航空发动机在工作进程中，在离心力，气动力及热膨胀的一起作用下，转子与静子都会发生变形，致使转子与静子之间彼此摩擦造成机械损伤，在设计、制造和修理进程中，转子与静子之间在构造上必需保留适当的间隙；可是发动机工作状态下转子与静子的间隙却会致使发动机效率的降低，若是采取适当的方法有效的减小发动机转子和静子之间的径向间隙那么可大大提多发动机的靠得住性和效率。
资料说明典型的发动机高压涡轮叶片间隙假设平均减少0.245mm，涡轮效率可提高约1%；若是压气机间隙增加0.076mm，单位油耗率增加约1%。
图3-1展现了径向间隙对部件效率及其耗油率的阻碍，随着叶片和机匣之间间隙的增加，耗油率大幅增加。
另外压气机的运转间隙过大，会严峻阻碍发动机工作时的气动性，并可能引发喘振，致使发动机稳固性下降。
因此，为提多发动机的效率，降低油耗，改善发动机气动性能，应尽可能减小压气机叶尖与机匣之间的径向间隙。
图3-1 径向间隙对部件效率及耗油率的阻碍封严涂层是一种功能涂层，被普遍的运用于不同零部件之间，例如转子轴，鼓筒、轴承、转动叶片叶尖，压气机和涡轮等封严装置表面，以操纵间隙和减少泄漏，成为有效的封严技术之一。
封严涂层利用位置示用意如图3-2所示。
封严涂层应具有较好的表面质量、优良的热稳固性和较小的摩擦系数，而且与基体材料之间的界面结合性能要比较好。
研制封严涂层需要综合考虑涂层的各类性能，专门是涂层的磨损特性和耐冲击性能。
目前采纳的封严涂层要紧有以下几类: 有机涂层、热喷涂涂层，烧结金属粉末；耐温可1000℃的填充或不填充的薄壁蜂窝结构涂层；耐温可达1200℃的可控孔隙率陶瓷涂层。
封严涂层一般是成对显现的，即在压气机的静子部件的表面喷涂可磨耗的密封涂层，与叶片等动子尖端的硬质涂层形成一对可磨耗密封摩擦副。
依照用途，可将封严涂层分为两大类，即可磨耗封严涂层和耐磨封严涂层。
航空发动机典型静动密封关键技术及产业化一、引言航空发动机是飞机的“心脏”，发动机的性能直接关系到飞机的安全性、经济性和环保性。
发动机的密封技术是影响其性能的重要因素之一，特别是静动密封技术在发动机中起着至关重要的作用。
本文将从航空发动机典型静动密封关键技术及产业化这一主题出发，对发动机密封技术进行全面评估，探讨其深度和广度，以期更全面地理解这一重要的技术领域。
二、航空发动机静动密封技术的重要性静动密封技术是指在发动机内部隔离高压气体和低压气体，使其不相互混合，以及在发动机外部阻止润滑油和冷却剂外泄的技术。
在航空发动机中，由于工作环境的特殊性，静动密封技术的重要性愈发凸显。
密封不严会导致气体泄露，影响发动机的性能和效率；另密封不合格会导致润滑油和冷却剂外泄，对环境和安全构成威胁。
航空发动机静动密封技术的重要性不言而喻。
三、航空发动机静动密封关键技术1. 材料技术航空发动机内部和外部的密封件要求具有良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性，因此材料技术是静动密封技术的关键之一。
高温合金、特种陶瓷、聚合物材料等在航空发动机密封件中的应用，将对密封技术起到积极推动作用。
2. 结构设计技术发动机内部的结构设计对于静动密封技术至关重要，合理的结构设计可以减少气体泄露的可能性，提高发动机的效率和性能。
在密封环、密封垫、密封腔等方面的结构设计技术将成为发展的重点。
3. 加工工艺技术精密的加工工艺是保证静动密封件性能的重要保障。
高精度的加工技术可以提高密封件的密封性能和寿命，减少气体泄露和润滑油外泄的可能性。
4. 润滑和冷却技术润滑和冷却技术对于静动密封技术同样至关重要。
密封件在长期高温高速运转下，容易出现磨损和老化，因此润滑和冷却技术的改进将极大地提高密封件的使用寿命。
四、航空发动机静动密封技术的产业化现状目前，航空发动机静动密封技术的产业化水平不断提高，国际航空发动机制造商在这一领域进行了大量的研发和应用。
我国航空发动机制造商也在积极跟进，加大对静动密封技术的研究和产业化推进力度。
航空发动机金属波纹封严环性能分析王云;徐江锋【摘要】为提高航空发动机用金属波纹封严环的密封性能，通过利用有限元方法对金属波纹封严环进行有限元分析，对不同断面形状的封严环轴向刚度变化、径向尺寸变化和应力分布情况进行了对比，得到了基于波节的金属波纹封严环外形尺寸的初步优化设计方案。
通过对金属波纹封严环应力的观察分析，结果表明：圆弧波节的应力分布比较均匀，合理优化圆弧波节的外形尺寸以减小径向变形和轴向刚度，可较大地提升金属波纹封严环的稳定性和使用寿命，对航空发动机金属波纹封严环的理论研究及优化设计与制造具有一定参考指导意义。
%The finite element analysis of corrugated metal sealing ring is taken to improve the sealability of corru- gated metal sealing ring, which is used in aviation engine. The variations of axial stiffness and radial size and the distribution of stress are compared, and then, a preliminary optimization design of the outline dimension of cor- rugated metal sealing ring, which based on its wave section, has been gotten. The observation and analysis of corrugated metal sealing stress show that stress distribution of circular arc wave section is rather uniform, and optimizing outline dimension of circular arc wave section and reducing the radial deformation and axial stiffness can improve the stability and service life of corrugated metal sealing ring. It isof reference and guidance signifi- cance for theory research and optimal design of corrugated metal sealing ring in aviation engine.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2012(003)003【总页数】4页(P379-382)【关键词】航空发动机;金属波纹封严环;有限元;优化设计【作者】王云;徐江锋【作者单位】南昌航空大学飞行器工程学院,南昌330063;南昌航空大学飞行器工程学院,南昌330063【正文语种】中文【中图分类】V2620 引言用金属波纹封严环取代非金属密封圈，能有效地解决高温腐蚀环境下的辅助密封问题。
航空发动机空气密封技术的研究与应用航空发动机在飞行中需要不断地吸取大量的空气以维持燃烧，同时也需要将排放的废气排至大气之中。
为了保证发动机的高效性和燃烧效率，航空工程师们不断地探索着新的方法，其中空气密封技术就是其中之一。
本文将重点探讨航空发动机空气密封技术的研究与应用。
一、空气密封技术的意义和作用航空发动机需要吸取大量的空气以维持燃烧，但也需要保证发动机内的空气流动畅通，这也就意味着，在发动机运转时，必须保证发动机内部和外部的密闭性，否则就会导致气流的泄漏，降低了发动机的效率和功率。
空气密封技术就是解决这个问题的方法。
简单来说，空气密封技术就是一种在发动机和外部环境之间创造一个密闭的接触面，能够减少气流泄漏，从而提高发动机的效率和功率。
二、空气密封技术的分类空气密封技术主要分为动密封和静密封两种类型。
动密封主要是通过发动机内部转轴上的旋转部件对气体进行密封，例如采用机械密封、弹簧密封等技术，在旋转部件转动的过程中，通过旋转部件与密封件或轴承之间的摩擦进行密封。
静密封则主要采用非旋转部件，通过气体静力和摩擦力来进行密封。
比如采用O型环、拟合密封等技术进行气密封，这些密封件主要采用高弹性材料制成，当气体进入密封件时，它们可以随着密封面改变而产生变形，从而形成密封。
三、航空发动机空气密封技术的发展航空发动机空气密封技术在过去几十年中已经不断地得到发展和应用。
早在20世纪50年代，人们就开始应用空气密封技术，当时主要采用的是静密封技术，其原理就是在发动机的外部和内部之间添加一层隔热材料，从而降低进入发动机的空气温度，从而提高燃烧效率。
随着科技和理论的发展，人们开始探索动密封技术的应用，并不断地进行改进和发展。
现在，航空工程师们可以采用一系列密封件来保证气密性，如机械密封、液体密封，甚至是精密空气流控制系统等。
四、空气密封技术的应用航空发动机空气密封技术的应用范围非常广泛，在大型民用飞机、军用飞机和民用运输机等各种航空器中，都需要应用到空气密封技术。
AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY17航空科学技术0 引 言随着航空技术的日益发展，对发动机效率的要求也逐渐提高，预计在2015~2020年将有可能研制出推重比为15~20的涡扇发动机。
作为发动机的重要技术之一，封严涂层可改善飞机燃气轮机中旋转与固定部件之间的密封性，显著提高发动机的性能。
研究发现，在比燃料消耗率下，叶片和密封面间的间隙降低，能导致推力改进2.5%[1]。
目前采用在涡轮机与压气机的机匣上制备封严涂层来封闭气体通道，减小间隙，提高热效率。
新一代航空发动机中，封严涂层的使用温度为300～1200℃，最高可达1350℃。
这对发动机关键零部件封严涂层的高温防护、封严、耐磨损等性能提出了新的要求。
1 封严涂层材料及研究进展1.1组成及制备技术封严涂层已经在航空领域得到广泛应用。
理想的封严涂层要求热稳定封严涂层的性能评价及研究进展导 读:封严涂层系统可以改善飞机燃气涡轮发动机中旋转部件和固定部件之间的密封性，已成为提高发动机工作效率，延长发动机服役寿命的主要方法之一。
本文阐述了目前封严涂层的应用及性能评价的研究进展，描述了未来封严涂层的发展趋势。
关键词：封严涂层；性能评价；研究进展Keywords ：seal coatings ；evaluation of property ；research progress赵丹1 赵忠兴2 杨景伟2 孙杰11沈阳理工大学环境与化工学院 2 沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司Performance Evaluation and Research Progress of Seal Coatings性强、摩擦系数小、抗氧化性强，用于叶尖与机匣之间封严时，才能在保持最小间隙的同时有效阻止刮擦损伤，达到良好的封严效果。
封严涂层大多选用复合材料，主要成分是金属相、非金属相和孔隙。
其中金属相具有可喷涂性、结合强度、抗冲蚀性等性能，常用的有镍、钴、铜、铝等及其合金。
航空发动机技术的发展及未来发展趋势航空发动机技术是现代民航业的核心技术之一。
它的发展轨迹，除了反映了人类探究科技前沿的勇气和智慧，更体现了机械工业产业竞争的残酷和对未来需求的洞见。
本文旨在探讨航空发动机技术的发展历程以及未来发展趋势。
一、航空发动机技术的发展历程航空发动机的历史源远流长。
从最早的蒸汽机、内燃机，到现代的高压涡扇发动机和无人机电动发动机，发动机的技术不断创新，不断演进。
20世纪初期，飞机还使用的是螺旋桨、活塞式发动机。
随着航空工业的发展，1930年代引入了涡轮增压技术。
20世纪40年代，轴流涡扇发动机被认为是航空发动机技术发展历程中的重要一步。
1960年代，喷气式发动机的涡喷发动机逐步取代了活塞式发动机的市场份额。
80年代，高涵道比涡扇发动机诞生，大幅提高了发动机的效率。
目前，随着无人机市场的不断扩大，电动发动机也成为了航空发动机技术发展的新宠。
它不仅能够为无人机提供实现自主起降、远程飞行、近地观测等多项功能，还对环保产生了重要影响。
二、未来发展趋势未来，航空发动机技术的发展将面临更广泛、更复杂、更高效的需求。
为了应对未来的发展趋势，航空发动机技术将呈现出以下几种方向的趋势：1. 电动化：未来的航空发动机技术将更加电动化。
随着电池技术的进步，电动发动机已经逐步取代传统内燃机发动机，这一趋势在未来会愈加明显。
未来的电动发动机将更加高效、轻便、紧凑，使航空器更加环保、更加安全，同时也将为航空业带来新的机遇。
2. 数据化：未来的航空发动机技术将更加关注数据化技术的应用。
航空器通过智能化技术获得的数据将为航空发动机技术的研究和开发提供更多更精确的数据支持。
通过数据分析，可以让航空业更好地预判飞行姿态，增强远程自主控制能力，提高航空器的安全性和效率。
3. 材料升级：未来的航空发动机技术将重点推进新材料的研发和应用。
这些材料包括高温合金、复合材料、纳米材料等。
新材料能够更加轻便、更加耐用、更加高效，因此将在未来的航空发动机技术中占据重要的位置。
【长知识】航空发动机封严技术的进展导读：封严技术一直是高性能航空发动机研发工作的重要组成部分，先进封严技术是满足发动机耗油率、推重比、污染物排放、耐久性及寿命期成本目标的关键技术。
通过减少发动机内部气流的泄漏量，可大大提高发动机的性能和效率。
本文针对航空发动机典型封严技术，详细介绍了石墨封严、篦齿封严、刷式封严的结构特点及其技术改进和发展趋势。
重点阐述了德国MTU公司开发的新型刷式封严技术，其独特的结构解决了刷式封严掉毛这一技术难题。
1 引言现代航空发动机技术已达到很高水平，要进一步提高叶轮机效率，很大程度上取决于叶轮机转子与机匣之间的封严效果。
因此，许多航空发动机研究计划把如何减少发动机内流损失、提高发动机性能作为重点研究内容之一。
随着军用发动机工作环境越来越苛刻及民用发动机用户对低能耗、低噪声和高效益等方面要求的不断提高，低泄漏封严技术将面临高温、高转速、高压差、高湿度、高摩擦、高频振动及破坏性化学反应等一系列挑战。
研发泄漏量更小、在恶劣环境中使用寿命更长的先进封严装置已成当务之急。
2 封严技术的应用及其影响封严是对转动部件和非转动部件间的泄漏进行控制。
航空发动机上使用封严的地方很多，如主流道密封、空气系统二次流密封、主轴承油腔密封、附件传动机匣中传动附件输出轴密封等(见图1)。
航空发动机密封装置的形式也多种多样，按工作性质可分为接触式和非接触式两种。
前者主要有皮碗、涨圈、浮动环、端面石墨、径向石墨和刷式密封等，后者主要有螺旋槽、篦齿、液力和气膜密封等。
航空发动机封严的密封特性对发动机性能具有极为重要的影响，尤其是气路密封，将直接影响发动机增压比和涡轮效率的提高。
研究表明，封严泄漏量减少1%，可使发动机推力增加1%，耗油率降低0.1%；对于先进战斗机发动机，在发动机转速和涡轮转子进口温度保持不变的情况下，高压涡轮封严泄漏量减少1%，则推力增加0.8%，耗油率降低0.5%。
因此，美国IHPTET计划第二、第三阶段二次流路系统设定的目标分别是密封泄漏量减少50%和60%。
由此带来的发动机性能改善为：高压压气机效率提高4.4%，相当于涡轮进口温度降低47℃或发动机推力提高7.6%；高压涡轮效率提高4.2%，相当于涡轮进口温度降低52℃或发动机推力提高9.7%。
此外，现代航空发动机研制技术已达到很高水平，与通过改进压气机和涡轮结构设计来提高发动机性能的途径相比，在效果相近的条件下，采用先进密封技术所需费用要低得多。
因此先进密封技术还是一种低投入、高回报的技术。
NASA先进亚声速技术计划研究表明，提高封严装置性能、减少泄漏量、确保在更恶劣的工作环境中延长寿命，对降低发动机耗油率进而直接减少使用成本起到了非常重要的作用。
封严技术改进带来的具体效益为：(1) 使大发动机的直接使用费用减少3%，支线发动机的直接使用费用减少5%；(2) 使发动机耗油量降低10%以上；(3) 使发动机NOx的排放量减少50%以上；(4) 使机场噪声降低7dB。
由此可以看出，先进封严技术在满足发动机诸多性能，如耗油率、飞行成本、推重比、发动机及其部件寿命以及降噪等方面，都起到了关键作用。
3 封严技术的特点及进展3.1 石墨封严石墨封严是利用石墨环与转子相接触来达到封严的目的，它是现代航空发动机较为理想的密封装置。
石墨封严主要用在涡轮发动机轴承位置和辅助装置处。
总的来看，石墨封严的密封效果好，寿命长，泄漏量小，甚至完全不泄漏，尤其是在高温、高压、高转速条件下仍能保证可靠的密封性能，这是其它类型密封装置所不具备的。
在航空发动机中，石墨封严的石墨环与轴和叶片本身无直接相对摩擦，石墨有自我润滑作用，在润滑条件不良的情况下仍能可靠工作，加之石墨摩擦系数小，因此当石墨环磨损时，与之相配合的轴和叶片能完整无损。
目前，国外石墨封严的改进主要是针对密封面焦化和起泡问题。
联信公司已用陶瓷环密封替代石墨环密封，成功克服了焦化问题，同时还大大延长了封严装置寿命。
GE公司研发了一种可用于高压差端面的石墨封严，它利用流体动力来减少高压差处石墨的磨损，确保端面石墨封严能在压差为10^10Pa、温度达510℃、摩擦速度为134m/s的环境下正常工作，且整个寿命期内泄漏量基本不变，寿命比现有的端面石墨封严提高了一倍。
CF6-80C2发动机4、5号轴承腔改用这种装置后，不仅泄漏量有所减少，效率更高，而且整个发动机质量还减轻了45kg。
3.2 篦齿封严篦齿封严又称为迷宫式封严，是一种非接触式封严结构，主要由轮盘、鼓、轴、叶冠等转动部件上的周向篦齿及静子部件上的环形圆柱面组成，封严效率取决于转子部件与静子部件之间的径向间隙和篦齿数目。
篦齿封严结构简单，封气效果差，泄漏量比接触式的大。
发动机在工作中产生的摩擦会导致密封齿永久性变形，使泄漏量进一步增加，进而加快发动机性能衰减；篦齿在工作中会磨损，磨粒会打坏涡轮叶片；压差稍大时，常用的篦齿封严环在气流逸漏过程中易发生振动。
这主要是因为在设计发动机转子和静子之间的间隙值时，必须考虑长期工作时轮盘与叶片的蠕变伸长、机匣的收缩变形、转子的振动和偏摆等因素，使得间隙设计值偏大。
为了减小发动机漏气损失，提高篦齿封气效果，又不使转子和静子相碰，可采取以下措施：(1) 涂覆可磨耗封严涂层。
在与篦齿对应的外环表面覆盖一层质地较软的氧化物涂层或镀层，一方面可起到保护作用，承受篦齿与外环的少许接触；另一方面可自然形成最小间隙，达到最好密封性能。
(2) 改进气流通道结构，提高封气效果。
目前国外的研究表明，与基准结构相比(图2(a))，采用斜齿和高阶梯相结合的方式(图2(b))可使泄漏量减少17%。
这是因为：①刀形篦齿倾斜度的增加使得封严腔环流量增加，进而造成刀形齿处气流的停滞面积增大，齿尖周围流线的弯曲度加大；②高阶梯截面形成的气流通道更为曲折，流量也随之增加，使得紊流粘滞损失增加；③倾斜篦齿造成了一节流过程，气流流经边缘更为锋利的篦齿，减小了有效面积和单个篦齿的流量系数。
(3) 采用蜂窝密封装置。
蜂窝密封装置是在机匣封严环表面钎焊蜂窝封严环，与转子或叶冠上的篦齿构成封严结构，控制盘间腔空气泄漏。
1994年，F-16战斗机在2个月内损失了4架，其原因是发动机高压涡轮轴的封严篦齿环断裂。
随后的成功解决方法是，将与篦齿对应的外环表面设计成蜂窝结构，以承受篦齿与外环的少许接触。
这种设计既可尽量减少封严篦齿齿顶与外环间的间隙，有效降低泄漏量，又能保证发动机的可靠性和安全性。
在压气机和涡轮部分采用蜂窝密封装置，能极大地提高发动机效率，且蜂窝结构的厚度可灵活掌握，可很好地改善转子叶尖的周向漏气性能，从而提高发动机的效率和推力。
3.3 刷式封严3.3.1 刷式封严的结构特点刷式封严是一种接触式密封装置，主要由刷丝、前板、背板和跑道组成（见图3）。
刷丝夹在前板和背板之间，采用焊接工艺将三者焊接成一体。
前板处于气流的高压侧(上游)，作用是夹持刷丝；背板处于气流的低压侧(下游)，起支承刷丝、承受压差的作用。
背板间隙应控制在任何工作条件或在一系列径向偏差下，背板都不会与转子表面接触。
单级刷式封严的工作压力一般低于0.5MPa，但多个单级刷式封严串联起来形成多级刷式封严，可提高其整体耐压能力。
为方便刷式封严在航空发动机上的装配，可采用将刷式封严沿周向分为两个半环或几个扇形段的设计方式。
跑道是与刷丝相接触的表面，基体材料一般选用高强度、耐热、导热性好的结构钢或高温合金；跑道涂层则选用氧化铝、碳化铬和碳化钨，采用等离子或爆炸喷涂的方式将涂层材料牢固地附着在机体上。
3.3.2 刷式封严与篦齿封严的性能比较与传统的篦齿封严相比，刷式封严除质量轻、易于更换外，最突出的优势是能明显改善发动机性能。
GE公司的试验表明，刷式封严泄漏量只有篦齿封严的5%～10%。
德国MTU公司研究也发现，用刷式封严代替压气机和涡轮处的篦齿封严，发动机的泄漏量可减少80%(见图4)。
若在高压压气机出口处采用刷式封严，可使发动机耗油率降低1%，即一架中等航程的双发飞机，每年可节省200t燃油。
刷式封严密封性能优良的主要原因在于它是一种接触式密封。
发动机的静子和转子之间存在安装偏差，在工作过程中，由于离心力或热作用，转轴将移向静止部件，刷式封严的刷丝可以弯曲，因此能适应发动机转子瞬时或持久径向移动，而不会造成泄漏区域发生永久性增大。
即使轴瞬时出现很大的偏移，刷式密封也能起到良好的密封效果。
而篦齿封严是一种非接触式密封，封严效果主要取决于转子和静子间的径向间隙和篦齿数目，本身固有的间隙就存在着寄生泄漏，此外发动机工作中会造成篦齿变形和磨损，使间隙不断增大，密封性能进一步下降，且这种趋势不可逆转。
3.3.3 刷式封严技术的发展国外经过多年的研发，已较全面地了解了刷式封严的密封机理、结构尺寸和密封性能，并在应用方面取得了显著进展，积累了丰富的工程应用经验。
此外，刷式封严的理论模型也有了很大的发展，一些与实际情况较为接近的刷式封严模型正得到应用和验证。
其主要改进是进一步优化密封结构；开发适应高密封压力、高环境温度和高表面速度的刷丝新材料，消除刷丝掉毛现象；降低刷式密封的滞后效应，减少泄漏量。
为此，采取以下措施改进刷式封严的结构：(1) 解决刷式封严掉毛的问题2002年2月MTU公司成立了一个商用中心刷式封严组，专门负责刷式封严技术的研发和市场推广。
他们研制的一种新型刷式封严结构(见图5)主要包括核心元件、支撑板和盖板三部分，工作环境为压力1207 kPa、温度732℃、表面滑动速度396 m/s。
核心元件又由核心金属线、刷丝和夹管组成，刷丝通过夹管被牢固在核心金属线上，替代了传统的焊接方式，解决了掉毛的难题。
支撑板和盖板分别起保护、支撑刷丝的作用。
此外，其紧凑的结构尺寸可使转子和机匣设计得到优化。
(2) 高压刷式封严单级标准刷式封严只能在压差低于0.5MPa的环境中正常工作，虽然多级刷式封严能在高压差下工作，但使用经验表明，这种结构的下游密封级由于经历了高速撞击及隧道效应导致刷丝磨损，使压差的绝大部分转移到上一级密封，最终造成密封性能恶化，泄漏量增大。
为此美国EG&G公司对单级刷式密封进行了改进，适应1MPa及以上的高压差工作环境，其结构见图6。
高压刷式封严的一个突出特点就是采用了更粗的刷丝(刷丝直径0.15 mm，丝束宽度0.76 mm)，以增大丝束的轴向刚性；第二个特点是在背板和丝束之间有一间隙，以减小压差对丝束刚性的增强作用；第三个特点是在丝束的高压侧加一遮流器，以减小丝束的隧道效应并减轻丝束在高速撞击下的过度磨损。
(3) 刷式密封的其它改进当前后压差超过一定值时，刷丝受压差影响而变形，从而导致密封性能明显恶化。
为克服这一难题，国外有研究者提出了用多个沿周向压紧在一起的薄金属片来代替刷丝。
