摘要： 本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中因壓氣機(jī)引氣不足或軸承腔供油壓力突增導(dǎo)致的軸承腔滑油泄漏問題，聚焦于關(guān)鍵的引氣封油部件——石墨密封系統(tǒng)，開展了其滑油泄漏流動(dòng)特性的專項(xiàng)試驗(yàn)研究。通過運(yùn)用模擬真實(shí)工作環(huán)境的試驗(yàn)臺(tái)，可視化觀測(cè)了滑油泄漏的完整動(dòng)態(tài)演變過程，首次明確了“臨界封油壓差”的物理判據(jù)，并系統(tǒng)探究了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與滑油溫度對(duì)臨界封油壓差及泄漏流態(tài)的影響規(guī)律。研究表明，滑油泄漏依次經(jīng)歷滲漏回流、滲漏加劇、滴漏和成股外流四個(gè)階段，其臨界封油壓差隨轉(zhuǎn)速與溫度的升高而顯著降低，降幅分別可達(dá)85.9%與83.1%。機(jī)理分析表明，低轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的離心力不足和低溫導(dǎo)致的滑油高黏度、高密度是引起滑油在密封間隙堆積、從而需要更高封嚴(yán)壓力的根本原因。本研究為深入理解軸承腔石墨密封的失效機(jī)理、優(yōu)化其封嚴(yán)設(shè)計(jì)、制定發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的引氣壓力控制策略提供了重要的理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐，對(duì)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠性與安全性具有重要意義。

一、軸承腔滑油泄漏的影響與研究意義

1.1 滑油泄漏對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸承和齒輪箱等關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件在高速、高溫、高負(fù)載的極端環(huán)境下工作，必須依賴持續(xù)、穩(wěn)定、潔凈的滑油系統(tǒng)進(jìn)行潤(rùn)滑與冷卻。軸承腔作為容納這些部件并提供滑油循環(huán)空間的關(guān)鍵艙室，其密封完整性直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能與安全?；托孤貏e是向核心機(jī)氣流通道的泄漏，將引發(fā)一系列鏈?zhǔn)讲涣挤磻?yīng)，嚴(yán)重威脅發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性。

首先，性能退化與效率損失是最直接的后果。泄漏的滑油進(jìn)入核心機(jī)（壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪）流道，會(huì)在葉片、流道壁面形成粘稠的油污沉積。在壓氣機(jī)中，這些沉積物會(huì)改變?nèi)~片氣動(dòng)型面，增加表面粗糙度，導(dǎo)致壓氣機(jī)效率下降、喘振裕度減小。在渦輪部分，高溫環(huán)境會(huì)使滑油焦化結(jié)焦，形成堅(jiān)硬的積碳，不僅影響氣流流通，還可能改變渦輪葉片的冷卻效果，導(dǎo)致葉片過熱甚至燒蝕。

其次，引發(fā)二次故障與安全隱患。泄漏的滑油若接觸到高溫部件（如渦輪盤、燃燒室外殼），極易引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)失火，這是災(zāi)難性的事故。此外，滑油蒸汽與空氣混合可能形成可燃混合物，存在爆燃風(fēng)險(xiǎn)。泄漏的滑油也會(huì)污染發(fā)動(dòng)機(jī)艙環(huán)境，影響其他附件（如發(fā)電機(jī)、液壓泵）的工作，并可能因滑油消耗過量導(dǎo)致滑油系統(tǒng)供油不足，引發(fā)軸承干磨、抱死等惡性機(jī)械故障。

最后，增加維護(hù)成本與降低出勤率。頻繁的滑油泄漏會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)孔探檢查周期縮短、提前返廠大修，顯著增加全壽命周期的維護(hù)成本，并因非計(jì)劃停飛而影響航空公司的運(yùn)營(yíng)效率。

1.2 基于引氣封油的石墨密封系統(tǒng)研究意義

為防止上述危害，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用“引氣封油”的主動(dòng)密封策略，即從壓氣機(jī)中間或高壓級(jí)引出一股壓力較高的潔凈空氣，注入軸承腔外側(cè)的“封嚴(yán)腔”，通過在密封元件（如石墨密封、篦齒密封）兩側(cè)建立氣側(cè)壓力高于油側(cè)壓力的正壓差，形成一道氣障，將滑油牢牢“封堵”在軸承腔內(nèi)。石墨密封以其優(yōu)良的自潤(rùn)滑性、耐高溫性和摩擦適應(yīng)性，成為高性能發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔密封的關(guān)鍵技術(shù)之一。

然而，發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中工況復(fù)雜多變。在起飛、爬升等高功率狀態(tài)下，壓氣機(jī)引氣壓力充足；但在慢車、下降、高空巡航等低功率狀態(tài)，或引氣系統(tǒng)用于客艙空調(diào)、防冰等分流量增大時(shí)，可能導(dǎo)致壓氣機(jī)引氣壓力不足。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)加減速或滑油系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)可能引起軸承腔供油壓力突增。這兩種情況都可能破壞密封兩側(cè)的壓力平衡，導(dǎo)致封嚴(yán)壓差減小甚至逆轉(zhuǎn)（油壓大于氣壓），從而引發(fā)滑油泄漏。

因此，開展基于引氣封油方式的軸承腔石墨密封系統(tǒng)滑油泄漏流動(dòng)特性試驗(yàn)研究，具有緊迫的工程現(xiàn)實(shí)意義和重要的學(xué)術(shù)價(jià)值：（1）揭示失效機(jī)理：通過可視化手段，直觀揭示滑油在石墨密封間隙內(nèi)如何啟動(dòng)、發(fā)展直至完全泄漏的全過程，深化對(duì)密封失效物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。（2）量化安全邊界：通過試驗(yàn)，精確測(cè)定不同工況（轉(zhuǎn)速、油溫）下石墨密封系統(tǒng)能夠有效封油的最小壓差（即臨界封油壓差），為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的引氣壓力安全閾值設(shè)定提供直接的數(shù)據(jù)支持。（3）指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)：研究結(jié)果可用于驗(yàn)證和改進(jìn)石墨密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如卸荷槽形狀、彈簧力設(shè)定）、評(píng)估密封材料的適應(yīng)性，并為新型密封方案的研發(fā)提供理論驗(yàn)證平臺(tái)。（4）提升系統(tǒng)安全性：最終目標(biāo)是為構(gòu)建更魯棒、更智能的發(fā)動(dòng)機(jī)滑油密封與引氣控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，從源頭上抑制滑油泄漏風(fēng)險(xiǎn)，保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)在全飛行包線內(nèi)的運(yùn)行安全。

二、軸承腔石墨密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成與布局

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承腔滑油密封是一個(gè)集成系統(tǒng)，主要包括石墨密封（主密封）、篦齒密封（輔助密封/卸荷密封）、引氣系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和排油系統(tǒng)。其核心密封屏障是基于石墨密封的接觸式/準(zhǔn)接觸式密封。該系統(tǒng)通常布置為：最內(nèi)側(cè)是軸承腔，充滿滑油和油氣混合物；向外通過石墨密封與封嚴(yán)腔相隔；封嚴(yán)腔外側(cè)可能設(shè)置多級(jí)篦齒密封，用于進(jìn)一步降低泄漏氣體的壓力，并引回少量可能滲漏的滑油；高壓引氣從壓氣機(jī)引出，經(jīng)調(diào)節(jié)后注入封嚴(yán)腔。

2.2 石墨密封組件詳細(xì)結(jié)構(gòu)

石墨密封組件是一個(gè)精密的工程組件，絕非單一的石墨環(huán)。其主要由以下部分構(gòu)成：

石墨環(huán)：核心密封件。通常采用高性能浸漬石墨材料制成，具有良好的自潤(rùn)滑性和耐磨損性。為適應(yīng)熱膨脹和磨損，常設(shè)計(jì)為由多段石墨扇段拼合而成的整環(huán)。扇段之間采用三角形斜搭接頭連接，既保證了周向的連續(xù)性，又允許微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

“O”型周向彈簧：套在石墨環(huán)外圈，提供持續(xù)的徑向抱緊力，使石墨扇段內(nèi)徑面緊貼高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子跑道（一個(gè)經(jīng)過特殊硬化處理的軸套），形成主密封面。

密封座（支撐座）：用于固定和承載整個(gè)石墨密封組件，通常安裝在封嚴(yán)腔的靜子結(jié)構(gòu)上。

擋板：位于石墨環(huán)的封嚴(yán)腔一側(cè)，與密封座連接。其作用一是為石墨環(huán)提供軸向定位和背部支撐，二是阻擋并引導(dǎo)從密封間隙可能泄漏出的滑油，防止其直接噴射到高溫區(qū)域，同時(shí)其外沿結(jié)構(gòu)是觀測(cè)泄漏階段的關(guān)鍵特征。

卡圈與軸向彈簧：用于限制石墨環(huán)的軸向移動(dòng)，并提供一定的軸向浮動(dòng)補(bǔ)償能力，以適應(yīng)轉(zhuǎn)軸的軸向竄動(dòng)。

卸荷槽：石墨環(huán)內(nèi)徑表面精密加工的橫槽、環(huán)槽和三角槽網(wǎng)絡(luò)。其核心功能是氣動(dòng)卸荷：當(dāng)高壓氣體進(jìn)入密封間隙時(shí)，通過槽道網(wǎng)絡(luò)在石墨環(huán)背部產(chǎn)生一個(gè)與氣體壓力方向相反的開啟力，部分平衡氣體壓力對(duì)石墨環(huán)的軸向推力，防止環(huán)被過度壓緊在擋板上導(dǎo)致異常磨損。同時(shí)，這些槽道也促進(jìn)了氣體在密封面上的均勻分布，并可作為磨屑的容屑槽。

2.3 引氣封油工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，控制系統(tǒng)確保引氣系統(tǒng)向封嚴(yán)腔供給的壓力（P_seal）始終略高于軸承腔內(nèi)的油氣環(huán)境壓力（P_sump）。此時(shí)，在石墨密封兩側(cè)形成 “封嚴(yán)壓差” ΔP = P_seal - P_sump > 0。

氣障形成：高壓氣體從封嚴(yán)腔通過石墨環(huán)與轉(zhuǎn)子跑道之間的微小間隙（主要由表面不平度和卸荷槽形成）向軸承腔側(cè)流動(dòng)。這股持續(xù)的氣流在間隙中形成一道動(dòng)態(tài)的“氣墻”或“氣障”。

油相阻隔：軸承腔側(cè)的滑油，在轉(zhuǎn)子攪拌下可能以油霧、油滴或附著在軸上的油膜形式接近密封界面。當(dāng)試圖逆著氣流向封嚴(yán)腔遷移時(shí)，會(huì)受到氣動(dòng)阻力的強(qiáng)烈阻礙。只要封嚴(yán)壓差ΔP維持在一個(gè)臨界值以上，氣動(dòng)阻力就足以克服油相的各種驅(qū)動(dòng)力（如壓力差、離心力、黏附力），從而將滑油有效地限制在軸承腔一側(cè)，實(shí)現(xiàn)密封功能。

接觸與潤(rùn)滑：石墨環(huán)在周向彈簧作用下與跑道保持輕接觸或極小間隙的準(zhǔn)接觸狀態(tài)。引入的氣體在接觸面間形成極薄的氣膜，起到潤(rùn)滑和冷卻作用，減少石墨的磨損。這種“以氣封油、以氣潤(rùn)密”的機(jī)理是石墨密封技術(shù)的精髓。

三、試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)

為在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下復(fù)現(xiàn)并深入研究上述復(fù)雜過程，本文重點(diǎn)介紹某科研機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種軸承腔石墨密封系統(tǒng)滑油泄漏流動(dòng)特性試驗(yàn)裝置。該裝置遵循“功能模擬、參數(shù)可控、狀態(tài)可視”的原則，主要包括五大系統(tǒng)：

密封系統(tǒng)：核心部分，1:1模擬了真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)中由軸承腔箱體、封嚴(yán)腔箱體（含端蓋）以及內(nèi)置的石墨密封試驗(yàn)件組成的結(jié)構(gòu)。封嚴(yán)腔箱體周向均布多個(gè)排氣口，用于精確調(diào)節(jié)腔內(nèi)壓力并模擬氣體流動(dòng)。

供氣系統(tǒng)：由空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、精密調(diào)壓閥、流量計(jì)和管路組成，用于向封嚴(yán)腔提供穩(wěn)定、可調(diào)的高壓空氣，模擬壓氣機(jī)引氣。

供油系統(tǒng)：包括油箱、加熱器、油泵、濾清器、流量控制閥和噴油管。噴油管指向轉(zhuǎn)子跑道背部特定位置，模擬軸承腔的實(shí)際供油環(huán)境和油/氣摻混狀態(tài)。

動(dòng)力系統(tǒng)：由大功率電機(jī)、變頻控制器、高精度主軸和聯(lián)軸器組成，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子跑道高速旋轉(zhuǎn)，最高轉(zhuǎn)速覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況范圍。

數(shù)據(jù)采集與觀測(cè)系統(tǒng)：包括壓力傳感器（測(cè)量封嚴(yán)腔和軸承腔壓力）、溫度傳感器（測(cè)量滑油溫度）、轉(zhuǎn)速傳感器、高速攝像機(jī)（對(duì)準(zhǔn)石墨密封界面進(jìn)行可視化觀測(cè)）以及數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。

3.2 石墨密封試驗(yàn)件

試驗(yàn)件嚴(yán)格復(fù)刻了真實(shí)石墨密封組件的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)在于石墨扇段的型面設(shè)計(jì)，其內(nèi)徑表面的橫槽-環(huán)槽-三角槽復(fù)合卸荷槽結(jié)構(gòu)被完整加工。轉(zhuǎn)子跑道采用高強(qiáng)度合金鋼并經(jīng)表面硬化處理，保證其耐磨性與真件一致。所有零件（石墨環(huán)、彈簧、擋板、密封座）的裝配關(guān)系與公差配合均按照工程圖紙執(zhí)行，確保試驗(yàn)狀態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)具有高度的幾何相似性與力學(xué)相似性。

3.3 試驗(yàn)原理與步驟

試驗(yàn)的核心思路是：在固定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 (n) 和滑油溫度 (T) 的工況下，從初始的安全封嚴(yán)狀態(tài)（ΔP較大，無泄漏）開始，以受控的、緩慢的速度線性降低封嚴(yán)腔壓力，從而逐步減小封嚴(yán)壓差ΔP，直至滑油發(fā)生泄漏，并最終觀測(cè)到完全失效。具體步驟如下：

工況設(shè)定：?jiǎn)?dòng)加熱器將滑油加熱至目標(biāo)溫度T并保持恒定。啟動(dòng)電機(jī)，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n調(diào)整至目標(biāo)值并穩(wěn)定運(yùn)行。

初始封嚴(yán)建立：開啟供氣系統(tǒng)，調(diào)節(jié)閥門使封嚴(yán)腔壓力P_seal遠(yuǎn)高于軸承腔壓力P_sump，建立起一個(gè)足夠大的初始封嚴(yán)壓差ΔP_initial。同時(shí)，供油系統(tǒng)開始向軸承腔內(nèi)噴油。

穩(wěn)定運(yùn)行：在該穩(wěn)定工況（n， T， ΔP_initial）下運(yùn)行一段時(shí)間，確保系統(tǒng)熱平衡和流場(chǎng)穩(wěn)定，并通過觀測(cè)確認(rèn)滑油無任何泄漏跡象。

壓差遞減與泄漏觀測(cè)：正式試驗(yàn)開始。以極慢的速率（如0.1 kPa/s）緩慢調(diào)低封嚴(yán)腔壓力P_seal，使ΔP線性遞減。操作人員通過高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)、密切觀察石墨密封環(huán)（尤其是下半部分和搭接頭處）的界面狀態(tài)。

狀態(tài)記錄與壓差捕捉：

當(dāng)首次觀察到有微量滑油在密封間隙處滲漏但未流出擋板外沿時(shí)，記錄此時(shí)的封嚴(yán)壓差，稱為 “滲漏起始?jí)翰睢?。

隨后，將減壓速率進(jìn)一步放慢（如0.05 kPa/s），繼續(xù)觀察。

當(dāng)觀察到第一滴完整的油滴脫離擋板外沿，并滴落或飄向封嚴(yán)腔內(nèi)部時(shí)，立即記錄此刻的封嚴(yán)壓差。將此壓差定義為該工況下的 “臨界封油壓差 (ΔP_critical)” 。此判據(jù)具有明確的物理意義：標(biāo)志著密封系統(tǒng)開始失效，滑油進(jìn)入不應(yīng)出現(xiàn)的區(qū)域。

繼續(xù)降低壓差，觀察并記錄滑油泄漏加劇成股流動(dòng)的過程，直至ΔP降至零。

重復(fù)與變工況：為減少隨機(jī)誤差，每組(n, T)工況重復(fù)試驗(yàn)5次。然后，系統(tǒng)地改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（如從4000 r/min到12500 r/min）和滑油溫度（如從40°C到121°C），重復(fù)上述步驟，從而獲得臨界封油壓差隨轉(zhuǎn)速和溫度變化的完整數(shù)據(jù)庫(kù)。

四、試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

4.1 滑油泄漏流動(dòng)狀態(tài)演變與臨界封油壓差判據(jù)

試驗(yàn)通過高速攝像清晰捕捉了滑油泄漏從無到有、從輕微到嚴(yán)重的完整動(dòng)態(tài)演變過程。整個(gè)過程具有明確的階段性和方向性，可分為四個(gè)連續(xù)階段：

階段一：滲漏回流：當(dāng)ΔP降低至某一閾值（滲漏起始?jí)翰睿r(shí)，在重力作用下，滑油最先從石墨密封整環(huán)底部的密封間隙（特別是抗變形能力較弱的搭接頭區(qū)域）微微滲出。滲出的滑油并未獲得足夠的能量逃離，而是在氣流剪切力和自身表面張力的作用下，在擋板外沿與轉(zhuǎn)子跑道之間的狹小空間內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)或形成掛珠，時(shí)而略有縮回，呈現(xiàn)“欲漏還休”的狀態(tài)。此階段滑油未溢出擋板外沿，未造成實(shí)質(zhì)性泄漏。

階段二：滲漏加?。弘S著ΔP進(jìn)一步降低，滲出量增大，滲出的滑油開始積聚并逐漸充滿擋板外沿的環(huán)形空間。在高速旋轉(zhuǎn)跑道的剪切作用下，油體被拉長(zhǎng)、延展，可能形成不穩(wěn)定的油膜或油帶，但主體仍未脫離擋板結(jié)構(gòu)的束縛。

階段三：滴漏：當(dāng)ΔP降至臨界封油壓差（ΔP_critical）時(shí)，積聚的滑油在氣動(dòng)拖曳力和離心力的共同作用下，克服了與擋板/石墨環(huán)的附著力和表面張力，以離散的油滴形式從擋板外沿分離，并被氣流帶入封嚴(yán)腔深處?！暗谝坏斡偷蔚姆蛛x”是密封功能失效的明確物理標(biāo)志，因此將此時(shí)的ΔP定義為ΔP_critical具有工程上的合理性與嚴(yán)謹(jǐn)性。

階段四：成股外流：ΔP繼續(xù)降低，油滴生成頻率急劇增加，油滴匯合形成連續(xù)的油線或油股，沿著擋板表面或直接被氣流吹送，形成大量泄漏。此時(shí)密封已完全失效。

4.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏特性與臨界封油壓差的影響

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是影響臨界封油壓差的極其顯著的因素。當(dāng)滑油溫度固定在40°C，轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min 升至12500 r/min時(shí)，ΔP_critical從29.28 kPa 急劇下降至4.10 kPa，降幅高達(dá)85.9%。滲漏起始?jí)翰钜渤尸F(xiàn)相似趨勢(shì)，降幅達(dá)77.2%。

機(jī)理分析：轉(zhuǎn)速的影響主要通過改變滑油所受的離心力和密封間隙內(nèi)的兩相流場(chǎng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

低轉(zhuǎn)速工況（如4000 r/min）：滑油在軸承腔內(nèi)受到的離心力較小，其向腔體外圍（壁面）運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)弱。當(dāng)滑油接近轉(zhuǎn)子跑道表面時(shí)，更容易在較低的軸向氣流速度（對(duì)應(yīng)較低的ΔP）下附著并堆積在跑道表面和密封間隙入口區(qū)域，形成較厚的油膜或“油坨”。為了“推開”或“阻擋”這坨油，需要更高的氣體壓力（即更大的ΔP）來提供足夠的氣動(dòng)阻力。

高轉(zhuǎn)速工況（如12500 r/min）：強(qiáng)大的離心力驅(qū)使滑油強(qiáng)烈地甩向軸承腔外壁，使得在轉(zhuǎn)子跑道表面附近形成一層相對(duì)“干凈”的區(qū)域，附著油膜極薄。同時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的跑道表面對(duì)附近氣體有強(qiáng)烈的泵送效應(yīng)，有助于在密封間隙入口維持較高的氣速。因此，只需要一個(gè)較小的氣體壓差（較小的ΔP）所形成的氣流，就足以阻止少量靠近的滑油入侵密封間隙。

非線性效應(yīng)：曲線顯示，在轉(zhuǎn)速低于10000 r/min時(shí)，ΔP_critical隨轉(zhuǎn)速增加近似線性快速下降；而當(dāng)轉(zhuǎn)速超過10000 r/min后，下降曲線趨于平緩。這表明，在極高轉(zhuǎn)速下，離心力的“排油”效應(yīng)已接近飽和，此時(shí)臨界壓差可能更多由滑油的物性（表面張力、粘度）和氣液界面動(dòng)力學(xué)主導(dǎo)。

4.3 滑油溫度對(duì)泄漏特性與臨界封油壓差的影響

在固定轉(zhuǎn)速下，滑油溫度是另一個(gè)關(guān)鍵影響因素。當(dāng)轉(zhuǎn)速固定，溫度從40°C 升高至121°C時(shí)，ΔP_critical從29.28 kPa 下降至4.96 kPa，降幅為83.1%。滲漏起始?jí)翰罱捣鶠?9.9%。

機(jī)理分析：溫度的影響本質(zhì)上是改變了滑油的物理性質(zhì)，主要是動(dòng)力粘度和密度。

低溫工況（如40°C）：滑油粘度高、密度大。高粘度意味著油液內(nèi)摩擦力大，流動(dòng)性差，一旦在密封間隙入口處聚集，不易被氣流剪切帶走，容易形成堆積。高密度則增大了滑油所受的重力和慣性力，使其在壓差驅(qū)動(dòng)下（油側(cè)壓力相對(duì)氣側(cè)變高時(shí)）向密封間隙內(nèi)“侵入”的傾向更強(qiáng)。因此，需要更大的封嚴(yán)壓差來產(chǎn)生更強(qiáng)的氣流以抵抗這種高粘度、高密度流體的入侵趨勢(shì)。

高溫工況（如121°C）：滑油粘度大幅降低，變得稀薄，流動(dòng)性極佳。低粘度滑油容易被氣流剪切、霧化，不易形成穩(wěn)定的堆積塊。同時(shí)密度也有所減小。此時(shí)，相對(duì)較弱的氣流（較小的ΔP）就能有效將其阻擋或吹散。同樣，在溫度超過100°C后，ΔP_critical下降趨勢(shì)變緩，可能是因?yàn)樵诟邷叵禄驼扯纫呀抵凛^低水平，其變化對(duì)流動(dòng)特性的影響不再那么敏感。

4.4 軸承腔石墨密封系統(tǒng)滑油泄漏流動(dòng)機(jī)理綜合分析

綜合以上試驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)分析，可以勾勒出軸承腔石墨密封系統(tǒng)滑油泄漏的物理圖像：

泄漏的發(fā)生是氣動(dòng)力、離心力、粘性力、重力、表面張力等多種力在微小密封間隙內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)與失衡的結(jié)果。封嚴(yán)壓差ΔP是維持密封的主導(dǎo)性、可控的主動(dòng)力源（通過氣動(dòng)力體現(xiàn)）。而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（通過離心力）和滑油溫度（通過改變粘度和密度）則是兩個(gè)核心的環(huán)境與工況參數(shù)，它們深刻影響著滑油自身的狀態(tài)和所受的其他被動(dòng)力的強(qiáng)弱。

在低速、低溫的“惡劣”工況組合下，滑油呈現(xiàn)高粘、高密、離心力弱的特性，傾向于在密封界面處粘附、堆積，形成厚重的油相前沿。此時(shí)，要維持密封，需要控制系統(tǒng)提供很高的引氣壓力（高ΔP）。這正是發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)、地面慢車等階段密封壓力需求最高的原因。如果此時(shí)引氣壓力不足（如飛機(jī)地面長(zhǎng)時(shí)間APU供電，引氣來自APU而非主發(fā)動(dòng)機(jī)），泄漏風(fēng)險(xiǎn)最大。

反之，在高速、高溫的典型巡航工況下，滑油稀薄、離心力強(qiáng)，密封界面處的油相威脅減小。此時(shí)，維持密封所需的ΔP顯著降低。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可以適當(dāng)降低引氣壓力，有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率（減少引氣損失）。然而，必須警惕的是，若在此狀態(tài)下因供油系統(tǒng)波動(dòng)導(dǎo)致軸承腔油壓異常突增，仍可能迅速壓垮這個(gè)已經(jīng)變小的安全裕度（ΔP），引發(fā)泄漏。

五、結(jié)論與展望

5.1 研究結(jié)論

本研究通過試驗(yàn)平臺(tái)揭示了基于引氣封油的軸承腔石墨密封系統(tǒng)滑油泄漏流動(dòng)特性，主要結(jié)論如下：

泄漏過程階段化：滑油泄漏是一個(gè)從底部起始、逐步發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程，明確分為滲漏回流、滲漏加劇、滴漏和成股外流四個(gè)階段。以油滴首次脫離擋板外沿作為密封功能失效的判據(jù)，其對(duì)應(yīng)的臨界封油壓差（ΔP_critical） 是一個(gè)具有明確工程意義的量化指標(biāo)。

轉(zhuǎn)速與溫度的顯著影響：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和滑油溫度對(duì)ΔP_critical有決定性影響。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min增至12500 r/min，ΔP_critical下降85.9%；溫度從40°C升至121°C，ΔP_critical下降83.1%。低轉(zhuǎn)速和低溫度都會(huì)導(dǎo)致滑油在密封間隙處堆積，大幅提高對(duì)封嚴(yán)壓差的需求。

泄漏機(jī)理明晰：泄漏的本質(zhì)是密封界面氣液兩相流動(dòng)的失穩(wěn)。低轉(zhuǎn)速削弱了離心排油效應(yīng)，低溫度增大了滑油的黏滯力和重力，二者共同促使油相在密封前端積聚，從而需要更高的氣動(dòng)壓差予以抗衡。

5.2 未來工作展望

本研究為理解石墨密封的封油特性奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，但仍有諸多方向值得深入探索：

多因素耦合與全工況映射：進(jìn)一步研究供油量、石墨環(huán)磨損狀態(tài)、不同滑油牌號(hào)、軸系振動(dòng)等因素，以及轉(zhuǎn)速、溫度、壓差三者的復(fù)雜耦合關(guān)系，繪制更完整的發(fā)動(dòng)機(jī)全工況“密封安全邊界圖譜”。

瞬態(tài)過程研究：當(dāng)前試驗(yàn)采用準(zhǔn)靜態(tài)降壓法。未來需模擬發(fā)動(dòng)機(jī)加速、減速、引氣突變等瞬態(tài)過程，研究動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)下密封的響應(yīng)特性、泄漏的滯后效應(yīng)和恢復(fù)能力。

先進(jìn)觀測(cè)與微觀機(jī)理：采用更高分辨率的顯微高速攝像、激光誘導(dǎo)熒光（LIF）等技術(shù)，觀測(cè)密封間隙內(nèi)（毫米至微米級(jí)）油膜的生成、破裂、空化等微觀過程，從更基礎(chǔ)的流體力學(xué)層面揭示機(jī)理。

數(shù)值仿真與模型構(gòu)建：基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立并驗(yàn)證能夠準(zhǔn)確模擬石墨密封氣液兩相泄漏的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型和集總參數(shù)模型，用于新型密封的快速性能預(yù)測(cè)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)級(jí)的密封控制策略優(yōu)化。

新材料與新結(jié)構(gòu)探索：針對(duì)極端工況，研究新型復(fù)合材料石墨、表面織構(gòu)化處理、智能自適應(yīng)彈簧等，提升石墨密封在寬工況范圍內(nèi)的魯棒性和壽命。

通過持續(xù)的試驗(yàn)研究、理論深化與技術(shù)創(chuàng)新，必將推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔密封技術(shù)向著更高效、更可靠、更智能的方向發(fā)展，為保障飛行安全與提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能做出更大貢獻(xiàn)。

&注：此文章內(nèi)使用的圖片來源于公開網(wǎng)絡(luò)獲取，僅供參考使用，配圖作用于文章整體美觀度，部分文字引用【韓量宇，趙歡，常城，等 基于引氣封油的軸承腔石墨密封系統(tǒng)滑油泄漏流動(dòng)特性試驗(yàn) 航空學(xué)報(bào)】如侵權(quán)可聯(lián)系我們刪除，如需進(jìn)一步了解公司產(chǎn)品及商務(wù)合作，請(qǐng)與我們聯(lián)系?。?/span>

湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長(zhǎng)為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測(cè)試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競(jìng)爭(zhēng)力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

公司總部位于長(zhǎng)沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號(hào)，株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)、測(cè)試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測(cè)試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實(shí)力。

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