摘要： 本文针对航空发动机中因压气机引气不足或轴承腔供油压力突增导致的轴承腔滑油泄漏问题，聚焦于关键的引气封油部件——，开展了其滑油泄漏流动特性的专项试验研究。通过运用模拟真实工作环境的试验台，可视化观测了滑油泄漏的完整动态演变过程，首次明确了“临界封油压差”的物理判据，并系统探究了转子转速与滑油温度对临界封油压差及泄漏流态的影响规律。研究表明，滑油泄漏依次经历渗漏回流、渗漏加剧、滴漏和成股外流四个阶段，其临界封油压差随转速与温度的升高而明显降低，降幅分别可达85.9%与83.1%。机理分析表明，低转速导致的离心力不足和低温导致的滑油高黏度、高密度是引起滑油在密封间隙堆积、从而需要更高封严压力的最终的原因。本研究为深入理解轴承腔石墨密封的失效机理、优化其封严设计、制定发动机不同工况下的引气压力控制策略提供了重要的理论依照与数据支撑，对提升航空发动机的运行可靠性与安全性具备极其重大意义。
航空发动机的主轴承和齿轮箱等关键旋转部件在高速、高温、高负载的极端环境下工作，必须依赖持续、稳定、洁净的滑油系统来进行润滑与冷却。轴承腔作为容纳这些部件并提供滑油循环空间的关键舱室，其密封完整性必然的联系到发动机的整体性能与安全。滑油泄漏，特别是向核心机气流通道的泄漏，将引发一系列链式不良反应，严重威胁发动机的运行稳定性与可靠性。
首先，性能退化与效率损失是最直接的后果。泄漏的滑油进入核心机（压气机、燃烧室、涡轮）流道，会在叶片、流道壁面形成粘稠的油污沉积。在压气机中，这些沉积物会改变叶片气动型面，增加表面粗糙度，导致压气机效率下降、喘振裕度减小。在涡轮部分，高温环境会使滑油焦化结焦，形成坚硬的积碳，不仅影响气流流通，还可能改变涡轮叶片的冷却效果，导致叶片过热甚至烧蚀。
其次，引发二次故障与安全隐患。泄漏的滑油若接触到高温部件（如涡轮盘、燃烧室外壳），极易引发发动机失火，这是灾难性的事故。此外，滑油蒸汽与空气混合可能形成可燃混合物，存在爆燃风险。泄漏的滑油也会污染发动机舱环境，影响其他附件（如发电机、液压泵）的工作，并可能因滑油消耗过量导致滑油系统供油不足，引发轴承干磨、抱死等恶性机械故障。
最后，增加维护成本与降低出勤率。频繁的滑油泄漏会导致发动机孔探检查周期缩短、提前返厂大修，明显地增加全寿命周期的维护成本，并因非计划停飞而影响航空公司的运营效率。
为防止上述危害，现代航空发动机普遍采用“引气封油”的主动密封策略，即从压气机中间或高压级引出一股压力较高的洁净空气，注入轴承腔外侧的“封严腔”，通过在密封元件（如石墨密封、篦齿密封）两侧建立气侧压力高于油侧压力的正压差，形成一道气障，将滑油牢牢“封堵”在轴承腔内。石墨密封以其优良的自润滑性、耐高温性和摩擦适应性，成为高性能发动机轴承腔密封的关键技术之一。
然而，发动机在实际运行中工况复杂多变。在起飞、爬升等高功率状态下，压气机引气压力充足；但在慢车、下降、高空巡航等低功率状态，或引气系统用于客舱空调、防冰等分流量增大时，可能会引起压气机引气压力不足。另一方面，发动机加减速或滑油系统瞬态响应可能会导致轴承腔供油压力突增。这两种情况都可能破坏密封两侧的压力平衡，导致封严压差减小甚至逆转（油压大于气压），从而引发滑油泄漏。
因此，开展基于引气封油方式的轴承腔石墨密封系统滑油泄漏流动特性试验研究，具有紧迫的工程现实意义和重要的学术价值：（1）揭示失效机理：通过可视化手段，直观揭示滑油在石墨密封间隙内如何启动、发展直至完全泄漏的全过程，深化对密封失效物理本质的认识。（2）量化安全边界：通过试验，精确测定不同工况（转速、油温）下石墨密封系统能够有效封油的最小压差（即临界封油压差），为发动机控制管理系统的引气压力安全阈值设定提供直接的数据支持。（3）指导优化设计：研究结果可用于验证和改进石墨密封的结构设计（如卸荷槽形状、弹簧力设定）、评估密封材料的适应性，并为新型密封方案的研发提供理论验证平台。（4）提升系统安全性：最终目标是为构建更鲁棒、更智能的发动机滑油密封与引气控制管理系统奠定基础，从源头上抑制滑油泄漏风险，保障航空发动机在全飞行包线内的运行安全。
航空发动机的轴承腔滑油密封是一个集成系统，最重要的包含石墨密封（主密封）、篦齿密封（辅助密封/卸荷密封）、引气系统、通风系统和排油系统。其核心密封屏障是基于石墨密封的接触式/准接触式密封。该系统通常布置为：最内侧是轴承腔，充满滑油和油气混合物；向外通过石墨密封与封严腔相隔；封严腔外侧可能设置多级篦齿密封，用于逐步降低泄漏气体的压力，并引回少量可能渗漏的滑油；高压引气从压气机引出，经调节后注入封严腔。
石墨密封组件是一个精密的工程组件，绝非单一的石墨环。其主要由以下部分构成：
石墨环：核心密封件。一般会用高性能浸渍石墨材料制造成，拥有非常良好的自润滑性和耐磨损性。为适应热膨胀和磨损，常设计为由多段石墨扇段拼合而成的整环。扇段之间采用三角形斜搭接头连接，既保证了周向的连续性，又允许微小的相对运动。
“O”型周向弹簧：套在石墨环外圈，提供持续的径向抱紧力，使石墨扇段内径面紧贴非常快速地旋转的转子跑道（一个经过特殊硬化处理的轴套），形成主密封面。
密封座（支撑座）：用于固定和承载整个石墨密封组件，通常安装在封严腔的静子结构上。
挡板：位于石墨环的封严腔一侧，与密封座连接。其作用一是为石墨环提供轴向定位和背部支撑，二是阻挡并引导从密封间隙可能泄漏出的滑油，防止其直接喷射到高温区域，同时其外沿结构是观测泄漏阶段的关键特征。
卡圈与轴向弹簧：用于限制石墨环的轴向移动，并提供一定的轴向浮动补偿能力，以适应转轴的轴向窜动。
卸荷槽：石墨环内径表面精密加工的横槽、环槽和三角槽网络。其核心功能是气动卸荷：当高压气体进入密封间隙时，通过槽道网络在石墨环背部产生一个与气体压力方向相反的开启力，部分平衡气体压力对石墨环的轴向推力，防止环被过度压紧在挡板上导致异常磨损。同时，这些槽道也促进了气体在密封面上的均匀分布，并可作为磨屑的容屑槽。
发动机正常工作时，控制管理系统确保引气系统向封严腔供给的压力（P_seal）始终略高于轴承腔内的油气环境压力（P_sump）。此时，在石墨密封两侧形成“封严压差” ΔP = P_seal - P_sump 0。
气障形成：高压气体从封严腔通过石墨环与转子跑道之间的微小间隙（主要由表面不平度和卸荷槽形成）向轴承腔侧流动。这股持续的气流在间隙中形成一道动态的“气墙”或“气障”。
油相阻隔：轴承腔侧的滑油，在转子搅拌下可能以油雾、油滴或附着在轴上的油膜形式接近密封界面。当试图逆着气流向封严腔迁移时，会受到气动阻力的强烈阻碍。只要封严压差ΔP维持在一个临界值以上，气动阻力就足以克服油相的各种驱动力（如压力差、离心力、黏附力），从而将滑油有效地限制在轴承腔一侧，实现密封功能。
接触与润滑：石墨环在周向弹簧作用下与跑道保持轻接触或极小间隙的准接触状态。引入的气体在接触面间形成极薄的气膜，起到润滑和冷却作用，减少石墨的磨损。这种“以气封油、以气润密”的机理是石墨密封技术的精髓。
为在实验室环境下复现并深入研究上述复杂过程，本文重点介绍某科研机构设计的一种轴承腔石墨密封系统滑油泄漏流动特性试验装置。该装置遵循“功能模拟、参数可控、状态可视”的原则，最重要的包含五大系统：
密封系统：核心部分，1:1模拟了真实发动机中由轴承腔箱体、封严腔箱体（含端盖）以及内置的石墨密封试验件组成的结构。封严腔箱体周向均布多个排气口，用于精确调节腔内压力并模拟气体流动。
供气系统：由空压机、储气罐、精密调压阀、流量计和管路组成，用于向封严腔提供稳定、可调的高压空气，模拟压气机引气。
供油系统：包括油箱、加热器、油泵、滤清器、流量控制阀和喷油管。喷油管指向转子跑道背部特定位置，模拟轴承腔的实际供油环境和油/气掺混状态。
动力系统：由大功率电机、变频控制器、高精度主轴和联轴器组成，驱动转子跑道非常快速地旋转，最高转速覆盖发动机典型工况范围。
数据采集与观测系统：包括压力传感器（测量封严腔和轴承腔压力）、温度传感器（测量滑油温度）、转速传感器、高速摄像机（对准石墨密封界面进行可视化观测）以及数据采集卡和计算机。
试验件严格复刻了真实石墨密封组件的设计。重点在于石墨扇段的型面设计，其内径表面的横槽-环槽-三角槽复合卸荷槽结构被完整加工。转子跑道采取高强度合金钢并经表面硬化处理，保证其耐磨性与真件一致。所有零件（石墨环、弹簧、挡板、密封座）的装配关系与公差配合均按照工程图纸执行，确保试验状态与发动机工作状态具有高度的几何相似性与力学相似性。
试验的核心思路是：在固定转子转速 (n) 和滑油温度 (T) 的工况下，从初始的安全封严状态（ΔP较大，无泄漏）开始，以受控的、缓慢的速度线性降低封严腔压力，从而逐步减小封严压差ΔP，直至滑油发生泄漏，并最终观测到完全失效。具体步骤如下：
工况设定：启动加热器将滑油加热至目标温度T并保持恒定。启动电机，将转子转速n调整至目标值并稳定运行。
初始封严建立：开启供气系统，调节阀门使封严腔压力P_seal远高于轴承腔压力P_sump，建立起一个足够大的初始封严压差ΔP_initial。同时，供油系统开始向轴承腔内喷油。
稳定运行：在该稳定工况（n， T， ΔP_initial）下运行一段时间，确保系统热平衡和流场稳定，并通过观测确认滑油无任何泄漏迹象。
压差递减与泄漏观测：正式试验开始。以极慢的速率（如0.1 kPa/s）缓慢调低封严腔压力P_seal，使ΔP线性递减。操作人员通过高速摄像机实时、密切观察石墨密封环（尤其是下半部分和搭接头处）的界面状态。
当首次观察到有微量滑油在密封间隙处渗漏但未流出挡板外沿时，记录此时的封严压差，称为 “渗漏起始压差” 。
当观察到第一滴完整的油滴脱离挡板外沿，并滴落或飘向封严腔内部时，立即记录此刻的封严压差。将此压差定义为该工况下的 “临界封油压差 (ΔP_critical)” 。此判据具有明确的物理意义：标志着密封系统开始失效，滑油进入不应出现的区域。
重复与变工况：为减少随机误差，每组(n, T)工况重复试验5次。然后，系统地改变转子转速（如从4000 r/min到12500 r/min）和滑油温度（如从40°C到121°C），重复上述步骤，从而获得临界封油压差随转速和气温变化的完整数据库。
试验通过高速摄像清晰捕捉了滑油泄漏从无到有、从轻微到严重的完整动态演变过程。整一个完整的过程具有明确的阶段性和方向性，可分为四个连续阶段：
阶段一：渗漏回流：当ΔP降低至某一阈值（渗漏起始压差）时，在重力作用下，滑油最先从石墨密封整环底部的密封间隙（特别是抗变形力较弱的搭接头区域）微微渗出。渗出的滑油并未获得足够的能量逃离，而是在气流剪切力和自身表面张力的作用下，在挡板外沿与转子跑道之间的狭窄拥挤的空间内往复摆动或形成挂珠，时而略有缩回，呈现“欲漏还休”的状态。此阶段滑油未溢出挡板外沿，未造成实质性泄漏。
阶段二：渗漏加剧：随着ΔP逐步降低，渗出量增大，渗出的滑油开始积聚并逐渐充满挡板外沿的环形空间。在非常快速地旋转跑道的剪切作用下，油体被拉长、延展，可能形成不稳定的油膜或油带，但主体仍未脱离挡板结构的束缚。
阶段三：滴漏：当ΔP降至临界封油压差（ΔP_critical）时，积聚的滑油在气动拖曳力和离心力的共同作用下，克服了与挡板/石墨环的附着力和表面张力，以离散的油滴形式从挡板外沿分离，并被气流带入封严腔深处。“第一滴油滴的分离”是密封功能失效的明确物理标志，因此将此时的ΔP定义为ΔP_critical具有工程上的合理性与严谨性。
阶段四：成股外流：ΔP继续降低，油滴生成频率飞速增加，油滴汇合形成连续的油线或油股，沿着挡板表面或直接被气流吹送，形成大量泄漏。此时密封已完全失效。
试验多个方面数据显示，转子转速是影响临界封油压差的极其显著的因素。当滑油温度固定在40°C，转速从4000 r/min 升至12500 r/min时，ΔP_critical从29.28 kPa 急剧下降至4.10 kPa，降幅高达85.9%。渗漏起始压差也呈现相似趋势，降幅达77.2%。
机理分析：转速的影响主要是通过改变滑油所受的离心力和密封间隙内的两相流场结构来实现。
低转速工况（如4000 r/min）：滑油在轴承腔内受到的离心力较小，其向腔体外围（壁面）运动的趋势弱。当滑油接近转子跑道表面时，更容易在较低的轴向气流速度（对应较低的ΔP）下附着并堆积在跑道表面和密封间隙入口区域，形成较厚的油膜或“油坨”。为了“推开”或“阻挡”这坨油，需要更高的气体压力（即更大的ΔP）来提供足够的气动阻力。
高转速工况（如12500 r/min）：强大的离心力驱使滑油强烈地甩向轴承腔外壁，使得在转子跑道表面附近形成一层相对“干净”的区域，附着油膜极薄。同时，非常快速地旋转的跑道表面对附近气体有强烈的泵送效应，有助于在密封间隙入口维持较高的气速。因此，只需要一个较小的气体压差（较小的ΔP）所形成的气流，就足以阻止少量靠近的滑油入侵密封间隙。
非线性效应：曲线 r/min时，ΔP_critical随转速增加近似线性迅速下降；而当转速超过10000 r/min后，下降曲线趋于平缓。这表明，在极高转速下，离心力的“排油”效应已接近饱和，此时临界压差可能更多由滑油的物性（表面张力、粘度）和气液界面动力学主导。
在固定转速下，滑油温度是另一个关键影响因素。当转速固定，温度从40°C 升高至121°C时，ΔP_critical从29.28 kPa 下降至4.96 kPa，降幅为83.1%。渗漏起始压差降幅为79.9%。
机理分析：温度的影响本质上是改变了滑油的物理性质，主要是动力粘度和密度。
低温工况（如40°C）：滑油粘度高、密度大。高粘度意味着油液内摩擦力大，流动性差，一旦在密封间隙入口处聚集，不易被气流剪切带走，容易形成堆积。高密度则增大了滑油所受的重力和惯性力，使其在压差驱动下（油侧压力相对气侧变高时）向密封间隙内“侵入”的倾向更强。因此，需要更大的封严压差来产生更强的气流以抵抗这种高粘度、高密度流体的入侵趋势。
高温工况（如121°C）：滑油粘度大幅度降低，变得稀薄，流动性极佳。低粘度滑油容易被气流剪切、雾化，不易形成稳定的堆积块。同时密度也有所减小。此时，相对较弱的气流（较小的ΔP）就能有效将其阻挡或吹散。同样，在温度超过100°C后，ΔP_critical下降趋势变缓，原因是在高温下滑油粘度已降至较低水平，其变化对流动特性的影响不再那么敏感。
综合以上试验现象与数据分析，可以勾勒出轴承腔石墨密封系统滑油泄漏的物理图像：
泄漏的发生是气动力、离心力、粘性力、重力、表面张力等多种力在微小密封间隙内竞争与失衡的结果。封严压差ΔP是维持密封的主导性、可控的主动力源（通过气动力体现）。而转子转速（通过离心力）和滑油温度（通过改变粘度和密度）则是两个核心的环境与工况参数，它们深刻影响着滑油自身的状态和所受的其他被动力的强弱。
在低速、低温的“恶劣”工况组合下，滑油呈现高粘、高密、离心力弱的特性，倾向于在密封界面处粘附、堆积，形成厚重的油相前沿。此时，要维持密封，需要控制系统提供很高的引气压力（高ΔP）。这正是发动机在冷启动、地面慢车等阶段密封压力需求最高的原因。如果此时引气压力不足（如飞机地面长时间APU供电，引气来自APU而非主发动机），泄漏风险最大。
反之，在高速、高温的典型巡航工况下，滑油稀薄、离心力强，密封界面处的油相威胁减小。此时，维持密封所需的ΔP明显降低。发动机控制管理系统可以适当降低引气压力，有利于提升发动机效率（减少引气损失）。然而，必须警惕的是，若在此状态下因供油系统波动导致轴承腔油压异常突增，仍可能迅速压垮这个已经变小的安全裕度（ΔP），引发泄漏。
本研究通过试验平台揭示了基于引气封油的轴承腔石墨密封系统滑油泄漏流动特性，主要结论如下：
泄漏过程阶段化：滑油泄漏是一个从底部起始、慢慢地发展的动态过程，明确分为渗漏回流、渗漏加剧、滴漏和成股外流四个阶段。以油滴首次脱离挡板外沿作为密封功能失效的判据，其对应的临界封油压差（ΔP_critical） 是一个具有明确工程意义的量化指标。
转速与温度的显著影响：转子转速和滑油温度对ΔP_critical有决定性影响。在试验范围内，转速从4000 r/min增至12500 r/min，ΔP_critical下降85.9%；温度从40°C升至121°C，ΔP_critical下降83.1%。低转速和低温度都可能会导致滑油在密封间隙处堆积，大幅度提高对封严压差的需求。
泄漏机理明晰：泄漏的本质是密封界面气液两相流动的失稳。低转速削弱了离心排油效应，低温度增大了滑油的黏滞力和重力，二者共同促使油相在密封前端积聚，从而需要更高的气动压差予以抗衡。
本研究为理解石墨密封的封油特性奠定了坚实基础，但仍有诸多方向值得深入探索：
多因素耦合与全工况映射：进一步研究供油量、石墨环磨损状态、不同滑油牌号、轴系振动等因素，以及转速、温度、压差三者的复杂耦合关系，绘制更完整的发动机全工况“密封安全边界图谱”。
瞬态过程研究：当前试验采用准静态降压法。未来需模拟发动机加速、减速、引气突变等瞬态过程，研究动态压力波动下密封的响应特性、泄漏的滞后效应和恢复能力。
先进观测与微观机理：采用更高分辨率的显微高速摄像、激光诱导荧光（LIF）等技术，观测密封间隙内（毫米至微米级）油膜的生成、破裂、空化等微观过程，从更基础的流体力学层面揭示机理。
数值仿真与模型构建：基于试验数据，建立并验证能够准确模拟石墨密封气液两相泄漏的计算流体动力学（CFD）模型和集总参数模型，用于新型密封的快速性能预测与发动机系统级的密封控制策略优化。
新材料与新结构探索：针对极端工况，研究新型复合材料石墨、表面织构化处理、智能自适应弹簧等，提升石墨密封在宽工况范围内的鲁棒性和寿命。
通过持续的试验研究、理论深化与技术创新，必将推动航空发动机轴承腔密封技术向着更高效、更可靠、更智能的方向发展，为保障飞行安全与提升发动机性能做出更大贡献。
&注：此文章内使用的图片来源于公开网络获取，仅供参考使用，配图作用于文章整体美观度，部分文字引用【韩量宇，赵欢，常城，等 基于引气封油的轴承腔石墨密封系统滑油泄漏流动特性试验 航空学报】如侵权可联系我们删除，如需进一步了解公司产品及商务合作，请与我们联系！！
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