分析密封环的位置状态工作原理

涡轮增压器目前普遍采用活塞环式密封，为区别于活塞中使用的活塞环，通常称为密封环。增压器密封环安装后，密封环②开口间隙被压缩，产生弹力贴紧在轴承体等非转动件①上，以下简称此处为环座，并且与转子环槽③形成一定的侧面间隙，如图1 所示。

图1　涡轮增压器密封结构示意

增压器转子不仅旋转而且将会沿轴向移动，轴向的移动量由增压器止推轴承所限制，形成一个静态最大轴向移动量，称为设计轴向窜量。而密封环侧面与环槽之间也会有一定的间隙，这样密封环侧面间隙与设计轴向窜量会产生相关关系。

因为密封环侧间隙是影响密封漏气量最重要的结构参数［5］，为了获得较低的泄漏，希望选择小的侧间隙，很多设计的侧间隙要小于设计轴向窜量。某型增压器密封环侧间隙为0.05～0.09 mm，设计轴向窜量为0.09～0.12 mm。在增压器运转工作时，因为有止推轴承承载油膜作用，将减小工作状态的轴向窜量，最小油膜厚度为0.02～0.03 mm，所以动态最大轴向窜量可达到0.03～0.08 mm。也就是说，在工作状态时，将有密封环紧贴环槽，甚至有密封环被转子沿轴向推动的情况出现。当止推轴承不足以承载轴向力时，油膜厚度将减小，密封环紧贴环槽，密封环被推动的情况出现频率就会更高，因为加减速时轴向力会比稳定运转时大［6］，这样的情况在加减速时会更多地发生。

因此，在这样的条件下密封环工作状态有4 种情况：

状态1——环与环槽不接触，密封环处于环槽中间附近位置，与环槽两端均不接触，如图2（a）所示。绝大部分运转时处于这样的状态。

状态2——环与环槽短暂接触，由于转轴在气动力作用下会沿轴向移动，密封环侧与环槽短暂接触即脱离，如图2（b）所示。

状态3——环与环槽持续一段时间接触，由于密封环环侧气体压力大于密封环与环座的摩擦力，密封环被长时间地压到环槽一端，如图2（c）所示。

状态4——密封环缩口，在环槽内处于自由状态，如图2（d）所示。此状态密封环缩口或闭口，密封环弹力几乎消失，密封环将无法涨紧在环座内；密封环在环槽内呈自由状态，对密封环的磨损显著减弱；密封环失效，泄漏大幅度增加。如图3 所示，即该状态的一例。

图2　密封环工作状态示意图(www.xing528.com)

（a）状态1；（b）状态2；（c）状态3；（d）状态4

图3　密封环磨损、闭口和缩口故障件

状态1 和状态4 是会相对长时间工作的稳定态，状态2 和状态3 均是相对短时间工作的过渡态，因此，我们要重点探讨状态1 如何转化为状态4。

由于气动轴向力的作用，转轴正常轴向窜动时，密封环与转轴上环槽可能会短暂接触，密封环被微量磨销，同时密封环移位，密封环与环座摩擦力仍大于环侧压力，然后密封环移位停止，回到第一种状态。

当密封环处于高温环境时，密封环弹性模量下降，进而导致密封环弹力下降，引起密封环摩擦力下降，以至于使得密封环与环座摩擦力小于环侧压力；或者由于环侧间隙小等因素，密封环环槽与密封环摩擦过量，使得密封环弹性模量下降、弹力下降，从而使得环与环座摩擦力小于环侧压力。密封环将被压到环槽一端，即第三种状态，在持续一定时间后，密封环的弹力进一步降低，在较低的气体压力下就会再次发生这种状况，磨损加剧，恶性循环，以致密封环会很快闭口，密封环将缩口或闭口，密封环不能涨紧在环座上，即到第四种状态，如图4 和图5 所示。

图4　密封环工作状态转化的条件与转化的路径之一

图5　密封环工作状态转化的条件与转化的路径之二

由以上分析可以发现，密封环弹力与环侧气体压力决定了密封环工作在什么状态，因此，密封环弹力与环侧承受气体压力的匹配需要在设计时有仔细的计算。下面对这些问题作进一步的分析。