1 引言
随着航空技术的发展，飞机型号研制对机电系统的技术要求越来越高，而机电系统技术积累存在差距愈显不足，成为制约飞机发展的瓶颈，具体表现为性能、可靠性和寿命指标一直难以突破。液体泵作为一种关键基础产品普遍存在于机电设备中，广泛应用于燃油、液压、环控等系统，对系统的安全性、可靠性、维护性和寿命具有重要影响。在役飞机机电系统故障数据统计表明，其成品故障中近30%是由于密封失效引起的，其中动密封失效导致的故障率占到60%以上，因泄漏造成的重大质量问题也时有发生，严重影响了在役飞机的出勤率。
在研及未来飞行器的典型特征表现为“更高、更快、更远”，对液体泵的可靠性和寿命提出了更高的要求。首先，现有液体泵特别是带有动密封组件的产品其寿命远远无法满足“视情维修”的要求；其次，从隐身方面考虑，现有液体泵也无法外接渗漏管道，将渗漏的液体排出机外。第三，超音速、超机动的发展方向会带来温度变化宽、振动冲击大等一系列更加严酷的机载环境，这些都将对液体泵动密封的寿命与可靠性构成重大技术挑战。
因此，开展动密封优化及替代技术研究，提高液体泵可靠性和寿命，切实保障现役、在研和未来飞机的飞行安全和出勤率，具有重要的应用价值和战略意义。
2 液体泵动密封优化方案
2.1 机械密封优化方案
机械密封为最常见的动密封结构，机械行业标准JB/T 1472—2011《泵用机械密封》规定了轴颈小于50mm时，泄露量≤3ml/h，因此采用机械密封的液体泵必须外接泄露管道，保证泄露的管道排出机外，不影响产品和系统。针对机械密封优化，可利用精细加工技术实现表面形貌精确控制，改善端面摩擦副的润滑状况。在机械密封环端面进行微尺度几何形貌的激光加工,能够在减小机械密封泄漏的同时解决摩擦副的摩擦磨损问题，提高机械密封的可靠性和寿命。一系列试验研究表明：带有微观凹腔的机械密封能够有效提高液膜的承载能力，端面间摩擦损失、温升均大为减少，使用寿命可达到原来的10倍以上。典型的微织构样式见图1。
图1 密封端面典型的微织构样式
2.2 机械密封加皮碗的结构优化方案
机械密封存在渗漏指标，单独采用的时候必须外接渗漏管道。对于皮碗密封，GB/T 21283.4-2008《密封元件为热塑性材料的旋转轴唇形密封圈 第4部分：性能试验程序》和GB/T 13871.4-2007《密封元件为弹性材料的旋转轴唇形密封圈 第4部分：性能试验程序》均规定不允许有泄漏。说明皮碗密封可以做到零渗漏，但是皮碗密封一般不耐压力。
为避免机械密封与皮碗密封各自的缺点，液体泵结构设计时可以将机械密封和皮碗密封结合起来，机械密封放在前边，皮碗密封作为主密封放在后边，同时在壳体上和轴上设置了两道流通回路。液体首先通过机械密封减压，渗漏的少量液体可通过流通回路回到叶轮进口，这样可将进口的低压液体引到皮碗前端，降低了皮碗的密封压力，提高了皮碗密封的可靠性性，具体结构设计见图2。该种密封结构已在某重点型号上应用，外场应用良好，并申请了专利。
图2 产品密封原理图
2.3 磁流体密封解决方案
磁流体密封的研制始于20世纪60年代，最初应用于航天领域，处理在外层空间失重环境下火箭液体燃料的固定和宇航服的真空密封。磁流体密封装置由外壳、永磁铁、磁极、转轴和磁流体所组成。见图3。
图3 为磁流体密封装置示意图
其中，永磁体为硬磁材料，磁极、转轴为导磁性能好的软磁材料，外壳为非导磁材料。磁极和转轴之间的间隙为密封间隙，密封间隙内充入磁流体。由于磁极极尖下磁场最强，磁流体被磁场力吸附在极尖处，在密封间隙形成一道“O”形密封环。当无外加压差作用时，磁流体处于磁场最强处，即密封间隙的最尖处。当有外加压差时，磁流体的位置和形状发生变化，磁场对磁流体产生的轴向力同外加压差相平衡，磁流体处于新的平衡位置，阻止被密封介质泄漏，从而达到密封的目的。由于磁流体是液体密封，无固体间的摩擦，故摩擦力小，功率损失小。
由于单个密封圈只能承受15kPa～25kPa的压差，故用于液体泵时可将整个密封系统设计为多个磁流体密封圈串联的方式整合来提高系统的密封能力。如图4所示，整个密封装置能承受的压力就为各级压差之和，从而产生较高的密封效果。从当前资料来看，一般最多可设计70级～80级，大约能承受1MPa～2MPa的系统压力，该承压能力已能满足航空液体泵的需求。
图4 磁流体密封的多级设计
与普通的机械密封方式相比，磁流体密封有着无可比拟的优越性。其主要优点有:
a) 密封性能好。泄漏量最高小于10－12m3/(Pa·s)；
b) 可靠性高。磁流体密封件在正压情况下产生瞬时过压击穿时，由于具有溅射特性，能自身“愈合”，当压力降低到密封可以承受的程度时，密封效果依然保持，因此使用的可靠性相当高；
c) 无方向性密封。密封件的左右两侧都能承受压力，没有方向性。如果需要改变承压方向，对于磁流体密封件来说，无需增加任何元件即能完成；
d) 密封处不需要高的光洁度，允许有较大的尺寸误差。流体能适应各种配合间隙、形状和表面状况，允许轴有一定的偏心和径向跳动；
e) 低摩擦、低磨损、低发热。在装有轴承的密封件中，除了轴承在旋转过程中的机械磨损外，内部磁芯组件和转轴不直接接触，因而磨损小、发热低，所需的运转动力小；
f) 使用寿命长。用于磁流体密封的磁性载液一般具有惰性、稳定、低蒸汽压等特点，挥发消耗量极低，正常工作寿命一般都在10年以上，且更换添加磁流体后还可继续使用。
当然，磁流体密封也有一些很难克服的缺点，主要有以下几点:
a) 对于密封压力要求较高的场合需要做多级密封，导致轴向尺寸较长；
b) 磁流体密封不适合压力暴增的气体或流体密封，压力暴增会导致磁性液体密封整体
冲破，进而密封失效，被密封介质泄漏；
c) 要求被密封介质与磁流体载液互相不溶合，且不适合会造成磁流体蒸发和磁铁退磁
的场合。
磁流体密封在民用上应用广泛，在航空军品上未见有应用，主要原因是由于尺寸较长，磁流体密封可以和机械密封、双螺旋密封等其他型式密封组合，降低密封系统尺寸、重量。
北京交通大学李德才团队研究磁流体密封多年，代表着国内磁流体密封的最高水平。
2.4 动密封总结
航空液体泵采用的动密封均是属于接触式密封，不可避免存在磨损、老化。而且一款动密封经过鉴定合格后，也很难做到批产交付时每一个动密封都能满足寿命、可靠性要求。影响动密封失效因素复杂，失效机理不明，传统解决动密封问题主要是基于经验和试验，通过不断调试实现对密封件的参数设计和优化，而对动密封的变化规律缺乏深入和全面的研究。南京机电申请的国防973项目《飞机机电系统流体动密封基础理论研究》，以现役及未来先进飞机机电系统的“高可靠、长寿命、准预测”为目标，形成机载环境下机电系统流体动密封的设计理论及寿命预测评估方法，突破高压宽温往复密封、高速旋转动密封的关键技术，在我国飞机机电系统流体动密封基础理论方面取得源头创新成果，形成我国飞机机电系统流体动密封的自主设计能力，为实现飞机机电系统装备的跨越式发展奠定基础。
3 液体泵动密封替代方案
动密封存在的渗漏风险无法彻底克服，民用对于密封渗漏要求较高的场合一般采用无密封泵，摒弃了机械密封或皮碗密封等旋转动密封，采用静密封或其他连接方式提高密封可靠性，可彻底避免动密封渗漏风险。民用常见的无密封泵有磁力泵和屏蔽泵两种。
3.1 磁力泵方案
二十世纪30年代末，日本学者提出磁力传动技术，由于当时各种磁性材料的发展还未
成熟，磁力联轴器的研究进展缓慢。到了二十世纪60年代，磁性材料发展迅速，国外许多厂家开始研制或大量生产多种磁力驱动离心泵，磁力联轴器也进入了快速发展阶段，被应用于越来越多的领域。
磁力泵是运用永磁磁力传动技术的一种无泄漏泵,主要由泵体、叶轮、内磁转子、外磁转子及电动机组成,其结构简图如图5所示。电机驱动外磁转子旋转,外磁转子通过磁力与内磁转子耦合,使内外磁转子同步运转。内磁转子上装有叶轮。这样,位于内外磁转子之间的隔离套将可能外漏的液体隔开,实现了无轴封、完全无泄漏的目的。
图5 磁力传动原理
南京机电针对某型动密封液体泵进行改型研制磁力泵，两个泵技术参数对比见表1。
表1 动密封泵和磁力泵性能参数对比
由表1对比可知，磁力泵完全可以替代动密封泵，保证外形、接口完全不变，只是重量增加10%左右，效率降低(6～7)%。
3.2 屏蔽泵方案
屏蔽泵是50年代初为满足核能工业完全无泄漏和最高可靠性要求而研制生产的，我国屏蔽电泵的研制开发始于1963年，后来在日本屏蔽泵技术基础上自行研发。屏蔽泵是一种无泄漏泵，泵的叶轮直接安装在转子的轴伸端，并在同一密封壳体内，没有机械密封等动密封结构，从根本上消除了液体的泄漏隐患。南京机电给某型号研制的屏蔽泵结构见图6。
图6 屏蔽泵结构
屏蔽泵的关键技术是电机的屏蔽，对于交流电动机来说，定、转子之间的气隙很小(一般0.3mm)，若采用屏蔽套的话，电机效率大大降低，所以航空交流电机屏蔽泵采用灌胶的方案。对于直流电机，定、转子之间的气隙可达到2mm，定子可用薄壁的屏蔽套零件保护起来，屏蔽套材料要求非磁性、高电阻、强度好，工业上常用奥氏体不锈钢、因科镍(Inconel)合金、哈斯特(Hastelloy)合金、钛合金等。航空用屏蔽泵由于转速高、效率要求高，通常采用钛合金，也可采用高强度塑料，如PEEK材料。南京机电某型号针对钛合金屏蔽套和PEEK材料屏蔽套进行了对比试验，具体数据见表2。
表2 钛合金屏蔽套和PEEK材料屏蔽套试验结果对比
由表2可知，虽然钛合金相对于奥氏体不锈钢、因科镍合金、哈斯特合金等材料，电阻率够大，但是与完全不导电的PEEK相比，钛合金屏蔽套上仍有8%左右的涡流损失，从效率方面考虑，屏蔽套建议采用PEEK材料。
3.3 磁力泵和屏蔽泵对比
磁力泵和屏蔽泵两种新结构液体泵，均能彻底避免动密封的渗漏风险。对于交流电机驱动的液体泵，首选磁力泵，因为交流电机屏蔽泵一般采用灌胶方案，仍然存在老化、开裂风险。对于直流电机驱动液体泵，根据南京机电某重点型号同时研制磁力泵和屏蔽泵经验，屏蔽泵效率、重量占优，磁力泵可靠性更高、维修性好，工艺成熟，两种方案对比见表3。选择磁力泵还是屏蔽泵可以根据具体需求，特别是主机更关注哪些参数指标，一起协商确定。
表3 某型号磁力泵、屏蔽泵方案对比
4 结论
本文首先介绍了航空液体泵面临的瓶颈，然后介绍了动密封优化方案，其中机械密封可利用精细加工技术实现表面形貌精确控制，改善端面摩擦副的润滑状况；通过机械密封加皮碗密封的结构优化，也可提高密封的可靠性和寿命；本文也探讨了磁流体密封应用于航空液体泵的可能性。由于动密封的渗漏风险无法彻底克服，本文又比较了磁力泵和屏蔽泵两种动密封替代方案，结合某重点型号探讨了磁力泵和屏蔽泵各自特点和优缺点。由于磁力泵和屏蔽泵能彻底避免动密封的渗漏风险，是以后航空液体泵的发展方向。
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