1  

Mechanics of Contact and Lubrication, ME5656 Department of Mechanical & Industrial Engineering 

Northeastern University Fall 2009 

 

 

 

ApplicationofTribologyinAircraftEngineSealingTechnology 

RuiLiu

PHD student of Northeastern University 

Marlborough Street 386, Boston, MA 02115, USA 

Liu.ru@husky.neu.edu  

 

Abstract

The seals are the  important component of the aircraft engine to prevent  leakage of gas or oil. 

Because  the contact and  friction problems have a great  influence on  the performance of  the 

seals,  the  concept  and  theory  of  tribology  is  already  widely  applied  in  research  and  design 

processes of advanced seals. This report selected three kinds of representative seals which are 

commonly used on  the modern aircraft engines as  the research object:  labyrinth seals, brush 

seals and mechanical face seals. The principles of every kind of seals will be analyzed from the 

tribology  viewpoint.  The  concept  and  theory  of  tribology will  also  be  applied  in  solving  the 

contact and  friction problems which  limit  the performance and  the service  life of seals. Thus 

reveals the close connection between the tribology and the aircraft engine sealing technology.  

 

1 Introduction

Labyrinth seals, brush seals and mechanical face seals are three kinds of seals which are already 

commonly used  in modern advanced aircraft engines.   The  structure of  labyrinth  seals  is  the 

 

simplest 

advantag

turbine p

unavoida

technolo

brush sea

service  l

should b

leakage. 

to‐face o

problem 

principle

this repo

 

2 Laby 

2.1 Fun

The singl

(Figure 2

passage o

of the three

ges, labyrint

parts. Altho

able under m

ogy applied  i

als are alwa

ife of  brush

e solved. M

 It consists o

on  a  lapped 

between  tw

s of these s

ort. 

yrinthsea

ndamentalp

le most com

2.1).  Labyrint

of  fluid  throu

e and the se

h seals are w

ugh  labyrint

many  specif

n aircraft en

ys used in t

h  seals  and 

echanical fa

of two ident

seal  face.  S

wo  faces. H

eals and to 

ls

principleso

mmon flow p

th  seals on  r

ugh a variety 

rvice life of 

widely applie

th  seals belo

fied  conditio

ngines  in rec

he regions o

the wear  p

ace seals alw

tical metal se

So,  the Mec

How  to  use 

analyze the

fLabyrinth

path seal us

otating  shaft

of  chambers

2 

this kind of 

ed between

ong  to non‐

ons.   Brush 

cent decade

of high press

roblem  of  t

ways applied

ealing rings 

chanical  face

the  tribolog

e contact an

seals

ed over tur

ts provide no

s by  centrifug

contr

centr

outsid

Simila

desig

cham

cham

motio

acts t

seals is also

n rotor and s

‐contact  sea

seals are on

es. Because 

sure. Due to

the  rotor  su

d in the bear

mounted in 

e  seals  coul

gy  theory  to

nd friction p

bine‐engine

on‐contact  se

gal motion, a

rolled  fluid 

ifugal motion

de and  there

arly,  if the  lab

ned,  any  liqu

mber  become

mber,  where 

on. This acts 

to repel any o

o very long. 

stator of the

als, undesira

ne kind of a

of the  low  l

o the high sp

urface  are  th

ring chambe

two separa

ld be  treate

o  describe  t

roblems wil

e history  is t

ealing action 

as well as by

vortices.  At

n  forces  the 

efore away  fr

byrinth cham

uid  that has 

es  entrapped

it  is  forced 

to prevent  it

other fluid. T

Because of t

e compresso

able  contact

advanced  se

leakage rate

peed friction

he  key  prob

ers to preve

te housings 

ed as  the  fri

the  fundam

l be discuss

he  labyrinth

by  controllin

y  the  formati

t  higher  sp

liquid toward

rom any pass

mbers are cor

escaped  the 

d  in  a  laby

into  a  vorte

ts escape, and

The  labyrinth

these 

r and 

ts are 

ealing 

e, the 

n, the 

blems 

nt oil 

face‐

iction 

mental 

sed  in 

h seal 

ng  the 

ion of 

peeds, 

ds the 

sages. 

rrectly 

main 

yrinth 

ex‐like 

d also 

h seal 

 

consists o

on locati

location.

speeds u

rates. La

inter‐stag

Figure 2

2.2 The

Actually, 

states, th

need to b

states an

contact  w

friction  c

undesira

contact, 

of multiple k

on. Labyrint

Seal tempe

up  to 1500  f

byrinth seal

ge locations

.2: Knife edg

efrictionpr

labyrinth  s

he rotating l

be thought o

nd  loading st

will make  t

caused by  th

ble  contact 

there are va

knife edges 

th seal press

eratures are 

ft/s.  Labyrin

s are used a

.  

ge air seals a

tu

roblemofLa

seals  belong

and will not

of. However

tates, the co

the  clearanc

he  contact w

or  keep  th

arious ways t

run in close

sures in curr

generally 1

nth  seals  are

as shaft sea

and honeyco

urbine of PW

abyrinthsea

g  to  non‐con

t contact wit

r, because o

ontact betw

ce  of  the  la

will damage

e  clearance

to solve this 

3 

 clearance t

rent engines

1300 °F or  le

e  clearance 

ls and as  in

ombs betwee

W4000 aircra

 

als

ntact  seals. 

th the statio

f the impact

ween the rot

abyrinth  sea

e  the  substr

e  of  the  of  t

problem. 

to the rotor 

s can be as h

ess. Labyrint

seals  and  t

ner air seals

en vanes an

aft engine 

When mac

onary land. S

ts of operat

tor and the 

als  become 

rate materia

the  labyrint

(0.010‐0.02

high as 400 p

th seals are 

therefore ha

s  ‐ sealing t

d drums of t

chines  opera

So the frictio

ional enviro

stator  is ha

bigger  and 

al.  So,  in ord

th  seals  in  t

0 in.), depen

psi dependin

used  for su

ave high  lea

he vane‐to‐

 

the low pres

ate  in  the  s

on problem 

onments, wo

rd to avoid.

bigger,  and

der  to  avoid

the  event  o

nding 

ng on 

urface 

akage 

drum 

ssure 

stable 

is no 

orking 

   The 

d  the 

d  this 

of  the 

 

2.2.1 A

 Advance

coated w

characte

tipped  s

honeyco

Clearanc

tight as i

to the ab

edges  a

mating la

used in a

 

2.2.2 T

The high

case of t

axis  dire

friction b

problem

clearance

much alt

Thermal 

stator.  B

expansio

along the

on the ai

to  the ci

AbradableLa

ed  designs  i

with an abras

ristics  even

seals  will 

mb  or  spr

es  will  be 

s prudent. A

brasive and w

nd  the  sub

and.  This st

advanced air

TheDoubleC

 pressure co

he high pres

ction  is  har

between  the

. The outer c

e  between 

hough the o

expansion  i

Because the 

on  rate  alon

e circumfere

ircraft engin

rcumferenti

ands

ncorporates

sive to main

n  after  a  r

be  run  ag

rayed,  abra

maintained 

Also, the fric

will not dam

bstrate  mat

ructure is al

rcraft engine

CaseandRin

ompressor is

ssure compr

d  to  avoid. 

e  rotor  and 

case is used

the  rotor  a

outer case de

s another fa

material ar

g  the  radius

ential direct

ne to obtain 

ial direction

s  labyrinth  k

ntain sharp k

ub.  Abrasiv

gainst  eithe

dable  lands

at  levels  a

tion will lim

mage the knif

terial  of  th

lready widel

es. 

ngCase

s the part w

ressor is the

This  deform

stator. Dou

 to support

nd  stator. W

eforms a lot

actor which 

ound the ax

s direction  i

ion. In orde

the uniform

. Practice ha

4 

knives  (refer

knife edges a

ve 

er 

s. 

as 

it 

fe 

he 

ly 

where labyrin

e support str

mation will 

uble  case  is 

the load, an

With  this  de

.      

could affec

xial flange is

is not unifo

r to deal wit

m thermal ex

as shown  th

rred  to  as  kn

and retain r

nth knives a

ructure, the

change  the 

the design 

nd the inner 

esign,  the  c

ts the cleara

s always thic

rm,  and  the

th this prob

xpansion, be

hat  this desi

nife  edge  air 

elatively goo

re in wide u

 bending de

clearance  a

which  is us

case is used

learance wi

ance betwe

cker than th

e  clearance 

blem, the rin

ecause the f

ign could no

  seals,  Figure

od pressure 

use.  Becaus

eformation i

and  increase

sed  to  solve

d to maintai

ll  not  chang

en the roto

e other part

will be diffe

ng case is ap

flange is cha

ot only solve

e  2.3)

drop 

e the 

n the 

e  the 

e  this 

n the 

ge  so 

r and 

t, the 

erent 

pplied 

anged 

e  the 

 

friction p

engine.  

 

2.3 Su

Under st

not conta

research 

believed 

to  disrup

turbulen

configura

land  poi

turbulen

of surfac

FIGURE 2

problem cau

rfaceRoug

able operati

act each othe

of  Stocker  e

to be the re

pt  the  flow 

ce  might  b

ation.   The 

nts  out  the

ce in reduci

e roughness

2.2: EFFECT OF

used by  the 

ghnessEffec

ing states, a

er,  the surfac

t  al.  [1],  the

esult of incre

field  throu

e  more  tha

little change

e  significant 

ng leakage t

s on seal leak

F SURFACE ROU

thermal exp

ctontheLa

lthough the 

ce  roughness 

e  leakage  re

eased frictio

ugh  the  sea

an  offset  by

e  found  in  t

contributio

through mul

kage.  

UGHNESS ON S

STRAIG

5 

pansion but

abyrinthse

knife edges 

also affects 

eduction  ach

on losses and

l.  The  bene

y  the  increa

he single kn

on  of  the  bo

ti‐knife seal

SEAL LEAKAGE 

HT SEAL (Ref. [

t also  increa

eals

 and abrada

the perform

hieved with

d higher sur

efit  gained  f

ased  leakag

nife seal  lea

oundary  lay

s. The figure

COMPARED TO

[1]) 

ase  the surg

able land of L

ance of  the s

h  the mediu

rface turbule

from  increa

ge  area  for 

akage  for  th

yer  and  the

e 2.2 and 2.3

O A SMOOTH  

e margins o

Labyrinth sea

seals. Base o

um  rough  la

ence which t

ased  friction

the  rough 

e medium  r

e  seal  interc

3 show the e

 

LAND FOUR K

of  the 

als will 

on  the 

nd  is 

tends 

n  and 

land 

rough 

cavity 

effect 

NIFE 

 

FIGURE 2

3 Brus

3.1Fu

A  brush 

honeyco

plate and

2.3: EFFECT OF 

shseals

undamenta

seal  (Figur

mb seals. B

d a backing p

SURFACE ROU

alprinciple

e  3.1)  is  an

rush seals c

plate.  

Fi

UGHNESS ON S

STRAIG

esofBrush

n  air‐to‐air 

consist of a 

          

gure 3.1: Str

6 

EAL LEAKAGE C

HT SEAL (Ref. [

 

seals

seal  that  p

dense pack 

      

ructure of Br

COMPARED TO

[1]) 

provides  an 

of bristles 

rush Seals 

O A SMOOTH L

alternative

sandwiched

LAND SINGLE K

e  to  labyrint

d between a

KNIFE 

th  or 

a  face 

 

7  

The bristles are oriented to the shaft at a  lay angle (generally 45 to 55 degrees) that points  in 

the direction of rotation. 

Brush seals offer many advantages when compared with traditional seals. Unlike the  labyrinth 

seal, a brush seal  is designed to come  in contact with the rotor to provide a positive seal. The 

flexibility of the hair‐like wires enables the seal to automatically adjust to accommodate rotor 

excursions  typically  encountered  during  start‐up,  shutdown  or  even  passing  through  critical 

vibrations during normal operation. As early as  the  first  start‐up,  the  labyrinth  seal  could be 

compromised if it contacts the rotor. The brush seal will maintain its sealing capabilities with no 

significant loss in performance for up to 10,000 hours. Jet engines outfitted with brush seals can 

realize a 50% reduction in leakage compared to similar engines utilizing only labyrinth seals. 

A primary attribute of  the brush seal  is  its ability  to accommodate  transient shaft excursions 

and  return  to  small  running  clearances,  unlike  labyrinth  seals  that  wear  to  the  full  radial 

excursion  opening  large  leakage  paths.  Brush  seals  are  designed  initially with  a  small  radial 

interference  £0.004  in.  to  accommodate  seal‐to‐shaft  centerline  manufacturing  variations. 

Leakage rates on initial run can be as little as 10‐20% of comparable labyrinth seals.  

Experience has shown that during engine operation, brush seal  flow rates do  increase due to 

wear. After extended operation, brush seals will wear to a clearance opening a small radial gap 

at part‐power conditions. However, brush  seal performance  is generally better  than  the best 

performing labyrinth seals.  

Brush seals are used in multiple stages for pressure differential above 80 psi, to prevent bristle 

packing and deflection under the backing plate causing excessive wear. Cobalt based alloys such 

as Haynes 25 are current bill‐of‐materials for most brush seals. Currently, seal temperatures are 

generally 1300  °F or  less and  surface  speeds are generally 1000  ft/s or  less. Brush  seals will 

continue  to  evolve  to meet  the  evermore  demanding  conditions  they  are  subjected  to.  In 

advanced engines surface speeds are expected to reach 1650 ft/s with temperatures reaching 

1500  °F.  Long  term  durability  at  these  extreme  conditions  is  the  primary  concern.  Higher 

temperature materials will be required for the bristles and for the wear‐resistant shaft coatings. 

It  is envisioned that cobalt based superalloy bristles may be replaced  in the high temperature 

 

(up  to 15

tenaciou

Under th

wear  are

generate

investiga

not yet p

wear live

 

3.2So

Inherent 

frictional

themselv

hysteresi

determin

500  °F)  loca

s oxide, with

Fi

hese extrem

e  highly  des

ed during op

ated. Cerami

proven, hard

es. 

olvethefric

flexibility  o

l  interaction

ves, brush se

is  affects  se

ning  heat  ge

ations. Nicke

h lower frict

igure 3.2: Br

e conditions

sirable.  Rese

peration can

ic brush sea

d ceramic b

ctionprobl

of  brush  sea

n  between  t

eals are kno

eal  perform

eneration  a

el based  sup

ion at highe

rush seals us

s, designs th

earchers  are

 aid in redu

als are being

ristles may 

lemofBrus

als  allows  fi

the  fibers  a

own to exhib

ance  after 

nd  seal wea

8 

peralloys,  su

r temperatu

sed in the PW

 

hat would sig

e  investigati

cing wear. O

g  investigate

be more we

shSealsby

bers  to  com

and  the  bac

bit pressure 

a  rotor  exc

ar  during  h

uch as Hayne

ures. 

     

W4000 aircra

gnificantly li

ng whether

Other propri

ed by a num

ear resistant

yfiniteelem

mpact  under

cking  plate  a

stiffness an

ursion,  pres

ard  rubs.  T

es 214,  form

                  

aft engine 

imit the irre

r  the  small 

ietary desig

mber of  rese

t and may o

mentmetho

r  pressure  l

as well  as w

d hysteresis

ssure  stiffen

Typically  bru

m a more  st

ecoverable b

bristle  lift  f

ns are also b

earchers. Th

offer  longer 

od

oad. Due  to

within  the  f

s behavior. W

ning  is  critic

ush‐rotor  co

table, 

bristle 

orces 

being 

hough 

term 

o  the 

fibers 

While 

cal  in 

ontact 

 

occurs at

extreme 

stiffness 

the effec

finite ele

 

3.2.1F

Based on

Staggere

structure

the resul

 

3.2.2C

There  ar

surface  i

and the b

t very high s

wear and d

should be c

ctive method

ment metho

FiniteEleme

n the practic

d  configura

es. On the ot

t. The finite 

ContactDefin

re  three  typ

s defined as

bristles coul

surface spee

damage  to  r

ontrolled th

d to calculate

od to create 

ntModel

cal structure

ation  is  cho

ther hand, t

element mo

Figure 3.3

nitions

pes  of  conta

s the rigid su

d deform. T

eds.  If not m

rotor.  In ord

hrough seal d

e bristle forc

3‐D model t

e, create the

osen  as  the

the spacing o

odel is as fol

3: The finite 

act  in  this m

urface conta

The contact 

9 

managed pro

der  to ensur

design and d

ces. In the fo

to obtain the

e every brist

e  bristle  lay

of bristles is

low (figure 3

                   

element mo

model.  The  c

act. The roto

between the

operly, high

re engine o

detail analys

ollowing par

e tip force.

tle model as

youts,  which

s another ve

3.3): 

     

odel of brush

contact  betw

or surface  is

e bristles an

 contact  loa

perational  s

sis. Finite ele

rt, I will intro

s a quadratic

h  is  more  c

ery importan

h seals 

ween  the  b

s regarded a

nd the backi

ads may res

safety brush

ement meth

oduce how t

c beam elem

common  in

nt factor to a

bristles  and 

as the rigid b

ng plate is s

ult  in 

h  seal 

hod is 

o use 

ment. 

n  real 

affect 

 

rotor 

body, 

set to 

10  

the  softened  contact, which  is defined  in  the ABAQUS. And  the  slide  line  contact  is used  to 

model the interaction among the bristles.  

 

3.2.3FrictionDefinitions

The  friction  is defined as coulomb  friction  for all  the contacts of  the  seal model. The  friction 

coefficient for Haynes 25 is 0.28 which is obtained by Crudgington et al [2]. 

 

3.2.4BoundaryConditions

The backing plate  limits the axial motion of the bristles. Because the bristles are always stuck 

together, we could assume the  load  just transfer between the  first bristle and the  last bristle 

without considering  the effect of  the bristles between  them.     And  rotor  surface also  should 

have the velocity along the circumferential direction to simulate the actual operating status.  

There exists an axial pressure drop with brush seals.   The pressure distribution along the axial 

direction  is  already  given  by  Bayley  et  al.  [3]  and  Braun  et  al.  [4].  And  the  radial  pressure 

distribution is provided by Bayley et al. [3] and Turner et al. [5].  

 

3.2.5Results

Based on  the  simulation  result,  the deformation of  the  cross‐section of  the brush  seals  and 

bristle tip  force under different pressure are already given by Mahmut F, Aksit  [6]. The result 

will be shown in the picture 3.4 and 3.5. From the result, we could find out the magnitudes of 

the bristle tip force are decided by the pressure load. Using this method, we could simulate the 

operating  status of  the brush  seal  and obtain  the  contact pressure  to predict  the degree of 

wear.     

 

 

Figure 3.4

Figur

4: Modeled s

re 3.5: Conta

seal behavio

act force und

11 

or under diffe

der different

 

erent pressu

t pressure lo

 

ure load (Ref

 

oad (Ref. [6]

f. [6]). 

). 

 

4 Mec 

4.1 F

An end f

simply  a

mechani

interface

The elem

maintain

4.1.1 B

Balance r

taken  to

pressure

pressuriz

area ove

 

hanicalFa

undament

face mechan

s  a mechan

cal  seal  use

e and slide o

ments are bo

n contact. 

Fi

BalanceRati

ratio is such 

be  the  rati

, p. Figure 4

zed  seals. Th

r which it ac

aceseals

alPrinciple

nical seal (Fig

nical  seal,  is

es  both  rigi

on each oth

oth hydrauli

gure 4.1: Co

o

an importan

io between 

4.2 and Figur

he pressure 

cts divided b

esofMecha

gure 4.1) als

s  a  type  of 

id  and  flexi

er, allowing

cally and m

onfiguration 

nt and wide

the  average

re 4.3 show

p  is determ

y the area o

12 

anicalFace

so referred 

seal  utilize

ible  elemen

g a rotating 

echanically 

of Mechanic

 

ly used term

e  load,p , e

how this de

mined  simpl

of the face. T

eSeals

to as a mec

ed  in  rotatin

nts  that  ma

element  to 

loaded with

cal Face Sea

m. The defini

expressed  as

efinition is a

y by  the  se

The balance 

chanical face

ng  equipme

aintain  cont

pass  throug

h a spring or

l (Ref. [7]) 

ition of bala

s  a pressure

applied to in

aled pressu

ratio equati

e seal but us

ent.  An  end 

tact  at  a  se

gh a sealed 

r other devi

 

nce ratio sha

e  and  the  se

nside and ou

re  times  the

ons are 

sually 

  face 

ealing 

case. 

ce to 

all be 

ealed 

utside 

e net 

 

                

                

                

                

 

Fi

4.1.2 P

PV produ

relative 

criterion 

 

4.1.3 L

Seals ma

case, sea

fluid pre

small.  

The mixe

operatio

                     

                     

                     

                     

gure 4.2: Ou

VParamete

uct  is the pr

surface  velo

used in the 

ubricationR

y operate in

als develop a

ssure.  In suc

ed  friction  is

n for many s

   pπ r r

   B B

   pπ r r

   B B

utside pressu

er

roduct of th

ocity  betwe

design of se

Regimes

n any one of 

a significant

ch cases, alm

s  shown  in 

seals at least

r p π r

r p π r

urized seal   

e nominal c

een  the  loa

eals is an exp

the three lu

t film thickn

most no tou

the  second 

t during part

13 

r         

outsidepr

r         

insidepre

 

                    F

 

contact pres

ad‐bearing  m

pression of t

ubrication re

ess such tha

uching occur

case. This  i

t of their live

                     

ressurizeds

                     

essurizedse

Figure 4.3: In

ssure on a  lo

material  and

the limit of m

egimes descr

at the entire

rs, friction  is

s probably  t

es. Mixed fr

                     

seal              

                     

eal               

nside pressu

oad‐bearing

d  its  count

mild adhesiv

ribed in figur

e  load  is bei

s  low, and w

the more co

iction is cha

                     

                     

                     

                    

urized seal 

g surface and

erface.  It  is

e wear. 

re 4.4. In the

ing supporte

wear will be

ommon mod

racterized b

(4.1) 

(4.2) 

 (4.3) 

  (4.4) 

 

d the 

s  the 

e first 

ed by 

e very 

de of 

by the 

14  

fact that a part of the load is carried by actual mechanical contact even though most of the load 

may be carried by fluid pressure. The small amount of mechanical contact that does occur may 

be  responsible  for  most  of  the  total  friction.  Thus,  in  mixed  friction  the  fraction  of  load 

supported by mechanical contact becomes very important as to the level of friction developed 

and consequently both friction heating and wear. The other important feature about the mixed 

friction regime is that the film thickness is nearly as low as it can be because even a very small 

decrease in nominal film thickness will radically increase the fraction of contact. Thus, leakage is 

about as low as it can be in this regime.  

The  third  part  illustrates  the  boundary  friction. Boundary  lubrication  is  characterized  by  the 

situation where either speeds are so  low  that  fluid pressures have not developed or  that  the 

quantity of  lubricant present  is so small that fluid pressures cannot develop. Even  in this case 

some small fraction of the load may be carried by fluid pressure if more than just a surface layer 

of  lubricant  is present. However,  the high  friction developed by  the mechanical  contact will 

cause high friction and high wear. While it is likely that boundary‐type lubrication may occur in 

seals  during  some  types  of  operation,  ordinary  high‐speed  seals  simply would  not  survive  if 

boundary lubrication only were operable. Friction heating and wear would be too high for most 

materials to survive very long. 

The  likely  situation  occurring  in  many  seals  is  that  both  mixed  lubrication  and  full  film 

lubrication are occurring in different parts of the seal at the same time. Thus, some of the seal 

may  be  in  the mixed  lubrication  regime  where  leakage  flow  is  small.  Other  parts may  be 

gapping open  somewhat where  leakage  is high, but  such  regions may be  act  as  a  source of 

liquid lubricant for the mixed lubrication part of the seal. 

It can be simply stated that a mechanical face seal must have an adequate state of lubrication 

relative to  its environment and materials to operate successfully. An adequate state does not 

mean  that  the  condition of  lubrication must be  full  film. Mixed  lubrication with only a  small 

fraction of the load supported by contact will satisfy in most cases. What is absolutely essential, 

however,  is  that  this  satisfactory  state  of  lubrication  not  deteriorates  for  any  reason  into 

predominantly boundary  lubrication. If the satisfactory state of  lubrication  is  lost, the seal will 

 

wear  ou

checking

film regim

 

4.1.4 L

Seal  leak

paramete

may be c

mixed  lu

order  of 

estimate

regions  t

controlle

 

t  excessivel

.  If the state

me with the 

eakage

kage  is  det

er is the film

calculated.  I

brication re

magnitude

d  using  this

the  seal  gap

ed by the gap

y  fast  or  be

e of  lubricat

average film

Figur

ermined  pr

m thickness. 

If a  seal has

gime. In this

of  the  com

s  value.  If  a

p may  be  s

p in the seal

ecome  dest

tion become

m thickness 

re 4.4: Lubri

rimarily  by 

If the film th

s  low  leakag

s regime the

mbined mea

  seal  leaks 

several  time

, which in tu

15 

troyed  by  so

es too good

being too la

cation Regim

 

the  average

hickness ove

ge, most  like

e effective v

an‐to‐peak  r

excessively,

es  the  avera

urn is contro

ome  therm

, such that 

rge, then it 

mes (Ref. [7]

e  gap  in  th

er the entire

ely  it  is ope

value of the 

roughness  h

,  them  it  is 

age  peak  ro

olled by lubri

al mechanis

the seal op

may fail by l

]) 

he  seal.  The

e seal is know

erating pred

fluid film th

heights  and 

likely  that 

oughness  he

ication.  

sm  such  as 

erates  in th

leaking too m

 

e  predomin

wn, then lea

ominately  in

hickness  is o

leakage ma

at  least  in  s

eight.  Leaka

heat 

e  full 

much. 

nating 

akage 

n  the 

of the 

ay  be 

some 

age  is 

 

4.2 S

 

4.2.1 Su

Figure 4.

on the la

carbon s

equal  he

types of 

roughnes

load bea

                

 

4.2.2 D

Height o

concepti

take a su

spaced p

be  a  pro

ordinate 

heights. 

ealingSurf

urfaceProfi

5 shows sur

apped carbo

urface is no

eight  surrou

information

ss measures

ring curves. 

              Figu

Distribution

f a surface 

on can be a

urface profil

points taken 

obability  de

density  fun

faceDefinit

iles

rface profile

on. The profi

w more pro

nded  by  de

 that can be

s, characteris

ure 4.5: Surfa

ofSurfaceH

is usually co

pplied. Rath

e of sufficie

from the pr

nsity  functio

nction  to  di

tionandM

s obtained f

ile shows ho

operly charac

epressions  a

e obtained fr

stic length m

ace Profile o

Heights

onsidered  to

her than pic

nt  length an

ofile as show

on  of  surfa

istinguish  it 

16 

easuremen

for actual se

ow the aspe

cterized as c

nd  valleys. 

rom such pro

measures an

of a Worn Ca

o be a  rando

king random

nd then mak

wn in Figure 

ce  height.  T

from  dens

nt

eal materials

erity tips hav

consisting of

There  are m

ofiles. These

nd autocorre

arbon Surfac

om variable

m  locations t

ke a histogra

 4.6. The res

This  functio

ity  function

s. It shows th

ve been wor

f flat‐topped

many  differe

e include he

elation, aspe

ce (Ref. [7]). 

e. Figure 4.6

to measure 

am of the h

sulting curve

on  is  referre

ns  of  peak  h

he effect of 

rn off. In fac

d regions of

ent  features

ight distribu

erity tip radii

 

         

6 shows how

height, one

heights of eq

e is consider

ed  to  as  th

heights  or  v

wear 

ct the 

f near 

s  and 

utions, 

i, and 

w  this 

e may 

qually 

red to 

e  all‐

valley 

 

 

There ar

surface h

on the cl

                

                

The seco

                

                

 

4.2.3 Su

There are

most com

                

Figure 4.6

re  two very 

heights or fro

ass. First, th

                     

                     

ond paramet

                     

                     

urfaceRoug

e many roug

mmon 

                     

6: A surface 

important m

om the dens

e mean valu

       ∑

     

er is the sta

      ∑

     

ghness

ghness param

       ∑

profile and 

measures  th

sity function

ue is given by

ndard devia

∑

meters in us

∑ | |

17 

its all‐ordina

hat  can be d

n itself. Ther

y  

tion 

e. Arithmeti

|

ate density f

derived eith

re two param

       

ical mean ro

function (Re

her  from hav

meters are a

                     

                    

               

      

oughness (Ra

                

 

f. [7]) 

ving a  samp

already desc

                     

                     

                     

                    

a) is by far th

                     

ple of 

ribed 

  (4.5) 

  (4.6) 

  (4.7) 

  (4.8)  

he 

  (4.9) 

18  

                                              | |                          (4.10) 

Root Mean Square or RMS Roughness is another averaging measurement 

                                             ∑                                            (4.11) 

                                                                              (4.12) 

 

4.2.4 NormalDistribution

The “normal distribution”  is given by a particular density  function,  the Gaussian curve, which 

has certain important mathematical features. It happens that data from many natural physical 

phenomena  fit  the  normal  distribution  curve. Many  other mathematical  curves  can  also  be 

used  to  fit such data equally well, but  the normal distribution  function  is used because of  its 

early origins and because  it provides  certain mathematical  conveniences. One  should always 

recognize  that  the  normal  distribution  is  the  approximation  of  a  physical  phenomenon  and 

provides no deeper meaning.  In  fact the use of such an  idealization may be quite misleading. 

For example, the normal distribution, when fitted to a density function for a surface, predicts 

the existence asperities of infinite height and valleys of infinite depth, clearly not physically true. 

Density  function shapes  for  real surfaces do vary considerably.  In  fact  this variation  from  the 

Gaussian  curve  is  very  useful  in  characterizing  the  surface.  Yet,  for  many  analyzes  and 

discussions, surfaces are considered to be “normal”. There are several reasons. The first is that 

many surfaces can be well approximated by the normal distribution function. Second, it is often 

more  important  to  be  able  to  use  a  mathematically  convenient  function  for  analysis  and 

discussion than it is to avoid the errors that might be introduced by making such an assumption. 

Third, even though the entire surface may not be normal, it is likely that the interactive part of 

the surface, which is the region at and just below the peaks, does behave as a normal function. 

Finally,  since  most  engineers  are  familiar  with  the  normal  distribution  but  not  other 

distributions, use of the normal distribution approximation simply makes discussing surfaces in 

19  

terms  of  their  statistical  properties  easier  to  understand.  Thus,  this  distribution  is  always 

selected to be a approximation to the distribution of surface heights for seal surfaces. 

 

4.3 TribologicalProperties

While many of the physical and mechanical properties do affect tribological behavior, there are 

nevertheless some material‐specific tribological properties that one does not  find  included as 

material properties. Three such properties of importance are friction coefficient, wear rate, and 

the  PV  (pressure  times  velocity)  limit. While  some might  debate  that  these  are  properties 

because  the  values  depend  strongly  on  nonmaterial  factors  that  are  difficult  to  control  or 

undefined, there  is nevertheless a strong relationship between the properties mentioned and 

material type. Data for these properties is very useful. 

Friction coefficient  in seals  is specific to the system consisting of the two face materials, their 

precise geometry, the fluid, the speed, the pressure, and so forth. In fact, it is well known that 

by  designing  different  experiments  for  seals,  one  can  measure  a  wide  range  of  friction 

coefficients. Thus,  reported values of  friction  coefficients are  specific  to  the exact  conditions 

under which the measurements were taken and have limited value in another context.  

The second type of tribological data of interest is wear rate. This data may not repeat from seal 

design to seal design because the condition of  lubrication may be totally different. To use the 

wear  coefficient  data,  the  wear  coefficient  K  is  defined  as  is  described  by  Johnson  and 

Schoenherr (1980): 

                         

                            (4.13) 

where the hardness H must be defined in the same units as pressure. Thus, for hardness values 

expressed by a Brinell number or by the Vicker’s hardness number, which are both in (kg/mm2). 

The wear coefficient K  is consistent with adhesive wear  theory  (See Halling, 1978).  Ideally,  if 

20  

one knows  the hardness H,  the wear coefficient  is used as K/H such  that one obtains a wear 

coefficient for a given material pair of given hardness.  

The pressure times velocity limit, which is commonly known as the PV limit, can be considered 

as a material property even though  just  like  friction coefficient,  it can be  influenced by many 

other  factors of design. PV  limit does have a very  strong material dependence. The question 

that arises in relation to the PV limit is what limit one is talking about. In some seal tests PV is 

given its limiting value based on limiting wear rate to satisfactory levels.  

 

4.4 FluidPressureDistribution

In order  to analyze  the  friction of  the mechanical seals,  the  fluid pressure distribution  is also 

need  to  be  considered.  It  is  more  convenient  to  use  the  Reynolds  equation  in  its  polar 

coordinate form. With reference to the polar coordinate system shown in Figure 4.7, we could 

obtain 

                                                                                   (4.14) 

                                                                                                  (4.15)                

With reference to Figure 4.7 the net sum of the volume rate of flow into the control volume can 

be obtained by summing the flows shown. Thus, neglecting the squeeze film effects as before, 

continuity requires that 

                                           0                                              (4.16)     

Upon  substitution  of  equations  4.14  and  4.15  into  equation  4.16,  the  Reynolds  equation  in 

polar coordinates is given by 

                                                             (4.17)     

 

4.5 N

In order 

method 

already b

support 

problems

Element 

Carmen S

of face se

 

NumericalM

to obtain  t

is the usefu

become a po

of  compute

s  of mecha

Method to 

Sticlaru, Arja

eals. 

Figure 4

Methodsof

he  solution 

l method w

owerful mat

er  software.

nical  face  s

solve the lea

ana Davides

 

4.7: Control v

fSolution

of  friction 

which could b

thematical t

.    This  met

seals.  Veron

akage, wear

scu [9] also a

21 

volume in po

 

problem of 

be considere

ools to simu

thod  is  also

ica  Argesan

r and friction

applied Finit

olar coordin

mechanical

ed. Nowada

ulate the en

o  widely  app

nu  and  Luci

n problems o

te Element 

 

ates 

l  seals,  the 

ys Finite Ele

gineering pr

plied  in  sol

an Madaras

of the mech

Method to a

Finite‐Differ

ement Meth

roblems wit

ving  the  fri

s  [8]  used  F

hanical face s

analyze one

rence 

hod  is 

h the 

iction 

Finite 

seals. 

 type 

22  

 

5 Conclusion

From the above description and analysis,  it  is obvious that the three kinds of seals which are 

widely  applied  in modern  aircraft  engines have  the  close  relation with  the  tribology  theory, 

although there are great differences among the principles and the structures of three kinds of 

seals. Labyrinth  seals are a kind of non‐contact  seals. During  the  stable operating  status,  the 

surface  roughness also has  the  impact on  the performance of  the  seals.   When  the working 

status  of  Labyrinth  seals  becomes  stable,  several  powerful methods  are  used  to  deal with 

friction problems causing by the undesirable contact. For brush seals, contact forces between 

the tip of bristles and rotor surface is the very important factor to affect the performance and 

the  friction  ratio  of  the  brush  seals.  The  friction  problems  of  the  interface  also  need  to  be 

solved with the help of the tribology theory.  The mechanical face seals could be treated as the 

friction problem between two faces, and a  lot of existing tribology models and theories could 

be applied  to solve  this problem. From  these cases, we could  find out  the  importance of  the 

tribology theory during the design process of seals. With the development of the research and 

the  improvement  of  the  calculate method, more  detailed  and more  deep  problem  will  be 

considered, and  it will have an  important meaning to promoting the efficiency and extending 

the service life of the modern aircraft engine. 

   

23  

Bibliography 

[1]  H.  L.  Stocker,  D.  M.  Cox,  G.  F.  Holle.  Aerodynamic  Performance  of  Conventional  and 

Advanced  Design  Labyrinth  Seals  with  Solid‐smooth,  Abradable,  and  Honeycomb  Lands. 

National Aeronautics and Space Administration, NAS 2‐20056, 1977. 

[2] Crugington, P. F, and Bowsher, A, Brush Seal Pack Hysteresis, 2002, AIAA Paper No. AIAA‐

2002‐3794. 

[3] Bayley, F.J., and  Long, C.A., A Combined Experimental and Theoretical Study of Flow and 

Pressure Distributions in a Brush Seal, ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 115, No.2 (1993) 404‐

410. 

[4] Braun, M.  J., Hendricks, R. C., and Canacci, V., Flow Visualization in a Simulated Brush Seals, 

ASME Paper No. 90‐GT‐217, 1990. 

[5]  Turner M.  T.,  Chew,  J. W.,  and  Long,  C.A.,  Experimental  Investigation  and Mathematical 

Modeling of Clearance Brush Seals, ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 120, No.3, 1998, 573‐579. 

[6] Mahmut  F.  Aksit*.  3‐D  Analysis  of  High  Density  Brush  Stiffness  with  Friction‐Pressure 

Coupling, Sabanci University, Istanbul, Turkey, 34956. 

[7] Alan O. Lebeck, Principles and Design of Mechanical Face Seals, 1991 byJohn Wiley & Sons, 

Inc. 

[8]  Veronica  Argesanu,  Lucian Madaras,  Leakage, Wear  and  Friction  in  the Mechanical  Face 

Seals Analyzed by FEM, The Annals of University, FASCICLE VIII, Tribology, 2003 ISSN 1221‐4590. 

[9] Carmen Sticlaru, Arjana Davidescu, Studies by Finite Element Method  Applied on Face Seal, 

Mechanical Engineering Vol. 2, No 1, 2004, pp. 59‐68.