航空發(fā)動(dòng)機(jī)W形封嚴(yán)環(huán)封嚴(yán)效果影響因素分析

陳京名，王云，李齊飛，力寧

(1.南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，南昌 330063)(2.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司 湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，株洲 412002)

0 引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣體封嚴(yán)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有重要影響，國(guó)內(nèi)外大部分傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用O形、C形、U形的封嚴(yán)環(huán)作為封嚴(yán)零件，但當(dāng)前世界先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用W形封嚴(yán)環(huán)封嚴(yán)技術(shù)[1-3]，W形封嚴(yán)環(huán)具有薄壁、大變形、精密等優(yōu)勢(shì)，故設(shè)計(jì)制造難度較大，目前只有美國(guó)、加拿大等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家掌握其核心技術(shù)，我國(guó)對(duì)W形封嚴(yán)環(huán)的封嚴(yán)性能設(shè)計(jì)分析及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則研究尚屬空白，需要從結(jié)構(gòu)原理方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，為相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則研究提供支持。

李玉婷等[4]采用ABAQUS軟件計(jì)算了U形環(huán)初始密封壓縮量、工作壓力溫度等操作參數(shù)對(duì)零件力學(xué)性能的影響；龔雪婷等[5]采用ANSYS軟件在給定工況下對(duì)W形環(huán)的塑性變形進(jìn)行分析，研究了密封環(huán)操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)塑性變形的影響；N.Sarawate等[6]模擬了燃?xì)廨啓C(jī)中W形封嚴(yán)環(huán)的工況，對(duì)W形封嚴(yán)環(huán)的泄漏量進(jìn)行了測(cè)量；王晨曦等[7]研究了W形封嚴(yán)環(huán)的壓縮回彈性能和密封性能；索雙富等[8]對(duì)W形封嚴(yán)環(huán)的軸向剛度、強(qiáng)度、壓縮回彈特性和泄漏量等進(jìn)行了研究。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于封嚴(yán)環(huán)的文獻(xiàn)多是研究其力學(xué)性能，而對(duì)于影響其密封性的封嚴(yán)面積的研究則很少，給W形封嚴(yán)環(huán)泄漏量定量分析模型的建立帶來(lái)困難。為此，本文借助ABAQUS有限元分析軟件，建立預(yù)緊狀態(tài)下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的有限元模型，通過(guò)對(duì)W形封嚴(yán)環(huán)外半徑、壁厚和預(yù)壓縮量等參數(shù)的變化分析，對(duì)比其在相同預(yù)緊狀態(tài)下封嚴(yán)面積的變化情況，并進(jìn)行有限元計(jì)算，以此對(duì)W形封嚴(yán)環(huán)截面的輪廓結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期提高其封嚴(yán)性能，使其更符合工況要求。

1 封嚴(yán)環(huán)的幾何模型及主要參數(shù)

封嚴(yán)環(huán)是由高溫合金薄鋼板通過(guò)擠壓成型而制成，常見(jiàn)的有W形、C形、U形等，本文只研究W形封嚴(yán)環(huán)。某型號(hào)W形封嚴(yán)環(huán)的截面模型形狀如圖1所示。圖中所標(biāo)出的具體初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 W型封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

W形封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)初始參數(shù)值/mm封嚴(yán)環(huán)半徑R247.43自由高度Hv5.00封嚴(yán)環(huán)外半徑R10.76壁厚T0.25波谷半徑R20.65波峰半徑R30.65波高H1.24

W形封嚴(yán)環(huán)的工作環(huán)境溫度高達(dá)650 ℃以上，外形呈波浪狀，是一種軸對(duì)稱(chēng)的薄壁管狀構(gòu)件。零件所用材料為沉淀強(qiáng)化鎳基高溫合金GH4169，該材料的工作溫度可達(dá)650 ℃以上，在高溫下仍可保證較高強(qiáng)度，是制造W形封嚴(yán)環(huán)的優(yōu)良材料。在實(shí)際工作情況下，一般對(duì)零件表面硬度有一定要求，因此需要對(duì)材料進(jìn)行熱處理，熱處理后的高溫鎳基合金材料GH4169的基本力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2 熱處理后GH4169的力學(xué)性能參數(shù)

2 封嚴(yán)機(jī)理

W形封嚴(yán)環(huán)初始封嚴(yán)步驟如圖2所示，圖2(a)中，法蘭與W形封嚴(yán)環(huán)接觸面均為粗糙表面，預(yù)緊力尚未加載，兩個(gè)封嚴(yán)面只有對(duì)應(yīng)的粗糙峰相互接觸，封嚴(yán)面之間間隙很大，微泄露通道尺寸很大，無(wú)封嚴(yán)能力；圖2(b)中，隨著預(yù)緊量出現(xiàn)，粗糙峰發(fā)生變形，粗糙峰開(kāi)始嵌入彼此波峰波谷，封嚴(yán)面間隙逐漸減少直到形成貼合[9]，使光滑加工表面相互接觸，由于表面粗糙度存在，接觸區(qū)域也僅僅是一部分，仍舊存在微泄漏通道，此時(shí)，流體在通道中做泄漏流動(dòng)，微泄漏通道尺寸減小使阻力增大，泄漏量減少到合理的范圍，完成初始封嚴(yán)。分析可知，零件接觸面粗糙度和封嚴(yán)面接觸面積等因素決定金屬封嚴(yán)性能。零件封嚴(yán)接觸表面粗糙度越小，泄漏量越小，其微觀凹凸不平越易被填平。

(a) 未施加預(yù)緊量時(shí)密封面狀態(tài)

(b) 施加預(yù)緊量時(shí)密封面狀態(tài)

泄漏通道尺寸越小，流動(dòng)阻力越大，使得泄漏大為減少，但在實(shí)際使用中，摩擦不可避免，因此在接觸面表面粗糙度達(dá)到規(guī)定范圍時(shí)，封嚴(yán)面接觸面積成為提高封嚴(yán)性的重要參數(shù)。封嚴(yán)面接觸面積決定微泄漏通道長(zhǎng)度，介質(zhì)泄漏量隨封嚴(yán)面接觸面積增加而減少，封嚴(yán)面接觸面積主要是由法蘭與封嚴(yán)件接觸壓縮變形決定的。

3 有限元模型建立及計(jì)算

3.1 W形封嚴(yán)環(huán)有限元模型簡(jiǎn)化

有限元模型計(jì)算應(yīng)遵循兩個(gè)基本原則，既要保證計(jì)算結(jié)果的精度又要能控制模型的規(guī)模。在保證精度的前提下，減少模型規(guī)模是必要的，可在有限條件下使得計(jì)算更快更好地完成。由于W形封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)以及受力都具有關(guān)于中軸線對(duì)稱(chēng)的特性，選用軸對(duì)稱(chēng)模型空間建立模型，在有限元分析的過(guò)程中，假設(shè)材料同向性、無(wú)材料缺陷、無(wú)殘余應(yīng)力、W形封嚴(yán)環(huán)成型過(guò)程中薄壁厚度均勻。

3.2 有限元單元選擇與網(wǎng)格劃分

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行網(wǎng)格收斂性分析，根據(jù)零件尺寸和計(jì)算條件，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)劃分網(wǎng)格并進(jìn)行有限元計(jì)算，記錄W形封嚴(yán)環(huán)的最大Von-mises應(yīng)力值；然后將網(wǎng)格密度增大到原來(lái)的兩倍再進(jìn)行計(jì)算并提取結(jié)果，如表3所示，可以看出：分別用三種網(wǎng)絡(luò)尺寸劃分時(shí)，計(jì)算出零件最大Von-mises應(yīng)力值相對(duì)誤差均在5%以?xún)?nèi)，則視為該網(wǎng)格更接近現(xiàn)實(shí)情況，即三種網(wǎng)格尺寸設(shè)置均合理。

表3 網(wǎng)格收斂性分析結(jié)果

本文選用第三種設(shè)置。由于法蘭與零件外半徑接觸，應(yīng)對(duì)接觸的部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。采用標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分好后的軸對(duì)稱(chēng)有限元模型如圖3所示，單元類(lèi)型為CAX4R(四節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱(chēng)四邊形減縮積分單元)。

圖3 仿真模擬模型建立以及網(wǎng)格劃分

3.3 加載及其邊界條件

在模擬計(jì)算中，W形封嚴(yán)環(huán)軸向兩端分別設(shè)置兩塊可變形實(shí)體單元，模擬W形封嚴(yán)環(huán)在法蘭中的工作環(huán)境。法蘭與W形封嚴(yán)環(huán)之間選用面與面接觸，接觸考慮摩擦選用庫(kù)倫摩擦，摩擦系數(shù)0.15。上法蘭片施加軸向位移載荷，下法蘭片完全固定，分析步選擇非線性計(jì)算。通過(guò)改變封嚴(yán)環(huán)外半徑、預(yù)壓縮量和壁厚等封嚴(yán)環(huán)參數(shù)和工作參數(shù)來(lái)觀察其與法蘭接觸面積的大小關(guān)系。

3.4 預(yù)壓緊狀態(tài)下最大Von-mises應(yīng)力狀況

利用ABAQUS的有限元分析功能對(duì)建立好的W形封嚴(yán)環(huán)有限元模型進(jìn)行模擬分析，可以得到預(yù)緊量作用下的W形封嚴(yán)環(huán)的最大Von-mises應(yīng)力以及總接觸面積。原始尺寸的零件在預(yù)壓緊量為0.4 mm時(shí)，最大Von-mises應(yīng)力云圖如圖4所示，可以看出：波峰部位應(yīng)力不大，最大應(yīng)力集中在兩個(gè)波谷，即波谷靠近180°的位置。

圖4 預(yù)緊工況下Von-mises應(yīng)力分布

4 加載狀態(tài)下接觸面積的影響因素分析

4.1 預(yù)緊工況下接觸面積變化歷程

在預(yù)壓縮量的作用下W形封嚴(yán)環(huán)與法蘭接觸面積隨時(shí)間的變化歷程如圖5所示，可以看出：隨著預(yù)壓緊量的增大，法蘭與零件的接觸面積也隨之增大，但W形封嚴(yán)環(huán)在壓縮過(guò)程中接觸面積呈不光滑的階梯性變化，其原因是接觸面摩擦粘滑效應(yīng)所致；W形封嚴(yán)環(huán)在壓縮變形過(guò)程中，環(huán)件的接觸部位相對(duì)于法蘭會(huì)產(chǎn)生輕微滑動(dòng)，在滑動(dòng)的過(guò)程中由于摩擦粘滑效應(yīng)產(chǎn)生粘滯，隨著壓縮量增加，靜摩擦力逐漸增至一定值時(shí)界面就發(fā)生一次滑移，隨后又進(jìn)入一次靜摩擦力重新增長(zhǎng)的滑過(guò)程，導(dǎo)致摩擦力隨時(shí)間關(guān)系曲線是鋸齒狀變化，接觸面積隨壓縮量呈階梯式增長(zhǎng)的現(xiàn)象。

圖5 預(yù)緊工況下封嚴(yán)接觸面積變化歷程

4.2 預(yù)壓縮量變化對(duì)接觸面積的影響

W形封嚴(yán)環(huán)預(yù)壓縮量對(duì)封嚴(yán)接觸面積的影響如圖6所示，可以看出：隨著預(yù)壓緊量的增大，法蘭與零件的接觸面積也隨之增大，封嚴(yán)面增大使泄漏減少，封嚴(yán)性增強(qiáng)。理論上講，預(yù)壓縮量越大接觸面積越大封嚴(yán)性越好，但在施加預(yù)壓縮量形成初始封嚴(yán)時(shí)應(yīng)考慮零件材料本身的最大強(qiáng)度極限，若預(yù)壓縮量過(guò)大使零件超出其使用材料的最大強(qiáng)度極限則會(huì)使零件完全塑性變形，進(jìn)而造成回彈力過(guò)小引起封嚴(yán)失效，也不可過(guò)小造成法蘭與W形封嚴(yán)環(huán)封嚴(yán)表面微凸峰無(wú)法相互填滿，形成泄露通道。

圖6 W形封嚴(yán)環(huán)預(yù)壓縮量對(duì)封嚴(yán)接觸面積的影響

4.3 外半徑變化對(duì)接觸面積的影響

模擬過(guò)程中，通過(guò)改變W形封嚴(yán)環(huán)的外半徑，并在施加同樣預(yù)壓緊量的情況下觀察W形封嚴(yán)環(huán)與上法蘭的接觸面積，如圖7所示。

圖7 W形封嚴(yán)環(huán)外半徑對(duì)封嚴(yán)接觸面積的影響

從圖7可以看出：當(dāng)W形封嚴(yán)環(huán)的外半徑變大，其接觸部位趨勢(shì)更趨于平緩，在相同預(yù)壓緊量作用下外半徑越大，W形封嚴(yán)環(huán)的外半徑曲率半徑會(huì)變小，零件外半徑形狀更趨于平直，因此W形封嚴(yán)環(huán)與法蘭接觸面積增大，同時(shí)增大外半徑可以使W形封嚴(yán)環(huán)與法蘭接觸面積變化趨勢(shì)更加平緩，可以更快地達(dá)到較大的接觸面積；在預(yù)壓緊量作用下，可選擇增大W形封嚴(yán)環(huán)的外半徑使其與法蘭的接觸面積變大，達(dá)到使其封嚴(yán)性提高的目的，因?yàn)橥獍霃皆黾咏佑|區(qū)域更趨于平緩，只是考慮裝配性，略微收口即可。

4.4 壁厚變化對(duì)接觸面積的影響

壁厚增大使零件剛度增大，在預(yù)壓緊量相同的情況下，需要更大的接觸壓力才能使W形封嚴(yán)環(huán)達(dá)到相同的預(yù)壓縮量。選取不同壁厚的W形封嚴(yán)環(huán)在受到預(yù)壓緊量作用時(shí)，零件與法蘭接觸面積關(guān)系如圖8所示。

圖8 W形封嚴(yán)環(huán)壁厚對(duì)封嚴(yán)接觸面積的影響

從圖8可以看出：隨著壁厚增大，零件與上法蘭接觸面積也隨之增大，但是增大壁厚會(huì)使零件受到的應(yīng)力變大，從而影響零件結(jié)構(gòu)，使其波谷處易發(fā)生屈服塑性變形，失去封嚴(yán)作用，因此應(yīng)結(jié)合預(yù)壓緊量來(lái)選擇合適的壁厚，壁厚可取最小值，但不能過(guò)小否則柔性過(guò)大回彈力過(guò)小易發(fā)生失穩(wěn)，若增加零件剛度，壁厚可取最大值，但不能過(guò)大，否則造成安裝困難，劃傷法蘭表面，應(yīng)根據(jù)具體工作條件要求選擇合理的壁厚。

5 結(jié) 論

(1) W形封嚴(yán)環(huán)在預(yù)壓緊量作用下會(huì)相對(duì)于法蘭產(chǎn)生輕微滑動(dòng)，在滑動(dòng)的過(guò)程中由于摩擦粘滑效應(yīng)，隨著壓縮量增加，靜摩擦力逐漸增至一定值時(shí)界面就發(fā)生一次滑移，隨后又進(jìn)入一次靜摩擦力重新增長(zhǎng)的滑過(guò)程，導(dǎo)致接觸面積出現(xiàn)階梯式增長(zhǎng)的現(xiàn)象。

(2) 增加預(yù)壓緊量可增大接觸面積，但同時(shí)會(huì)增大零件所受應(yīng)力，若應(yīng)力過(guò)大，會(huì)造成整個(gè)零件結(jié)構(gòu)破壞，封嚴(yán)性失效，因此應(yīng)根據(jù)具體情況增加預(yù)緊量，以增強(qiáng)零件封嚴(yán)性。

(3) 增加W形封嚴(yán)環(huán)外半徑大小可以提高零件與上法蘭的接觸面積，因?yàn)橥獍霃皆黾?，接觸區(qū)域更趨于平緩，只是考慮裝配性，略微收口即可。

(4) 對(duì)于壁厚來(lái)說(shuō)，增加壁厚可有效增大封嚴(yán)寬度，但增大壁厚會(huì)使零件剛度增大，因此應(yīng)結(jié)合預(yù)壓縮量來(lái)選擇合適的壁厚。但壁厚不能過(guò)小，否則柔性過(guò)大、回彈力過(guò)小，易發(fā)生失穩(wěn)。