航空發(fā)動(dòng)機(jī)用W形金屬封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

李萍 陳璇 周澤堂

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002）

W形金屬封嚴(yán)環(huán)是一種新型自緊式金屬封嚴(yán)環(huán)，不僅可以依靠自身的彈性反力和密封介質(zhì)壓力壓緊密封端面而獲得密封能力，而且可以補(bǔ)償及緩沖密封端面因摩擦磨損、軸向分離及振動(dòng)等產(chǎn)生的軸向分離位移。W形金屬密封環(huán)作為一種新型改進(jìn)形式，具有密封性好、回彈能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等特點(diǎn)，在英、美等國(guó)家的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，國(guó)外金屬封嚴(yán)環(huán)技術(shù)已較為成熟，美國(guó)、日本、英國(guó)在彈性金屬密封的研究上處于世界領(lǐng)先地位，但由于國(guó)內(nèi)金屬封嚴(yán)環(huán)相關(guān)研究起步較晚、制造工藝尚不成熟等原因，與世界領(lǐng)先水平還有一定的差距。國(guó)內(nèi)龔雪婷[1]、索雙富[2]等學(xué)者借助有限元仿真方法對(duì)W形金屬封嚴(yán)環(huán)的壓縮回彈性能、密封泄漏特性進(jìn)行了分析；柏松漢[3]結(jié)合某W形金屬封嚴(yán)環(huán)實(shí)際使用中掉塊故障進(jìn)行了分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于W形金屬封嚴(yán)環(huán)的研究還相對(duì)較少，不能完全滿足工程應(yīng)用的需要。本文借助有限元方法結(jié)合某航空發(fā)動(dòng)機(jī)用W形金屬封嚴(yán)環(huán)對(duì)W形金屬封嚴(yán)環(huán)回彈性能進(jìn)行研究，并對(duì)該型金屬封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，為后續(xù)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1.W形金屬封嚴(yán)環(huán)有限元模型

1.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)用W形金屬封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示，斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。該環(huán)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室機(jī)匣與渦輪機(jī)匣界面的封嚴(yán)，以防止燃燒室機(jī)匣內(nèi)高溫高壓氣體向大氣側(cè)泄漏，其最大壓縮量為0.8mm。選用材料為GH738，材料性能數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 W形金屬封嚴(yán)環(huán)截面結(jié)構(gòu)

表1 W形金屬封嚴(yán)環(huán)截面結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 GH738材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)

1.2 有限元模型簡(jiǎn)化

由于金屬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)稱的特性選用軸對(duì)稱模型空間建立模型，在有限元分析的過(guò)程中假設(shè)材料同向性、無(wú)材料缺陷且無(wú)殘余應(yīng)力，金屬W形封嚴(yán)環(huán)成型過(guò)程中的薄壁厚度均勻。在模擬計(jì)算中，金屬W形封嚴(yán)環(huán)軸向兩端分別設(shè)置兩塊可變形實(shí)體單元模擬金屬W形封嚴(yán)環(huán)在法蘭中的工作環(huán)境，法蘭與封嚴(yán)環(huán)之間選用面與面接觸考慮摩擦。考慮到金屬W形密封環(huán)呈軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，被施加的約束和所受載荷也具有軸對(duì)性，故為了計(jì)算簡(jiǎn)便，建立二維軸對(duì)稱模型即可。在對(duì)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格時(shí)，為了使計(jì)算更加精確，對(duì)靠近接觸面的特定區(qū)域需進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

2.結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)性能的影響分析

評(píng)價(jià)W封嚴(yán)環(huán)的性能，主要看等效應(yīng)力，接觸應(yīng)力以及回彈性能。等效應(yīng)力越小，W封嚴(yán)環(huán)強(qiáng)度裕度越大；接觸應(yīng)力越大，封嚴(yán)環(huán)密封性能則越好，回彈性越好，封嚴(yán)環(huán)可靠性越高。W封嚴(yán)環(huán)的性能除了與壓縮量有關(guān)外，還與自身結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，本文選取過(guò)渡圓半徑R3、波高h(yuǎn)及內(nèi)徑D1結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響進(jìn)行分析。最大等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力及回彈率隨過(guò)渡圓半徑R3的變化如圖2所示，隨波高h(yuǎn)的變化如圖3所示，隨內(nèi)徑D1的變化如圖4所示。從圖中可以看出，過(guò)渡圓半徑R3在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)W環(huán)的最大等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力、回彈率影響均較小。最大等效應(yīng)力隨波谷半徑R2、波高h(yuǎn)及內(nèi)徑D1變化較大，接觸應(yīng)力隨波高h(yuǎn)及內(nèi)徑D1變化較大。其中內(nèi)徑D1對(duì)回彈率影響較大。因此，合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)于W封嚴(yán)環(huán)性能的保證具有重要的意義。

圖2 典型參數(shù)隨過(guò)渡圓半徑R3的變化

圖3 典型參數(shù)隨波高h(yuǎn)的變化

圖4 典型參數(shù)隨內(nèi)徑D1變化

3.結(jié)論

本文建立了W形金屬封嚴(yán)環(huán)有限元計(jì)算分析模型，并對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)用W環(huán)進(jìn)行了計(jì)算。基于該有限元模型對(duì)W環(huán)的最大等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力、回彈率進(jìn)行了分析，分析表明內(nèi)徑D1對(duì)等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力、回彈性能的影響最大，過(guò)渡圓半徑R3對(duì)性能的影響最小，波高h(yuǎn)對(duì)性能的影響介于兩者之間。根據(jù)工況需要選擇與工況條件相匹配的結(jié)構(gòu)，對(duì)保證W封嚴(yán)環(huán)的性能非常重要。通過(guò)對(duì)該型金屬封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，為后續(xù)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。