坡度角對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)環(huán)狀階梯型密封件性能的影響*

李慶安 王建彬 徐慧敏 楊 柳 楊劍飛 姚金結(jié)

(安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 安徽蕪湖 241000)

接觸式機(jī)械密封憑借密封性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)而在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)密封中應(yīng)用廣泛[1]。環(huán)狀階梯型密封件由于其獨(dú)特的階梯狀結(jié)構(gòu)形式，增加了密封的接觸端面，密封效果好，是高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等極端工況下接觸式機(jī)械密封的首選[2-6]。由于環(huán)狀階梯型密封件的階梯面直接承受外部壓力，故其環(huán)形側(cè)面與軸向之間的夾角即坡度角對(duì)階梯面接觸面積和承載強(qiáng)度至關(guān)重要，影響階梯面的應(yīng)力分布，是密封件重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

近年來，針對(duì)密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，國內(nèi)外研究人員開展了有益的探索。程香平等[7]通過改變機(jī)械密封接觸面之間的錐角，發(fā)現(xiàn)壓力峰值隨錐角的增大而增大，并得出了錐角Ф=0.8°～1.6°時(shí)液膜穩(wěn)定性與密封可靠性達(dá)到最好。許靜等人[8]研究了不同截面形狀的密封環(huán)受力變形情況，結(jié)果表明相同載荷下，階梯狀截面密封件所產(chǎn)生的形變程度約為方形截面的4～5倍。張杰等人[9]通過研究不同結(jié)構(gòu)形式密封環(huán)的變形規(guī)律，指出采用鑲裝式的石墨密封環(huán)結(jié)構(gòu)能夠顯著增加整體密封的強(qiáng)度和剛度，同壓力所產(chǎn)生的變形量是整體式結(jié)構(gòu)的50%。張毅等人[10]通過分析在不同壓力與溫度下密封結(jié)構(gòu)的變形情況，指出高溫環(huán)境下密封件內(nèi)部的密封介質(zhì)能夠幫助散熱，從而造成密封件徑向內(nèi)側(cè)與外側(cè)的應(yīng)力與形變大小低于中間部位。TIKHOMOROV等[11]模擬了金屬密封件表面的接觸情況，對(duì)密封介質(zhì)的泄漏情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)。PAN等[12]的研究表明，密封結(jié)構(gòu)粗糙表面之間接觸系數(shù)的增加會(huì)降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的接觸剛度和固有頻率，并通過角頻率得出頻率譜-密度函數(shù)，經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

綜上所述，關(guān)于接觸式機(jī)械密封的研究，目前更多體現(xiàn)在預(yù)測(cè)接觸部分的接觸情況或模擬外界環(huán)境變化對(duì)密封件所產(chǎn)生的泄漏問題[13-16]，而有關(guān)坡度角對(duì)于密封件尤其是常用的環(huán)狀階梯型密封件性能影響研究相對(duì)較少。本文作者以航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的環(huán)狀階梯型密封件為例，利用仿真軟件分析不同坡度角的密封件結(jié)構(gòu)在受載情況的應(yīng)力分布和形變趨勢(shì)，探討其對(duì)密封件使用壽命的影響規(guī)律，以期為環(huán)狀階梯型密封件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 環(huán)狀階梯型密封件的模擬測(cè)試設(shè)置

1.1 環(huán)狀階梯型密封件的結(jié)構(gòu)

如圖1(a)所示的密封套件是某種航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)的重要組成部分，外部被金屬外殼包裹，內(nèi)部則安裝了環(huán)狀階梯型密封件，即文中的研究對(duì)象。環(huán)狀階梯型密封件的完整結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，由于其具有特殊的多層結(jié)構(gòu)，為方便描述，從其底面到接觸面按順序?qū)⒚恳粚臃謩e命名為第三層、第二層和第一層，如圖2(a)所示。

圖1 密封件實(shí)體

在圖2(a)中，環(huán)狀階梯型密封件的每個(gè)特征均具有不同的作用：底面與推環(huán)接觸；下層的長度保證了密封件的軸向尺寸；第二層用以分擔(dān)壓力并滿足發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部狹小空間的尺寸限制；第一層的接觸面與密封件的動(dòng)環(huán)端面緊密貼合，以達(dá)到密封并引導(dǎo)密封介質(zhì)流動(dòng)的目的。坡度角α的設(shè)定如圖2(b)所示。

圖2 密封件的分層及其坡度角示意

1.2 環(huán)狀階梯型密封件的模擬測(cè)試設(shè)置

為了模擬環(huán)狀階梯型密封件在真實(shí)工況下的受載狀態(tài)，在溫度設(shè)置為22 ℃時(shí)，探討坡度角對(duì)密封性能的影響規(guī)律。選用鑄鐵作為環(huán)狀階梯型密封件的材料，其力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。為了保持模擬工況的一致性，具有不同坡度角的環(huán)狀階梯型密封件，其受載面均為接觸面法向均布載荷。模擬受載的測(cè)試流程如圖3所示。

表1 材料力學(xué)性能指標(biāo)

圖3 模擬受載的測(cè)試流程

首先測(cè)量真實(shí)密封環(huán)的外部結(jié)構(gòu)獲得密封環(huán)的三維形貌數(shù)據(jù)，其次將模型導(dǎo)入分析軟件中，再次模擬模型的工作環(huán)境；對(duì)模型施加載荷，最后檢驗(yàn)是否達(dá)成了載荷測(cè)試的目的。若達(dá)成目的，則記錄下本次模擬測(cè)試的相關(guān)結(jié)果，若未達(dá)成目的則修改所需要的坡度角的大小并重新進(jìn)行模擬測(cè)試，直到完成全部所需的模擬測(cè)試后對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，尋找規(guī)律。

2 受載狀態(tài)下坡度角對(duì)環(huán)狀階梯型密封件性能的影響

環(huán)狀階梯型密封件在受載狀態(tài)下的內(nèi)部應(yīng)力分布和變形是密封件使用性能的重要指標(biāo)，直接影響其使用壽命。為了分析環(huán)狀階梯型密封件的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)坡度角對(duì)密封件性能和使用壽命的影響，以1°為間隔，分析相同載荷下坡度角分別為0°～10°時(shí)，環(huán)狀階梯型密封件的應(yīng)力、形變規(guī)律以及使用壽命。

2.1 坡度角對(duì)應(yīng)力的影響

圖4所示為坡度角為0°時(shí)，環(huán)狀階梯型密封件受載后的應(yīng)力分布云圖。可知其應(yīng)力分布大致沿密封環(huán)的圓心向外呈放射狀，產(chǎn)生極限應(yīng)力的位置是環(huán)狀階梯型密封件第二層與第一層內(nèi)側(cè)輪廓交界處，極限應(yīng)力最大可達(dá)4.79 MPa，最小應(yīng)力則為0.056 MPa。由于層界處與其接觸的階梯軸同樣處于結(jié)構(gòu)尺寸的突變位置，過于集中的應(yīng)力與不同部位應(yīng)力的急劇變化會(huì)使局部區(qū)域的應(yīng)力值超過設(shè)計(jì)應(yīng)力,易產(chǎn)生裂紋從而降低使用壽命[17]。

圖4 坡度角為0°時(shí)密封件應(yīng)力分布云圖

相同載荷下不同坡度角對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布云圖如圖5(a)所示?？芍?，隨著坡度角的增加，環(huán)狀階梯型密封件的應(yīng)力分布從密封環(huán)底面的外側(cè)輪廓線到接觸面的內(nèi)側(cè)輪廓線處逐漸增大，應(yīng)力最為聚集的位置均為環(huán)狀階梯型密封件第二層與第一層內(nèi)側(cè)輪廓交界處；不同坡度角造成的應(yīng)力分布總體大致相似，因此坡度角的變化并不會(huì)對(duì)應(yīng)力分布造成明顯的影響。

相同載荷下不同坡度角對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力如圖5(b)所示。在外部條件相一致時(shí)，當(dāng)坡度角分別為2°和7°時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力極值分別為5.230 4和4.68 MPa。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是由于在坡度角由0°增大至2°時(shí)坡度角較小，整體外形對(duì)于應(yīng)力在內(nèi)部的傳遞阻礙效果較強(qiáng)，導(dǎo)致應(yīng)力產(chǎn)生堆積；在坡度角由2°增加至10°的過程中，結(jié)構(gòu)的整體形狀變化更符合應(yīng)力的傳遞方向，使應(yīng)力分散在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并在7°左右達(dá)到最優(yōu)情況，且在隨后的變化中最大應(yīng)力的數(shù)值開始出現(xiàn)波動(dòng)。

進(jìn)一步分析，相同載荷下相鄰坡度角對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力的相對(duì)增長率如圖5(c)所示?？芍?，隨著坡度角的增加，其對(duì)應(yīng)相鄰坡度角間最大應(yīng)力的相對(duì)增長率在2°～3°時(shí)存在較大波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定。這對(duì)應(yīng)了最大應(yīng)力的數(shù)值產(chǎn)生的波動(dòng)，說明在坡度角的變化過程中，最大應(yīng)力的數(shù)值變化程度維持在一定的范圍內(nèi)，平均相對(duì)變化率為-0.137%。

圖5 不同坡度角下的最大應(yīng)力及應(yīng)力相對(duì)增長率比較

2.2 坡度角對(duì)形變的影響

圖6所示為坡度角為0°時(shí)，環(huán)狀階梯型密封件受載后的形變分布云圖?？芍c應(yīng)力分布類似，形變分布同樣大致沿密封環(huán)的圓心向外呈放射狀。形變最大的位置是環(huán)狀階梯型密封件接觸面內(nèi)側(cè)輪廓，形變最大可達(dá)4.56 μm，底面附近幾乎未產(chǎn)生形變。由于結(jié)構(gòu)的第一層截面直徑相對(duì)較小，軸向長度較短，在較大的應(yīng)力作用下，極易使此處結(jié)構(gòu)形狀產(chǎn)生變化，影響密封件與軸的配合間隙[18-19]，從而產(chǎn)生泄漏。

圖6 坡度角為0°時(shí)密封件形變分布云圖

相同載荷下不同坡度角對(duì)應(yīng)的形變分布云圖如圖7(a)所示?？芍c應(yīng)力分布不同，隨著坡度角的增加，環(huán)狀階梯型密封件的形變程度從密封環(huán)底面的外側(cè)輪廓線到接觸面的內(nèi)側(cè)逐漸增大，形變最大的位置則均是環(huán)狀階梯型密封件接觸面內(nèi)側(cè)輪廓；不同坡度角下的形變分布大致相似，因此坡度角的變化也同樣不會(huì)對(duì)形變分布造成明顯的影響。

相同載荷下不同坡度角對(duì)應(yīng)的最大形變?nèi)鐖D7(b)所示。在外部條件相一致時(shí)，當(dāng)坡度角為2°時(shí)所產(chǎn)生的最大形變?yōu)?.617 9 μm；在7°時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大形變?yōu)?.520 4 μm。最大形變?cè)诮嵌圈吝_(dá)到2°之前總體的數(shù)值較大，并在2°左右達(dá)到最大值，這一變化趨勢(shì)可能是由于在坡度角由0°增大至2°時(shí)坡度角較小，沿軸向的壓力對(duì)變形程度的影響較大。當(dāng)坡度角由2°增加至10°的過程中，最大形變的數(shù)值整體處于較低水平，變化較為不明顯且數(shù)值出現(xiàn)了小范圍的波動(dòng)。這可能是因?yàn)樵撾A段的密封件結(jié)構(gòu)對(duì)變形的抵抗更加明顯，使形變程度減弱。

相同載荷下不同坡度角對(duì)應(yīng)的最大形變相對(duì)增長率如圖7(c)所示?？芍?，隨著坡度角的增大，對(duì)應(yīng)的最大形變相對(duì)增長率逐漸在0刻度附近小幅度波動(dòng)，這說明最大形變的變化程度逐漸穩(wěn)定。

同時(shí)，對(duì)比圖5(b)和圖7(b)可知，隨著坡度角的增加，其對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力與最大形變的變化趨勢(shì)基本相似。由公式(1)可計(jì)算兩者之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)ρX,Y的值為0.724 983 8，以此判斷最大應(yīng)力與最大形變數(shù)值強(qiáng)相關(guān)。

(1)

式中:ρX,Y為皮爾遜相關(guān)系數(shù)；X為不同坡度角

下密封件的最大應(yīng)力，MPa；Y為不同坡度角下密封件的最大形變，μm。

圖7 不同坡度角下的最大形變及形變相對(duì)增長率比較

2.3 坡度角對(duì)壽命的影響

將密封件可以承受載荷作用的次數(shù)定義為壽命，則最小壽命即為密封件的使用壽命。圖8(a)所示為坡度角為0°時(shí)，環(huán)狀階梯型密封件受載后的壽命分布云圖。結(jié)果顯示，其壽命分布大致沿密封環(huán)的圓心向外呈放射狀，出現(xiàn)最小壽命的位置在環(huán)狀階梯型密封件第二層與第一層交界處內(nèi)側(cè)輪廓，僅為1.7×1012次，而底面、第三層與第二層的外側(cè)表面的壽命較大。當(dāng)坡度角改變時(shí)，所得到的壽命分布云圖與圖8(a)相似。這與上述對(duì)應(yīng)力與形變分布情況的分析結(jié)果相符。

圖8 坡度角為0°時(shí)壽命分布云圖及不同坡度角

在外部條件相一致時(shí)，不同坡度角對(duì)應(yīng)的使用壽命如圖8(b)所示。在坡度角為4°左右時(shí)，使用壽命最多達(dá)到2.118×1012次；在坡度角繼續(xù)從4°增大至10°的過程中，使用壽命出現(xiàn)明顯但較為穩(wěn)定的波動(dòng)，并在坡度角為8°時(shí)出現(xiàn)最小使用壽命，為1.302×1012次。

與應(yīng)力和形變的變化趨勢(shì)相似，使用壽命的變化隨著坡度角的增加總體呈現(xiàn)先增大再出現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(shì)。導(dǎo)致這種情況的原因可能是由于當(dāng)坡度角由0°增大至4°時(shí)，在圖5(b)中較大壓力和圖7(b)中較大形變的綜合作用下使壽命維持在相對(duì)較小的狀態(tài)；而隨著坡度角的增大，壓力與形變的數(shù)值相對(duì)較小，并在4°左右達(dá)到最大使用壽命2.118×1012次；在坡度角由4°增加至10°的過程中，環(huán)狀階梯型密封件的應(yīng)力與形變開始發(fā)生波動(dòng)，令密封件的使用壽命也隨之產(chǎn)生波動(dòng)，并在坡度角為8°時(shí)出現(xiàn)最小使用壽命，僅為最大使用壽命的65%；盡管使用壽命在7°與10°左右較大，但也僅為最大使用壽命的80%與85%。由此可見應(yīng)力與變形所產(chǎn)生的雙重作用對(duì)使用壽命有重大影響。

相同載荷下不同坡度角對(duì)應(yīng)的使用壽命相對(duì)增長率如圖8(c)所示?？芍?，隨著坡度角的增大，對(duì)應(yīng)的使用壽命相對(duì)增長率在±20%刻度附近大幅度波動(dòng)，這說明使用壽命在不同坡度角下產(chǎn)生較為明顯但穩(wěn)定的變化情況，平均相對(duì)增長率為1.372%。

為了驗(yàn)證文中結(jié)論的可靠性與有效性，將結(jié)果與多位學(xué)者所發(fā)表的相似文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)比于立群[20]的研究發(fā)現(xiàn)，在階梯軸截面的過渡區(qū)域應(yīng)力系數(shù)集中，疲勞壽命下降，這一結(jié)論與圖5(a)、圖8(a)所示的結(jié)果相符。而陽鑫等人[21]的研究同樣說明，將階梯軸截面過渡區(qū)域更改為錐形能夠有效降低內(nèi)部的應(yīng)力，與文中在環(huán)狀階梯型密封件上設(shè)置坡度角的作用類似。這些研究成果都說明坡度角對(duì)于環(huán)狀階梯型密封件的結(jié)構(gòu)性能具有一定程度的提升，從而間接提高密封件的密封性能。

3 結(jié)論

(1)在環(huán)狀階梯型密封件的工作過程中，坡度角α的大小對(duì)于環(huán)狀階梯型密封件的內(nèi)部應(yīng)力與形變程度均有不同程度的影響，應(yīng)力分布與形變分布相似度極高，且相對(duì)增長率均先出現(xiàn)最大值再呈現(xiàn)穩(wěn)定波動(dòng)趨勢(shì)，經(jīng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)應(yīng)力與形變兩者強(qiáng)相關(guān)。

(2)環(huán)狀階梯型密封件在受到外部載荷的過程中，整體產(chǎn)生最大形變與最大應(yīng)力的位置均為階梯狀結(jié)構(gòu)的第一層內(nèi)部附近。相同載荷下，環(huán)狀階梯型密封件所受的應(yīng)力與產(chǎn)生的形變隨后出現(xiàn)振幅相近的波動(dòng)。使用壽命受到應(yīng)力與形變的耦合作用，其變化規(guī)律也隨坡度角的增加呈現(xiàn)出類似趨勢(shì)，但出現(xiàn)極值后的振幅較前兩者更大。

(3)在環(huán)狀階梯型密封件的設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化外側(cè)環(huán)狀表面與軸向之間的坡度角能夠一定程度上降低密封件產(chǎn)生的應(yīng)力，減小整體發(fā)生的形變，從而間接延長密封件的使用壽命。