黃龍,岳光,楊蓓,徐義軍,吳新洲,潘玉田
(1.南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院,江西 南昌 330063;2.太原工業(yè)學(xué)院 自動(dòng)化系,山西 太原 030008;3.中北大學(xué) 智能武器研究院,山西 太原 030051;4.中國(guó)航發(fā)長(zhǎng)江動(dòng)力有限公司,湖南 岳陽(yáng) 414001)
W形金屬密封環(huán)是導(dǎo)彈或火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)上較為重要的氣體密封件,主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)高導(dǎo)和機(jī)匣間、壓氣機(jī)、燃燒部件和噴嘴等重要?dú)饴肺恢玫拿芊?其密封效果對(duì)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)性能至關(guān)重要。W形金屬密封環(huán)屬于復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu),具有回彈性能優(yōu)異、自緊密封性能良好、位移補(bǔ)償和吸震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1],因此在世界各國(guó)先進(jìn)導(dǎo)彈或火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。
國(guó)外對(duì)于W形金屬密封環(huán)的研究比較成熟,Persson等[2]研究了塑性變形對(duì)金屬密封件泄漏率的影響;Sarawate等[3]利用W形金屬密封環(huán)高溫試驗(yàn)臺(tái)研究了軸向位移對(duì)金屬密封件泄漏率的影響;More等[4]分析了高溫下應(yīng)力對(duì)W形密封環(huán)性能的影響。國(guó)內(nèi)對(duì)于W形金屬密封環(huán)設(shè)計(jì)制造的研究仍處于起步階段,諸多學(xué)者利用數(shù)值分析軟件進(jìn)行分析,給W形金屬密封環(huán)的設(shè)計(jì)及制造工藝研究提供了理論依據(jù)[5-7]。龔雪婷等[8]基于有限元分析研究了W環(huán)壁厚及預(yù)壓縮量對(duì)密封性能的影響;陳希等[9]基于ANSYS研究了W密封環(huán)波數(shù)對(duì)密封環(huán)強(qiáng)度性能的影響;索雙富等[10-11]基于ANSYS研究了W形密封環(huán)的厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封環(huán)軸向剛度的影響;李偉平等[12]對(duì)金屬密封環(huán)泄漏率的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究,分析了金屬密封環(huán)接觸表面的粗糙度、接觸應(yīng)力及接觸面積等對(duì)W金屬密封環(huán)泄漏率仿真計(jì)算的影響。
W形金屬密封環(huán)根據(jù)開口方向的不同分為內(nèi)開口環(huán)和外開口環(huán),將開口朝里并作用于內(nèi)側(cè)高壓密封的稱為內(nèi)開口環(huán),反之稱為外開口環(huán)[13]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于W形金屬密封環(huán)開口方向?qū)γ芊庑阅艿挠绊懷芯枯^少,在實(shí)際應(yīng)用中也忽略了開口方向的不同會(huì)影響密封效果。但在進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),存在一些可以選擇壓力作用側(cè)方向的情況,進(jìn)而需要選擇裝配W形金屬密封環(huán)的開口方向。此時(shí)應(yīng)該考慮W環(huán)內(nèi)、外開口的密封性能差異,選擇更合適的W環(huán)開口方向,以增強(qiáng)密封有效性,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。筆者以某型炮射導(dǎo)彈W形金屬密封環(huán)為例,基于ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值仿真研究,分析對(duì)比內(nèi)開口環(huán)和外開口環(huán)的單位泄漏量,研究開口方向?qū)γ芊庑阅艿挠绊憽Mㄟ^發(fā)動(dòng)機(jī)密封環(huán)綜合工況試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行密封試驗(yàn),驗(yàn)證仿真結(jié)論的準(zhǔn)確性,最后分析導(dǎo)致內(nèi)外開口W環(huán)密封性能差異的原因。筆者研究?jī)?nèi)容及結(jié)論對(duì)炮射導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)密封方案設(shè)計(jì)及W形金屬密封環(huán)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)改進(jìn)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義,兼顧其他,可以應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究,具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。
以某型炮射導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)W形金屬密封環(huán)為研究對(duì)象,其結(jié)構(gòu)參數(shù)示意如圖1所示,三維結(jié)構(gòu)示意如圖2所示,W環(huán)與法蘭密封面接觸關(guān)系如圖3所示。
根據(jù)該型號(hào)現(xiàn)有W形金屬密封環(huán),選取兩組內(nèi)外徑大小接近,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同,開口方向不同的W環(huán)作為研究對(duì)象,將該型W環(huán)分為1#內(nèi)開口環(huán)和2#外開口環(huán),其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
表1 W形金屬密封環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)
筆者研究的W形金屬密封環(huán)所用材料為沉淀強(qiáng)化高溫鎳基合金GH4169。GH4169在高溫下仍具有良好的綜合性能,是制造W形金屬密封環(huán)的優(yōu)良材料[14],其基本力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。
表2 GH4169材料力學(xué)基本性能參數(shù)
利用ABAQUS有限元分析軟件分別對(duì)上述1#內(nèi)開口W環(huán)和2#外開口W環(huán)進(jìn)行有限元建模分析。由于W形金屬密封環(huán)是W形截面繞固定軸旋轉(zhuǎn)而成,不僅屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)還是上下對(duì)稱結(jié)構(gòu),而且密封環(huán)在實(shí)際工況下所受到的壓力載荷和邊界條件都是中心軸對(duì)稱的,如圖4所示。因此將有限元模型簡(jiǎn)化成平面軸對(duì)稱模型,既可以提高計(jì)算效率也可以保證計(jì)算精度[13]。建立金屬W環(huán)有限元模型后,根據(jù)金屬W環(huán)在炮射彈發(fā)動(dòng)機(jī)中的實(shí)際工況施加相應(yīng)的邊界條件和載荷。首先在邊界條件設(shè)置下法蘭的軸向位移約束,上法蘭施加軸向位移載荷,其次根據(jù)金屬W環(huán)裝配方式和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況設(shè)置工作溫度和壓力載荷。
對(duì)W形密封環(huán)的性能分析屬于復(fù)雜的非線性分析,涉及邊界條件非線性、材料非線性和幾何非線性。W形金屬密封環(huán)用于平面和凹槽之間法蘭中,且都是可變形體,與法蘭之間的接觸面間既有法向力又有切向力。因此W形密封環(huán)和上下法蘭在ABAQUS仿真時(shí)選用柔體-柔體接觸類型,采用面對(duì)面接觸方式,并使用增廣拉格朗日乘子法(Augmented Lagrange Method)以加快模型計(jì)算速度。選取W形金屬密封環(huán)和上下法蘭接觸的表面作為接觸面,同時(shí)考慮W形密封環(huán)和法蘭密封面的接觸摩擦影響,故采用標(biāo)準(zhǔn)摩擦類型,摩擦系數(shù)為0.15[15]。
網(wǎng)格劃分的單元類型為CAX4R型,即一種4節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形減縮積分單元。在仿真過程中,網(wǎng)格數(shù)量、類型、疏密程度和網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)仿真準(zhǔn)確性具有重大影響。綜合考慮計(jì)算效率和求解精度必須選擇合理的網(wǎng)格數(shù)量,對(duì)比不同網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響和保證網(wǎng)格在變密變疏時(shí)計(jì)算結(jié)果誤差在5%內(nèi),最終確定密封環(huán)的網(wǎng)格單元尺寸為10 μm,接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化1 μm。以內(nèi)開口環(huán)為例,密封環(huán)模型的網(wǎng)格劃分如圖5所示。
W形金屬密封環(huán)的泄漏量是衡量其密封性能的關(guān)鍵因素之一。泄漏量是指單位時(shí)間內(nèi)從密封環(huán)高壓側(cè)流向低壓側(cè)的流體質(zhì)量或體積。當(dāng)整個(gè)密封結(jié)構(gòu)的泄漏量超過某一值后,即可認(rèn)為密封失效[16]。目前用于計(jì)算泄漏量的數(shù)學(xué)模型主要包括平行圓板模型、三角溝槽模型和多孔介質(zhì)模型3種,其中平行圓板模型將流體介質(zhì)通過密封點(diǎn)處的泄漏簡(jiǎn)化為介質(zhì)通過間隙高度為h,由圓板內(nèi)徑r1處流至外徑r2處的定常、層流流動(dòng)[17-18]。考慮W形金屬密封環(huán)的主要泄漏方式是由于密封件與對(duì)象件接觸面之間存在的微小間隙造成的界面泄漏,本文暫不考慮密封環(huán)接觸界面粗糙表面特征形狀影響[19],因此選用改進(jìn)的平行圓板數(shù)學(xué)模型計(jì)算W形金屬密封環(huán)的體積泄漏量。實(shí)際上,有效接觸內(nèi)、外徑和W形金屬密封環(huán)的壓縮量、壓力載荷等因素有關(guān),接觸內(nèi)外徑不同會(huì)導(dǎo)致單位泄漏量不同,新引入由壓縮率和內(nèi)外壓差決定的動(dòng)態(tài)系數(shù)γ,則泄漏量的計(jì)算公式為
(1)
式中:QV為體積泄漏量(m3/h);γ為動(dòng)態(tài)系數(shù);h為接觸面等效間隙(mm);μ為介質(zhì)空氣粘度;P1、P2分別為施加在密封環(huán)內(nèi)外側(cè)的壓力;r1、r2分別為密封環(huán)工作狀態(tài)下與法蘭接觸面圓板的內(nèi)徑與外徑,可通過ABAQUS仿真處理得出密封環(huán)與法蘭面接觸應(yīng)力云圖,直接提取接觸面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)獲得[20],如圖6所示。
仿真計(jì)算泄漏量時(shí),為保證結(jié)構(gòu)參數(shù)相同,僅比較不同開口方向下W環(huán)密封性能,將1#環(huán)和2#環(huán)的開口方向均分別設(shè)置為內(nèi)開口和外開口兩種形式,并在相同工況載荷下將泄漏量換算成單位長(zhǎng)度泄漏量比較其密封性能。以1#環(huán)為例,通過ABAQUS仿真將1#環(huán)分別設(shè)置為內(nèi)開口和外開口兩種形式,在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同情況下,獲得不同軸向壓縮量下的密封環(huán)與法蘭面接觸應(yīng)力云圖,再分別提取內(nèi)外開口兩種形式與法蘭接觸面的內(nèi)徑r1與外徑r2,如圖7所示。
分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)相同結(jié)構(gòu)參數(shù)和載荷條件下的外開口W環(huán)與法蘭接觸面的內(nèi)徑、外徑均比內(nèi)開口W環(huán)的更大,實(shí)際有效接觸圓周長(zhǎng)也更大。為方便比較內(nèi)外開口仿真泄漏量大小,將r1、r2代入式(1),分別計(jì)算相同工況下內(nèi)開口形式和外開口形式的泄漏量QV,根據(jù)1#內(nèi)、外開口W環(huán)模型結(jié)構(gòu)和接觸面半徑r1和r2,計(jì)算實(shí)際接觸圓周長(zhǎng)D,將泄漏量QV分別代入式(2),換算成單位長(zhǎng)度泄漏量QV/mm(m3·h-1·mm-1)進(jìn)行比較。
(2)
式中,D為實(shí)際接觸圓周長(zhǎng)(mm)。
通過式(1)、(2)得出1#環(huán)內(nèi)開口和外開口形式在軸向壓縮量分別為0.20、0.30、0.40、0.50、0.55和0.60 mm下的單位長(zhǎng)度泄漏量,如圖8所示。
以相同方式,通過ABAQUS分別建立2#環(huán)內(nèi)開口和外開口兩種形式仿真模型,獲得不同軸向壓縮量下的接觸內(nèi)外徑,計(jì)算出內(nèi)、外開口兩種形式的單位長(zhǎng)度泄漏量進(jìn)行比較,如圖9所示。
通過對(duì)比兩組內(nèi)、外開口W形金屬密封環(huán)單位泄漏量的仿真結(jié)果,發(fā)現(xiàn)相同軸向壓縮量外開口W環(huán)和內(nèi)開口W環(huán)單位泄漏量相差6.64%~25.63%;隨著軸向壓縮量增大,內(nèi)、外開口環(huán)泄漏量均減小,兩者泄漏量差異變小,在軸向壓縮量大于0.5 mm后才能形成良好的密封效果。從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出接觸內(nèi)外徑的差別對(duì)內(nèi)、外開口W環(huán)的密封性能有所影響,內(nèi)開口W環(huán)密封性能優(yōu)于外開口W環(huán)。
為驗(yàn)證數(shù)值仿真分析的可靠性,利用金屬密封環(huán)綜合工況試驗(yàn)臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同、尺寸相近的1#內(nèi)開口和2#外開口W金屬密封環(huán)進(jìn)行密封試驗(yàn),密封環(huán)實(shí)物如圖10所示。
該金屬密封環(huán)綜合工況試驗(yàn)臺(tái)包括試驗(yàn)臺(tái)主機(jī)、壓力調(diào)節(jié)裝置、溫度調(diào)節(jié)裝置、測(cè)控系統(tǒng)及試驗(yàn)操作中心。發(fā)動(dòng)機(jī)金屬密封環(huán)綜合工況試驗(yàn)臺(tái)如圖11所示。密封試驗(yàn)主要是測(cè)量在一定壓差下不同軸向壓縮量的氣體泄漏量,密封試驗(yàn)流程如圖12所示。
試驗(yàn)過程通過測(cè)控系統(tǒng)控制上壓板移動(dòng),在W形金屬密封環(huán)內(nèi)外放置限位環(huán),提供基準(zhǔn)并防止過載損壞試驗(yàn)環(huán),如圖13所示。利用位移光柵尺高精度的特性控制壓板移動(dòng),實(shí)現(xiàn)內(nèi)外開口的W形密封環(huán)軸向壓縮量的精準(zhǔn)控制。
測(cè)控系統(tǒng)將密封環(huán)壓縮量控制達(dá)到目標(biāo)值后,氣壓控制系統(tǒng)根據(jù)1#內(nèi)開口W環(huán)和2#外開口W環(huán)的不同選擇不同的進(jìn)氣方式,建立內(nèi)側(cè)高壓或外側(cè)高壓,壓差傳感器讀取試驗(yàn)環(huán)內(nèi)外壓差,待內(nèi)外壓差達(dá)到目標(biāo)值穩(wěn)定后,通過流量傳感器讀取泄漏量。試驗(yàn)臺(tái)所選用的傳感器精度高,抗沖擊能力強(qiáng)且經(jīng)過專業(yè)校準(zhǔn),可以保證測(cè)量的精度。在試驗(yàn)臺(tái)上分別進(jìn)行內(nèi)開口和外開口W環(huán)密封試驗(yàn),依次測(cè)量在相同工況下軸向壓縮量分別為0.20、0.30、0.40、0.50、0.55和0.60 mm下的泄漏量,通過式(2)換算成單位長(zhǎng)度泄漏量,對(duì)比內(nèi)外徑尺寸相近、其余結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的1#內(nèi)開口W環(huán)和2#外開口環(huán)密封性能,其試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。
試驗(yàn)結(jié)果表明,在相同工況下軸向壓縮量為0.2~0.4 mm時(shí),1#內(nèi)開口W環(huán)明顯比2#外開口W環(huán)泄漏量更小,密封性能更好;并且在軸向壓縮量為0.4 mm以后,1#內(nèi)開口W環(huán)泄漏量接近0且基本達(dá)到有效密封,而2#外開口W環(huán)在軸向壓縮量達(dá)到0.55~0.60 mm后,其泄漏量才接近0達(dá)到有效密封;2#外開口W環(huán)軸向壓縮量比1#內(nèi)開口W環(huán)高出2.68%~3.57%才能具備良好的密封效果。在相同工況下內(nèi)開口W環(huán)密封性能優(yōu)于外開口W環(huán),驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)論的可靠性。
將密封試驗(yàn)得到的1#內(nèi)開口W環(huán)和2#外開口W環(huán)的單位長(zhǎng)度泄漏量分別與有限元仿真計(jì)算得到的1#內(nèi)開口W環(huán)和2#外開口W環(huán)的單位長(zhǎng)度泄漏量進(jìn)行對(duì)比,如圖15、16所示。
在軸向壓縮量為0.2 mm時(shí),1#內(nèi)開口環(huán)和2#外開口環(huán)的仿真泄漏量與試驗(yàn)值偏差較小,分別偏小5.8%、2.6%;在軸向壓縮量為0.3 mm時(shí),1#內(nèi)開口環(huán)仿真泄漏量比試驗(yàn)值偏大15.7%,2#外開口環(huán)仿真泄漏量比試驗(yàn)值偏小8.1%;1#內(nèi)開口環(huán)在軸向壓縮量0.4 mm以后,試驗(yàn)與仿真計(jì)算下降趨勢(shì)略有不同,隨著壓縮量增大泄漏量基本穩(wěn)定且接近0形成了有效密封;2#外開口環(huán)在軸向壓縮量為0.4 mm以后,隨著壓縮量增大仿真泄漏量比試驗(yàn)值偏大,但仿真泄漏量與試驗(yàn)值下降趨勢(shì)相似,直到壓縮量0.55 mm后接近0形成有效密封。
考慮金屬密封環(huán)在實(shí)際工作過程中,軸向壓縮量壓到一定程度后,壓差上升到一定值,內(nèi)側(cè)高壓會(huì)對(duì)內(nèi)開口W環(huán)內(nèi)側(cè)有擠脹作用,使內(nèi)開口W密封環(huán)有軸向張開的趨勢(shì),增大密封環(huán)與上下法蘭的接觸應(yīng)力有助于加強(qiáng)密封效果;外側(cè)高壓對(duì)外開口W環(huán)外側(cè)有擠脹作用,同樣會(huì)增大密封環(huán)與上下法蘭的接觸應(yīng)力,加強(qiáng)密封效果,因此仿真值比試驗(yàn)值略大,其作用效果如圖17所示。
在仿真計(jì)算泄漏量時(shí)考慮在一定壓縮量及壓差下W環(huán)所受到的擠脹作用力,式(1)中的系數(shù)γ就是根據(jù)壓縮率和內(nèi)外壓差大小來(lái)確定的,因此可以減小計(jì)算誤差。從上述仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果分析得出,仿真計(jì)算泄漏量與采用金屬密封環(huán)綜合工況試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的密封試驗(yàn)所測(cè)得的泄漏量是準(zhǔn)確可靠的。相同工況及軸向壓縮量下,內(nèi)開W環(huán)比外開W環(huán)單位長(zhǎng)度泄漏量更小、密封性能更好。
W形金屬密封環(huán)密封性能的影響因素主要有W環(huán)的軸向壓縮量、壁厚、接觸面內(nèi)外徑、外壓等。陳希等[9]、索雙富等[10]的研究也表明,軸向壓縮量、接觸面內(nèi)外徑和壁厚會(huì)影響W環(huán)密封面的接觸面積、接觸應(yīng)力,從而影響其密封性能。
從建模仿真結(jié)果分析,相同結(jié)構(gòu)參數(shù)及工況下外開口W環(huán)與法蘭接觸面內(nèi)外徑比內(nèi)開口W環(huán)的更大,會(huì)導(dǎo)致外開口W環(huán)單位泄漏量大于內(nèi)開口W環(huán),影響W形金屬密封環(huán)密封性能。從W形金屬密封環(huán)制造工藝分析,因?yàn)閃形金屬密封環(huán)普遍采用滾壓成型工藝,在滾壓成型過程中外開口W環(huán)的邊緣是外翻拉伸引起接觸面壁厚變薄,而內(nèi)開口W環(huán)邊緣內(nèi)翻受到擠壓使接觸面壁厚會(huì)變厚,最終導(dǎo)致相同軸向壓縮量下,外開口W環(huán)密封面的接觸應(yīng)力更小,密封性能降低。對(duì)兩組W環(huán)的邊緣壁厚進(jìn)行光學(xué)成像尺寸測(cè)量,1#內(nèi)開口W環(huán)邊緣壁厚為0.252~0.255 mm,2#外開口W環(huán)邊緣壁厚為0.238~0.240 mm,如圖18所示。因此外開口W環(huán)邊緣壁厚薄于內(nèi)開口W環(huán)是W形金屬密封環(huán)密封性能差異的影響因素之一。
外開口W環(huán)比內(nèi)開口W環(huán)所需的軸向壓縮量更大才能取得良好的密封效果。但在施加軸向壓縮量時(shí)應(yīng)該考慮W環(huán)本身的最大強(qiáng)度極限,若軸向壓縮量過大會(huì)使W金屬密封環(huán)產(chǎn)生塑性變形,進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)的回彈性能降低,降低密封環(huán)使用壽命,不利于密封。
以某型W形金屬密封環(huán)為研究對(duì)象,基于ABAQUS有限元分析軟件對(duì)W環(huán)內(nèi)開口和外開口的泄漏量進(jìn)行數(shù)值仿真分析,并通過發(fā)動(dòng)機(jī)金屬密封環(huán)綜合工況試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行密封試驗(yàn)驗(yàn)證,得出相同工況下內(nèi)開口W環(huán)密封性能優(yōu)于外開口W環(huán),并從W形金屬密封環(huán)建模仿真和制造工藝分析了開口方向?qū)環(huán)密封性能影響因素。
相同工況下內(nèi)開口W環(huán)密封性能優(yōu)于外開口W環(huán)及其影響因素的研究結(jié)論,可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)做密封方案設(shè)計(jì)以及W形金屬密封環(huán)設(shè)計(jì)和制造提供參考。在可以選擇裝配W形金屬密封環(huán)開口方向的情況下,盡量采用內(nèi)開口W形金屬密封環(huán),可以提高其使用壽命有利于密封。在以后的W形金屬密封環(huán)設(shè)計(jì)和制造中,對(duì)于已確定結(jié)構(gòu)的W形金屬密封環(huán),可以針對(duì)外開口環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或者在制造工藝中加以改進(jìn),以提高其密封有效性。
綜上,本文研究?jī)?nèi)容與結(jié)論對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)密封方案設(shè)計(jì)及W形金屬密封環(huán)的設(shè)計(jì)制造具有很好的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值,對(duì)于推動(dòng)火炮發(fā)射火箭彈的研究具有重要的工程研究?jī)r(jià)值。