杜宸宇 孫 丹 趙 磊 趙 歡 張國臣

(1.沈陽航空航天大學(xué)航空發(fā)動機學(xué)院，遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室 遼寧沈陽110136；2.北京動力機械研究所 北京 100074)

彈性金屬密封環(huán)是一種性能優(yōu)異的密封機械，其具有結(jié)構(gòu)簡易、質(zhì)量輕以及自緊性能等優(yōu)點[1-2]，能在高溫、高壓以及強腐蝕等極其惡劣的環(huán)境下工作，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機、燃氣輪機、汽輪機等動力機械領(lǐng)域[3-4]。彈性金屬密封環(huán)通過接觸表面的彈塑性變形補償初始間隙以實現(xiàn)對介質(zhì)的密封，一般采用具有彈性補償功能的結(jié)構(gòu)，常用結(jié)構(gòu)為O形、C形、U形和W形等[5-6]。由于彈性金屬密封環(huán)的變形特性、軸向剛度和回彈性能等力學(xué)特性對其工作性能有著重要影響[7]，且不同結(jié)構(gòu)的彈性金屬密封環(huán)的力學(xué)性能存在一定差異，因此展開彈性金屬密封環(huán)力學(xué)特性的研究尤為重要。

研究人員分別對O形、C形、U形和W形彈性金屬密封環(huán)進行了相關(guān)的研究工作。SHEN等[8]分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和壓縮率對O形環(huán)密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)壓縮率對環(huán)接觸應(yīng)力的分布和大小有重要的影響。張文昌等[9]分析了O形環(huán)的壓縮復(fù)位特性、接觸特性和鍍層的影響，發(fā)現(xiàn)壓縮率決定O形環(huán)的回彈補償性能，鍍層均勻化了環(huán)的接觸壓力分布，對壓縮復(fù)位特性影響很小。LIU等[10]通過對C形環(huán)施加循環(huán)載荷來研究耐久性能，發(fā)現(xiàn)環(huán)的壁厚值對C形環(huán)的耐久性能影響明顯，且高溫時效處理會使環(huán)的耐久性下降。李琪琪等[11]研究了內(nèi)置彈簧C形環(huán)在高壓管道法蘭密封上的應(yīng)用條件，發(fā)現(xiàn)其壓縮率和彈簧截面直徑分別在20%～25%和0.60～0.70 mm時具有良好的密封性能。李玉婷等[12]研究了預(yù)緊和工作工況下U形環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能的影響，通過優(yōu)化設(shè)計解決了U形環(huán)易產(chǎn)生翹曲的問題。毛劍峰等[13]研究了U形環(huán)在高溫高壓工況下的蠕變強度，得到了接觸面的位置、接觸應(yīng)力和蠕變多軸度因子隨時間的變化規(guī)律。SARAWATE等[14]測量了燃氣渦輪中不同尺寸參數(shù)的W形環(huán)的泄漏率，發(fā)現(xiàn)密封接觸面的偏移量對有效泄漏間隙有著重要的影響，當(dāng)壓縮量達到最大值時，有效泄漏間隙增大了4.5～6倍。姜旸和索雙富[15]計算了W形環(huán)的塑形變形區(qū)域占比、最大接觸應(yīng)力和回彈率，并建立一套W形環(huán)的優(yōu)化方法，該方法可得到給定工況下的最優(yōu)綜合性能設(shè)計。

研究表明，彈性金屬密封環(huán)的力學(xué)性能對其工作性能有著重要影響，但不同結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能存在一定差異，現(xiàn)有文獻大多針對某一種結(jié)構(gòu)進行研究，對比不同結(jié)構(gòu)的彈性金屬密封環(huán)力學(xué)特性研究較少。本文作者建立了彈性金屬密封環(huán)力學(xué)特性數(shù)值模型，在驗證數(shù)值模型準確性的基礎(chǔ)上，對比分析了O形、C形、U形和W形環(huán)4種結(jié)構(gòu)的變形特性、軸向剛度和回彈性能，并分析了進出口壓差、溫度和結(jié)構(gòu)形式對軸向剛度的影響。研究結(jié)果對彈性金屬密封環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選用提供理論指導(dǎo)。

1 力學(xué)特性主要參數(shù)

1.1 軸向剛度

軸向剛度表征彈性金屬密封環(huán)抵抗變形的能力，計算公式[16]為

(1)

式中：k為徑向剛度；F為軸向力；x為壓縮量。

從式(1)中可以看出，在一定的壓縮量條件下，軸向力與軸向剛度成正比。軸向剛度過大會增加彈性金屬密封環(huán)安裝所需的軸向載荷，容易劃傷密封接觸面；軸向剛度過小會降低彈性金屬密封環(huán)的承載能力，容易造成環(huán)的失穩(wěn)，因此要選用合適的軸向剛度作為設(shè)計值。

1.2 回彈率

回彈率表征卸除壓縮載荷后彈性金屬密封環(huán)恢復(fù)到初始狀態(tài)的能力，計算公式[16]為

(2)

式中：α為回彈率；h為環(huán)的初始截面高度；h0為環(huán)壓縮之后的截面高度；h1為環(huán)復(fù)位之后的自由高度。

回彈率越大，彈性補償性能越強，使得彈性金屬密封環(huán)在動態(tài)工況中實現(xiàn)環(huán)與法蘭的良好接觸，進而提高密封性能。

2 數(shù)值模型

2.1 求解模型

為對比不同結(jié)構(gòu)對力學(xué)特性的影響，文中建立了4種彈性金屬密封環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。彈性金屬密封環(huán)的材料為鎳基高溫合金GH4169，該材料具有優(yōu)異的綜合性能，廣泛應(yīng)用于宇航、石油、核能、化工等工業(yè)中產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的制造。材料主要參數(shù)如表2所示。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 GH4169主要材料參數(shù)[17]

圖1 4種彈性金屬密封環(huán)結(jié)構(gòu)示意

彈性金屬密封環(huán)力學(xué)特性求解模型如圖2所示。求解模型由上法蘭、下法蘭和彈性金屬密封環(huán)組成。由于彈性金屬密封環(huán)的結(jié)構(gòu)和邊界條件均具有軸對稱的特點，故將模型簡化為二維軸對稱模型，單元類型為PLANE182單元，該單元適用于計算大變形和大應(yīng)變的問題。上法蘭和下法蘭設(shè)置為不產(chǎn)生變形的剛體，考慮材料的彈塑性變形。

圖2 求解模型

2.2 網(wǎng)格劃分

彈性金屬密封環(huán)網(wǎng)格劃分如圖3所示。模型總體采用四邊形進行劃分，對法蘭與彈性金屬密封環(huán)的接觸邊界進行網(wǎng)格加密處理。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達到16 738時，接觸力變化不超過0.1%，故選用該網(wǎng)格數(shù)量進行數(shù)值計算。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件及數(shù)值算法

彈性金屬密封環(huán)邊界條件如圖4所示。

圖4 邊界條件

文中共計算壓縮復(fù)位和高溫高壓2種工況條件，具體過程如表3所示。常溫環(huán)境溫度為20 ℃，常壓為標準大氣壓，上法蘭沿軸向進行壓縮和復(fù)位運動，下法蘭固定，彈性金屬密封環(huán)與上下法蘭的接觸邊界為摩擦接觸，不考慮切向滑動，接觸算法采用增強拉格朗日法，迭代采用完全牛頓拉普森法。

表3 2種工況條件

2.4 準確性驗證

應(yīng)用文中數(shù)值方法建立文獻[8]的O形環(huán)實驗件模型，并將數(shù)值計算結(jié)果與文獻[8]壓縮復(fù)位工況的實驗結(jié)果進行對比，如圖5所示。可以看出，文中數(shù)值結(jié)果和文獻[8]實驗結(jié)果吻合良好，整體趨勢基本一致，回彈率誤差為8.1%，驗證了文中數(shù)值模型的準確性。由于數(shù)值模型與實驗件的結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)存在一定的差異，故導(dǎo)致兩者之間存在一定的誤差。

圖5 模型準確性驗證

3 結(jié)果及分析

3.1 壓縮復(fù)位工況分析

3.1.1 變形特性分析

圖6和圖7分別給出了在壓縮復(fù)位工況下，上法蘭壓縮至1 mm時的總體變形和應(yīng)力分布(文中應(yīng)力結(jié)果均為第四強度理論等效應(yīng)力)?？梢钥闯?，4種結(jié)構(gòu)在抵抗壓縮的過程中產(chǎn)生了不同程度的彎曲變形，且4種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小和分布狀態(tài)也有所區(qū)別，其中O形環(huán)的最大應(yīng)力值明顯大于其他3種結(jié)構(gòu)，這主要是由于O形環(huán)在幾何結(jié)構(gòu)上具有較大的剛度。O形環(huán)的應(yīng)力主要分布在與法蘭的接觸位置和軸向中部區(qū)域；C形環(huán)的應(yīng)力主要分布在軸向中部區(qū)域；U形和W形環(huán)的應(yīng)力主要分布在結(jié)構(gòu)的圓角過渡區(qū)域。以上區(qū)域容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的斷裂失效。

圖6 4種彈性金屬密封環(huán)壓縮復(fù)位工況總體變形(壓縮至1 mm)

圖7 4種彈性金屬密封環(huán)壓縮復(fù)位工況應(yīng)力分布(壓縮至1 mm)

圖8和圖9分別給出了在壓縮復(fù)位工況下，上法蘭復(fù)位時的總體變形和應(yīng)力分布。可以看出，上法蘭在復(fù)位時與彈性金屬密封環(huán)存在一定的軸向間隙，彈性金屬密封環(huán)未恢復(fù)至初始的軸向高度，這主要是由于彈性金屬密封環(huán)在被壓縮的過程中產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形，其中O形環(huán)的塑性應(yīng)變主要分布在與法蘭的接觸位置和軸向中部區(qū)域；C形環(huán)的塑性應(yīng)變主要分布在軸向中部區(qū)域；U形和W形環(huán)的塑性應(yīng)變主要分布在結(jié)構(gòu)的圓角過渡區(qū)域。又由于4種結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變的大小和面積均不相同，故導(dǎo)致4種結(jié)構(gòu)復(fù)位時的軸向高度也均不相同。

圖8 4種彈性金屬密封環(huán)壓縮復(fù)位工況總體變形(復(fù)位)

圖9 4種彈性金屬密封環(huán)壓縮復(fù)位工況塑性應(yīng)變分布(復(fù)位)

3.1.2 回彈性能分析

圖10給出了4種結(jié)構(gòu)彈性金屬密封環(huán)的壓縮復(fù)位曲線。

圖10 4種彈性金屬密封環(huán)壓縮復(fù)位曲線

從圖中可以看出，在壓縮過程中O形環(huán)的軸向剛度明顯大于其他3種結(jié)構(gòu)，且其他3種結(jié)構(gòu)的軸向剛度差別較小，故O形環(huán)具有良好的承載能力；O形、C形、U形和W形環(huán)的回彈率分別為36.7%、56.7%、63.3%、70.5%，故U形和W形環(huán)具有良好的回彈性能，C形環(huán)的回彈性能適中，而O形環(huán)的回彈性能較差。

3.2 高溫高壓工況分析

3.2.1 變形特性分析

圖11和圖12分別給出了在高溫高壓工況下，上法蘭壓縮至1 mm時的總體變形和應(yīng)力分布。通過對比圖6和圖11可以發(fā)現(xiàn)，在相同壓縮量條件下， W形環(huán)相比于其他3種結(jié)構(gòu)，其在高溫高壓下產(chǎn)生了更為明顯的變形，這主要是由于W形環(huán)具有較大的表面積，因此會受到較大的氣流力作用進而導(dǎo)致較大的變形。通過對比圖7和圖12可以發(fā)現(xiàn)，4種結(jié)構(gòu)環(huán)在高溫高壓下的最大應(yīng)力值更小，但應(yīng)力值超過屈服強度的區(qū)域更大，這主要是由于材料的彈性模量和屈服強度在高溫工況下更小，彈性金屬密封環(huán)抵抗變形的能力降低，進而導(dǎo)致應(yīng)力值的減小，但高溫高壓條件下材料更容易屈服，結(jié)構(gòu)更容易失效。

圖12 4種彈性金屬密封環(huán)高溫高壓工況應(yīng)力分布(壓縮至1 mm)

3.2.2 進出口壓差對軸向剛度的影響分析

圖13給出了4種彈性金屬密封環(huán)軸向力隨進出口壓差的變化規(guī)律?？梢钥闯?，O形環(huán)的軸向力隨進出口壓差的增大而略微減小，其他3種結(jié)構(gòu)隨進出口壓差的增大而略微增大，這主要是由于其他3種結(jié)構(gòu)環(huán)在氣流壓力的作用下會產(chǎn)生與法蘭壓縮方向相反的變形趨勢，但貢獻程度很小。從總體上看4種結(jié)構(gòu)環(huán)的軸向力隨進出口壓差的變化很小，故進出口壓差對彈性金屬密封環(huán)軸向剛度的影響不大。

圖13 4種彈性金屬密封環(huán)軸向力隨進出口壓差的變化規(guī)律

3.2.3 溫度對軸向剛度的影響分析

圖14給出了4種彈性金屬密封環(huán)軸向力隨溫度的變化規(guī)律。可以看出，4種結(jié)構(gòu)環(huán)的軸向力隨溫度的增加而減小，且相比于其他3種結(jié)構(gòu)，O形環(huán)的軸向力減小趨勢最為顯著，這主要是由于材料的彈性模量和屈服強度隨著溫度的增加而減小，彈性金屬密封環(huán)抵抗變形的能力下降，產(chǎn)生塑性應(yīng)變的程度增加，進而導(dǎo)致軸向剛度減小，故彈性金屬密封環(huán)軸向剛度隨著溫度的增加而減小。

圖14 4種彈性金屬密封環(huán)軸向力隨溫度的變化規(guī)律

3.2.4 4種結(jié)構(gòu)環(huán)的軸向剛度對比分析

圖15給出了4種結(jié)構(gòu)環(huán)的軸向力隨壓縮量的變化規(guī)律。

圖15 4種彈性金屬密封環(huán)軸向力隨壓縮量的變化規(guī)律

從圖中可以看出，4種結(jié)構(gòu)形式環(huán)的軸向力均隨著壓縮量的增加而增大，對比相同壓縮量時的軸向力可以發(fā)現(xiàn)，4種結(jié)構(gòu)環(huán)的軸向剛度由大至小依次為O形、C形、W形和U形環(huán)，其中O形環(huán)的軸向剛度明顯大于其他3種結(jié)構(gòu)，C形環(huán)的軸向剛度略大于其他2種結(jié)構(gòu)，U形和W形環(huán)的軸向剛度相差不大，因此O形環(huán)適用于高載荷的工況，C形環(huán)適用于中低載荷的工況，U形和W形環(huán)適用于低載荷的工況。

4 結(jié)論

(1)在壓縮復(fù)位工況下，彈性金屬密封環(huán)由于在壓縮過程中產(chǎn)生了塑性變形，導(dǎo)致其復(fù)位時未能恢復(fù)至初始軸向高度。其中O形、C形、U形和W形環(huán)的回彈率分別為36.7%、56.7%、63.3%、70.5%，表明U形和W形環(huán)具有良好的回彈性能，C形環(huán)的回彈性能適中，而O形環(huán)的回彈性能較差。

(2)在高溫高壓工況下，彈性金屬密封環(huán)軸向剛度隨著溫度的增加而減小，進出口壓差對彈性金屬密封環(huán)軸向剛度的影響不大，4種結(jié)構(gòu)環(huán)的軸向剛度由大至小依次為O形、C形、W形和U形環(huán)。

(3)在相同壓縮量條件下，高溫高壓工況相比于壓縮復(fù)位工況，彈性金屬密封環(huán)的最大應(yīng)力值更小，但應(yīng)力值超過屈服強度的區(qū)域更大，結(jié)構(gòu)更容易失效。

(4)通過對比4種結(jié)構(gòu)環(huán)發(fā)現(xiàn)，O形環(huán)適用于高載荷低回彈的工況，U形和W形環(huán)適用于低載荷高回彈的工況，而C形環(huán)的性能適中。