(清華大學(xué)機(jī)械工程系設(shè)計(jì)工程所 北京 100084)

W形環(huán)是一種彈性金屬密封環(huán)，其特點(diǎn)是基體材料為彈性金屬，可以在高溫高壓的嚴(yán)苛條件下工作。隨著航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，彈性金屬密封環(huán)已經(jīng)成為解決其苛刻密封的重要手段。彈性金屬密封環(huán)最早是由美國(guó)的洛克達(dá)因公司及多家研究機(jī)構(gòu)研制而成的，它是由彈性金屬作為密封環(huán)基體，同時(shí)在表面覆蓋軟金屬鍍層。這樣獨(dú)特的設(shè)計(jì)使得它的基體具有很高的穩(wěn)定性和回彈性，可以在嚴(yán)苛條件下進(jìn)行工作，同時(shí)表面軟金屬受力易延展，可以彌補(bǔ)密封環(huán)與法蘭之間的微小泄漏通道，具有良好的密封效果。因此，彈性金屬密封環(huán)具有回彈率高、自緊性能強(qiáng)，密封效果良好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

在國(guó)外，彈性金屬密封已有50余年的發(fā)展歷史，目前已發(fā)展較為成熟[3-4]。由于彈性金屬密封可靠性、回彈性、密封性?xún)?yōu)良，除了航空航天工業(yè)，該技術(shù)也在醫(yī)療設(shè)備、核工業(yè)設(shè)備、化工設(shè)備中得到了一定程度的應(yīng)用。

彈性金屬密封環(huán)可依據(jù)截面形狀的不同進(jìn)行分類(lèi)，不同截面形狀的彈性金屬密封環(huán)其性能也有所差別。常用的彈性金屬密封環(huán)截面形狀有C形、W形、O形、Ω形等[5-6]。C形環(huán)、W形環(huán)、Ω形環(huán)由于具有面向壓力側(cè)的開(kāi)口，因此在壓力作用下會(huì)產(chǎn)生良好的自緊性能[7]。由于W形環(huán)的獨(dú)特形狀，其回彈性能最為優(yōu)異，在強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境中表現(xiàn)出良好的追隨性能，比較適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的密封。

國(guó)際領(lǐng)先的商業(yè)公司如JETSEAL已將W形環(huán)產(chǎn)品化，并有公開(kāi)的產(chǎn)品手冊(cè)，但國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)一致對(duì)中國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖。國(guó)內(nèi)關(guān)于W形環(huán)的研究比較少，近年來(lái)龔雪婷等[8]運(yùn)用ANSYS進(jìn)行了W形金屬密封環(huán)的彈塑性接觸情況分析。索雙富、王晨希等[9-10]對(duì)W形環(huán)的軸向剛度進(jìn)行了研究，并運(yùn)用ANSYS計(jì)算了W形環(huán)的受力情況，且對(duì)密封性能與回彈性能進(jìn)行了初步分析。

本文作者在前人研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展W形環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，從穩(wěn)定性、密封性與回彈性入手，運(yùn)用W形環(huán)的工況靜態(tài)模型與回彈準(zhǔn)靜態(tài)模型進(jìn)行大量計(jì)算，歸納出確定工況下W形環(huán)最優(yōu)設(shè)計(jì)的求解方法。

1 W形金屬密封環(huán)的有限元計(jì)算模型

1.1 幾何模型

如圖1所示，W形金屬密封環(huán)安裝在上下法蘭之間，彈性金屬基體受壓，以保證其穩(wěn)定性、回彈性；表面鍍層與上下法蘭接觸，在壓力的作用下產(chǎn)生塑性變形，填充2個(gè)表面之間的泄漏通道，保證其密封性能，防止內(nèi)部氣體向外泄漏。

圖1 W形密封環(huán)安裝截面結(jié)構(gòu)圖Fig 1 The structure assemble of the metallic W-ring

圖2是W形密封環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 W形密封環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure of metallic W-ring

表1給出W形密封環(huán)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。W形環(huán)的外徑與自由高度一般由具體安裝情況決定，不在性能優(yōu)化的考慮之列。其他的幾何因素，包括接觸面曲率半徑、壁厚、波峰半徑、波谷半徑、波高均會(huì)影響其截面的幾何形狀，從而對(duì)其性能產(chǎn)生影響。表1中列出的初始值，是從前人研究中得到的650 ℃、3 MPa條件下的W形環(huán)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)[9-10]。

表1 W形環(huán)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The original section structure parameters of metallic W-ring mm

1.2 材料模型

W形密封環(huán)的材料選用鎳基高溫合金GH4169，該材料在高溫條件下性能優(yōu)異，其650 ℃溫度下屈服極限σ0.2在普通高溫合金中位居前列[9]。表2中給出了GH4169的具體參數(shù)。

表2 GH4169力學(xué)性能參數(shù)Table 2 The mechanical property parameters of GH4169

關(guān)于W形環(huán)靜態(tài)工況下的計(jì)算模型，索雙富、王晨希等[9-10]已經(jīng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述。在此基礎(chǔ)上，本文作者構(gòu)建了準(zhǔn)靜態(tài)模型來(lái)描述W形環(huán)的加載卸載過(guò)程，以計(jì)算其回彈情況。有關(guān)計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)文獻(xiàn)[11]，在此不再贅述。

2 W形金屬密封環(huán)的綜合性能評(píng)價(jià)

2.1 W形環(huán)的失效形式

要討論W形環(huán)綜合性能優(yōu)劣的判斷依據(jù)，首先要明確其失效形式。在進(jìn)行大量的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)工作后，總結(jié)W形環(huán)的失效形式主要有3類(lèi)：回彈性能不足、密封性能及穩(wěn)定性能不足導(dǎo)致的失效。

(1)回彈性能不足導(dǎo)致的失效。在振動(dòng)環(huán)境下工作時(shí)，上下法蘭會(huì)發(fā)生振動(dòng)，若W形環(huán)彈性不足，無(wú)法及時(shí)追隨法蘭的振動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致法蘭與密封環(huán)之間產(chǎn)生間隔從而導(dǎo)致泄漏。

在回彈性能的衡量上，國(guó)外密封公司多用回彈率作為衡量指標(biāo)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：η為回彈率；hf為W形環(huán)初始自由高度；hf0為W形密封環(huán)在加載之后的高度；hf1為載荷卸載之后W形密封環(huán)的自由高度[12]。

回彈率越高，代表W形環(huán)的彈性回復(fù)能力越強(qiáng)，在循環(huán)載荷下工作的可靠性越強(qiáng)。國(guó)外的產(chǎn)品手冊(cè)中，回彈率為100%的設(shè)計(jì)不在少數(shù)。

(2)密封性能不足導(dǎo)致的失效。W形環(huán)通過(guò)表面軟金屬鍍層與上下法蘭接觸，填充泄漏通道的方式來(lái)完成密封工作。由于W形環(huán)與上下法蘭的接觸面積很小，在確定工況下，W形環(huán)的密封問(wèn)題可以等效成線(xiàn)接觸的靜密封。若接觸應(yīng)力過(guò)小，表面金屬鍍層無(wú)法彌補(bǔ)足夠的泄漏通道，就會(huì)發(fā)生泄漏，導(dǎo)致密封失效。

因此，文中將W形環(huán)與法蘭的最大接觸應(yīng)力作為衡量密封性能的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)穩(wěn)定性能不足導(dǎo)致的失效。W形環(huán)在工作過(guò)程中，其彈性基體一直在承受法蘭的壓力，保證密封環(huán)不發(fā)生大的形變致其整體形狀發(fā)生變化。在W形環(huán)的整體力學(xué)仿真中，發(fā)現(xiàn)在高溫高壓條件下，W形環(huán)基體中存在超過(guò)其屈服強(qiáng)度的“危險(xiǎn)區(qū)域”。若這種“危險(xiǎn)區(qū)域”越多，W形環(huán)就越容易發(fā)生不可逆的形狀改變而致使密封失效。

文中采用工作條件下的塑形區(qū)域占比來(lái)衡量W形環(huán)的穩(wěn)定性能。

3 W形金屬密封環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于前文對(duì)W形環(huán)失效形式的分析，為了確保W形環(huán)具有強(qiáng)可靠性和綜合性能，需從回彈性能、密封性能、穩(wěn)定性能3個(gè)方面入手進(jìn)行分析，而衡量的具體數(shù)學(xué)量分別為回彈率、鍍層與法蘭的最大接觸應(yīng)力、密封基體的塑形變形區(qū)域占比。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算模型

在ANSYS中構(gòu)建了2個(gè)W形環(huán)計(jì)算模型：一個(gè)為W形環(huán)的靜態(tài)工況計(jì)算模型，用于模擬W形環(huán)在工作條件下的受力情況，從而獲得其最大接觸應(yīng)力與塑形變形區(qū)域占比；另一個(gè)為W形環(huán)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮回彈計(jì)算模型，用于模擬W形環(huán)在工作條件下的壓縮回彈情況，從而計(jì)算其回彈率。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)可行域判定

W形環(huán)的優(yōu)化目標(biāo)是在確定工作條件下找到綜合性能的最優(yōu)解。在影響W形環(huán)綜合性能的諸多因素中，工況類(lèi)的條件應(yīng)為給定條件，文中優(yōu)化采用工作條件為：工作溫度650 ℃，氣體介質(zhì)壓力1～3 MPa，預(yù)壓縮量20%。其他影響W形環(huán)綜合性能的條件還有幾何設(shè)計(jì)因素與材料因素。其中，材料因素的探討在航空工業(yè)領(lǐng)域較為成熟，W形環(huán)基體與鍍層的材料選擇比較固定，因此，文中重點(diǎn)將對(duì)幾何設(shè)計(jì)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在W形環(huán)的幾何設(shè)計(jì)因素中，對(duì)其綜合性能有影響的為接觸面曲率半徑、壁厚、波峰半徑、波谷半徑和波高。通過(guò)大量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，接觸面曲率半徑、波峰半徑與波谷半徑3個(gè)因素的影響顯著性遠(yuǎn)弱于壁厚與波高，因此文中將壁厚和波高作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化變量。

王晨希、索雙富等[9-10]的研究中，壁厚的規(guī)律觀察范圍是0.2～0.35 mm；波高的范圍是2.1～2.9 mm。因此，結(jié)合前期大量計(jì)算，文中優(yōu)化設(shè)計(jì)中劃定壁厚的可行域?yàn)?.2～0.35 mm。對(duì)于波高，文獻(xiàn)[9-10]的研究中提到過(guò)大的波高會(huì)對(duì)成型帶來(lái)困難，并且會(huì)顯著增加材料用量。并且在前期計(jì)算中，發(fā)現(xiàn)波高大于2.7 mm后對(duì)W形環(huán)的最大接觸應(yīng)力、最大Von mises應(yīng)力影響變得不那么顯著，因此，文中優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算中劃定波高的可行域?yàn)?.1～2.7 mm。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法

優(yōu)化設(shè)計(jì)的工況條件為溫度650 ℃，氣體介質(zhì)壓力1～3 MPa，因此將其分為高溫高壓(650 ℃，3 MPa)和高溫低壓(650 ℃，1 MPa)2種情況進(jìn)行討論。

根據(jù)前文得到的壁厚可行域范圍0.2～0.35 mm，波高可行域范圍2.1～2.7 mm。將壁厚分為4個(gè)水平，分別為T(mén)1=0.25 mm，T2=0.3 mm，T3=0.35 mm，T14=0.4 mm。將波高分為3個(gè)水平，h1=2.2 mm，h2=2.4 mm，h3=2.6 mm。窮盡它們的所有組合，在高溫高壓和高溫低壓的條件下進(jìn)行模擬計(jì)算。

由于W形環(huán)的密封性能、穩(wěn)定性能、回彈性能相互獨(dú)立，因此采用分層求解的方法處理數(shù)據(jù)。分層求解是指將所有影響因素按其重要性程度依次排序，先求出最重要的目標(biāo)的最優(yōu)解，然后再保證前一目標(biāo)最優(yōu)解的前提下依次求下一目標(biāo)的最優(yōu)解，一直求到最后一個(gè)目標(biāo)為止。

在文中W形環(huán)的優(yōu)化計(jì)算中，將回彈率放在首位進(jìn)行考慮。原因是從原理上來(lái)說(shuō)，回彈率不足勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致W形環(huán)在振動(dòng)追隨性能上的不足，在循環(huán)載荷中失效。并且在國(guó)外的產(chǎn)品手冊(cè)中有明確的數(shù)據(jù)，可以作為優(yōu)化參考。文中設(shè)計(jì)中將回彈率100%的設(shè)計(jì)作第一次分層的最優(yōu)解。

在回彈率的最優(yōu)解集中，文中試圖找出密封性能與穩(wěn)定性能最佳的設(shè)計(jì)。由于密封性能與穩(wěn)定性能無(wú)法直接相比，但最大線(xiàn)接觸載荷大的設(shè)計(jì)一定在密封性能上優(yōu)于小的設(shè)計(jì)，塑形變形區(qū)域少的設(shè)計(jì)一定在穩(wěn)定性能上優(yōu)于多的設(shè)計(jì)。因此，將這些設(shè)計(jì)分別按照最大接觸載荷由高到低得到排名P1、塑形變形區(qū)域由小到大單項(xiàng)排序排名P2。通過(guò)排名的加權(quán)平均來(lái)綜合衡量穩(wěn)定性與密封性的綜合優(yōu)劣。

具體計(jì)算步驟如下：

(1)計(jì)算所有排列組合在2種工況下的回彈率、塑性變形區(qū)占比、最大接觸應(yīng)力，得到表3、表4所示結(jié)果。

(2)分層求解，先找到回彈率的最優(yōu)解集。即在表1、2中，將回彈率為N的設(shè)計(jì)篩選掉。這一步做完后，還剩下的設(shè)計(jì)編號(hào)為1、2、3、4、5、6、8、9。

(3)在回彈率的最優(yōu)解集中尋找穩(wěn)定性和密封性綜合最優(yōu)。將這些設(shè)計(jì)在n種工作條件下的最大接觸載荷排名P1n與塑形變形區(qū)域占比的排名P2n，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)為

具體計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表3 650 ℃、1 MPa、20%壓縮量下計(jì)算結(jié)果Table 3 The calculation results under 650 ℃,1 MPa and 20% compression

表4 650 ℃、3 MPa、20%壓縮量下計(jì)算結(jié)果Table 4 The calculation results under 650 ℃,3 MPa and 20% compression

表5 綜合性能優(yōu)化計(jì)算結(jié)果Table 5 The calculation results of overall performance optimization

3.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

在上述計(jì)算方法中，排名前2位的設(shè)計(jì)為編號(hào)8、9。即壁厚0.3 mm、波高2.4 mm與壁厚0.3 mm、波高2.6 mm。該優(yōu)化結(jié)果與國(guó)外jetseal產(chǎn)品契合度較高，在該公司的產(chǎn)品手冊(cè)中，高壓下的W形環(huán)的壁厚約為0.3 mm。這從側(cè)面驗(yàn)證了整個(gè)優(yōu)化方法的正確性。

在波高的選擇方面，優(yōu)化后的波高比原設(shè)計(jì)增加了，也確實(shí)可以帶來(lái)綜合性能的提升。然而波高增加意味著密封環(huán)整體體積增加，如此優(yōu)化在航空工業(yè)中及其他行業(yè)中是否符合經(jīng)濟(jì)性與整體設(shè)計(jì)要求，還需具體問(wèn)題具體分析。

4 結(jié)論與展望

(1)經(jīng)過(guò)前期深入研究其性能影響因素，大量測(cè)算其各因素的影響趨勢(shì)，得到W形金屬密封環(huán)綜合性能的初步優(yōu)化方法。從密封性能、回彈性能與穩(wěn)定性能3方面入手，分別以最大接觸載荷、回彈率、塑性變形區(qū)域占比作為衡量指標(biāo)，以分層求解和加權(quán)平均構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)的方法求解，得到確定工況下W形環(huán)綜合性能的最優(yōu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果與國(guó)外已有資料形成了呼應(yīng)，驗(yàn)證了計(jì)算、優(yōu)化工作的正確性。

(2)下一步將探討將該優(yōu)化方法推廣至多種彈性金屬密封環(huán)中，真正形成一套系統(tǒng)的彈性金屬密封優(yōu)化方法，為彈性金屬密封的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。