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        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

        2021-06-26 06:40:26李萍陳璇周澤堂
        中國科技縱橫 2021年6期
        關(guān)鍵詞:回彈性內(nèi)徑半徑

        李萍 陳璇 周澤堂

        (1.中國航發(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,國外金屬封嚴(yán)環(huán)技術(shù)已較為成熟,美國、日本、英國在彈性金屬密封的研究上處于世界領(lǐng)先地位,但由于國內(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。國內(nèi)龔雪婷[1]、索雙富[2]等學(xué)者借助有限元仿真方法對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)。目前國內(nèi)學(xué)者對于W形金屬封嚴(yán)環(huán)的研究還相對較少,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W形金屬封嚴(yán)環(huán)回彈性能進(jìn)行研究,并對該型金屬封嚴(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)于中軸線對稱的特性選用軸對稱模型空間建立模型,在有限元分析的過程中假設(shè)材料同向性、無材料缺陷且無殘余應(yīng)力,金屬W形封嚴(yán)環(huán)成型過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)呈軸對稱結(jié)構(gòu),被施加的約束和所受載荷也具有軸對性,故為了計(jì)算簡便,建立二維軸對稱模型即可。在對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格時(shí),為了使計(jì)算更加精確,對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),本文選取過渡圓半徑R3、波高h(yuǎn)及內(nèi)徑D1結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響進(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,過渡圓半徑R3在一定范圍內(nèi)的變化對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對回彈率影響較大。因此,合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)對于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對等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力、回彈性能的影響最大,過渡圓半徑R3對性能的影響最小,波高h(yuǎn)對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),對保證W封嚴(yán)環(huán)的性能非常重要。通過對該型金屬封嚴(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)。

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