航空發動機用W形金屬封嚴環結構參數敏感性分析

李萍 陳璇 周澤堂

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

W形金屬封嚴環是一種新型自緊式金屬封嚴環，不僅可以依靠自身的彈性反力和密封介質壓力壓緊密封端面而獲得密封能力，而且可以補償及緩沖密封端面因摩擦磨損、軸向分離及振動等產生的軸向分離位移。W形金屬密封環作為一種新型改進形式，具有密封性好、回彈能力強、結構緊湊、體積小等特點，在英、美等國家的先進航空發動機中已經得到了廣泛的應用。

目前，國外金屬封嚴環技術已較為成熟，美國、日本、英國在彈性金屬密封的研究上處于世界領先地位，但由于國內金屬封嚴環相關研究起步較晚、制造工藝尚不成熟等原因，與世界領先水平還有一定的差距。國內龔雪婷[1]、索雙富[2]等學者借助有限元仿真方法對W形金屬封嚴環的壓縮回彈性能、密封泄漏特性進行了分析；柏松漢[3]結合某W形金屬封嚴環實際使用中掉塊故障進行了分析及改進設計。目前國內學者對于W形金屬封嚴環的研究還相對較少，不能完全滿足工程應用的需要。本文借助有限元方法結合某航空發動機用W形金屬封嚴環對W形金屬封嚴環回彈性能進行研究，并對該型金屬封嚴環結構參數進行敏感性分析，為后續的優化奠定基礎。

1.W形金屬封嚴環有限元模型

1.1 基本設計參數

在某型航空發動機用W形金屬封嚴環結構如圖1所示，斷面結構參數如表1所示。該環用于發動機燃燒室機匣與渦輪機匣界面的封嚴，以防止燃燒室機匣內高溫高壓氣體向大氣側泄漏，其最大壓縮量為0.8mm。選用材料為GH738，材料性能數據如表2所示。

圖1 W形金屬封嚴環截面結構

表1 W形金屬封嚴環截面結構參數

表2 GH738材料力學性能數據

1.2 有限元模型簡化

由于金屬W形封嚴環結構以及受力都具有關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材料同向性、無材料缺陷且無殘余應力，金屬W形封嚴環成型過程中的薄壁厚度均勻。在模擬計算中，金屬W形封嚴環軸向兩端分別設置兩塊可變形實體單元模擬金屬W形封嚴環在法蘭中的工作環境，法蘭與封嚴環之間選用面與面接觸考慮摩擦。考慮到金屬W形密封環呈軸對稱結構，被施加的約束和所受載荷也具有軸對性，故為了計算簡便，建立二維軸對稱模型即可。在對模型進行劃分網格時，為了使計算更加精確，對靠近接觸面的特定區域需進行網格細化。

2.結構參數變化對性能的影響分析

評價W封嚴環的性能，主要看等效應力，接觸應力以及回彈性能。等效應力越小，W封嚴環強度裕度越大；接觸應力越大，封嚴環密封性能則越好，回彈性越好，封嚴環可靠性越高。W封嚴環的性能除了與壓縮量有關外，還與自身結構參數相關，本文選取過渡圓半徑R3、波高h及內徑D1結構參數對其性能的影響進行分析。最大等效應力、接觸應力及回彈率隨過渡圓半徑R3的變化如圖2所示，隨波高h的變化如圖3所示，隨內徑D1的變化如圖4所示。從圖中可以看出，過渡圓半徑R3在一定范圍內的變化對W環的最大等效應力、接觸應力、回彈率影響均較小。最大等效應力隨波谷半徑R2、波高h及內徑D1變化較大，接觸應力隨波高h及內徑D1變化較大。其中內徑D1對回彈率影響較大。因此，合理的結構參數設計對于W封嚴環性能的保證具有重要的意義。

圖2 典型參數隨過渡圓半徑R3的變化

圖3 典型參數隨波高h的變化

圖4 典型參數隨內徑D1變化

3.結論

本文建立了W形金屬封嚴環有限元計算分析模型，并對某航空發動機用W環進行了計算。基于該有限元模型對W環的最大等效應力、接觸應力、回彈率進行了分析，分析表明內徑D1對等效應力、接觸應力、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對性能的影響介于兩者之間。根據工況需要選擇與工況條件相匹配的結構，對保證W封嚴環的性能非常重要。通過對該型金屬封嚴環結構參數進行敏感性分析，為后續的優化奠定基礎。