異形結構彈性金屬密封環力學特性數值研究*

杜宸宇 孫 丹 趙 磊 趙 歡 張國臣

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

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

研究人員分別對O形、C形、U形和W形彈性金屬密封環進行了相關的研究工作。SHEN等[8]分析了結構參數和壓縮率對O形環密封性能的影響，發現壓縮率對環接觸應力的分布和大小有重要的影響。張文昌等[9]分析了O形環的壓縮復位特性、接觸特性和鍍層的影響，發現壓縮率決定O形環的回彈補償性能，鍍層均勻化了環的接觸壓力分布，對壓縮復位特性影響很小。LIU等[10]通過對C形環施加循環載荷來研究耐久性能，發現環的壁厚值對C形環的耐久性能影響明顯，且高溫時效處理會使環的耐久性下降。李琪琪等[11]研究了內置彈簧C形環在高壓管道法蘭密封上的應用條件，發現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]研究了預緊和工作工況下U形環結構參數對密封性能的影響，通過優化設計解決了U形環易產生翹曲的問題。毛劍峰等[13]研究了U形環在高溫高壓工況下的蠕變強度，得到了接觸面的位置、接觸應力和蠕變多軸度因子隨時間的變化規律。SARAWATE等[14]測量了燃氣渦輪中不同尺寸參數的W形環的泄漏率，發現密封接觸面的偏移量對有效泄漏間隙有著重要的影響，當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形環的塑形變形區域占比、最大接觸應力和回彈率，并建立一套W形環的優化方法，該方法可得到給定工況下的最優綜合性能設計。

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

1 力學特性主要參數

1.1 軸向剛度

軸向剛度表征彈性金屬密封環抵抗變形的能力，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的承載能力，容易造成環的失穩，因此要選用合適的軸向剛度作為設計值。

1.2 回彈率

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

(2)

式中：α為回彈率；h為環的初始截面高度；h0為環壓縮之后的截面高度；h1為環復位之后的自由高度。

回彈率越大，彈性補償性能越強，使得彈性金屬密封環在動態工況中實現環與法蘭的良好接觸，進而提高密封性能。

2 數值模型

2.1 求解模型

為對比不同結構對力學特性的影響，文中建立了4種彈性金屬密封環結構，如圖1所示，主要結構參數如表1所示。彈性金屬密封環的材料為鎳基高溫合金GH4169，該材料具有優異的綜合性能，廣泛應用于宇航、石油、核能、化工等工業中產品關鍵零部件的制造。材料主要參數如表2所示。

表1 主要結構參數

表2 GH4169主要材料參數[17]

圖1 4種彈性金屬密封環結構示意

彈性金屬密封環力學特性求解模型如圖2所示。求解模型由上法蘭、下法蘭和彈性金屬密封環組成。由于彈性金屬密封環的結構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變的問題。上法蘭和下法蘭設置為不產生變形的剛體，考慮材料的彈塑性變形。

圖2 求解模型

2.2 網格劃分

彈性金屬密封環網格劃分如圖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的接觸邊界進行網格加密處理。當網格數量達到16 738時，接觸力變化不超過0.1%，故選用該網格數量進行數值計算。

圖3 網格劃分

2.3 邊界條件及數值算法

彈性金屬密封環邊界條件如圖4所示。

圖4 邊界條件

文中共計算壓縮復位和高溫高壓2種工況條件，具體過程如表3所示。常溫環境溫度為20 ℃，常壓為標準大氣壓，上法蘭沿軸向進行壓縮和復位運動，下法蘭固定，彈性金屬密封環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

應用文中數值方法建立文獻[8]的O形環實驗件模型，并將數值計算結果與文獻[8]壓縮復位工況的實驗結果進行對比，如圖5所示?？梢钥闯觯闹袛抵到Y果和文獻[8]實驗結果吻合良好，整體趨勢基本一致，回彈率誤差為8.1%，驗證了文中數值模型的準確性。由于數值模型與實驗件的結構尺寸和材料參數存在一定的差異，故導致兩者之間存在一定的誤差。

圖5 模型準確性驗證

3 結果及分析

3.1 壓縮復位工況分析

3.1.1 變形特性分析

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

圖6 4種彈性金屬密封環壓縮復位工況總體變形(壓縮至1 mm)

圖7 4種彈性金屬密封環壓縮復位工況應力分布(壓縮至1 mm)

圖8和圖9分別給出了在壓縮復位工況下，上法蘭復位時的總體變形和應力分布?？梢钥闯?，上法蘭在復位時與彈性金屬密封環存在一定的軸向間隙，彈性金屬密封環未恢復至初始的軸向高度，這主要是由于彈性金屬密封環在被壓縮的過程中產生了不可恢復的塑性變形，其中O形環的塑性應變主要分布在與法蘭的接觸位置和軸向中部區域；C形環的塑性應變主要分布在軸向中部區域；U形和W形環的塑性應變主要分布在結構的圓角過渡區域。又由于4種結構所產生的塑性應變的大小和面積均不相同，故導致4種結構復位時的軸向高度也均不相同。

圖8 4種彈性金屬密封環壓縮復位工況總體變形(復位)

圖9 4種彈性金屬密封環壓縮復位工況塑性應變分布(復位)

3.1.2 回彈性能分析

圖10給出了4種結構彈性金屬密封環的壓縮復位曲線。

圖10 4種彈性金屬密封環壓縮復位曲線

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

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時的總體變形和應力分布。通過對比圖6和圖11可以發現，在相同壓縮量條件下， W形環相比于其他3種結構，其在高溫高壓下產生了更為明顯的變形，這主要是由于W形環具有較大的表面積，因此會受到較大的氣流力作用進而導致較大的變形。通過對比圖7和圖12可以發現，4種結構環在高溫高壓下的最大應力值更小，但應力值超過屈服強度的區域更大，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，彈性金屬密封環抵抗變形的能力降低，進而導致應力值的減小，但高溫高壓條件下材料更容易屈服，結構更容易失效。

圖12 4種彈性金屬密封環高溫高壓工況應力分布(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種彈性金屬密封環軸向力隨進出口壓差的變化規律。可以看出，O形環的軸向力隨進出口壓差的增大而略微減小，其他3種結構隨進出口壓差的增大而略微增大，這主要是由于其他3種結構環在氣流壓力的作用下會產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種結構環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軸向剛度的影響不大。

圖13 4種彈性金屬密封環軸向力隨進出口壓差的變化規律

3.2.3 溫度對軸向剛度的影響分析

圖14給出了4種彈性金屬密封環軸向力隨溫度的變化規律?？梢钥闯觯?種結構環的軸向力隨溫度的增加而減小，且相比于其他3種結構，O形環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，彈性金屬密封環抵抗變形的能力下降，產生塑性應變的程度增加，進而導致軸向剛度減小，故彈性金屬密封環軸向剛度隨著溫度的增加而減小。

圖14 4種彈性金屬密封環軸向力隨溫度的變化規律

3.2.4 4種結構環的軸向剛度對比分析

圖15給出了4種結構環的軸向力隨壓縮量的變化規律。

圖15 4種彈性金屬密封環軸向力隨壓縮量的變化規律

從圖中可以看出，4種結構形式環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現，4種結構環的軸向剛度由大至小依次為O形、C形、W形和U形環，其中O形環的軸向剛度明顯大于其他3種結構，C形環的軸向剛度略大于其他2種結構，U形和W形環的軸向剛度相差不大，因此O形環適用于高載荷的工況，C形環適用于中低載荷的工況，U形和W形環適用于低載荷的工況。

4 結論

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

(2)在高溫高壓工況下，彈性金屬密封環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軸向剛度的影響不大，4種結構環的軸向剛度由大至小依次為O形、C形、W形和U形環。

(3)在相同壓縮量條件下，高溫高壓工況相比于壓縮復位工況，彈性金屬密封環的最大應力值更小，但應力值超過屈服強度的區域更大，結構更容易失效。

(4)通過對比4種結構環發現，O形環適用于高載荷低回彈的工況，U形和W形環適用于低載荷高回彈的工況，而C形環的性能適中。