金冠男 孫 丹 趙 磊 劉金楠 趙 歡 張國臣
(1.沈陽航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院,遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧沈陽 110136;2.北京動(dòng)力機(jī)械研究所 北京 100074)
彈性金屬密封是一種具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕及良好自緊性等性能優(yōu)異的靜密封技術(shù),能夠在高溫、高壓、高摩擦及強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境中工作[1-2],已在核工業(yè)、航空航天等一些重點(diǎn)領(lǐng)域得到應(yīng)用[3-4]。彈性金屬密封依靠腔內(nèi)壓力及壓縮產(chǎn)生的彈性力補(bǔ)償初始間隙實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的密封[5-6]。彈性金屬密封環(huán)的力學(xué)特性及泄漏特性對其工作性能具有重要影響[7],因此對彈性金屬環(huán)展開力學(xué)特性與泄漏特性研究具有重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
彈性金屬密封包括O形、C形、U形、W形及Ω形等,研究人員對O形、C形、U形及W形等彈性金屬環(huán)研究較多。張文昌等[8]分析了O形彈性金屬密封環(huán)的回彈特性、接觸特性和鍍層的影響,發(fā)現(xiàn)壓縮率決定彈性金屬密封的回彈補(bǔ)償性能,鍍層均勻化了密封環(huán)的接觸壓力分布,且對回彈特性影響很小。SHEN等[9]分析了O形金屬環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)和壓縮率對彈性金屬密封的影響,發(fā)現(xiàn)壓縮率對密封環(huán)接觸應(yīng)力的分布和大小有重要的影響。BLANTON和EBERL[10]對表面鍍銀的彈簧C形彈性密封環(huán)進(jìn)行了泄漏密封測試,分析了介質(zhì)壓力、溫度等參數(shù)對泄漏量的影響。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(shí)具有良好的密封性能。李瑩[12]對比分析了U形等3種彈性金屬環(huán)的回彈率及軸向剛度等力學(xué)性能,建立了基于接觸壓力的泄漏模型并對比分析了U形等3種彈性金屬密封環(huán)的泄漏率和密封性能參數(shù),對比得到U形金屬密封環(huán)的泄漏特性最好。毛劍峰等[13]研究了U形彈性金屬密封環(huán)在高溫高壓工況下的蠕變強(qiáng)度,得到了彈性金屬密封的接觸面的位置、接觸應(yīng)力和蠕變多軸度因子隨時(shí)間的變化規(guī)律。SARAWATE等[14]實(shí)驗(yàn)測量了燃?xì)鉁u輪中不同尺寸參數(shù)的W形彈性金屬密封環(huán)的泄漏量,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)偏移量達(dá)到最大值時(shí),有效泄漏間隙增大了4.5~6倍。邢敏杰[15]分析了W形彈性金屬密封環(huán)的力學(xué)特性,并對金屬密封與法蘭的接觸泄漏模型進(jìn)行簡化,基于GW接觸模型對泄漏特性進(jìn)行分析,確定了泄漏量與表面形貌和接觸力的關(guān)系,建立了彈性金屬密封泄漏量理論計(jì)算公式并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比驗(yàn)證。李偉平等[16]以W形彈性金屬密封環(huán)為例,使用有限元法進(jìn)行接觸計(jì)算后建立泄漏通道模型,通過計(jì)算流體力學(xué)方法計(jì)算得到泄漏量,該方法擺脫了對于實(shí)驗(yàn)儀器的依賴性,并能夠較為有效地預(yù)測彈性金屬密封的泄漏量。
研究表明,彈性金屬密封環(huán)力學(xué)性能及泄漏特性對其工作有著重要影響,現(xiàn)有文獻(xiàn)對彈性金屬密封環(huán)的力學(xué)性能和泄漏特性的結(jié)合研究較少,同時(shí)現(xiàn)有文獻(xiàn)基本都采用軸向壓縮彈性金屬密封環(huán)進(jìn)行研究。本文作者以徑向壓縮的彈性金屬密封環(huán)為研究對象,建立了金屬密封環(huán)力學(xué)特性的數(shù)值模型,構(gòu)造了泄漏特性的理論計(jì)算公式;在驗(yàn)證數(shù)值模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上,對比分析了不同參數(shù)下的應(yīng)變及應(yīng)力分布、徑向壓緊力、徑向剛度以及泄漏量,并分析了進(jìn)出口壓差、溫度、壓縮量等工況參數(shù)對其性能的影響。研究結(jié)果對彈性金屬密封環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選用提供了理論指導(dǎo)。
圖1所示為彈性金屬密封環(huán)在壓縮下的受力分析,在壓縮過程中彈性金屬密封環(huán)在徑向受到大小為F1的壓緊力,同時(shí)軸向受到一定的摩擦阻力f1,其中F1與f1的合力F的方向,即為彈性金屬密封環(huán)與上法蘭接觸區(qū)域的運(yùn)動(dòng)方向。其中徑向剛度指金屬環(huán)徑向壓緊力與徑向壓縮量的比值,其數(shù)值大小表征彈性金屬抵抗變形的能力,其計(jì)算公式[17]為
(1)
式中:k為徑向剛度;F1為徑向壓緊力;x為徑向壓縮量。
從式(1)中可以看出一定壓縮量的前提下,徑向剛度與軸向力呈正比關(guān)系。徑向剛度過大,彈性金屬的承載能力提高,安裝時(shí)所需徑向載荷增大,容易劃傷法蘭表面;徑向剛度過小,彈性金屬環(huán)承載能力減小,在壓縮量過大時(shí)易造成其密封失穩(wěn),因此彈性金屬環(huán)的徑向剛度應(yīng)選用合適的大小。
泄漏量是衡量密封裝置密封性能最顯著的參數(shù),圖2給出彈性金屬密封環(huán)微尺度下的泄漏通道。泄漏通道為兩粗糙表面之間的間隙,而粗糙表面是由一系列不規(guī)則的粗糙峰構(gòu)成,因此無法準(zhǔn)確構(gòu)建泄漏通道的實(shí)體模型。因此在理論基礎(chǔ)上對泄漏模型進(jìn)行簡化,并對其泄漏量的理論公式進(jìn)行構(gòu)造。
圖2 微尺度下泄漏通道
文獻(xiàn)[12]提及靜密封泄漏模型主要包括密封的三角溝槽通道、圓管通道、平行圓板通道、平行平板通道和多孔介質(zhì)通道等5大類型,文獻(xiàn)[12]中將泄漏流道簡化為平行圓板泄漏模型端面模型,文中將流體流過狹長縫隙的泄漏看成介質(zhì)在兩塊固定無限長二維平行平板間不可壓縮流體的穩(wěn)定層流流動(dòng),如圖3所示。
圖3 平行平板間的泄漏
平行平板間的泄漏量公式[18]為
(2)
式中:b為板寬(彈性金屬密封環(huán)外圓周長);h為有效間隙;p1和p2分別為氣流進(jìn)口壓力和氣流出口壓力;l為路徑長度(彈性金屬密封環(huán)與法蘭的軸向接觸寬度);η為流體黏度。
其中有效間隙h與彈性金屬密封環(huán)和法蘭面的接觸力F有關(guān),接觸力F可由數(shù)值方法計(jì)算得到。有效間隙h還與接觸表面粗糙峰有關(guān),表面粗糙峰一般符合高斯分布,其只發(fā)生彈性變形時(shí),可以采用彈性接觸模型來表示接觸情況。該模型建立在以下5個(gè)假設(shè)基礎(chǔ)上[15]:
(1)表面粗糙峰在頂部是球形的;
(2)表面粗糙峰的分布是各向同性的;
(3)表面粗糙峰頂部的曲率半徑是一致的,高度是不一致的;
(4)粗糙峰在接觸過程中只發(fā)生彈性變形;
(5)粗糙峰之間的相互作用不予考慮。
同時(shí)該模型粗糙峰與剛性平面描述表面接觸情形假設(shè)[15]如下:
(1)粗糙表面平均高度線標(biāo)準(zhǔn)方差σ=0.103 μm;
(2)粗糙峰曲率半徑R=1.707 μm;
(3)粗糙峰密度μ=0.416 μm-2。
通過上述5個(gè)假設(shè)以及3種參數(shù)的數(shù)值大小得到量綱一接觸力F*和量綱一有效間隙h*的擬合關(guān)系式:
(3)
(4)
(5)
式中:E為彈性金屬密封材料的彈性模量;A為接觸面積。
其最終泄漏量理論公式為
(6)
為了研究彈性金屬密封環(huán)不同工況參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)下的力學(xué)特性及泄漏特性,須建立其求解模型。圖4所示為彈性金屬密封環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖,其整體結(jié)構(gòu)為上法蘭、下法蘭及彈性金屬密封環(huán),主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
圖4 彈性金屬密封環(huán)結(jié)構(gòu)示意
表1 彈性金屬密封環(huán)主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位:mm
彈性金屬密封環(huán)的材料為GH4169,是一種高溫鎳基合金,其廣泛應(yīng)用于航空航天、石油、化工等工業(yè)中零件制造,其主要參數(shù)如表2所示。圖5給出了GH4169材料不同溫度下平均壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線[19]??梢钥闯?,隨著應(yīng)變的逐漸增加,所需壓縮應(yīng)力也隨之增加;在壓縮應(yīng)力大約800 MPa以內(nèi)壓縮應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系,此區(qū)域?yàn)镚H4169材料彈性變形區(qū)域,卸載應(yīng)力后,變形能完全恢復(fù);在壓縮應(yīng)力800 MPa之后平緩上升,此區(qū)域?yàn)椴牧蠌椥宰冃闻c部分塑性變形區(qū)域,卸載應(yīng)力后,變形不能完全恢復(fù)。從圖中還可以看出,隨著溫度的增加,達(dá)到相同應(yīng)變值所需要的壓縮應(yīng)力逐漸減小。
表2 GH4169 主要材料參數(shù)[20]
圖5 GH4169不同溫度下平均壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線[19]
彈性金屬密封環(huán)具有鍍銀層,可使金屬密封環(huán)均勻受力,且防止內(nèi)部金屬氧化,其主要參數(shù)如表3所示。
表3 Ag主要材料參數(shù)[21]
彈性金屬密封環(huán)力學(xué)特性求解模型如圖6所示,求解模型由上法蘭、下法蘭及彈性金屬密封環(huán)組成。由于彈性金屬密封環(huán)整體結(jié)構(gòu)以及邊界條件具有軸對稱的特點(diǎn),因此將模型簡化為二維求解模型結(jié)構(gòu),其計(jì)算單元類型為適用于計(jì)算大變形和大應(yīng)力問題的PLANE182單元。上法蘭和下法蘭為不產(chǎn)生變形的剛體結(jié)構(gòu),彈性金屬密封環(huán)及電鍍層為彈性塑性變形。
“大不大的,咱們也得把理講清楚,你們兒子想當(dāng)光棍我們管不著!他為什么不一開始就跟我們箏箏說清楚?我們箏箏是傳統(tǒng)女孩,戀愛的目的就是結(jié)婚,不結(jié)婚戀什么愛?談了三年了,跑到登記處才悔婚,這做的叫人事嗎?”辛燕曉絕不能讓他們覺得好受。
圖6 求解模型
彈性金屬密封環(huán)密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖7所示。模型總體采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分,彈性金屬密封環(huán)與金屬電鍍層為一整體,其接觸邊界進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,同時(shí)法蘭與金屬電鍍層接觸邊界進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量約為38萬時(shí),接觸力變化不超過0.1%,故選用該網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
圖7 網(wǎng)格劃分
彈性金屬密封環(huán)密封結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)置如圖8所示,文中計(jì)算工況整體分為3個(gè)工況條件,具體工況條件如表4所示。常溫環(huán)境為20 ℃,常壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,上法蘭為沿徑向的壓縮運(yùn)動(dòng),下法蘭固定,彈性金屬密封環(huán)鍍銀層與上法蘭的接觸邊界為摩擦接觸,摩擦因數(shù)為0.15,接觸算法采用增強(qiáng)拉格朗日法,彈性金屬彈性片與下法蘭的接觸邊界為固定接觸,接觸算法采用MPC法,迭代采用完全牛頓拉普森法。
圖8 邊界條件
表4 3種工況條件
根據(jù)文獻(xiàn)[9]中提供的實(shí)驗(yàn)件尺寸建立O形彈性金屬密封環(huán)的模型,采用文中數(shù)值模型進(jìn)行了計(jì)算,文中數(shù)值結(jié)果與文獻(xiàn)[9]壓縮回彈工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖9所示??梢钥闯?,文中數(shù)值結(jié)果和文獻(xiàn)[9]實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體趨勢基本一致。文獻(xiàn)[9]實(shí)驗(yàn)所求回彈率為18.6%,文中數(shù)值計(jì)算回彈率為20%,其誤差為7.5%,驗(yàn)證了文中數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。由于數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)存在一定的差異,且實(shí)驗(yàn)裝置安裝時(shí)也存在一定誤差,故導(dǎo)致兩者結(jié)果之間存在一定的誤差。
圖9 準(zhǔn)確性驗(yàn)證
3.1.1 壓縮量對力學(xué)特性的影響
圖10給出了壓縮量對壓緊力及徑向剛度的影響規(guī)律??梢钥闯?,彈性金屬密封環(huán)的壓緊力隨著上法蘭壓縮量的增加而逐漸增大,這主要是由于隨著壓縮量的增加,金屬密封環(huán)的變形增大,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變能增加,進(jìn)而導(dǎo)致其抵抗變形的能力增強(qiáng)。徑向剛度隨著壓縮量增加而增大,但變化量很小,可見壓縮量對徑向剛度的影響很小,徑向剛度大小約5.29×105N/mm。
圖10 壓縮量對徑向壓緊力及徑向剛度的影響
圖11和圖12給出了3種不同壓縮量下彈性金屬密封環(huán)的總體變形及應(yīng)力分布??梢钥闯觯畲笞冃瘟考白畲髴?yīng)力隨著壓縮量的增加而增大,最大變形及最大應(yīng)力區(qū)域位于外徑邊緣,且沿外徑邊緣向過渡圓方向呈減小的趨勢。這主要是由于外徑邊緣與上法蘭相互接觸,并與法蘭產(chǎn)生同步的徑向變形;純壓縮工況下主要是由密封環(huán)外徑邊緣與上法蘭壓縮接觸而導(dǎo)致的變形,壓縮量越大接觸的區(qū)域也越大;同時(shí)由于外徑邊緣產(chǎn)生了較大的徑向變形,而金屬密封環(huán)為整環(huán)結(jié)構(gòu),截面在產(chǎn)生徑向變形的過程中主要受到周向內(nèi)力的作用,并阻礙其變形,故導(dǎo)致最大變形及應(yīng)力分布在外徑邊緣,且向過渡圓方向呈減小趨勢。圖12中最大應(yīng)力為663.59 MPa,根據(jù)圖5給出的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可判斷此時(shí)密封環(huán)仍然屬于彈性變形的范圍內(nèi)。
圖11 彈性金屬密封環(huán)在不同壓縮量下的總體變形
圖12 彈性金屬密封環(huán)在不同壓縮量下的應(yīng)力分布
3.1.2 進(jìn)出口壓差對力學(xué)特性的影響
圖13給出了進(jìn)出口壓差對壓緊力的影響規(guī)律。可以看出,彈性金屬密封環(huán)的壓緊力隨著進(jìn)出口壓差的增加而逐漸增大,這主要由于氣流壓力作用于密封環(huán)內(nèi)壁面,導(dǎo)致其產(chǎn)生膨脹變形的趨勢,其趨勢與上法蘭的壓縮方向相反,故作用在彈金屬密封環(huán)內(nèi)壁面的氣流壓力越大,彈性金屬密封環(huán)所受壓緊力也越大。圖13中徑向剛度隨進(jìn)出口壓差的增大而增大,徑向剛度最大值約為5.32×105N/mm。
圖13 進(jìn)出口壓差對徑向壓緊力及徑向剛度的影響
圖14 彈性金屬密封環(huán)在不同進(jìn)出口壓差下的總變形
圖15 彈性金屬密封環(huán)在不同進(jìn)出口壓差下的應(yīng)力分布
3.1.3 溫度對變形特性的影響
圖16給出了溫度對壓緊力的影響規(guī)律??梢钥闯觯瑥椥越饘倜芊猸h(huán)徑向壓緊力隨著溫度的升高而增大,這主要是由于密封環(huán)材料的彈性模量隨著溫度的升高而逐漸減小,其抵抗變形的能力減弱,導(dǎo)致密封環(huán)剛度降低,但是由氣流壓力引起的密封環(huán)向外膨脹變形的趨勢增強(qiáng),該變形趨勢與上法蘭的壓縮方向正好相反,因此在加壓條件下,彈性金屬密封環(huán)的壓緊力隨著溫度的增加而逐漸增大。同時(shí)可以看出,徑向剛度隨著溫度增大而增大,最大值約為3.62×106N/mm,對比圖10和圖13可看出,溫度對徑向剛度的影響更大。
圖16 溫度對徑向壓緊力及徑向剛度的影響
圖17和圖18給出了3種溫度下彈性金屬密封環(huán)的總體變形及應(yīng)力分布,其中壓縮量為0.6 mm,壓力為0.3 MPa。從圖17(a)可看出,在20 ℃下,最大變形區(qū)域位于外徑邊緣,且密封環(huán)的外徑中部位置在氣流壓力的作用下產(chǎn)生了一定的隆起變形。從圖17(b)、(c)可見,在高溫條件下,最大變形區(qū)域轉(zhuǎn)為外徑中部位置,且該位置的隆起變形量隨著溫度的升高而逐漸增大,這是由于密封環(huán)的彈性模量及屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高而逐漸減小,其抵抗變形的能力減弱。溫度引起的熱膨脹變形隨著溫度的升高而逐漸增大,因此在相同壓縮量和氣流壓力的作用下,高溫工況下的密封環(huán)外徑中部位置產(chǎn)生了相對較大的隆起變形。從圖18可以看出,最大應(yīng)力在外徑邊緣位置,大小為1 687.8 MPa,其大小已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料屈服強(qiáng)度,因此高溫下,密封環(huán)外徑位置容易發(fā)生損壞。隨著溫度的升高,密封環(huán)所受應(yīng)力逐漸增大,但最大應(yīng)力區(qū)域在逐漸變小,這是由于外徑中部位置產(chǎn)生隆起的同時(shí),會帶動(dòng)密封環(huán)外徑前端部分區(qū)域存在沿上法蘭運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)的趨勢,使彈性金屬密封環(huán)與法蘭緊密貼合的面積減小,從而使最大應(yīng)力的區(qū)域面積減小。
圖17 彈性金屬密封環(huán)在不同溫度下的總變形
圖18 彈性金屬密封環(huán)在不同溫度下的應(yīng)力分布
3.2.1 壓縮量對泄漏特性的影響
圖19給出了壓縮量對軸向接觸寬度及泄漏量的影響規(guī)律??梢钥闯?,彈性金屬密封環(huán)與上法蘭軸向接觸寬度隨著壓縮量逐漸增大,泄漏量隨著壓縮質(zhì)量逐漸減小,主要原因?yàn)樵龃髩嚎s量將增大密封環(huán)的壓緊力,使法蘭與密封環(huán)相互貼合更緊密,從而減小了密封環(huán)與法蘭間的有效間隙,從而減小了氣體的泄漏量,其封嚴(yán)性能有所提高。
圖19 壓縮量對泄漏特性的影響
3.2.2 進(jìn)出口壓差對泄漏特性影響分析
圖20給出了進(jìn)出口壓差對軸向接觸寬度及泄漏量的影響規(guī)律??梢钥闯?,彈性金屬密封環(huán)與法蘭的軸向接觸寬度和泄漏量均隨著進(jìn)出口壓差的增加而逐漸增大。這主要由于密封環(huán)內(nèi)壁面受到氣體壓力的作用,密封環(huán)產(chǎn)生隆起變形,且變形隨著進(jìn)出口壓差增大而增大,從而使密封環(huán)與法蘭接觸更緊密,使密封環(huán)與法蘭的軸向接觸寬度增大;但是進(jìn)出口壓差增大使更多的壓力能轉(zhuǎn)化為氣體泄漏的動(dòng)能,從而增加了氣體泄漏量,使封嚴(yán)性能減弱。
圖20 進(jìn)出口壓差對泄漏特性的影響
3.2.3 溫度對泄漏特性的影響
圖21給出了溫度對軸向接觸寬度及泄漏量的影響規(guī)律??梢钥闯銎湟?guī)律與圖19相似,彈性金屬密封環(huán)與法蘭的軸向接觸寬度隨著溫度的增加而逐漸增大,泄漏量隨著溫度的增加而逐漸減小,這是由于密封環(huán)材料的彈性模量隨著溫度升高而減小,其整體結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力減弱,在高溫下由于氣流力的作用產(chǎn)生了更大的隆起變形,使密封環(huán)與法蘭更加貼合,增大了密封環(huán)的壓緊力及軸向接觸寬度,從而減小了泄漏量,封嚴(yán)性能增強(qiáng)。
圖21 溫度對泄漏特性的影響
(1)在壓縮工況及壓縮加壓工況下,彈性金屬密封環(huán)的最大變形區(qū)域及最大應(yīng)力值均位于外徑邊緣,且隨著壓縮量的增加而增大,而變形量和應(yīng)力值均沿外徑邊緣向過渡圓方向逐漸減小。
(2)在壓縮加壓加溫的工況下,彈性金屬密封環(huán)最大變形區(qū)域位于其外徑中部位置,最大變形量隨溫度升高而增大;密封環(huán)最大應(yīng)力區(qū)域位于外徑邊緣處,且最大應(yīng)力值隨溫度升高而增大,最大應(yīng)力區(qū)域面積隨溫度升高而減小。
(3)徑向壓緊力隨著壓縮量、進(jìn)出口壓差及溫度的增加而逐漸增大;徑向剛度隨著壓縮量、進(jìn)出口壓差及溫度的增加也逐漸增大,但溫度對徑向剛度的影響更大。
(4)彈性金屬密封環(huán)與法蘭的軸向接觸距離隨著壓縮量、進(jìn)出口壓差和溫度的增加而逐漸增大,泄漏量隨著壓縮量和溫度增加而逐漸減小,但隨著進(jìn)出口壓差增加而逐漸增大。