航空发动机用W形金属封严环结构参数敏感性分析

李萍 陈璇 周泽堂

（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲 412002）

W形金属封严环是一种新型自紧式金属封严环，不仅可以依靠自身的弹性反力和密封介质压力压紧密封端面而获得密封能力，而且可以补偿及缓冲密封端面因摩擦磨损、轴向分离及振动等产生的轴向分离位移。W形金属密封环作为一种新型改进形式，具有密封性好、回弹能力强、结构紧凑、体积小等特点，在英、美等国家的先进航空发动机中已经得到了广泛的应用。

目前，国外金属封严环技术已较为成熟，美国、日本、英国在弹性金属密封的研究上处于世界领先地位，但由于国内金属封严环相关研究起步较晚、制造工艺尚不成熟等原因，与世界领先水平还有一定的差距。国内龚雪婷[1]、索双富[2]等学者借助有限元仿真方法对W形金属封严环的压缩回弹性能、密封泄漏特性进行了分析；柏松汉[3]结合某W形金属封严环实际使用中掉块故障进行了分析及改进设计。目前国内学者对于W形金属封严环的研究还相对较少，不能完全满足工程应用的需要。本文借助有限元方法结合某航空发动机用W形金属封严环对W形金属封严环回弹性能进行研究，并对该型金属封严环结构参数进行敏感性分析，为后续的优化奠定基础。

1.W形金属封严环有限元模型

1.1 基本设计参数

在某型航空发动机用W形金属封严环结构如图1所示，断面结构参数如表1所示。该环用于发动机燃烧室机匣与涡轮机匣界面的封严，以防止燃烧室机匣内高温高压气体向大气侧泄漏，其最大压缩量为0.8mm。选用材料为GH738，材料性能数据如表2所示。

图1 W形金属封严环截面结构

表1 W形金属封严环截面结构参数

表2 GH738材料力学性能数据

1.2 有限元模型简化

由于金属W形封严环结构以及受力都具有关于中轴线对称的特性选用轴对称模型空间建立模型，在有限元分析的过程中假设材料同向性、无材料缺陷且无残余应力，金属W形封严环成型过程中的薄壁厚度均匀。在模拟计算中，金属W形封严环轴向两端分别设置两块可变形实体单元模拟金属W形封严环在法兰中的工作环境，法兰与封严环之间选用面与面接触考虑摩擦。考虑到金属W形密封环呈轴对称结构，被施加的约束和所受载荷也具有轴对性，故为了计算简便，建立二维轴对称模型即可。在对模型进行划分网格时，为了使计算更加精确，对靠近接触面的特定区域需进行网格细化。

2.结构参数变化对性能的影响分析

评价W封严环的性能，主要看等效应力，接触应力以及回弹性能。等效应力越小，W封严环强度裕度越大；接触应力越大，封严环密封性能则越好，回弹性越好，封严环可靠性越高。W封严环的性能除了与压缩量有关外，还与自身结构参数相关，本文选取过渡圆半径R3、波高h及内径D1结构参数对其性能的影响进行分析。最大等效应力、接触应力及回弹率随过渡圆半径R3的变化如图2所示，随波高h的变化如图3所示，随内径D1的变化如图4所示。从图中可以看出，过渡圆半径R3在一定范围内的变化对W环的最大等效应力、接触应力、回弹率影响均较小。最大等效应力随波谷半径R2、波高h及内径D1变化较大，接触应力随波高h及内径D1变化较大。其中内径D1对回弹率影响较大。因此，合理的结构参数设计对于W封严环性能的保证具有重要的意义。

图2 典型参数随过渡圆半径R3的变化

图3 典型参数随波高h的变化

图4 典型参数随内径D1变化

3.结论

本文建立了W形金属封严环有限元计算分析模型，并对某航空发动机用W环进行了计算。基于该有限元模型对W环的最大等效应力、接触应力、回弹率进行了分析，分析表明内径D1对等效应力、接触应力、回弹性能的影响最大，过渡圆半径R3对性能的影响最小，波高h对性能的影响介于两者之间。根据工况需要选择与工况条件相匹配的结构，对保证W封严环的性能非常重要。通过对该型金属封严环结构参数进行敏感性分析，为后续的优化奠定基础。