航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)用漲圈設(shè)計及工程應(yīng)用

鮑偉強(qiáng)

（中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，中小型航空發(fā)動機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

漲圈是一種廣泛使用在航空發(fā)動機(jī)中的一種靜子封嚴(yán)零件，用于靜子件之間氣體或液體封嚴(yán)，在發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面發(fā)揮著重要作用，漲圈結(jié)構(gòu)看似簡單，但其技術(shù)要求較多，也較復(fù)雜，目前暫沒有一個系統(tǒng)的設(shè)計方法，本文主要介紹其在航空發(fā)動機(jī)工程應(yīng)用中的典型形式設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)的選擇。

1.漲圈工況及結(jié)構(gòu)

1.1 漲圈工況

在航空發(fā)動機(jī)中，漲圈主要用于兩個靜子零件之間形成有效密封，一般用于機(jī)匣內(nèi)兩股不同壓力氣流或滑油流路的密封，工作環(huán)境如圖1所示。

圖1 漲圈工作示意圖

漲圈位于內(nèi)圈或外圈機(jī)匣的漲圈槽內(nèi)，起到防止高壓側(cè)流體向低壓側(cè)泄露的作用，同時，在兩個靜子零件溫度不同時，可適應(yīng)兩個零件軸向、徑向變形不協(xié)調(diào)。

1.2 漲圈結(jié)構(gòu)形式

航空發(fā)動機(jī)中使用的漲圈是一個截面為矩形的回轉(zhuǎn)體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，關(guān)鍵尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)給出。

圖2 漲圈結(jié)構(gòu)參數(shù)

基本直徑D：漲圈與對象機(jī)匣配合圓柱面的直徑；軸向高度h：漲圈在發(fā)動機(jī)軸線方向上的厚度尺寸；徑向高度t：漲圈在發(fā)動機(jī)直徑方向的厚度尺寸；自由開口間隙A：漲圈在彈開狀態(tài)（自由狀態(tài)，為了獲取裝配時的彈力，需要將漲圈開口彈開并熱處理定型）下切口之間的距離；裝配開口間隙δ：漲圈在歸圓至基準(zhǔn)直徑D后切口之間的距離。

2.漲圈特性分析

2.1 彈力分析

漲圈的彈力是保證密封效果的重要條件之一，如果彈力過小則漲圈在漲圈槽中就不能起到良好的密封作用，出現(xiàn)冷氣泄露量增大的情況，而彈力過大則會導(dǎo)致裝配困難。

為使彈力分析簡單而又不失理論上的正確性，就必須將彈力問題直接置于漲圈自由開口寬度、裝配開口間隙、高寬比及應(yīng)力等方面來進(jìn)行分析：

（1）彈力的產(chǎn)生。漲圈加工過程中，銑切開口工序后，將漲圈撐開且定型至自由開口間隙（自由開口間隙>切口切開尺寸）。若將此自由狀態(tài)開口歸圓到裝配開口間隙，就必須要對環(huán)施加外力（徑向、切向），此外力就稱之為環(huán)彈力；

（2）彈力計算。將自由開口寬度為A、基本直徑為d的漲圈裝入公稱直徑為D（D=d）的正圓機(jī)匣內(nèi)，A被歸圓至裝配開口間隙δ，彈力使?jié)q圈外圓面與機(jī)匣壁良好貼合，機(jī)匣對漲圈施加均勻的徑向壓力。由于漲圈與活塞發(fā)動機(jī)中的活塞環(huán)形狀類似，故徑向彈力按活塞環(huán)計算公式（1）計算：

式中：E― 材料彈性模量。

注：公式1及下文中的公式2及公式3均來源于參考文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]，并將單位由kg、kg/cm2替換為N及Pa。

（3）名義接觸應(yīng)力。漲圈在工作時，在環(huán)本身彈力作用下，使環(huán)貼緊機(jī)匣壁時，對機(jī)匣壁的名義接觸應(yīng)力：

根據(jù)文獻(xiàn)2，在活塞環(huán)設(shè)計中，為了保證活塞環(huán)與機(jī)匣的貼合及密封性，該值建議選取104Pa～105Pa。

統(tǒng)計小型發(fā)動機(jī)中漲圈應(yīng)用情況，接觸應(yīng)力基本處于經(jīng)驗取值104Pa～105Pa之間，故漲圈設(shè)計時建議名義接觸應(yīng)力取值104Pa～105Pa。

（4）應(yīng)力計算。漲圈歸圓與機(jī)匣壁良好貼合時，漲圈上應(yīng)力最大部位為開口對側(cè)處應(yīng)力，此處的應(yīng)力為：

2.2 密封性分析

漲圈在開口彈力作用下，使?jié)q圈的四周緊貼在機(jī)匣內(nèi)壁上，形成一道密封面，從而防止了氣體沿漲圈與機(jī)匣壁間接觸面漏氣，同時，部分高壓氣體沿漲圈與機(jī)匣壁之間由漲圈側(cè)面（側(cè)隙）進(jìn)入漲圈背面（背隙），使?jié)q圈緊緊貼在機(jī)匣壁上，密封更牢靠，如圖3所示。作用在漲圈側(cè)面的高壓氣體，將漲圈壓緊在漲圈槽中，使另一側(cè)面和漲圈槽貼緊，形成第二個密封面。可見，漲圈的彈力與氣體的壓差共同保證了漲圈密封的可靠性，且漲圈所處環(huán)境壓差越高密封性越好。這時漲圈的開口間隙是氣體泄露的唯一間隙。

圖3 密封面示意圖

在有些環(huán)境中，對氣體泄露量要求較高，此時，可采用多重（一般2～3個）漲圈，安裝時漲圈開口相互錯開一定角度，高壓氣體經(jīng)過幾道漲圈節(jié)流后壓力迅速下降，且漲圈切口處的泄露被其他漲圈阻攔，泄露量大大減少。

3.漲圈結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中，漲圈需求來自發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局以及空氣系統(tǒng)流路設(shè)計，因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，漲圈工作位置與環(huán)境已明確，此時直徑D、徑向高度t確定；t一般不大于D/30，直徑值越大，該比值越大，比值可以按(D-120)/8.4+30估算，但需滿足總體結(jié)構(gòu)方案的需要。

由公式1可知，漲圈的彈力與軸向高度h正相關(guān)，在設(shè)計時一般高度取2mm～4mm，當(dāng)采用并排漲圈時，單個漲圈軸向高度可偏薄，但不得小于1mm。軸向高度過小則導(dǎo)致密封面太短容易出現(xiàn)漏氣問題，過大則漲圈裝配困難且對機(jī)匣變形的順應(yīng)性較差、密封性能也較差。

3.2 材料選取

漲圈的材料主要根據(jù)使用條件確定，滿足的主要要求為：高溫工作條件下具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性好以及加工便利等。目前航空發(fā)動機(jī)中渦輪部件廣泛使用的材質(zhì)為鑄鐵、鑄鋼、合金鋼。這3種材質(zhì)在機(jī)械性能、工藝性、經(jīng)濟(jì)性等方面都有一定的優(yōu)勢，由此漲圈材料優(yōu)先選用這3種材質(zhì)。目前主要選用的材料有K418B、K492M、GH4145、GH605、GH4738、2#耐磨合金鑄鐵、HT250等。

3.3 裝配開口間隙δ的設(shè)計

裝配開口間隙的存在，主要是防止?jié)q圈在工作時開口頂死而產(chǎn)生故障。從密封角度講，漲圈的裝配開口間隙越小，密封性能越好，但為了保證一定的安全欲度，裝配開口間隙建議選取1.5倍最小間隙。

δmin=πD(α1T1-α2T2)

式中：α1―漲圈材料的熱膨脹系數(shù)；

T1―漲圈的工作溫度；

α2―機(jī)匣材料的熱膨脹系數(shù)；

T2―機(jī)匣的工作溫度。

3.4 自由開口間隙A的設(shè)計

在漲圈裝配及工作時，必須要使?jié)q圈能正常工作，不能出現(xiàn)塑性變形，塑性變形會導(dǎo)致漲圈圓度被破壞，使?jié)q圈與機(jī)匣不能良好的貼合、泄露量增大。

根據(jù)經(jīng)驗，一般靜子件屈服安全系數(shù)應(yīng)大于1.0，但為了減少裝配控制難度及風(fēng)險，屈服安全系數(shù)取1.2也即：

屈服安全系數(shù)ns=σ0.2/Kσmax≥1.2

K：系數(shù)，一般推薦非鑄件選取1，鑄件取1.2。

在漲圈基本參數(shù)D、H、B、δ確定的前提下，根據(jù)公式2：

也即漲圈自由狀態(tài)下的切口間隙應(yīng)滿足

為了滿足密封要求，根據(jù)名義接觸應(yīng)力計算公式，自由開口間隙范圍可取

為了滿足裝配方便，建議漲圈的徑向彈力不大于100N，也即：

取公式4、公式5及公式6 3個A值范圍的交集，即為最終自由開口間隙A的取值范圍。

3.5 開口形式

按照切口的截面形狀可以將漲圈的切口分為斜切口、直切口、平切口。

斜切口：該切口可以使?jié)q圈在周向、徑向上均保留了一部分密封面，沒有完全切斷，可以最大程度上降低切口處的冷氣泄露，通常情況下建議使用該形狀切口，如圖4所示。

圖4 漲圈斜切口示意圖

直切口：該切口使?jié)q圈在周向上保留了一部分密封面，但是在切口處徑向完全切開，使得該處冷氣泄露面積等于切口寬度×軸向高度/2，如圖5所示。軸向高度較小時（大于1.5mm，小于2.5mm），該處不宜加工斜切口，建議使用該結(jié)構(gòu)。

圖5 漲圈直切口示意圖

平切口：該切口使?jié)q圈完全切斷，冷氣泄露面積等于切口寬度×（機(jī)匣內(nèi)徑―漲圈槽外徑）如圖6所示。軸向高度極小時（小于1.5mm），建議采用該結(jié)構(gòu)，一般多排漲圈結(jié)構(gòu)采用這種切口形式，裝配時切口角向位置錯開減少冷氣泄露。

圖6 漲圈平切口示意圖

3.6 檢驗要求

漲圈的徑向環(huán)面（第一密封面）及側(cè)面（第二密封面）加工質(zhì)量對漲圈的密封效果起到極為重要的作用，所以漲圈加工完成后需要對漲圈進(jìn)行相應(yīng)的檢查。

（1）徑向環(huán)面。為了保證漲圈與機(jī)匣壁的貼合效果，要求漲圈的外表面處與對象件機(jī)匣貼合，如果貼合不佳，則導(dǎo)致漏氣。在加工漲圈時，為方便且直觀的檢驗，一般采取漏光度檢查。

漏光度的檢查方法：將漲圈漲圈放入檢驗圓環(huán)內(nèi)，在漲圈一側(cè)放置一個光源，放入一塊蓋板蓋住漲圈的內(nèi)/外圈，觀察漲圈與檢驗圓環(huán)之間的漏光縫隙，要求在漲圈貼合在對象工裝上后，透光區(qū)域不大于50%，透光檢測間隙不大于0.03mm。

（2）側(cè)面。漲圈的兩個側(cè)面中一個側(cè)面感受高壓氣體的壓力，另一側(cè)面與漲圈槽側(cè)面貼合密封，加工過程中先加工其中一個側(cè)面作為端面基準(zhǔn)，再翻轉(zhuǎn)零件平磨另一端面，這就對側(cè)面的平面度及平行度提出要求。由于漲圈切開后平面度及平行度的檢查誤差較大，故可要求漲圈在機(jī)床上檢查零件平面度，以等厚測量來檢查平行度。要求基準(zhǔn)面平面度不大于0.02mm，兩個側(cè)面平行度不超過0.02mm。

4.結(jié)論

漲圈的設(shè)計參數(shù)較多，參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性也較強(qiáng)，主要的輪廓尺寸根據(jù)總體結(jié)構(gòu)方案確定，在此基礎(chǔ)上，為了保證漲圈良好的裝配性、合適的強(qiáng)度、優(yōu)良的密封性，進(jìn)行漲圈的彈性開口設(shè)計及切口設(shè)計。

（1）分析汽車活塞環(huán)的設(shè)計資料在漲圈設(shè)計上的適用性，確定了漲圈的彈力及應(yīng)力的計算公式；

（2）針對漲圈的彈力及密封性分析，確定自由開口間隙A及裝配開口間隙δ的合理取值范圍，作為漲圈參數(shù)設(shè)計的依據(jù)；

（3）不同開口形式的密封效果：斜切口>直切口>平切口；

（4）密封面的透光率及平面度要求對漲圈密封性有較大影響。