W 型封嚴(yán)環(huán)表面粗糙度對間隙泄漏流動的影響

何少飛，王云，丁相玉，張呈，王金偉

（南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌330063）

0 引 言

現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機應(yīng)具備高推重比、高燃油效率、高可靠性等性能，密封結(jié)構(gòu)是影響發(fā)動機性能的重要因素之一。W 型金屬封嚴(yán)環(huán)是一種獨特優(yōu)異的彈性金屬密封零件，能夠適應(yīng)航空發(fā)動機中高溫、高壓、高振動的工況環(huán)境，而且可多次重復(fù)使用、結(jié)構(gòu)不失效，有效地補償法蘭間的分離位移，具有良好的彈性補償能力。在工程實際中，金屬封嚴(yán)環(huán)密封結(jié)構(gòu)的泄漏是最關(guān)鍵的指標(biāo)。一些研究者利用有限元軟件對金屬封嚴(yán)環(huán)進(jìn)行接觸計算分析，研究了軸向剛度和接觸面積對金屬封嚴(yán)環(huán)泄漏的影響；N.Sarawate 等通過密封試驗臺測試不同結(jié)構(gòu)參數(shù)封嚴(yán)環(huán)的泄漏量，分析了不同壓縮量對封嚴(yán)環(huán)泄漏量的影響；邢敏杰基于GW 接觸模型，給出了泄漏量與表面形貌和接觸力的關(guān)系。還有一些研究者研究了金屬封嚴(yán)環(huán)外部環(huán)境對密封結(jié)構(gòu)泄漏量的影響，提出了一種金屬封嚴(yán)環(huán)泄漏率的預(yù)測方法。但是，金屬封嚴(yán)環(huán)的間隙泄漏通道內(nèi)表面粗糙度對氣體流動有很大的影響，且密封結(jié)構(gòu)表面粗糙度如何影響通道內(nèi)氣體流動未被考慮入內(nèi)。

本文以某型W 型金屬封嚴(yán)環(huán)為對象，基于平行圓板微間隙流體流動理論，建立微觀泄漏通道模型；采用CFD 技術(shù)對不同間隙結(jié)構(gòu)內(nèi)流體流動進(jìn)行數(shù)值模擬，分析表面粗糙度對密封間隙泄漏流動的影響，并對所得計算結(jié)果進(jìn)行密封試驗驗證。

1 泄漏率的計算

1.1 W 型封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)泄漏機理

W 型金屬封嚴(yán)環(huán)密封結(jié)構(gòu)主要由法蘭、W 型封嚴(yán)環(huán)和緊固件等組成。W 型金屬封嚴(yán)環(huán)因加工存在粗糙度，從微觀上，金屬封嚴(yán)環(huán)與法蘭平面之間的接觸是封嚴(yán)環(huán)表面凸起與法蘭表面凸起之間的接觸，如圖1 所示。法蘭面無法與金屬封嚴(yán)環(huán)表面完全接觸是導(dǎo)致泄漏的主要原因。

圖1 宏觀接觸下的微觀截面圖Fig.1 Microscopic cross-sectional view under macroscopic contact

1.2 流動特性分析

法蘭與封嚴(yán)環(huán)的密封間隙中流體的泄漏量主要與壓差、間隙高度、接觸面積等因素有關(guān)，可近似地看作是兩個靜止上下兩板之間的泄漏。基于平行圓板模型，將下粗糙面的均值線和上表面間的距離定義為間隙高度，即間隙高度與表面粗糙度相關(guān)，如圖2 所示。

圖2 密封間隙高度Fig.2 Sealing gap height

金屬封嚴(yán)環(huán)密封間隙內(nèi)流體流動狀況分析如圖3 所示。

圖3 間隙中流體受力分析［12］Fig.3 Analysis of the force on the fluid in the gap［12］

流體的速度分布為

則流體流經(jīng)泄漏通道的泄漏量為

式中：

h

為間隙高度：

μ

為流體的動力黏度；

L

為泄漏模型的長度。

式中：

ψ

為流量因子，用來描述密封間隙中表面粗糙度對泄漏量的影響。

粗糙表面密封間隙的泄漏量：

密封間隙的泄漏量受到表面粗糙度的影響，在間隙高度不變的情況下，表面粗糙度

R

越大，流量因子

ψ

越小，密封間隙的泄漏量越小，密封結(jié)構(gòu)的密封效果更好。

2 密封間隙泄漏仿真計算

本文選取的W 型金屬封嚴(yán)環(huán)材料為高溫合金GH4169，將密封結(jié)構(gòu)的上表面設(shè)置為封嚴(yán)環(huán)的粗糙表面，下表面為法蘭的接觸面，認(rèn)為是光滑面。在接觸應(yīng)力

σ

=150 MPa 時提取的泄漏通道模型，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，設(shè)定工質(zhì)為空氣，溫度為室溫。

表1 泄漏模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Leakage model structure parameters

采用非結(jié)構(gòu)化方式對泄漏模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取對稱邊界條件為左、右兩個面；前面取壓力入口邊界，后面取壓力出口邊界，如圖4 所示，進(jìn)口壓力

P

分別取 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 和0.7 MPa；出口壓力

P

取 0.1 MPa。利用 Fluent 軟件選用壓力修正SIMPLE 算法進(jìn)行數(shù)值求解，得到泄漏通道中的流場分布，再根據(jù)出口橫截面上的速度分布積分獲得流體的泄漏率。

圖4 模型計算區(qū)域及邊界條件Fig.4 Model calculation area and boundary conditions

3 試驗驗證

3.1 試驗裝置

為驗證數(shù)值模擬的可靠性，進(jìn)行金屬封嚴(yán)環(huán)密封試驗，試驗裝置如圖5 所示。試驗的W 型金屬封嚴(yán)環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

圖5 金屬封嚴(yán)環(huán)的密封試驗臺Fig.5 The sealing test bench of the metal sealing ring

表2 金屬封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of metal sealing ring

試驗設(shè)備由主機、上下壓板、光柵尺、加壓裝置、泄漏測量裝置、測試控制系統(tǒng)等組成。試驗主機可以實現(xiàn)加載控制、變形測量控制和位移控制三種功能。主機采用伺服電機為動力，上壓板固定，伺服電機驅(qū)動下壓板對金屬封嚴(yán)環(huán)緩慢施加載荷，封嚴(yán)環(huán)的中間放置墊塊，以防止過載損壞金屬封嚴(yán)環(huán)。試驗過程中，通過測控系統(tǒng)控制金屬封嚴(yán)環(huán)的壓縮量，當(dāng)壓縮停止時，打開氣壓瓶，待氣壓穩(wěn)定，通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計讀取泄漏率，調(diào)節(jié)氣壓瓶的氣壓，測試金屬封嚴(yán)環(huán)在不同氣壓下的泄漏率。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗工況：金屬封嚴(yán)環(huán)的表面粗糙度

R

=1.6 μm，設(shè)定封嚴(yán)環(huán)的壓縮量為0.2 mm；改變封嚴(yán)環(huán)內(nèi)外腔的壓差得到不同氣壓下的泄漏率。封嚴(yán)環(huán)的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比分析曲線如圖6 所示，可以看出：試驗值與仿真值吻合良好。因此該仿真方法正確可靠，可用于金屬封嚴(yán)環(huán)密封結(jié)構(gòu)泄漏率的計算。

圖6 計算值與試驗值的結(jié)果對比Fig.6 Comparison of calculated value and experimental value

4 結(jié)果分析

P

為 0.2、0.7 MPa 下的壓力云圖分別如圖7～圖8 所示，可以看出：壓力在整個流道中呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，而在波峰部位附近出現(xiàn)局部高壓區(qū)，在波谷部位附近出現(xiàn)低壓區(qū)。這是因為在微通道中的氣流受到表面粗糙度的影響，邊界層的厚度顯著增加，改變了氣體的流動方向，靠近壁面附近會產(chǎn)生小的渦流，這將明顯增大氣體流動的阻力，降低進(jìn)口壓力，回流現(xiàn)象明顯減弱。

圖7 P1=0.2 MPa 的壓力云圖Fig.7 Pressure cloud diagram with P1=0.2 MPa

圖8 P1=0.7 MPa 的壓力云圖Fig.8 Pressure cloud diagram with P1=0.7 MPa

P

為 0.2、0.7 MPa 的速度云圖如圖 9～圖 10所示。

圖9 P1=0.2 MPa 速度矢量圖Fig.9 Speed vector diagram with P1=0.2 MPa

圖10 P1=0.7 MPa 速度矢量圖Fig.10 Speed vector diagram with P1=0.7 MPa

從圖9～圖10 可以看出：氣流流經(jīng)波峰時受到粗糙壁面的阻礙作用，流動損失較大，氣流速度減少；當(dāng)氣流由波峰過渡到波谷時，氣流流動發(fā)生突擴(kuò)現(xiàn)象，速度劇增，出現(xiàn)超聲速流動。表面粗糙度是影響密封間隙的重要因素，在波谷附近低壓區(qū)域速度較高，而波峰附近高壓區(qū)域速度較低，隨著進(jìn)口壓力的降低，氣體在通道中的速度明顯降低，泄漏量也隨之減小。

流體泄漏流速在不同粗糙度下隨壓差變化的曲線如圖11 所示，可以看出：泄漏流速隨內(nèi)外壓差增大呈線性變化，內(nèi)外壓差的增大導(dǎo)致泄漏流速越來越大；在壓差較低時，表面粗糙度對流速的影響較小。因此粗糙度越大，粗糙表面輪廓變化就越劇烈，在局部粗糙壁面處形成了強逆壓力梯度，回流現(xiàn)象更明顯，降低了泄漏流速。

圖11 表面粗糙度對泄漏流速的影響Fig.11 The effect of roughness on the leakage flow rate

不同表面粗糙度下泄漏率的計算結(jié)果，如圖12 所示。

圖12 表面粗糙度對泄漏率的影響Fig.12 The effect of rough surface on leakage rate

在接觸應(yīng)力不變的情況下，降低加工表面的粗糙度，其接觸表面越來越光滑，凸起的粗糙峰數(shù)量較小，使得接觸面更加的緊密貼合，提高了密封結(jié)構(gòu)的密封性，降低了密封結(jié)構(gòu)的泄漏率。說明表面粗糙度對W 型金屬封嚴(yán)環(huán)密封間隙的泄漏具有重要影響。

5 結(jié) 論

（1）表面粗糙度對泄漏流體的影響較大，粗糙壁面附近存在明顯的回流現(xiàn)象，泄漏流體的流動阻力增大，降低了泄漏流速。

（2）在接觸應(yīng)力不變的情況下，表面粗糙度的降低，氣體流經(jīng)泄漏通道的泄漏量也隨之減小。因此通過提高金屬封嚴(yán)環(huán)的加工精度，從而有效地增強其密封效果。