坡度角對航空發動機內環狀階梯型密封件性能的影響*

李慶安 王建彬 徐慧敏 楊 柳 楊劍飛 姚金結

(安徽工程大學機械工程學院 安徽蕪湖 241000)

接觸式機械密封憑借密封性能好、結構簡單、制造成本相對低廉等優點而在航空航天發動機密封中應用廣泛[1]。環狀階梯型密封件由于其獨特的階梯狀結構形式，增加了密封的接觸端面，密封效果好，是高溫、高壓、強腐蝕等極端工況下接觸式機械密封的首選[2-6]。由于環狀階梯型密封件的階梯面直接承受外部壓力，故其環形側面與軸向之間的夾角即坡度角對階梯面接觸面積和承載強度至關重要，影響階梯面的應力分布，是密封件重要的結構參數。

近年來，針對密封件的結構設計與優化，國內外研究人員開展了有益的探索。程香平等[7]通過改變機械密封接觸面之間的錐角，發現壓力峰值隨錐角的增大而增大，并得出了錐角Ф=0.8°～1.6°時液膜穩定性與密封可靠性達到最好。許靜等人[8]研究了不同截面形狀的密封環受力變形情況，結果表明相同載荷下，階梯狀截面密封件所產生的形變程度約為方形截面的4～5倍。張杰等人[9]通過研究不同結構形式密封環的變形規律，指出采用鑲裝式的石墨密封環結構能夠顯著增加整體密封的強度和剛度，同壓力所產生的變形量是整體式結構的50%。張毅等人[10]通過分析在不同壓力與溫度下密封結構的變形情況，指出高溫環境下密封件內部的密封介質能夠幫助散熱，從而造成密封件徑向內側與外側的應力與形變大小低于中間部位。TIKHOMOROV等[11]模擬了金屬密封件表面的接觸情況，對密封介質的泄漏情況進行了預測。PAN等[12]的研究表明，密封結構粗糙表面之間接觸系數的增加會降低整個結構的接觸剛度和固有頻率，并通過角頻率得出頻率譜-密度函數，經驗證發現結論與實驗結果相符。

綜上所述，關于接觸式機械密封的研究，目前更多體現在預測接觸部分的接觸情況或模擬外界環境變化對密封件所產生的泄漏問題[13-16]，而有關坡度角對于密封件尤其是常用的環狀階梯型密封件性能影響研究相對較少。本文作者以航空發動機用的環狀階梯型密封件為例，利用仿真軟件分析不同坡度角的密封件結構在受載情況的應力分布和形變趨勢，探討其對密封件使用壽命的影響規律，以期為環狀階梯型密封件的結構優化設計提供理論支持。

1 環狀階梯型密封件的模擬測試設置

1.1 環狀階梯型密封件的結構

如圖1(a)所示的密封套件是某種航空發動機內部密封結構的重要組成部分，外部被金屬外殼包裹，內部則安裝了環狀階梯型密封件，即文中的研究對象。環狀階梯型密封件的完整結構如圖1(b)所示，由于其具有特殊的多層結構，為方便描述，從其底面到接觸面按順序將每一層分別命名為第三層、第二層和第一層，如圖2(a)所示。

圖1 密封件實體

在圖2(a)中，環狀階梯型密封件的每個特征均具有不同的作用：底面與推環接觸；下層的長度保證了密封件的軸向尺寸；第二層用以分擔壓力并滿足發動機內部狹小空間的尺寸限制；第一層的接觸面與密封件的動環端面緊密貼合，以達到密封并引導密封介質流動的目的。坡度角α的設定如圖2(b)所示。

圖2 密封件的分層及其坡度角示意

1.2 環狀階梯型密封件的模擬測試設置

為了模擬環狀階梯型密封件在真實工況下的受載狀態，在溫度設置為22 ℃時，探討坡度角對密封性能的影響規律。選用鑄鐵作為環狀階梯型密封件的材料，其力學性能指標如表1所示。為了保持模擬工況的一致性，具有不同坡度角的環狀階梯型密封件，其受載面均為接觸面法向均布載荷。模擬受載的測試流程如圖3所示。

表1 材料力學性能指標

圖3 模擬受載的測試流程

首先測量真實密封環的外部結構獲得密封環的三維形貌數據，其次將模型導入分析軟件中，再次模擬模型的工作環境；對模型施加載荷，最后檢驗是否達成了載荷測試的目的。若達成目的，則記錄下本次模擬測試的相關結果，若未達成目的則修改所需要的坡度角的大小并重新進行模擬測試，直到完成全部所需的模擬測試后對所有的數據進行分析整理，尋找規律。

2 受載狀態下坡度角對環狀階梯型密封件性能的影響

環狀階梯型密封件在受載狀態下的內部應力分布和變形是密封件使用性能的重要指標，直接影響其使用壽命。為了分析環狀階梯型密封件的重要結構參數坡度角對密封件性能和使用壽命的影響，以1°為間隔，分析相同載荷下坡度角分別為0°～10°時，環狀階梯型密封件的應力、形變規律以及使用壽命。

2.1 坡度角對應力的影響

圖4所示為坡度角為0°時，環狀階梯型密封件受載后的應力分布云圖?？芍鋺Ψ植即笾卵孛芊猸h的圓心向外呈放射狀，產生極限應力的位置是環狀階梯型密封件第二層與第一層內側輪廓交界處，極限應力最大可達4.79 MPa，最小應力則為0.056 MPa。由于層界處與其接觸的階梯軸同樣處于結構尺寸的突變位置，過于集中的應力與不同部位應力的急劇變化會使局部區域的應力值超過設計應力,易產生裂紋從而降低使用壽命[17]。

圖4 坡度角為0°時密封件應力分布云圖

相同載荷下不同坡度角對應的應力分布云圖如圖5(a)所示?？芍?，隨著坡度角的增加，環狀階梯型密封件的應力分布從密封環底面的外側輪廓線到接觸面的內側輪廓線處逐漸增大，應力最為聚集的位置均為環狀階梯型密封件第二層與第一層內側輪廓交界處；不同坡度角造成的應力分布總體大致相似，因此坡度角的變化并不會對應力分布造成明顯的影響。

相同載荷下不同坡度角對應的最大應力如圖5(b)所示。在外部條件相一致時，當坡度角分別為2°和7°時，其所對應的最大應力極值分別為5.230 4和4.68 MPa。產生這一結果的原因可能是由于在坡度角由0°增大至2°時坡度角較小，整體外形對于應力在內部的傳遞阻礙效果較強，導致應力產生堆積；在坡度角由2°增加至10°的過程中，結構的整體形狀變化更符合應力的傳遞方向，使應力分散在結構內部，并在7°左右達到最優情況，且在隨后的變化中最大應力的數值開始出現波動。

進一步分析，相同載荷下相鄰坡度角對應最大應力的相對增長率如圖5(c)所示?？芍?，隨著坡度角的增加，其對應相鄰坡度角間最大應力的相對增長率在2°～3°時存在較大波動，最后趨于穩定。這對應了最大應力的數值產生的波動，說明在坡度角的變化過程中，最大應力的數值變化程度維持在一定的范圍內，平均相對變化率為-0.137%。

圖5 不同坡度角下的最大應力及應力相對增長率比較

2.2 坡度角對形變的影響

圖6所示為坡度角為0°時，環狀階梯型密封件受載后的形變分布云圖?？芍c應力分布類似，形變分布同樣大致沿密封環的圓心向外呈放射狀。形變最大的位置是環狀階梯型密封件接觸面內側輪廓，形變最大可達4.56 μm，底面附近幾乎未產生形變。由于結構的第一層截面直徑相對較小，軸向長度較短，在較大的應力作用下，極易使此處結構形狀產生變化，影響密封件與軸的配合間隙[18-19]，從而產生泄漏。

圖6 坡度角為0°時密封件形變分布云圖

相同載荷下不同坡度角對應的形變分布云圖如圖7(a)所示?？芍c應力分布不同，隨著坡度角的增加，環狀階梯型密封件的形變程度從密封環底面的外側輪廓線到接觸面的內側逐漸增大，形變最大的位置則均是環狀階梯型密封件接觸面內側輪廓；不同坡度角下的形變分布大致相似，因此坡度角的變化也同樣不會對形變分布造成明顯的影響。

相同載荷下不同坡度角對應的最大形變如圖7(b)所示。在外部條件相一致時，當坡度角為2°時所產生的最大形變為4.617 9 μm；在7°時所對應的最大形變為4.520 4 μm。最大形變在角度α達到2°之前總體的數值較大，并在2°左右達到最大值，這一變化趨勢可能是由于在坡度角由0°增大至2°時坡度角較小，沿軸向的壓力對變形程度的影響較大。當坡度角由2°增加至10°的過程中，最大形變的數值整體處于較低水平，變化較為不明顯且數值出現了小范圍的波動。這可能是因為該階段的密封件結構對變形的抵抗更加明顯，使形變程度減弱。

相同載荷下不同坡度角對應的最大形變相對增長率如圖7(c)所示?？芍?，隨著坡度角的增大，對應的最大形變相對增長率逐漸在0刻度附近小幅度波動，這說明最大形變的變化程度逐漸穩定。

同時，對比圖5(b)和圖7(b)可知，隨著坡度角的增加，其對應最大應力與最大形變的變化趨勢基本相似。由公式(1)可計算兩者之間的皮爾遜相關系數ρX,Y的值為0.724 983 8，以此判斷最大應力與最大形變數值強相關。

(1)

式中:ρX,Y為皮爾遜相關系數；X為不同坡度角

下密封件的最大應力，MPa；Y為不同坡度角下密封件的最大形變，μm。

圖7 不同坡度角下的最大形變及形變相對增長率比較

2.3 坡度角對壽命的影響

將密封件可以承受載荷作用的次數定義為壽命，則最小壽命即為密封件的使用壽命。圖8(a)所示為坡度角為0°時，環狀階梯型密封件受載后的壽命分布云圖。結果顯示，其壽命分布大致沿密封環的圓心向外呈放射狀，出現最小壽命的位置在環狀階梯型密封件第二層與第一層交界處內側輪廓，僅為1.7×1012次，而底面、第三層與第二層的外側表面的壽命較大。當坡度角改變時，所得到的壽命分布云圖與圖8(a)相似。這與上述對應力與形變分布情況的分析結果相符。

圖8 坡度角為0°時壽命分布云圖及不同坡度角

在外部條件相一致時，不同坡度角對應的使用壽命如圖8(b)所示。在坡度角為4°左右時，使用壽命最多達到2.118×1012次；在坡度角繼續從4°增大至10°的過程中，使用壽命出現明顯但較為穩定的波動，并在坡度角為8°時出現最小使用壽命，為1.302×1012次。

與應力和形變的變化趨勢相似，使用壽命的變化隨著坡度角的增加總體呈現先增大再出現波動的趨勢。導致這種情況的原因可能是由于當坡度角由0°增大至4°時，在圖5(b)中較大壓力和圖7(b)中較大形變的綜合作用下使壽命維持在相對較小的狀態；而隨著坡度角的增大，壓力與形變的數值相對較小，并在4°左右達到最大使用壽命2.118×1012次；在坡度角由4°增加至10°的過程中，環狀階梯型密封件的應力與形變開始發生波動，令密封件的使用壽命也隨之產生波動，并在坡度角為8°時出現最小使用壽命，僅為最大使用壽命的65%；盡管使用壽命在7°與10°左右較大，但也僅為最大使用壽命的80%與85%。由此可見應力與變形所產生的雙重作用對使用壽命有重大影響。

相同載荷下不同坡度角對應的使用壽命相對增長率如圖8(c)所示?？芍?，隨著坡度角的增大，對應的使用壽命相對增長率在±20%刻度附近大幅度波動，這說明使用壽命在不同坡度角下產生較為明顯但穩定的變化情況，平均相對增長率為1.372%。

為了驗證文中結論的可靠性與有效性，將結果與多位學者所發表的相似文獻進行對比。通過對比于立群[20]的研究發現，在階梯軸截面的過渡區域應力系數集中，疲勞壽命下降，這一結論與圖5(a)、圖8(a)所示的結果相符。而陽鑫等人[21]的研究同樣說明，將階梯軸截面過渡區域更改為錐形能夠有效降低內部的應力，與文中在環狀階梯型密封件上設置坡度角的作用類似。這些研究成果都說明坡度角對于環狀階梯型密封件的結構性能具有一定程度的提升，從而間接提高密封件的密封性能。

3 結論

(1)在環狀階梯型密封件的工作過程中，坡度角α的大小對于環狀階梯型密封件的內部應力與形變程度均有不同程度的影響，應力分布與形變分布相似度極高，且相對增長率均先出現最大值再呈現穩定波動趨勢，經計算后發現應力與形變兩者強相關。

(2)環狀階梯型密封件在受到外部載荷的過程中，整體產生最大形變與最大應力的位置均為階梯狀結構的第一層內部附近。相同載荷下，環狀階梯型密封件所受的應力與產生的形變隨后出現振幅相近的波動。使用壽命受到應力與形變的耦合作用，其變化規律也隨坡度角的增加呈現出類似趨勢，但出現極值后的振幅較前兩者更大。

(3)在環狀階梯型密封件的設計過程中，優化外側環狀表面與軸向之間的坡度角能夠一定程度上降低密封件產生的應力，減小整體發生的形變，從而間接延長密封件的使用壽命。