自紧式V形金属密封特性及悬臂结构影响_张大伟.pdf
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1、2023 年第 42 卷7 月第 7 期机 械 科 学 与 技 术Mechanical Science and Technology for Aerospace EngineeringJulyVol422023No7http:/journalsnwpueducn/收稿日期:20210818作者简介:张大伟(1982),教授,博士生导师,博士,研究方向为机械结 构 设 计 及 优 化、智 能 成 形 工 艺 及 装 备 等,zhangdawei2000 mailxjtueducn张大伟,雷征,闫方琦,等自紧式 V 形金属密封特性及悬臂结构影响 J 机械科学与技术,2023,42(7):1114-
2、1119自紧式 V 形金属密封特性及悬臂结构影响张大伟1,雷征2,闫方琦2,田冲1,王晨浩1,李智军2(1 西安交通大学 机械工程学院,西安710049;2 西安航天动力研究所,西安710100)摘要:自紧式 V 形金属密封在液体火箭发动机中有广泛应用,然而不同使用环境下的结构形式、几何参数、材料选用等变化繁多。基于工况和空间约束设计了一种 V 形金属密封结构,并基于 ABAQUS平台,建立 V 形金属密封装配-承压-卸载-拆卸全工作过程有限元模型,研究工作全过程的密封特性和可控几何参数影响。结果表明:密封唇高温承压后屈服变形并持续增加属塑性变形,密封悬臂处塑性变形先增加后保持不变,具备良好自
3、紧特性,拆卸分离后密封唇处无明显局部压痕、密封件回弹率为884%,可保证密封性能和重复使用性;回弹率随两悬臂间内张角 和悬臂内外侧张角 增加而增加,对接触压强和回弹率影响大于;通过几何参数优化,可进一步提高回弹率。关键词:高压静密封;自紧式密封;V 形金属密封;几何参数影响;有限元分析中图分类号:V431;TB42文献标志码:ADOI:1013433/jcnki1003-872820220079文章编号:1003-8728(2023)07-1114-06Sealing Characteristics and Influence of Aantilever Geometryon Pressure
4、actuated Vshaped Metal SealZHANG Dawei1,LEI Zheng2,YAN Fangqi2,TIAN Chong1,WANG Chenhao1,LI Zhijun2(1 School of Mechanical Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;2 Xian Aerospace Propulsion Institute,Xian 710100,China)Abstract:Pressure-actuated V-shaped metal seal has been widely use
5、d in liquid rocket engine However,there arelots of variations of structural style,geometrical parameter and material selection for different service environmentsA V-shaped metal seal has been designed based on the working and spatial constraints Based on ABAQUS code,aFE model for assembling-pressuri
6、ng-unloading-disassembling through-process of V-shaped metal seal has beendeveloped The sealing characteristics and influences of the controllable geometrical parameter during workingthrough-process have been studied The results indicated that the sealing lip yields and the plastic deformationprogre
7、ssively increases after pressure bearing with high temperature,and the plastic deformation on cantileverincreases firstly and then is almost unchanged during the working through-process,so the structure of seal has awell self-tightening feature;there is not obvious local indentation on sealing lip a
8、fter disassembling,and theresilience rate is about 884%;thus the seal has well sealing performance and reusable performance;the resiliencerate increases with increasing inner angle()between two cantilevered legs and angle()between inside andoutside of cantilevered leg,and the influences of on the co
9、ntact pressure and resilience rate is more than that of;so the resilience rate can be further improved by optimizing the geometrical parametersKeywords:high-pressure static seal;pressure-actuated seal;V-shaped metal seal;geometrical parameter effect;finite element analysis液体火箭发动机中密封结构需在高温、低温、高压、摇摆等复
10、杂工况条件下具备高的可靠性以及良好的拆卸性和互换性。金属特型密封,特别是自紧式金属密封结构,在高低温、高压工况下具备优良的第 7 期张大伟,等:自紧式 V 形金属密封特性及悬臂结构影响http:/journalsnwpueducn/密封性能。因此在美国航天飞机发动机、俄罗斯D 系列液氧煤油发动机、我国高压补燃液压煤油发动机的管路密封广泛应用1-3。自紧式金属密封装配预紧过程的变形,特别是密封面处的适当塑性变形,是实现密封要求的保证。自紧式金属密封的回弹能力是工作时密封效果和重复使用性能的重要保证。密封比压是衡量密封能力重要参数,由装配预紧、工作内压等参数共同确定。马莹和王良4 采用数值方法研究
11、了预紧压缩量对某高温合金 U-E 金属密封装配预紧后初始比压的影响,结果表明随预紧压缩量增加,接触比压增加,但一定预紧压缩量后,接触比压趋于平稳。赵剑等5 采用数值方法研究研究某高强不锈钢 K 形金属密封装配预紧过程接触面积、接触应力变化,并采用接触面塑性变形形貌衡量重复使用性能。马莹等6 采用数值方法研究 3 种不同加工方法制造 V 形金属密封装配预紧过程的接触压强演化,并采用实验方法研究了其压缩回弹特性和承受最大内压。雷征等7 采用数值方法研究高强不锈钢形金属密封压缩预紧和承压工作不同状态下轴向压力变化情况。宁志星等8 采用数值方法研究 304 不锈钢 C 形金属密封结构侧壁厚度和底壁厚度
12、对密封结构回弹的影响。李玉婷等9 采用数值方法研究 GH4169 高温合金 U 形金属密封结构厚度、截面宽度、腿部厚度等几何参数对密封性能影响,为其结构改进提供思路。雷征等10 采用数值方法研究 GH3044 蝶形环和 GH4202 法兰在预紧和工作状态下密封面压力变化情况。上述研究均采用二维有限元模型。刘博等11 建立考虑单螺栓特征 1/12 有限元模型,研究了火箭发动机推力室燃料阀处垫片变形及回弹。Philips和 Wingate12-13 基于单螺栓特征的部份三维有限元模型研究美国 J-2X 火箭发动机中液氢、液氧贮箱用Naflex 型金属密封装配预紧和工作状态下的金属密封变形偏移特征,
13、其中密封结构材料为 Inconel 718。为适用不同工况、尺寸等条件下密封要求,自紧式金属密封结构繁多、采用材料种类各部相同,有必要针对特定工况、尺寸、材料等条件下开展密封特性及相关参数影响的研究。自紧式 V 型金属密封具有结构简单、加工安装方便、适用于平面可拆卸法兰等特点,已在发动机涡轮泵、阀门等系统中得到应用14。因此本文在给定的工况(温度、压力)和安装尺寸空间约束下,结合传统 V 形金属密封6,14 和Naflex 型金属密封主密封12-13 结构形式设计了一种V 形金属密封结构。采用有限元法研究装配预紧、升温承压工作、卸载拆卸全过程的V 形金属密封性能特征,研究了安装尺寸约束下可控尺
14、寸参数的影响。1工作全过程有限元模型建立根据给定的工况和几何约束条件,所设计的自紧式 V 形金属密封结构及工作全过程有限元模型如图 1 所示。V 形金属密封初始高度约为 8.2 mm,直径在 300 mm 左右。在装配预紧后 V 形金属密封产生变形,在半径为 r 的上下密封唇处形成初始比压。变形包括弹性变形性和塑性变形,密封唇处的微小塑性变形可保证密封之间啮合良好2,特别是表面喷涂软金属后。工作过程随着内部压力升高和温度变化,V 形金属密封悬臂结构回弹补偿法兰承载和温度变化导致的结构变形,同时在工作介质压力作用下可提升初始密封比压,保证密封效果。当然工作介质压力越大,法兰轴向分离力越大5,若法
15、兰轴向分离和温度变化导致的尺寸变化大于金属密封回弹补偿能力,密封失效。图 1自紧式 V 形金属密封结构及工作全过程有限元模型Fig 1The pressure-actuated V-shaped metal seal structure andfull working process finite element model所设计的 V 形金属密封工作过程中经历 4 个典型阶段:装配预紧、高温承压、卸载降温、拆卸分离。不同工作阶段变化及影响密封性能的主要参数有法兰轴向压缩量、工作温度、工作介质压力,不同阶段变化过程如图 2 所示。考虑主要研究对象为金属密封工作过程密封比压、变形情况及拆卸后回弹
16、,为了提高计算精度和计算效率,采用二维有限元模型。基于 ABAQUS/Standard 软件环境,建立 V 形金属密封工作全过程有限元模型。5111机 械 科 学 与 技 术第 42 卷http:/journalsnwpueducn/图 2自紧式 V 形金属密封工作参数Fig 2Pressure-actuated V-shaped metal seal working parametersV 形金属密封和法兰材料分别为 GH4169 和GH4202 高温合金,其材料力学性能和热物理性能根据手册15 结合其他相关文献4,6,9 综合确定,材料主要力学性能参数见表 1。V 形金属密封与上、下法兰间
17、的接触面采用库伦模型描述其摩擦特征,根据实践经验4 摩擦因数约为 0.15。采用双线性 4节点轴对称四边形减缩积分单元进行网格划分,上、下法兰整体网格大小为 1 mm,密封环整体网格大小为 0.15 mm,密封唇与上、下法兰接触部分网格进行了细化,如图 1b)所示。表 1材料的力学性能参数Tab 1The mechanical performance parameters of the material参数GH4169GH4202弹性模量/GPa194.2216泊松比0.290.3屈服应力/MPa1 03549抗拉强度/MPa1 270830延伸率/%12162工作过程密封特性装配预紧和高温承
18、压阶段的应力特征,特别是上、下密封唇处的接触压强可作为密封效果的表征参数之一。两个工作阶段后的自紧式 V 形金属密封结构的等效应力分布如图 3 所示。常温预紧后较大应力出现在上、下密封腿及过度圆角处,最大应力为 1 258 MPa,如图 3a)所示;高温承压后,较大应力出现在上、下悬臂结构处和上、下密封唇处,最大应力为 1 141 MPa,如图 3b)所示。上下密封唇在装配预紧后,其接触区域等效应力较大,但其应力值和大应力区域都小于高温承压后的应力值和分布区域。V 形金属密封悬臂结构的最大等效应力在装配预紧后出现在根部,而高温承压后出现在悬臂处,都大于材料屈服应力将产生塑性变形。图 3不同工作
19、阶段的等效应力分布Fig 3Equivalent stress distribution in different working stages整个V 形金属密封工作全过程接触密封面的比压变化如图 4 所示。装配预紧后上、下密封唇处密封比压约为1 800 MPa 左右,高温承压后上、下密封唇处密封比压约为2 300 MPa 左右。虽然升温承压带来法兰分离和结构变形,但 V 形金属密封的弹性补偿和自紧特性,提升了接触面的密封比压,保证密封效果。图 4不同工作阶段的密封比压Fig 4Sealing-specific pressure in different working stagesV 形金属
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