航空燃气涡轮发动机用涨圈设计及工程应用

时间：2024-05-19

鲍伟强

（中国航发湖南动力机械研究所，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）

涨圈是一种广泛使用在航空发动机中的一种静子封严零件，用于静子件之间气体或液体封严，在发动机的经济性、可靠性等方面发挥着重要作用，涨圈结构看似简单，但其技术要求较多，也较复杂，目前暂没有一个系统的设计方法，本文主要介绍其在航空发动机工程应用中的典型形式设计关键参数的选择。

1.涨圈工况及结构

1.1 涨圈工况

在航空发动机中，涨圈主要用于两个静子零件之间形成有效密封，一般用于机匣内两股不同压力气流或滑油流路的密封，工作环境如图1所示。

图1 涨圈工作示意图

涨圈位于内圈或外圈机匣的涨圈槽内，起到防止高压侧流体向低压侧泄露的作用，同时，在两个静子零件温度不同时，可适应两个零件轴向、径向变形不协调。

1.2 涨圈结构形式

航空发动机中使用的涨圈是一个截面为矩形的回转体，其结构如图2所示，关键尺寸根据结构给出。

图2 涨圈结构参数

基本直径D：涨圈与对象机匣配合圆柱面的直径；轴向高度h：涨圈在发动机轴线方向上的厚度尺寸；径向高度t：涨圈在发动机直径方向的厚度尺寸；自由开口间隙A：涨圈在弹开状态（自由状态，为了获取装配时的弹力，需要将涨圈开口弹开并热处理定型）下切口之间的距离；装配开口间隙δ：涨圈在归圆至基准直径D后切口之间的距离。

2.涨圈特性分析

2.1 弹力分析

涨圈的弹力是保证密封效果的重要条件之一，如果弹力过小则涨圈在涨圈槽中就不能起到良好的密封作用，出现冷气泄露量增大的情况，而弹力过大则会导致装配困难。

为使弹力分析简单而又不失理论上的正确性，就必须将弹力问题直接置于涨圈自由开口宽度、装配开口间隙、高宽比及应力等方面来进行分析：

（1）弹力的产生。涨圈加工过程中，铣切开口工序后，将涨圈撑开且定型至自由开口间隙（自由开口间隙>切口切开尺寸）。若将此自由状态开口归圆到装配开口间隙，就必须要对环施加外力（径向、切向），此外力就称之为环弹力；

（2）弹力计算。将自由开口宽度为A、基本直径为d的涨圈装入公称直径为D（D=d）的正圆机匣内，A被归圆至装配开口间隙δ，弹力使涨圈外圆面与机匣壁良好贴合，机匣对涨圈施加均匀的径向压力。由于涨圈与活塞发动机中的活塞环形状类似，故径向弹力按活塞环计算公式（1）计算：

式中：E― 材料弹性模量。

注：公式1及下文中的公式2及公式3均来源于参考文献[1]、文献[2]、文献[3]，并将单位由kg、kg/cm2替换为N及Pa。

（3）名义接触应力。涨圈在工作时，在环本身弹力作用下，使环贴紧机匣壁时，对机匣壁的名义接触应力：

根据文献2，在活塞环设计中，为了保证活塞环与机匣的贴合及密封性，该值建议选取104Pa～105Pa。

统计小型发动机中涨圈应用情况，接触应力基本处于经验取值104Pa～105Pa之间，故涨圈设计时建议名义接触应力取值104Pa～105Pa。

（4）应力计算。涨圈归圆与机匣壁良好贴合时，涨圈上应力最大部位为开口对侧处应力，此处的应力为：

2.2 密封性分析

涨圈在开口弹力作用下，使涨圈的四周紧贴在机匣内壁上，形成一道密封面，从而防止了气体沿涨圈与机匣壁间接触面漏气，同时，部分高压气体沿涨圈与机匣壁之间由涨圈侧面（侧隙）进入涨圈背面（背隙），使涨圈紧紧贴在机匣壁上，密封更牢靠，如图3所示。作用在涨圈侧面的高压气体，将涨圈压紧在涨圈槽中，使另一侧面和涨圈槽贴紧，形成第二个密封面。可见，涨圈的弹力与气体的压差共同保证了涨圈密封的可靠性，且涨圈所处环境压差越高密封性越好。这时涨圈的开口间隙是气体泄露的唯一间隙。

图3 密封面示意图

在有些环境中，对气体泄露量要求较高，此时，可采用多重（一般2～3个）涨圈，安装时涨圈开口相互错开一定角度，高压气体经过几道涨圈节流后压力迅速下降，且涨圈切口处的泄露被其他涨圈阻拦，泄露量大大减少。

3.涨圈结构参数设计

3.1 结构方案设计

在发动机结构方案设计中，涨圈需求来自发动机总体结构布局以及空气系统流路设计，因此进行结构设计时，涨圈工作位置与环境已明确，此时直径D、径向高度t确定；t一般不大于D/30，直径值越大，该比值越大，比值可以按(D-120)/8.4+30估算，但需满足总体结构方案的需要。

由公式1可知，涨圈的弹力与轴向高度h正相关，在设计时一般高度取2mm～4mm，当采用并排涨圈时，单个涨圈轴向高度可偏薄，但不得小于1mm。轴向高度过小则导致密封面太短容易出现漏气问题，过大则涨圈装配困难且对机匣变形的顺应性较差、密封性能也较差。

3.2 材料选取

涨圈的材料主要根据使用条件确定，满足的主要要求为：高温工作条件下具有较高的机械强度、耐磨性好以及加工便利等。目前航空发动机中涡轮部件广泛使用的材质为铸铁、铸钢、合金钢。这3种材质在机械性能、工艺性、经济性等方面都有一定的优势，由此涨圈材料优先选用这3种材质。目前主要选用的材料有K418B、K492M、GH4145、GH605、GH4738、2#耐磨合金铸铁、HT250等。

3.3 装配开口间隙δ的设计

装配开口间隙的存在，主要是防止涨圈在工作时开口顶死而产生故障。从密封角度讲，涨圈的装配开口间隙越小，密封性能越好，但为了保证一定的安全欲度，装配开口间隙建议选取1.5倍最小间隙。

δmin=πD(α1T1-α2T2)

式中：α1―涨圈材料的热膨胀系数；

T1―涨圈的工作温度；

α2―机匣材料的热膨胀系数；

T2―机匣的工作温度。

3.4 自由开口间隙A的设计

在涨圈装配及工作时，必须要使涨圈能正常工作，不能出现塑性变形，塑性变形会导致涨圈圆度被破坏，使涨圈与机匣不能良好的贴合、泄露量增大。

根据经验，一般静子件屈服安全系数应大于1.0，但为了减少装配控制难度及风险，屈服安全系数取1.2也即：

屈服安全系数ns=σ0.2/Kσmax≥1.2

K：系数，一般推荐非铸件选取1，铸件取1.2。

在涨圈基本参数D、H、B、δ确定的前提下，根据公式2：

也即涨圈自由状态下的切口间隙应满足

为了满足密封要求，根据名义接触应力计算公式，自由开口间隙范围可取

为了满足装配方便，建议涨圈的径向弹力不大于100N，也即：

取公式4、公式5及公式6 3个A值范围的交集，即为最终自由开口间隙A的取值范围。

3.5 开口形式

按照切口的截面形状可以将涨圈的切口分为斜切口、直切口、平切口。

斜切口：该切口可以使涨圈在周向、径向上均保留了一部分密封面，没有完全切断，可以最大程度上降低切口处的冷气泄露，通常情况下建议使用该形状切口，如图4所示。

图4 涨圈斜切口示意图

直切口：该切口使涨圈在周向上保留了一部分密封面，但是在切口处径向完全切开，使得该处冷气泄露面积等于切口宽度×轴向高度/2，如图5所示。轴向高度较小时（大于1.5mm，小于2.5mm），该处不宜加工斜切口，建议使用该结构。

图5 涨圈直切口示意图

平切口：该切口使涨圈完全切断，冷气泄露面积等于切口宽度×（机匣内径―涨圈槽外径）如图6所示。轴向高度极小时（小于1.5mm），建议采用该结构，一般多排涨圈结构采用这种切口形式，装配时切口角向位置错开减少冷气泄露。

图6 涨圈平切口示意图

3.6 检验要求

涨圈的径向环面（第一密封面）及侧面（第二密封面）加工质量对涨圈的密封效果起到极为重要的作用，所以涨圈加工完成后需要对涨圈进行相应的检查。

（1）径向环面。为了保证涨圈与机匣壁的贴合效果，要求涨圈的外表面处与对象件机匣贴合，如果贴合不佳，则导致漏气。在加工涨圈时，为方便且直观的检验，一般采取漏光度检查。

漏光度的检查方法：将涨圈涨圈放入检验圆环内，在涨圈一侧放置一个光源，放入一块盖板盖住涨圈的内/外圈，观察涨圈与检验圆环之间的漏光缝隙，要求在涨圈贴合在对象工装上后，透光区域不大于50%，透光检测间隙不大于0.03mm。

（2）侧面。涨圈的两个侧面中一个侧面感受高压气体的压力，另一侧面与涨圈槽侧面贴合密封，加工过程中先加工其中一个侧面作为端面基准，再翻转零件平磨另一端面，这就对侧面的平面度及平行度提出要求。由于涨圈切开后平面度及平行度的检查误差较大，故可要求涨圈在机床上检查零件平面度，以等厚测量来检查平行度。要求基准面平面度不大于0.02mm，两个侧面平行度不超过0.02mm。