圓弧端齒封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

余索遠(yuǎn) 張婷婷

摘 要：目前中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子零件，廣泛采用圓弧端齒進(jìn)行定心傳扭，由于圓弧端齒獨(dú)特的加工特點(diǎn)，造成了某一端齒的齒頂與其相配端齒的齒底必然存在間隙。部分發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在轉(zhuǎn)子內(nèi)部通封嚴(yán)氣，為防止通過轉(zhuǎn)子內(nèi)部的封嚴(yán)氣發(fā)生泄露，需采用圓弧端齒封嚴(yán)環(huán)對(duì)齒頂間隙進(jìn)行封嚴(yán)。圓弧端齒封嚴(yán)環(huán)由三段圓弧組成，其中兩端為相同半徑的小圓弧，中間為大圓弧。通過本文研究發(fā)現(xiàn)，隨著封嚴(yán)環(huán)壁厚及圓弧半徑的變化，對(duì)圓弧端齒會(huì)產(chǎn)生不同的封嚴(yán)效果。

關(guān)鍵詞：圓弧端齒;封嚴(yán)環(huán);間隙泄露;幾何特征;封嚴(yán)效果

中圖分類號(hào)：V231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）08-0062-03

目前中小型渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子零件多采用圓弧端齒進(jìn)行定心傳扭，該結(jié)構(gòu)具有定心可靠、裝配簡單等特點(diǎn)[1]。由于其獨(dú)特的加工特點(diǎn)，造成某一齒頂與其相配端齒的齒底存在間隙（圖1所示）。部分發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在轉(zhuǎn)子內(nèi)部通封嚴(yán)氣，為防止封嚴(yán)氣泄露，需采用圓弧端齒封嚴(yán)環(huán)（以下簡稱“封嚴(yán)環(huán)”）對(duì)齒頂間隙進(jìn)行封嚴(yán)（圖1所示）。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，封嚴(yán)環(huán)與端齒內(nèi)圓柱面及左右端面的貼合情況，直接關(guān)系封嚴(yán)效果。若封嚴(yán)環(huán)朝徑向變大的趨勢(shì)變形，則易于保證與端齒內(nèi)圓面的貼合，實(shí)現(xiàn)更佳封嚴(yán)效果。因此開展封嚴(yán)環(huán)幾何特征研究，就顯得尤其重要。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算對(duì)象

為研究封嚴(yán)環(huán)幾何特征對(duì)圓弧端齒齒頂間隙封嚴(yán)效果的影響，本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)環(huán)為研究對(duì)象，采用Workbench中的Static Structural模塊對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。

封嚴(yán)環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)中裝配位置如圖1所示，為模擬封嚴(yán)環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工作狀況，需對(duì)封嚴(yán)環(huán)施加軸向0.1mm的壓縮量（如圖2所示，A、B位置各施加0.05mm位移約束）。

為模擬封嚴(yán)環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)中真實(shí)工作環(huán)境，選取封嚴(yán)環(huán)與圓弧端齒的接觸類型為No Separation（無分離接觸，適用于法向無分離，切向允許發(fā)生小位移變形[2]）。

1.2 封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)特征

封嚴(yán)環(huán)為薄壁件，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，由三段相切的圓弧組成，其中兩端小圓弧為R_1（半徑相等），中間段圓弧為R_2，綜合分析三個(gè)參數(shù)對(duì)封嚴(yán)環(huán)變形、應(yīng)力的影響，得到上述參數(shù)對(duì)封嚴(yán)環(huán)封嚴(yán)效果的影響。

本次計(jì)算針對(duì)以下三類開展計(jì)算：

2 計(jì)算分析

2.1 小圓弧半徑（R_1）對(duì)封嚴(yán)效果的影響

為研究小圓弧對(duì)封嚴(yán)效果的影響，本次對(duì)封嚴(yán)環(huán)大圓弧半徑（R_2）為5mm的模型進(jìn)行分組計(jì)算。

2.1.1 最大當(dāng)量應(yīng)力與小圓弧半徑關(guān)系

通過計(jì)算，得到當(dāng)量應(yīng)力分布如表1、圖4所示。

從表1、圖4可以看出，隨著封嚴(yán)環(huán)壁厚的增大（在相同軸向壓縮量下），最大當(dāng)量應(yīng)力呈增大趨勢(shì);在壁厚較大時(shí)（TH=0.3mm），最大當(dāng)量應(yīng)力隨小圓弧半徑的增大而減小。隨著壁厚的減小（TH=0.1mm），最大當(dāng)量應(yīng)力隨小圓弧半徑的增大趨勢(shì)逐漸減緩。

2.1.2 最大徑向變形與小圓弧半徑關(guān)系

通過計(jì)算，得到最大徑向變形計(jì)算結(jié)果如表2、圖5所示。

從表2、圖5可以看出，隨著封嚴(yán)環(huán)壁厚的減小（在相同軸向壓縮量下），最大徑向變形呈增大趨勢(shì);最大徑向變形隨小圓弧半徑增大而增大，隨著壁厚的減小該趨勢(shì)逐漸減緩。

2.2 大圓弧半徑對(duì)封嚴(yán)效果的影響

為研究大圓弧半徑對(duì)封嚴(yán)效果的影響，本次對(duì)封嚴(yán)環(huán)小圓弧半徑（R_1）為1.4mm的模型進(jìn)行分組計(jì)算。

2.2.1 最大當(dāng)量應(yīng)力與大圓弧半徑關(guān)系

通過計(jì)算，得到當(dāng)量應(yīng)力分布如表3、圖12所示。

從表3、圖6可以看出，隨著封嚴(yán)環(huán)壁厚的增大（相同軸向壓縮量），最大當(dāng)量應(yīng)力呈增大趨勢(shì);當(dāng)壁厚較小時(shí)（TH=0.1mm），最大當(dāng)量應(yīng)力隨著大圓弧半徑的增大而增大，反之當(dāng)壁厚較大時(shí)（TH=0.3mm），最大當(dāng)量應(yīng)力隨著大圓弧半徑的增大而減小。

2.2.2 最大徑向變形與大圓弧半徑關(guān)系

通過計(jì)算，得到最大徑向變形計(jì)算結(jié)果如表4、圖7所示。

從表4、圖7可以看出，隨著封嚴(yán)環(huán)壁厚的減小（在相同軸向壓縮量下），最大徑向變形呈增大趨勢(shì);最大徑向變形隨大圓弧半徑增大而增大，隨著壁厚的減小，此趨勢(shì)逐漸變緩，當(dāng)TH=0.1mm，最大徑向變形隨大圓弧半徑增大呈逐漸減小趨勢(shì)。

3 結(jié)語

（1）壁厚較小的封嚴(yán)環(huán)在相同軸向壓縮量下，最大當(dāng)量應(yīng)力更小，更容易發(fā)生變形，保證變形始終在材料許用彈性變形范圍內(nèi)，提高封嚴(yán)環(huán)的工作可靠性。

（2）最大當(dāng)量應(yīng)力隨著小圓弧半徑的增大呈減小趨勢(shì)，壁厚越小該趨勢(shì)越不明顯;最大徑向變形隨小圓弧半徑的增大呈增大趨勢(shì)，壁厚越小該趨勢(shì)越不明顯。

（3）在壁厚較大時(shí)（TH=0.3mm），最大當(dāng)量應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，反之當(dāng)壁厚較小時(shí)（TH=0.1mm），最大當(dāng)量應(yīng)力隨著大圓弧半徑的增大呈增大趨勢(shì);最大徑向變形隨著大圓弧半徑的增大呈增大趨勢(shì)，壁厚越小該趨勢(shì)越不明顯。

（4）在相同軸向壓縮量下，較小的當(dāng)量應(yīng)力更易實(shí)現(xiàn)封嚴(yán)環(huán)的壓縮，同時(shí)較大的徑向變形則可保證更佳的封嚴(yán)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì)編 航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第2冊(cè)工程制圖及標(biāo)準(zhǔn)[M].航空工業(yè)出版社，2001.

[2] 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0 超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].人民郵電出版社，2013.