某型飛機螺旋槳動密封結構設計及仿真

摘" 要：變槳距螺旋槳是渦輪螺旋槳飛機的重要組成部分，其動密封系統性能直接影響著飛機運行的效率及安全。因此，開展螺旋槳槳根動密封系統的設計與研究具有重要工程實際意義。該文針對螺旋槳變槳距時的往復擺轉運動特點，設計出一種橡塑組合密封結構，并采用數值仿真和試驗測量相結合的手段，對該組合密封系統開展研究。最終的數值仿真和試驗測試表明，所設計的橡塑組合密封系統符合螺旋槳動密封系統的使用要求，未產生泄漏情況，可有效提升螺旋槳密封系統的可靠性，具有重要的工程指導價值。

關鍵詞：螺旋槳；動密封系統；橡塑組合密封；結構設計；有限元仿真

中圖分類號：V235.12" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0040-04

Abstract： Variable pitch propellers are an important part of turboprop aircraft， and the performance of their dynamic sealing system directly affects the efficiency and safety of aircraft operation. Therefore， carrying out the design and research of the propeller root dynamic sealing system has important engineering practical significance. In this paper， a rubber-plastic combined sealing structure is designed based on the characteristics of reciprocating swinging motion of the propeller when changing pitch， and the combined sealing system is studied by means of numerical simulation and experimental measurement. The final numerical simulation and experimental testing show that the designed rubber-plastic combination sealing system meets the use requirements of the propeller dynamic sealing system and produces no leakage， which effectively improves the reliability of the propeller sealing system and has important engineering guidance value.

Keywords： propeller; dynamic sealing system; rubber-plastic combination sealing; structural design; finite element simulation

航空渦輪螺旋槳發動機（以下簡稱渦槳發動機）不僅耗油低，而且單臺功率大，因此廣泛被各類運輸機使用[1]。現代的渦輪螺旋槳發動機具有可調的槳距角（或者叫安裝角），其特點是燃油流量和螺旋槳的槳距角可以獨立調節。這種可變槳距的渦槳發動機可以在不同的飛行條件與飛行速度下，通過改變螺距角度來保持螺旋槳的速度恒定，實現螺旋槳的工作效率最大化[2]。航空渦槳系統包含螺旋槳槳葉和槳轂，兩者由一個動密封系統連接，槳葉相對于槳轂的往復擺轉運動由液壓系統實現。在長時間的工作過程中，槳轂和槳葉連接處常出現密封泄漏現象，進而影響螺旋槳變槳距過程。因此，槳根動密封系統的密封性能是渦輪螺旋槳飛機可靠運行的重要前提。

變槳距螺旋槳的工作方式決定了槳根處的動密封屬于往復擺轉式密封，其密封形式既不同于連續回轉動密封，也不同于往復直線動密封。數值仿真是進行密封系統研究的一種重要手段，借助該方法，可以在設計源頭上避免密封泄漏的發生。

Müller[3]對往復運動密封件開展試驗，研究密封件摩擦力、泄漏情況受到往復速度、預緊力及介質黏度的影響規律，并得到往復運動中密封件內行程與外行程膜厚不同的結論。Kaneta等[4]在1971年以D形往復密封件為研究對象，基于試驗測試法研究其在往復工作過程中的摩擦、內泄漏，發現外行程和內行程由于油膜的破損而產生黏滯效應，同時表明摩擦力與行程長短有關，尤其在行程較短時會出現不穩定的狀況。鄭輝等[5]利用ANSYS有限元分析軟件對活塞桿進行密封結構研究，分析密封部位的壓力具體分布情況。程學生等[6]使用ANSYS軟件分析O型密封圈的內應力、接觸壓力等參數，最終得出影響O型密封圈壽命的因素，并據此以提高其密封性為目標設計了一種全新的導向式局部密封件結構。

本文針對某航空變槳距螺旋槳具體工作狀況、受力特點等設計得到一種槳根橡塑組合密封結構，在此基礎上基于有限元方法進行該組合密封件的靜力學分析及試驗測試。

1" 組合密封結構及有限元模型

1.1" 組合密封結構設計

圖1為針對槳根部位工作場景、受力特點等設計的橡塑組合密封幾何示意圖。其中，塑料部分使用PTFE（聚四氟乙烯）材料，橡膠部分使用氟硅橡膠。

密封件工作過程中依靠橡膠材料良好的彈性及回彈性，在密封界面產生足夠的接觸應力，并且由于橡膠材料不可壓縮性，接觸應力會隨著介質壓力的提升而增大，實現靜態密封；同時依賴于密封界面非對稱液膜壓力產生的“反向泵回”效應，實現動態密封。

1.2" 密封件材料力學性能

氟硅橡膠部分采用Mooley-Rivlin，N=1模型模擬其超彈性力學性能，其函數表達式為[7]

聚四氟乙烯材料采用線彈性本構進行擬合，其彈性模量設置為960 MPa。

1.3" 組合密封結構有限元模型

考慮到密封圈在實際工況下，由裝配產生的徑向力分布具有軸對稱特征，故首先建立截面處的二維模型。并通過ANSYS對所設計的橡塑組合密封件進行有限元仿真分析，建立組合密封件的二維軸對稱仿真模型。

網格劃分直接影響有限元仿真模型的規模[8]，從而會影響仿真分析的精確度及所需的計算資源。本次仿真采用二維軸對稱模型，因此單元類型選擇PLANE183。網格密度越細，其計算精度越高，消耗的計算資源越多。由于分析關注的是組合密封件部分，因此對該區域進行細化，通過REFINE命令對接觸區域進行局部網格細化，可以提高該區域的計算準確度和縮減仿真分析的時間。網格劃分如圖2所示，共3 762個單元，11 841個網格節點。

計算時共設置5個接觸對，接觸面為組合密封件，目標面為旋轉軸、溝槽，圖3中給出了旋轉軸與塑料密封件接觸對的具體設置情況。

如圖4所示，計算時固定溝槽，對旋轉軸施加一個沿-Y軸方向的位移來模擬密封件的擠壓過程。裝配后橡膠彈性預緊力壓縮塑料件與軸接觸，壓力從左側來橫向時擠壓橡膠體，力上下延伸將塑料與軸進一步壓在一起。

2" 計算結果及分析

圖5為本文橡塑組合密封件安裝后的等效應力分布情況，等效應力最大值發生在橡膠與塑料接觸區域，最大值為2.599 MPa，小于PTFE塑料和氟硅橡膠的許用應力（PTFE的抗拉強度通常為20～30 MPa，氟硅橡膠抗拉強度為2.5～10 MPa）。此外，可以看到橡膠部分和塑料件均無較大的應力集中，使用過程中組合密封發生破壞的概率較小，可靠性較高。

如圖6所示，安裝后的橡塑組合密封件最大剪切應力約為1.159 MPa，小于PTFE塑料和氟硅橡膠的許用應力（PTFE的抗撕裂強度通常為10～15 MPa，氟硅橡膠抗撕裂強度為10～50 MPa）。

因此，該橡塑組合密封件在安裝預緊力的作用下能正常使用，對螺旋槳槳根處結構起到密封作用。

3" 試驗驗證

因變槳距螺旋槳實際工況復雜，其工作特點決定了槳根處的動密封屬于往復擺轉式密封。為保證組合密封使用可靠，在前述設計的基礎上，試制橡塑組合密封樣品工裝（圖7），分別進行相應的實驗室臺架測試（圖8）。

在以上臺架進行的實驗室試驗情況如下：擺動頻率0.5 Hz，油壓0.3 MPa，介質溫度70 ℃工況下，持續時間2.3 h無泄漏，滿足螺旋槳槳根處動密封系統泄漏量要求。

4" 結論

本文針對某渦輪螺旋槳發動機的變槳距螺旋槳槳根處的密封系統進行設計，根據其具體工作狀況、受力特點等設計得到一種橡塑組合密封結構，在此基礎上對該組合密封件進行有限元靜力學分析及實驗臺架測試，得到以下結論：

1）該橡塑組合密封件在安裝預緊力的作用下等效應力、剪切應力小于材料的許用應力，安裝后能正常使用，對螺旋槳槳根處結構起到密封作用。

2）對橡塑組合密封樣品進行相應的實驗室臺架測試，試驗結果表明泄漏量滿足螺旋槳槳根的工況要求。

參考文獻：

[1] 夏天乾.可變槳距微型渦槳發動機控制系統設計與試驗研究[D].南京：南京航空航天大學，2019.

[2] 王躍明.起落架作動筒高壓往復密封數值仿真研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2023.

[3] MüLLER H K. Leakage and friction of flexible packings at reciprocating motion with special consideration of hydrodynamic film formation[C]//Proceedings of the 2nd International Conference on Fluid sealing， 1964：13-28.

[4] KANETA M， TODOROKI H， NISHIKAWA H. Experimental investigation of friction and sealing characteristics of flexible seals for reciprocating motion[C]//5th International Conference on Fluid sealing，1971：33-48.

[5] 鄭輝，張付英.液壓往復密封泄漏量的有限元分析[J].機床與液壓，2011（8）：58-61.

[6] 程學生，李江江，黃海波，等.用于旋轉缸復合運動的密封件研究[J].液壓與氣動，2014，18（7）：88-91.

[7] 富緒光，陳江彌，羅震宇.往復運動密封裝置中O形橡膠密封圈的滑動摩擦力有限元分析[J].橡膠工業，2021，68（5）：332-338.

[8] 張峻霖.基于有限元法的激光切割機床身靜力及模態分析[D].南寧：廣西大學，2022.