圓弧端齒封嚴環(huán)結構設計研究

余索遠 張婷婷

摘 要：目前中小型航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)子零件，廣泛采用圓弧端齒進行定心傳扭，由于圓弧端齒獨特的加工特點，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)動機會在轉(zhuǎn)子內(nèi)部通封嚴氣，為防止通過轉(zhuǎn)子內(nèi)部的封嚴氣發(fā)生泄露，需采用圓弧端齒封嚴環(huán)對齒頂間隙進行封嚴。圓弧端齒封嚴環(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)，隨著封嚴環(huán)壁厚及圓弧半徑的變化，對圓弧端齒會產(chǎn)生不同的封嚴效果。

關鍵詞：圓弧端齒;封嚴環(huán);間隙泄露;幾何特征;封嚴效果

中圖分類號：V231 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0062-03

目前中小型渦軸、渦槳發(fā)動機轉(zhuǎn)子零件多采用圓弧端齒進行定心傳扭，該結構具有定心可靠、裝配簡單等特點[1]。由于其獨特的加工特點，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)動機會在轉(zhuǎn)子內(nèi)部通封嚴氣，為防止封嚴氣泄露，需采用圓弧端齒封嚴環(huán)（以下簡稱“封嚴環(huán)”）對齒頂間隙進行封嚴（圖1所示）。

在發(fā)動機工作過程中，封嚴環(huán)與端齒內(nèi)圓柱面及左右端面的貼合情況，直接關系封嚴效果。若封嚴環(huán)朝徑向變大的趨勢變形，則易于保證與端齒內(nèi)圓面的貼合，實現(xiàn)更佳封嚴效果。因此開展封嚴環(huán)幾何特征研究，就顯得尤其重要。

1 計算模型

1.1 計算對象

為研究封嚴環(huán)幾何特征對圓弧端齒齒頂間隙封嚴效果的影響，本文以某型發(fā)動機封嚴環(huán)為研究對象，采用Workbench中的Static Structural模塊對其進行計算分析。

封嚴環(huán)在發(fā)動機中裝配位置如圖1所示，為模擬封嚴環(huán)在發(fā)動機真實工作狀況，需對封嚴環(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）。

為模擬封嚴環(huán)在發(fā)動機中真實工作環(huán)境，選取封嚴環(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 封嚴環(huán)結構特征

封嚴環(huán)為薄壁件，具體結構如圖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，綜合分析三個參數(shù)對封嚴環(huán)變形、應力的影響，得到上述參數(shù)對封嚴環(huán)封嚴效果的影響。

本次計算針對以下三類開展計算：

2 計算分析

2.1 小圓弧半徑（R_1）對封嚴效果的影響

為研究小圓弧對封嚴效果的影響，本次對封嚴環(huán)大圓弧半徑（R_2）為5mm的模型進行分組計算。

2.1.1 最大當量應力與小圓弧半徑關系

通過計算，得到當量應力分布如表1、圖4所示。

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

2.1.2 最大徑向變形與小圓弧半徑關系

通過計算，得到最大徑向變形計算結果如表2、圖5所示。

從表2、圖5可以看出，隨著封嚴環(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;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逐漸減緩。

2.2 大圓弧半徑對封嚴效果的影響

為研究大圓弧半徑對封嚴效果的影響，本次對封嚴環(huán)小圓弧半徑（R_1）為1.4mm的模型進行分組計算。

2.2.1 最大當量應力與大圓弧半徑關系

通過計算，得到當量應力分布如表3、圖12所示。

從表3、圖6可以看出，隨著封嚴環(huán)壁厚的增大（相同軸向壓縮量），最大當量應力呈增大趨勢;當壁厚較小時（TH=0.1mm），最大當量應力隨著大圓弧半徑的增大而增大，反之當壁厚較大時（TH=0.3mm），最大當量應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系

通過計算，得到最大徑向變形計算結果如表4、圖7所示。

從表4、圖7可以看出，隨著封嚴環(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;最大徑向變形隨大圓弧半徑增大而增大，隨著壁厚的減小，此趨勢逐漸變緩，當TH=0.1mm，最大徑向變形隨大圓弧半徑增大呈逐漸減小趨勢。

3 結語

（1）壁厚較小的封嚴環(huán)在相同軸向壓縮量下，最大當量應力更小，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)，提高封嚴環(huán)的工作可靠性。

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

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

（4）在相同軸向壓縮量下，較小的當量應力更易實現(xiàn)封嚴環(huán)的壓縮，同時較大的徑向變形則可保證更佳的封嚴效果。

參考文獻

[1] 《航空發(fā)動機設計手冊》總編委會編 航空發(fā)動機設計手冊第2冊工程制圖及標準[M].航空工業(yè)出版社，2001.

[2] 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0 超級學習手冊[M].人民郵電出版社，2013.