周 偉,汪 陽,楊少鋒,王興海
(西安愛生技術(shù)集團公司,陜西 西安 710065)
轉(zhuǎn)子發(fā)動機由于運行噪音小、工作平穩(wěn)、扭矩均勻、高轉(zhuǎn)速性能好、功重比高等特點,在無人機航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-4]。
在轉(zhuǎn)子發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中,轉(zhuǎn)子同前、后缸蓋之間的密封主要通過安裝在轉(zhuǎn)子上的端面密封條(下文簡稱密封條)來實現(xiàn)[5];研究轉(zhuǎn)子發(fā)動機運行過程中密封條運動學(xué)特性,對轉(zhuǎn)子發(fā)動機仿真分析[6-10]及新研轉(zhuǎn)子發(fā)動機設(shè)計有較強的指導(dǎo)意義[11-14]。
建模示意圖見圖1,由于三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機三個密封條為對稱結(jié)構(gòu),僅對圖中標記密封條(涂黑密封條)進行分析,為便于敘述,定義圖中目標密封條正對的轉(zhuǎn)子頂點為目標頂點。易知,DA 直線為目標密封條的對稱軸。
圖1 建模示意圖
圖中各參數(shù)說明如下:A 點為目標密封條對稱中心上的點;O 點為轉(zhuǎn)子發(fā)動機旋轉(zhuǎn)中心(主軸旋轉(zhuǎn)中心);C 點為三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心;D 點為端面密封條所在圓圓心;E 點為端面密封條上任意一點(目標點)所在位置(該點半徑同密封條對稱線夾角為θ);L 為線段CD 距離,密封條圓心到三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心距離(密封條圓心位于轉(zhuǎn)子中心到轉(zhuǎn)子頂角的連線上);R 為線段DE 距離,密封條上某點的半徑值(本文為計算對比,所選點均位于密封條內(nèi)側(cè)邊緣);e 為發(fā)動機偏心距;α 為發(fā)動機主軸轉(zhuǎn)動角度;ω 為發(fā)動機主軸運轉(zhuǎn)角速度;θ 為端面密封條上任意一點所在位置同密封條對稱軸夾角(-24°≤θ≤24°)。
根據(jù)轉(zhuǎn)子行星齒輪運動關(guān)系及周轉(zhuǎn)輪系原理易知,內(nèi)齒輪節(jié)圓半徑為3e,外齒輪節(jié)圓半徑為2e;當發(fā)動機主軸旋轉(zhuǎn)角度為α 時,三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為α/3[15]。
當密封條隨轉(zhuǎn)子在發(fā)動機中運動時,密封條上不同位置相對于靜止的前、后缸蓋的運動狀態(tài)是影響轉(zhuǎn)子發(fā)動機性能的重要因素。以圖1 中O 點為幾何中心,圖中X 軸和Y 軸為參考系進行計算。當轉(zhuǎn)子發(fā)動機主軸旋轉(zhuǎn)α 后,三角轉(zhuǎn)子中心C 點位置為式(1)和式(2)。
又因三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度為α/3,則目標徑向刮片圓心D 位置為式(3)和式(4)。
以D 為參考坐標原點,易知DE 線同D 點正方向夾角為π+α/3+θ,則點E 位置為式(5)和式(6)。
簡化后,密封條上任意一點軌跡方程為式(7)和式(8):
將密封條軌跡方程分別對時間進行求導(dǎo),可分別獲取目標點在X,Y 方向的分速度,見式(9)和式(10):
式中ω 為偏心軸的角速度(rad/s),在轉(zhuǎn)速不變的情況下為常數(shù)。
由于密封條上目標點速度方向恒與ω的方向相同,為方便起見,V 恒取正值,而不計目標點所在坐標的象限,速度計算如下式(11):
對速度分量繼續(xù)關(guān)于時間求導(dǎo),得出加速度分量如式(13)和式(14):
為便于分析討論,將絕對加速度進行轉(zhuǎn)化,得出任一點沿端面密封條半徑方向的法向加速度an為式(15),沿切線方向的at為式(16):
計算并化簡,得到法向加速度和切向加速度如式(17)和式(18):
理論研究和實際觀測結(jié)果表明,發(fā)動機旋轉(zhuǎn)過程中,密封條上不同點的軌跡均為不同角向、不同尺寸的雙弧長短幅外旋輪線,當目標點均位于密封條內(nèi)側(cè)時,上述外旋輪線族的內(nèi)包絡(luò)線即為冷卻異型孔的最大名義尺寸。
求解密封條軌跡內(nèi)包絡(luò)線,對風(fēng)冷型轉(zhuǎn)子發(fā)動機缸蓋冷卻孔設(shè)計和誤差分析有著重要的意義。
根據(jù)包絡(luò)線理論進行計算,將式(7)、式(8)分別對α、θ 求偏導(dǎo),化簡如下式(19)至式(22):
因sin2θ+cos2θ=1,帶入式(24)進行計算。由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),結(jié)合數(shù)據(jù)分析,在計算過程中均取正值帶入計算,可獲得所需內(nèi)包絡(luò)線如式(25)、式(26)。
將式(25)、式(26)帶入式(7)、式(8),化簡后得到包絡(luò)線方程如式(27)、式(28):
為研究密封條運行工況,沿密封條中心線DCA向兩側(cè)分別間隔8°取點進行分析,結(jié)果如下。易知圖中示意點-24°、24°,-16°、16°,-8°、8°分別關(guān)于密封條中心線DA 呈對稱分布,圖中0°點為密封條中心點,即為圖1 中點A(上述角度值即為圖1 中θ 值)。
根據(jù)現(xiàn)有航空轉(zhuǎn)子發(fā)動機研究情況,圖1 中相關(guān)計算參數(shù)取值如下:L 為74.5 mm;R 為118.5 mm;e 為11.6 mm;α 為0°~1 080°;ω 為628.32 rad/s,對應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速6 000 r/min。
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈,發(fā)動機主軸旋轉(zhuǎn)三圈。當α 取0°、540°、1 080°時,目標頂點位于缸體長軸位置,目標密封條對應(yīng)燃燒室體積最大;當α 取270°、810°時,目標頂點位于缸體短軸位置,目標密封條對應(yīng)燃燒室體積最小。
發(fā)動機密封條上某點運行速度同主軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖,速度在0°~540°、540°~1 080°范圍呈周期性變化。
目標點同密封條對稱中心夾角越大,對應(yīng)的最大速度越高,但無論位于何種位置,該點運行速度極限差值相同。
當α 取0°、540°、1 080°時,目標頂點位于缸體長軸位置,目標密封條中心點A 速度最小;當α取270°、810°時,目標頂點位于缸體短軸位置,目標密封條中心點A 速度最大。各目標點速度曲線分別關(guān)于α 等于0°、270°、540°、810°、1 080°等呈軸對稱分布。
密封條速度變化圖如圖2 所示。
圖2 密封條速度變化圖
發(fā)動機密封條上某點運行法向加速度同主軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖3,法向加速度在0°~540°,540°~1 080°范圍呈周期性變化。目標點同密封條對稱中心夾角越大,對應(yīng)的最大法向加速度越高,但無論位于何種位置,該點運行法向加速度極限差值相同。
圖3 密封條法向加速度變化圖
當α 取0°、540°、1 080°時,目標頂點位于缸體長軸位置,目標密封條中心點A 法向加速度最??;當α 取270°、810°時,目標頂點位于缸體短軸位置,目標密封條中心點A 法向加速度最大。各目標點法向加速度曲線分別關(guān)于α=0°、270°、540°、810°、1 080°等呈軸對稱分布。
發(fā)動機密封條上目標點切向加速度同主軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖4,切向加速度在0°~540°,540°~1 080°范圍呈周期性變化。同速度和法向加速度分布不同,數(shù)值不再呈軸對稱分布。不同位置點切向加速度極限差值也不同,但對稱點極限差值相同。最大切向加速度位于24°目標點,最小切向加速度位于-24°目標點,最大值最小值幅值相同。
圖4 密封條切向加速度變化圖
當切向加速度為正值時,呈加速狀態(tài),當切向加速度為負值時,呈減速狀態(tài)。以密封條中心點A 數(shù)據(jù)為參考進行分析,在α 為0°~270°時,A 點呈先減速后加速狀態(tài),其中0°和270°時,at值均為0;在α 為270°~540°時,A 點也呈先減速后加速狀態(tài),其中270°和540°時,at值均為0。在單個循環(huán)周期內(nèi),切向加速度在50.0%的主軸轉(zhuǎn)角區(qū)域為正值,呈加速狀態(tài);在50.0%的主軸轉(zhuǎn)角區(qū)域為負值,呈減速狀態(tài)。
根據(jù)轉(zhuǎn)子發(fā)動機運行原理可知,不區(qū)分進排氣和點火區(qū)間時,當α 等于0°或540°時(1 080°即為0°位置),目標頂角位于氣缸型面長軸處,圖示密封條位于名義下止點(BDC)位置;當α 等于270°或810°時,目標頂角位于氣缸型面短軸處,圖示密封條位于名義上止點(TDC)位置。本文重點對目標頂點位于0°及270°時密封條的運行參數(shù)進行分析。
圖5 分別為α 等于0°、270°時密封條不同位置的速度分布圖,無論密封條位于上止點還是下止點,密封條速度均關(guān)于密封條中心呈對稱分布,同對稱中心夾角越大,速度值越高。
圖5 密封條速度分布圖
0°時密封條總體速度較小,但兩端同對稱中心差值較大,最高速度約為對稱中心的526.1%;270°時密封條總體速度較大,但兩端同對稱中心差值較小,最高速度約為對稱中心的106.4%。
無論密封條位于上止點或下止點,密封條法向加速度均關(guān)于密封條中心呈軸對稱分布,如圖6 所示,同對稱中心夾角越大,法向加速度幅值越低。0°時密封條總體法向加速度較小,且為負值,方向背離圓心方向,兩端法向加速度同對稱中心差值絕對值較大,末端法向加速度約為對稱中心的74.4%。270°時密封條總體法向加速度較大,且為正值,方向朝向圓心方向,但兩端法向加速度同對稱中心差值絕對值較小,末端法向加速度約為對稱中心的98.3%。
圖6 密封條加速度分布圖
切向加速度關(guān)于對稱中心呈中心對稱分布,夾角越大,切向加速度幅值越大,對稱中心切向加速度值均為0。0°時,對稱中心前段切向加速度為負值,呈現(xiàn)減速狀態(tài),對稱中心后段切向加速度為正值,呈現(xiàn)加速狀態(tài);270°時,對稱中心前段切向加速度為正值,呈現(xiàn)加速狀態(tài),對稱中心后段切向加速度為負值,呈現(xiàn)減速狀態(tài)。270°時切向加速度幅值較大,末端加速度約為0°時末端加速度的655.7%。
分別計算包絡(luò)線示意圖如圖7 所示,圖中有效段為最終節(jié)選的包絡(luò)線,即異型孔最大理論尺寸。
其中,有效段角度對應(yīng)關(guān)系為:0°≤α≤116°;424°≤α≤656°;964°≤α≤1 080°。
從圖7 中可見,包絡(luò)線過渡光滑,同密封條軌跡不同點內(nèi)側(cè)極限位置相切,完全滿足轉(zhuǎn)子冷卻孔設(shè)計要求。
圖7 密封條運行軌跡及內(nèi)包絡(luò)線示意圖
本文針對轉(zhuǎn)子發(fā)動機端面密封條為研究對象,研究了密封條運行軌跡、速度、加速度變化規(guī)律,得出以下結(jié)論:
1)發(fā)動機運行過程中,速度、法向加速度關(guān)于密封條中心呈對稱分布,且極限差值相同,速度曲線,法向加速度曲線分別關(guān)于α 為0°、270°、540°、810°、1 080°等呈軸對稱分布;
2)切向加速度在周期內(nèi)呈兩次先減速、后加速狀態(tài),加減速各占50%的主軸轉(zhuǎn)角;
3)在上止點、下止點位置時,速度、法向加速度關(guān)于密封條中心呈軸對稱,切向加速度關(guān)于密封條中心呈中心對稱;
4)求取包絡(luò)線過渡光滑,同密封條實際運行軌跡完美相切,能滿足冷卻孔設(shè)計要求。