某發(fā)動(dòng)機(jī)彈性密封貼合面軸向變形量計(jì)算*

周龍超 趙亞飛 趙丹誠(chéng)

（1.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司四川燃?xì)鉁u輪研究院；2.深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院）

0 引言

為防止某發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔內(nèi)介質(zhì)泄漏，需在筒體與機(jī)匣界面間安裝一處彈性密封[1]，該界面間溫度最大達(dá)到659.5K（386.35℃），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)氟橡膠的使用溫度（250℃[2]），故需安裝一種耐高溫的彈性密封環(huán)[3]結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效密封。彈性密封擬采用高溫薄壁金屬包裹聚酰亞胺材料制作?？紤]密封件本身主體為橡塑材料，應(yīng)力較小，因此本文忽略安裝時(shí)應(yīng)力對(duì)兩個(gè)金屬組件的變形影響。

因?yàn)閺椥悦芊猸h(huán)的軸向壓縮率和回彈率都必須在某一特定范圍[4]內(nèi)，為了評(píng)估相鄰零件熱變形[3]對(duì)彈性密封環(huán)的影響，需準(zhǔn)確、定量計(jì)算出彈性密封環(huán)的壓縮回彈空間[5-6]的軸向變化量，而得到密封環(huán)的壓縮回彈空間的軸向變化量，必須首先計(jì)算筒體和機(jī)匣與彈性密封環(huán)接觸面的軸向變形量[7]。

筒體和機(jī)匣為復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)，采用體積膨脹線(xiàn)性公式[8]計(jì)算兩個(gè)端面的膨脹量的方法已不再適用。本文采用有限元法分別對(duì)筒體和機(jī)匣進(jìn)行軸向變形量的分析計(jì)算，最后通過(guò)二者求差值的方法得到了彈性密封環(huán)軸向變形量的精確解，為進(jìn)一步評(píng)估變形量對(duì)彈性密封環(huán)的影響提供了依據(jù)。

1 筒體與機(jī)匣變形量計(jì)算

筒體與機(jī)匣的安裝示意圖見(jiàn)圖1，圖中在A 面與B 面之間安裝有一處彈性密封環(huán)，A 面屬于筒體，B 面屬于機(jī)匣。計(jì)算方法的具體流程見(jiàn)圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural representation

圖2 計(jì)算方法的具體流程Fig.2 The specific process of calculation method

1.1 基本條件

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工況較多，全部計(jì)算工作量太大，因此選取發(fā)動(dòng)機(jī)飛行包線(xiàn)過(guò)程中四種典型的惡劣工況，分別命名為：工況I、工況II、工況III、工況IV。四種工況的溫度見(jiàn)表1。邊界條件及其他設(shè)定如下：

表1 筒體、機(jī)匣的工作參數(shù)Tab.1 Working parameters of cylinder and casing

a)圖1 中筒體裝配所受載荷為周向螺栓總的正壓力，具體值為69kN，受力方向?yàn)镹1，受力面為D面；

b)筒體的內(nèi)壁溫度、保溫層外壁溫度見(jiàn)表1；

c)E面的換熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取100W/m2℃；

d)機(jī)匣溫度見(jiàn)表1；

e)以圖1 中H 向?yàn)檎瑱C(jī)匣所受載荷的轉(zhuǎn)子軸向力見(jiàn)表1，軸向受力面為圖1中C面；

d)各零件的材料及材料特性見(jiàn)表2和表3；

表2 材料特性Tab.2 Material characteristics

表3 1Cr11Ni2W2MoV導(dǎo)熱率[6]Tab.3 Thermal conductivity of 1Cr11Ni2W2MoV

e)由空氣造成的筒體內(nèi)外表面的壓力差忽略不計(jì)。

綜合考慮以上載荷、溫度等條件分別完成筒體、機(jī)匣變形計(jì)算。計(jì)算變形時(shí)首先需進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，而后將溫度場(chǎng)結(jié)果作為輸入映射到結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程中，即可開(kāi)始結(jié)構(gòu)變形計(jì)算，最終，結(jié)構(gòu)變形的計(jì)算結(jié)果以表格的形式輸出。

1.2 溫度場(chǎng)計(jì)算

首先進(jìn)行機(jī)匣的熱分析[9]計(jì)算，計(jì)算時(shí)對(duì)零部件熱邊界進(jìn)行較為合理的簡(jiǎn)化和劃分是溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的保障。根據(jù)流動(dòng)腔室形狀、空氣系統(tǒng)提供的空氣流動(dòng)數(shù)據(jù)，以及E面換熱取值，同時(shí)根據(jù)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將進(jìn)氣機(jī)匣按照不同直徑的圓柱面劃分12個(gè)不同的熱邊界，如圖3 所示，用不同的顏色區(qū)分了相鄰邊界的界限。計(jì)算中的流動(dòng)形式[10]包括環(huán)形腔道流動(dòng)、靜子強(qiáng)迫對(duì)流、沒(méi)有明確氣流流動(dòng)[11]的微弱流動(dòng)腔道以及軸承腔滑油對(duì)流。

圖3 進(jìn)氣機(jī)匣熱邊界劃分Fig.3 Inlet casing thermal boundary division

應(yīng)用商業(yè)軟件ANSYS 將材料數(shù)據(jù)和邊界條件參數(shù)加載到二維模型中，計(jì)算得到工況I、工況II、工況III、工況IV下的機(jī)匣二維溫度場(chǎng)分布如圖4～7所示，云圖中溫度單位為K。

圖4 機(jī)匣與筒體溫度場(chǎng)分布（工況I）Fig.4 Temperature field distribution of casing and cylinder(Working condition I)

圖5 機(jī)匣與筒體溫度場(chǎng)分布（工況II）Fig.5 Temperature field distribution of casing and cylinder(Working Condition II)

圖6 機(jī)匣與筒體溫度場(chǎng)分布（工況III）Fig.6 Temperature field distribution of casing and cylinder(Working Condition III)

圖7 機(jī)匣與筒體溫度場(chǎng)分布（工況IV）Fig.7 Temperature field distribution of casing and cylinder(Working condition IV)

1.3 結(jié)構(gòu)變形計(jì)算

筒體的分網(wǎng)圖見(jiàn)圖8，將溫度場(chǎng)結(jié)果輸入映射到結(jié)構(gòu)計(jì)算中，計(jì)算工況I、工況II、工況III、工況IV時(shí)熱載荷綜合影響下的變形[12-13]，得到A面相對(duì)于軸向約束面的變形量，結(jié)果見(jiàn)表4，表4 中所有值以逆航向?yàn)檎?。具體的變形量的云圖見(jiàn)圖8～圖11。根據(jù)計(jì)算出的筒體變形云圖，彈性密封環(huán)貼合端面的變形量不是常數(shù)值，可以證明一維的體積膨脹線(xiàn)性計(jì)算公式是不準(zhǔn)確的。變形最大值列于表4[10]。

表4 變形分析結(jié)果Tab.4 Deformation analysis result

圖8 筒體有限元分網(wǎng)模型Fig.8 Finite element mesh model of cylinder

圖9 工況I變形云圖（軸向位移,mm）Fig.9 Deformation cloud image of working condition I(axial displacement,mm)

圖10 工況II變形云圖（軸向位移,mm）Fig.10 Deformation cloud image of working condition II(axial displacement,mm)

圖11 工況III變形云圖（軸向位移,mm）Fig.11 Deformation cloud image of working condition III(axial displacement,mm)

圖12 工況IV變形云圖（軸向位移,mm）Fig.12 Deformation cloud image of working condition IV(axial displacement,mm)

2 間隙計(jì)算

采用相同的方法與步驟，可以得到機(jī)匣的軸向變形[14-15]，具體過(guò)程略去。只是在計(jì)算時(shí)需要按表1 中的軸向力帶入圖1中B面承受轉(zhuǎn)子造成的正反向的2g載荷，并規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)逆航向?yàn)橛?jì)算時(shí)的正向，逆航向變形量為正，反之變形量為負(fù)。計(jì)算得到機(jī)匣中B 面、F 面的變形的具體值見(jiàn)表5。由表5 可以很容易得到B 面對(duì)于F 面的相對(duì)變形量，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6和表4可得到A面對(duì)于B面的相對(duì)變形量。取表6中的最大變形量的值，最終的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表5 B面、F面的變形量Tab.5 Deformation of plane B and plane F

表6 B面相對(duì)于F面的變形結(jié)果Tab.6 The deformation of plane B with respect to plane F

表7 A面相對(duì)于B面的變形極值Tab.7 Extremum of deformation of plane A with respect to plane B

3 結(jié)論

1）對(duì)零件的每一段邊界進(jìn)行精細(xì)化的預(yù)處理，可以計(jì)算得到較為精確的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

2）根據(jù)筒體的變形和機(jī)匣的變形計(jì)算結(jié)果說(shuō)明端面的變形量是非均勻的，證明了一維的線(xiàn)性計(jì)算公式不準(zhǔn)確。

3）通過(guò)分別計(jì)算機(jī)匣和筒體的變形量，最后用差值的方法，得到了機(jī)匣相對(duì)筒體的變形量。為進(jìn)一步評(píng)估壓縮回彈對(duì)彈性密封安全性、可靠性的影響提供了依據(jù)。

4）本文所采用的計(jì)算方法具有通用性，可用于其他熱變形計(jì)算中。