某型飛機(jī)螺旋槳?jiǎng)用芊饨Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

摘" 要：變槳距螺旋槳是渦輪螺旋槳飛機(jī)的重要組成部分，其動(dòng)密封系統(tǒng)性能直接影響著飛機(jī)運(yùn)行的效率及安全。因此，開展螺旋槳槳根動(dòng)密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究具有重要工程實(shí)際意義。該文針對(duì)螺旋槳變槳距時(shí)的往復(fù)擺轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種橡塑組合密封結(jié)構(gòu)，并采用數(shù)值仿真和試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的手段，對(duì)該組合密封系統(tǒng)開展研究。最終的數(shù)值仿真和試驗(yàn)測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)的橡塑組合密封系統(tǒng)符合螺旋槳?jiǎng)用芊庀到y(tǒng)的使用要求，未產(chǎn)生泄漏情況，可有效提升螺旋槳密封系統(tǒng)的可靠性，具有重要的工程指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：螺旋槳；動(dòng)密封系統(tǒng)；橡塑組合密封；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元仿真

中圖分類號(hào)：V235.12" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)）不僅耗油低，而且單臺(tái)功率大，因此廣泛被各類運(yùn)輸機(jī)使用[1]?，F(xiàn)代的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)具有可調(diào)的槳距角（或者叫安裝角），其特點(diǎn)是燃油流量和螺旋槳的槳距角可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。這種可變槳距的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)螺旋槳的工作效率最大化[2]。航空渦槳系統(tǒng)包含螺旋槳槳葉和槳轂，兩者由一個(gè)動(dòng)密封系統(tǒng)連接，槳葉相對(duì)于槳轂的往復(fù)擺轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在長(zhǎng)時(shí)間的工作過程中，槳轂和槳葉連接處常出現(xiàn)密封泄漏現(xiàn)象，進(jìn)而影響螺旋槳變槳距過程。因此，槳根動(dòng)密封系統(tǒng)的密封性能是渦輪螺旋槳飛機(jī)可靠運(yùn)行的重要前提。

變槳距螺旋槳的工作方式?jīng)Q定了槳根處的動(dòng)密封屬于往復(fù)擺轉(zhuǎn)式密封，其密封形式既不同于連續(xù)回轉(zhuǎn)動(dòng)密封，也不同于往復(fù)直線動(dòng)密封。數(shù)值仿真是進(jìn)行密封系統(tǒng)研究的一種重要手段，借助該方法，可以在設(shè)計(jì)源頭上避免密封泄漏的發(fā)生。

Müller[3]對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封件開展試驗(yàn)，研究密封件摩擦力、泄漏情況受到往復(fù)速度、預(yù)緊力及介質(zhì)黏度的影響規(guī)律，并得到往復(fù)運(yùn)動(dòng)中密封件內(nèi)行程與外行程膜厚不同的結(jié)論。Kaneta等[4]在1971年以D形往復(fù)密封件為研究對(duì)象，基于試驗(yàn)測(cè)試法研究其在往復(fù)工作過程中的摩擦、內(nèi)泄漏，發(fā)現(xiàn)外行程和內(nèi)行程由于油膜的破損而產(chǎn)生黏滯效應(yīng)，同時(shí)表明摩擦力與行程長(zhǎng)短有關(guān)，尤其在行程較短時(shí)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況。鄭輝等[5]利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)活塞桿進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)研究，分析密封部位的壓力具體分布情況。程學(xué)生等[6]使用ANSYS軟件分析O型密封圈的內(nèi)應(yīng)力、接觸壓力等參數(shù)，最終得出影響O型密封圈壽命的因素，并據(jù)此以提高其密封性為目標(biāo)設(shè)計(jì)了一種全新的導(dǎo)向式局部密封件結(jié)構(gòu)。

本文針對(duì)某航空變槳距螺旋槳具體工作狀況、受力特點(diǎn)等設(shè)計(jì)得到一種槳根橡塑組合密封結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上基于有限元方法進(jìn)行該組合密封件的靜力學(xué)分析及試驗(yàn)測(cè)試。

1" 組合密封結(jié)構(gòu)及有限元模型

1.1" 組合密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為針對(duì)槳根部位工作場(chǎng)景、受力特點(diǎn)等設(shè)計(jì)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(chǎn)生足夠的接觸應(yīng)力，并且由于橡膠材料不可壓縮性，接觸應(yīng)力會(huì)隨著介質(zhì)壓力的提升而增大，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)密封；同時(shí)依賴于密封界面非對(duì)稱液膜壓力產(chǎn)生的“反向泵回”效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)密封。

1.2" 密封件材料力學(xué)性能

氟硅橡膠部分采用Mooley-Rivlin，N=1模型模擬其超彈性力學(xué)性能，其函數(shù)表達(dá)式為[7]

聚四氟乙烯材料采用線彈性本構(gòu)進(jìn)行擬合，其彈性模量設(shè)置為960 MPa。

1.3" 組合密封結(jié)構(gòu)有限元模型

考慮到密封圈在實(shí)際工況下，由裝配產(chǎn)生的徑向力分布具有軸對(duì)稱特征，故首先建立截面處的二維模型。并通過ANSYS對(duì)所設(shè)計(jì)的橡塑組合密封件進(jìn)行有限元仿真分析，建立組合密封件的二維軸對(duì)稱仿真模型。

網(wǎng)格劃分直接影響有限元仿真模型的規(guī)模[8]，從而會(huì)影響仿真分析的精確度及所需的計(jì)算資源。本次仿真采用二維軸對(duì)稱模型，因此單元類型選擇PLANE183。網(wǎng)格密度越細(xì)，其計(jì)算精度越高，消耗的計(jì)算資源越多。由于分析關(guān)注的是組合密封件部分，因此對(duì)該區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，通過REFINE命令對(duì)接觸區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，可以提高該區(qū)域的計(jì)算準(zhǔn)確度和縮減仿真分析的時(shí)間。網(wǎng)格劃分如圖2所示，共3 762個(gè)單元，11 841個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

計(jì)算時(shí)共設(shè)置5個(gè)接觸對(duì)，接觸面為組合密封件，目標(biāo)面為旋轉(zhuǎn)軸、溝槽，圖3中給出了旋轉(zhuǎn)軸與塑料密封件接觸對(duì)的具體設(shè)置情況。

如圖4所示，計(jì)算時(shí)固定溝槽，對(duì)旋轉(zhuǎn)軸施加一個(gè)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(yù)緊力壓縮塑料件與軸接觸，壓力從左側(cè)來橫向時(shí)擠壓橡膠體，力上下延伸將塑料與軸進(jìn)一步壓在一起。

2" 計(jì)算結(jié)果及分析

圖5為本文橡塑組合密封件安裝后的等效應(yīng)力分布情況，等效應(yīng)力最大值發(fā)生在橡膠與塑料接觸區(qū)域，最大值為2.599 MPa，小于PTFE塑料和氟硅橡膠的許用應(yīng)力（PTFE的抗拉強(qiáng)度通常為20～30 MPa，氟硅橡膠抗拉強(qiáng)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(yīng)力集中，使用過程中組合密封發(fā)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(yīng)力約為1.159 MPa，小于PTFE塑料和氟硅橡膠的許用應(yīng)力（PTFE的抗撕裂強(qiáng)度通常為10～15 MPa，氟硅橡膠抗撕裂強(qiáng)度為10～50 MPa）。

因此，該橡塑組合密封件在安裝預(yù)緊力的作用下能正常使用，對(duì)螺旋槳槳根處結(jié)構(gòu)起到密封作用。

3" 試驗(yàn)驗(yàn)證

因變槳距螺旋槳實(shí)際工況復(fù)雜，其工作特點(diǎn)決定了槳根處的動(dòng)密封屬于往復(fù)擺轉(zhuǎn)式密封。為保證組合密封使用可靠，在前述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，試制橡塑組合密封樣品工裝（圖7），分別進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架測(cè)試（圖8）。

在以上臺(tái)架進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)情況如下：擺動(dòng)頻率0.5 Hz，油壓0.3 MPa，介質(zhì)溫度70 ℃工況下，持續(xù)時(shí)間2.3 h無泄漏，滿足螺旋槳槳根處動(dòng)密封系統(tǒng)泄漏量要求。

4" 結(jié)論

本文針對(duì)某渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的變槳距螺旋槳槳根處的密封系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)其具體工作狀況、受力特點(diǎn)等設(shè)計(jì)得到一種橡塑組合密封結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)該組合密封件進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析及實(shí)驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試，得到以下結(jié)論：

1）該橡塑組合密封件在安裝預(yù)緊力的作用下等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，安裝后能正常使用，對(duì)螺旋槳槳根處結(jié)構(gòu)起到密封作用。

2）對(duì)橡塑組合密封樣品進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明泄漏量滿足螺旋槳槳根的工況要求。

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