圆弧端齿封严环结构设计研究

2019-06-19 01:07余索远张婷婷
中国科技纵横 2019年8期

余索远 张婷婷

摘 要:目前中小型航空发动机的转子零件,广泛采用圆弧端齿进行定心传扭,由于圆弧端齿独特的加工特点,造成了某一端齿的齿顶与其相配端齿的齿底必然存在间隙。部分发动机会在转子内部通封严气,为防止通过转子内部的封严气发生泄露,需采用圆弧端齿封严环对齿顶间隙进行封严。圆弧端齿封严环由三段圆弧组成,其中两端为相同半径的小圆弧,中间为大圆弧。通过本文研究发现,随着封严环壁厚及圆弧半径的变化,对圆弧端齿会产生不同的封严效果。

关键词:圆弧端齿;封严环;间隙泄露;几何特征;封严效果

中图分类号:V231 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2019)08-0062-03

目前中小型涡轴、涡桨发动机转子零件多采用圆弧端齿进行定心传扭,该结构具有定心可靠、装配简单等特点[1]。由于其独特的加工特点,造成某一齿顶与其相配端齿的齿底存在间隙(图1所示)。部分发动机会在转子内部通封严气,为防止封严气泄露,需采用圆弧端齿封严环(以下简称“封严环”)对齿顶间隙进行封严(图1所示)。

在发动机工作过程中,封严环与端齿内圆柱面及左右端面的贴合情况,直接关系封严效果。若封严环朝径向变大的趋势变形,则易于保证与端齿内圆面的贴合,实现更佳封严效果。因此开展封严环几何特征研究,就显得尤其重要。

1 计算模型

1.1 计算对象

为研究封严环几何特征对圆弧端齿齿顶间隙封严效果的影响,本文以某型发动机封严环为研究对象,采用Workbench中的Static Structural模块对其进行计算分析。

封严环在发动机中装配位置如图1所示,为模拟封严环在发动机真实工作状况,需对封严环施加轴向0.1mm的压缩量(如图2所示,A、B位置各施加0.05mm位移约束)。

为模拟封严环在发动机中真实工作环境,选取封严环与圆弧端齿的接触类型为No Separation(无分离接触,适用于法向无分离,切向允许发生小位移变形[2])。

1.2 封严环结构特征

封严环为薄壁件,具体结构如图3所示,由三段相切的圆弧组成,其中两端小圆弧为R_1(半径相等),中间段圆弧为R_2,综合分析三个参数对封严环变形、应力的影响,得到上述参数对封严环封严效果的影响。

本次计算针对以下三类开展计算:

2 计算分析

2.1 小圆弧半径(R_1)对封严效果的影响

为研究小圆弧对封严效果的影响,本次对封严环大圆弧半径(R_2)为5mm的模型进行分组计算。

2.1.1 最大当量应力与小圆弧半径关系

通过计算,得到当量应力分布如表1、图4所示。

从表1、图4可以看出,随着封严环壁厚的增大(在相同轴向压缩量下),最大当量应力呈增大趋势;在壁厚较大时(TH=0.3mm),最大当量应力随小圆弧半径的增大而减小。随着壁厚的减小(TH=0.1mm),最大当量应力随小圆弧半径的增大趋势逐渐减缓。

2.1.2 最大径向变形与小圆弧半径关系

通过计算,得到最大径向变形计算结果如表2、图5所示。

从表2、图5可以看出,随着封严环壁厚的减小(在相同轴向压缩量下),最大径向变形呈增大趋势;最大径向变形随小圆弧半径增大而增大,随着壁厚的减小该趋势逐渐减缓。

2.2 大圆弧半径对封严效果的影响

为研究大圆弧半径对封严效果的影响,本次对封严环小圆弧半径(R_1)为1.4mm的模型进行分组计算。

2.2.1 最大当量应力与大圆弧半径关系

通过计算,得到当量应力分布如表3、图12所示。

从表3、图6可以看出,随着封严环壁厚的增大(相同軸向压缩量),最大当量应力呈增大趋势;当壁厚较小时(TH=0.1mm),最大当量应力随着大圆弧半径的增大而增大,反之当壁厚较大时(TH=0.3mm),最大当量应力随着大圆弧半径的增大而减小。

2.2.2 最大径向变形与大圆弧半径关系

通过计算,得到最大径向变形计算结果如表4、图7所示。

从表4、图7可以看出,随着封严环壁厚的减小(在相同轴向压缩量下),最大径向变形呈增大趋势;最大径向变形随大圆弧半径增大而增大,随着壁厚的减小,此趋势逐渐变缓,当TH=0.1mm,最大径向变形随大圆弧半径增大呈逐渐减小趋势。

3 结语

(1)壁厚较小的封严环在相同轴向压缩量下,最大当量应力更小,更容易发生变形,保证变形始终在材料许用弹性变形范围内,提高封严环的工作可靠性。

(2)最大当量应力随着小圆弧半径的增大呈减小趋势,壁厚越小该趋势越不明显;最大径向变形随小圆弧半径的增大呈增大趋势,壁厚越小该趋势越不明显。

(3)在壁厚较大时(TH=0.3mm),最大当量应力呈减小趋势,反之当壁厚较小时(TH=0.1mm),最大当量应力随着大圆弧半径的增大呈增大趋势;最大径向变形随着大圆弧半径的增大呈增大趋势,壁厚越小该趋势越不明显。

(4)在相同轴向压缩量下,较小的当量应力更易实现封严环的压缩,同时较大的径向变形则可保证更佳的封严效果。

参考文献

[1] 《航空发动机设计手册》总编委会编 航空发动机设计手册第2册工程制图及标准[M].航空工业出版社,2001.

[2] 黄志新,刘成柱.ANSYS Workbench 14.0 超级学习手册[M].人民邮电出版社,2013.