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    圓弧端齒封嚴環(huán)結構設計研究

    2019-06-19 01:07:24余索遠張婷婷
    中國科技縱橫 2019年8期

    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.

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