圆弧端齿封严环结构设计研究

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.