某型飞机螺旋桨动密封结构设计及仿真

摘" 要：变桨距螺旋桨是涡轮螺旋桨飞机的重要组成部分，其动密封系统性能直接影响着飞机运行的效率及安全。因此，开展螺旋桨桨根动密封系统的设计与研究具有重要工程实际意义。该文针对螺旋桨变桨距时的往复摆转运动特点，设计出一种橡塑组合密封结构，并采用数值仿真和试验测量相结合的手段，对该组合密封系统开展研究。最终的数值仿真和试验测试表明，所设计的橡塑组合密封系统符合螺旋桨动密封系统的使用要求，未产生泄漏情况，可有效提升螺旋桨密封系统的可靠性，具有重要的工程指导价值。

关键词：螺旋桨；动密封系统；橡塑组合密封；结构设计；有限元仿真

中图分类号：V235.12" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

航空涡轮螺旋桨发动机（以下简称涡桨发动机）不仅耗油低，而且单台功率大，因此广泛被各类运输机使用[1]。现代的涡轮螺旋桨发动机具有可调的桨距角（或者叫安装角），其特点是燃油流量和螺旋桨的桨距角可以独立调节。这种可变桨距的涡桨发动机可以在不同的飞行条件与飞行速度下，通过改变螺距角度来保持螺旋桨的速度恒定，实现螺旋桨的工作效率最大化[2]。航空涡桨系统包含螺旋桨桨叶和桨毂，两者由一个动密封系统连接，桨叶相对于桨毂的往复摆转运动由液压系统实现。在长时间的工作过程中，桨毂和桨叶连接处常出现密封泄漏现象，进而影响螺旋桨变桨距过程。因此，桨根动密封系统的密封性能是涡轮螺旋桨飞机可靠运行的重要前提。

变桨距螺旋桨的工作方式决定了桨根处的动密封属于往复摆转式密封，其密封形式既不同于连续回转动密封，也不同于往复直线动密封。数值仿真是进行密封系统研究的一种重要手段，借助该方法，可以在设计源头上避免密封泄漏的发生。

Müller[3]对往复运动密封件开展试验，研究密封件摩擦力、泄漏情况受到往复速度、预紧力及介质黏度的影响规律，并得到往复运动中密封件内行程与外行程膜厚不同的结论。Kaneta等[4]在1971年以D形往复密封件为研究对象，基于试验测试法研究其在往复工作过程中的摩擦、内泄漏，发现外行程和内行程由于油膜的破损而产生黏滞效应，同时表明摩擦力与行程长短有关，尤其在行程较短时会出现不稳定的状况。郑辉等[5]利用ANSYS有限元分析软件对活塞杆进行密封结构研究，分析密封部位的压力具体分布情况。程学生等[6]使用ANSYS软件分析O型密封圈的内应力、接触压力等参数，最终得出影响O型密封圈寿命的因素，并据此以提高其密封性为目标设计了一种全新的导向式局部密封件结构。

本文针对某航空变桨距螺旋桨具体工作状况、受力特点等设计得到一种桨根橡塑组合密封结构，在此基础上基于有限元方法进行该组合密封件的静力学分析及试验测试。

1" 组合密封结构及有限元模型

1.1" 组合密封结构设计

图1为针对桨根部位工作场景、受力特点等设计的橡塑组合密封几何示意图。其中，塑料部分使用PTFE（聚四氟乙烯）材料，橡胶部分使用氟硅橡胶。

密封件工作过程中依靠橡胶材料良好的弹性及回弹性，在密封界面产生足够的接触应力，并且由于橡胶材料不可压缩性，接触应力会随着介质压力的提升而增大，实现静态密封；同时依赖于密封界面非对称液膜压力产生的“反向泵回”效应，实现动态密封。

1.2" 密封件材料力学性能

氟硅橡胶部分采用Mooley-Rivlin，N=1模型模拟其超弹性力学性能，其函数表达式为[7]

聚四氟乙烯材料采用线弹性本构进行拟合，其弹性模量设置为960 MPa。

1.3" 组合密封结构有限元模型

考虑到密封圈在实际工况下，由装配产生的径向力分布具有轴对称特征，故首先建立截面处的二维模型。并通过ANSYS对所设计的橡塑组合密封件进行有限元仿真分析，建立组合密封件的二维轴对称仿真模型。

网格划分直接影响有限元仿真模型的规模[8]，从而会影响仿真分析的精确度及所需的计算资源。本次仿真采用二维轴对称模型，因此单元类型选择PLANE183。网格密度越细，其计算精度越高，消耗的计算资源越多。由于分析关注的是组合密封件部分，因此对该区域进行细化，通过REFINE命令对接触区域进行局部网格细化，可以提高该区域的计算准确度和缩减仿真分析的时间。网格划分如图2所示，共3 762个单元，11 841个网格节点。

计算时共设置5个接触对，接触面为组合密封件，目标面为旋转轴、沟槽，图3中给出了旋转轴与塑料密封件接触对的具体设置情况。

如图4所示，计算时固定沟槽，对旋转轴施加一个沿-Y轴方向的位移来模拟密封件的挤压过程。装配后橡胶弹性预紧力压缩塑料件与轴接触，压力从左侧来横向时挤压橡胶体，力上下延伸将塑料与轴进一步压在一起。

2" 计算结果及分析

图5为本文橡塑组合密封件安装后的等效应力分布情况，等效应力最大值发生在橡胶与塑料接触区域，最大值为2.599 MPa，小于PTFE塑料和氟硅橡胶的许用应力（PTFE的抗拉强度通常为20～30 MPa，氟硅橡胶抗拉强度为2.5～10 MPa）。此外，可以看到橡胶部分和塑料件均无较大的应力集中，使用过程中组合密封发生破坏的概率较小，可靠性较高。

如图6所示，安装后的橡塑组合密封件最大剪切应力约为1.159 MPa，小于PTFE塑料和氟硅橡胶的许用应力（PTFE的抗撕裂强度通常为10～15 MPa，氟硅橡胶抗撕裂强度为10～50 MPa）。

因此，该橡塑组合密封件在安装预紧力的作用下能正常使用，对螺旋桨桨根处结构起到密封作用。

3" 试验验证

因变桨距螺旋桨实际工况复杂，其工作特点决定了桨根处的动密封属于往复摆转式密封。为保证组合密封使用可靠，在前述设计的基础上，试制橡塑组合密封样品工装（图7），分别进行相应的实验室台架测试（图8）。

在以上台架进行的实验室试验情况如下：摆动频率0.5 Hz，油压0.3 MPa，介质温度70 ℃工况下，持续时间2.3 h无泄漏，满足螺旋桨桨根处动密封系统泄漏量要求。

4" 结论

本文针对某涡轮螺旋桨发动机的变桨距螺旋桨桨根处的密封系统进行设计，根据其具体工作状况、受力特点等设计得到一种橡塑组合密封结构，在此基础上对该组合密封件进行有限元静力学分析及实验台架测试，得到以下结论：

1）该橡塑组合密封件在安装预紧力的作用下等效应力、剪切应力小于材料的许用应力，安装后能正常使用，对螺旋桨桨根处结构起到密封作用。

2）对橡塑组合密封样品进行相应的实验室台架测试，试验结果表明泄漏量满足螺旋桨桨根的工况要求。

参考文献：

[1] 夏天乾.可变桨距微型涡桨发动机控制系统设计与试验研究[D].南京：南京航空航天大学，2019.

[2] 王跃明.起落架作动筒高压往复密封数值仿真研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2023.

[3] MÜLLER H K. Leakage and friction of flexible packings at reciprocating motion with special consideration of hydrodynamic film formation[C]//Proceedings of the 2nd International Conference on Fluid sealing， 1964：13-28.

[4] KANETA M， TODOROKI H， NISHIKAWA H. Experimental investigation of friction and sealing characteristics of flexible seals for reciprocating motion[C]//5th International Conference on Fluid sealing，1971：33-48.

[5] 郑辉，张付英.液压往复密封泄漏量的有限元分析[J].机床与液压，2011（8）：58-61.

[6] 程学生，李江江，黄海波，等.用于旋转缸复合运动的密封件研究[J].液压与气动，2014，18（7）：88-91.

[7] 富绪光，陈江弥，罗震宇.往复运动密封装置中O形橡胶密封圈的滑动摩擦力有限元分析[J].橡胶工业，2021，68（5）：332-338.

[8] 张峻霖.基于有限元法的激光切割机床身静力及模态分析[D].南宁：广西大学，2022.