封嚴環、圓弧端齒聯軸器、以及航空發動機的製作方法
2023-09-18 03:58:40
本公開涉及航空發動機技術領域，尤其涉及一種封嚴環、圓弧端齒聯軸器、以及航空發動機。
背景技術：
航空發動機轉子結構工作於高轉速、高負荷、高溫度的環境中，因此在設計轉子的聯接結構時，除了需要考慮強度和剛度、質量的輕便性和加工的難易程度等因素，還需特別注意各個零件之間的定心可靠性。隨著航空發動機性能的不斷提高，其對航空發動機渦輪轉子、壓氣機轉子間的聯接方式也提出了更高的要求。
圓弧端齒以其傳遞載荷能力強、結構強度高、自定心好、維護簡便、多次拆裝不影響其原有精度和可靠性等諸多優點，廣泛的應用於航空發動機壓氣機、渦輪各級轉子的定心連接傳扭，在航空發動機結構設計中的「單元體」設計理念中具有重要地位。圓弧端齒是端齒盤的一種特殊結構，在垂直於圓弧端齒軸線的平面上，輪齒在端面沿圓周方向分布且具有弧形特徵，因此其齒形結構的齒向輪廓為一弧線。但是，圓弧端齒的固有結構特徵造成了其齒頂與對象件的齒底之間存在間隙，這種間隙必然會對發動機的空氣系統造成影響，甚至造成空氣洩漏，從而影響發動機的性能。
需要說明的是，在上述背景技術部分公開的信息僅用於加強對本公開的背景的理解，因此可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。
技術實現要素：
本發明的一個目的在於提供一種封嚴環以及圓弧端齒聯軸器，進而至少在一定程度上克服圓弧端齒密封不嚴的問題。
本發明的另一個目的在於提供一種航空發動機，進而至少在一定程度上克服發動機的空氣系統受到圓弧端齒聯軸器密封不嚴的影響而造成的空氣洩漏問題。
根據本公開的一個方面，提供一種封嚴環，包括第一密封部和第二密封部、以及位於二者之間的連接部，且所述第一密封部、所述第二密封部、以及所述連接部的截面均為弧形；
其中，所述第一密封部的弧形中心與所述第二密封部的弧形中心位於所述封嚴環的內側，所述連接部的弧形中心位於所述封嚴環的外側。
本公開的一種示例性實施例中，所述第一密封部和所述第二密封部的半徑相同。
本公開的一種示例性實施例中，所述連接部的半徑大於所述第一密封部的半徑。
本公開的一種示例性實施例中，所述第一密封部與所述連接部的連接區域平滑過度，所述第二密封部與所述連接部的連接區域平滑過度。
本公開的一種示例性實施例中，所述第一密封部、所述第二密封部以及所述連接部為一體化成型結構。
根據本公開的一個方面，提供一種圓弧端齒聯軸器，包括相互嚙合的第一端齒部和第二端齒部，以及上述的封嚴環；
其中，所述封嚴環設置在所述第一端齒部和所述第二端齒部裝配之後的密封槽中。
本公開的一種示例性實施例中，所述封嚴環在所述第一端齒部和所述第二端齒部的裝配狀態下具有軸向壓縮量。
本公開的一種示例性實施例中，所述第一端齒部包括環形的第一基體以及設置在所述第一基體的一端面的凸齒結構；
所述第二端齒部包括環形的第二基體以及設置在所述第二基體的一端面的凹齒結構；
其中，所述凸齒結構和所述凹齒結構相對設置且形狀互補。
本公開的一種示例性實施例中，所述第一基體的環形內側設置有第一凹槽，所述第二基體的環形內側設置有第二凹槽，且所述第一凹槽和所述第二凹槽在所述第一端齒部和所述第二端齒部裝配之後構成所述密封槽。
根據本公開的一個方面，提供一種航空發動機，包括上述的圓弧端齒聯軸器。
本公開示例性實施方式所提供的封嚴環，由兩個弧形的密封部以及二者之間的連接部構成。在採用該封嚴環對圓弧端齒聯軸器進行密封時，第一密封部和第二密封部會受到軸向的壓縮力而產生一定的壓縮量，該壓縮量的存在，使得第一密封部與圓弧端齒聯軸器的第一周向接觸區域，以及第二密封部與圓弧端齒聯軸器的第二周向接觸區域，會產生趨向於圓弧半徑變大的形變，從而促使該封嚴環與圓弧端齒聯軸器的第一端齒部和第二端齒部緊密的貼合在一起，這樣便能起到良好的密封作用，從而實現圓弧端齒之間的氣體封嚴。
應當理解的是，以上的一般描述和後文的細節描述僅是示例性和解釋性的，並不能限制本公開。
附圖說明
此處的附圖被併入說明書中並構成本說明書的一部分，示出了符合本公開的實施例，並與說明書一起用於解釋本公開的原理。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本公開的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1示意性示出本公開示例性實施例中封嚴環的剖面單側結構示意圖；
圖2示意性示出本公開示例性實施例中封嚴環的受力示意圖；
圖3示意性示出本公開示例性實施例中圓弧端齒聯軸器的安裝過程示意圖；
圖4示意性示出本公開示例性實施例中圓弧端齒聯軸器的裝配狀態示意圖。
附圖標記：
10-封嚴環；101-第一密封部；102-第二密封部；103-連接部；104-第一周向接觸區域；105-第二周向接觸區域；21-第一端齒部；211-第一基體；212-凸齒結構；213-第一凹槽；22-第二端齒部；221-第二基體；222-凹齒結構；223-第二凹槽；23-密封槽。
具體實施方式
現在將參考附圖更全面地描述示例實施例。然而，示例實施例能夠以多種形式實施，且不應被理解為限於在此闡述的範例；相反，提供這些實施例使得本公開將更加全面和完整，並將示例實施例的構思全面地傳達給本領域的技術人員。所描述的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施例中。在下面的描述中，提供許多具體細節從而給出對本公開的實施例的充分理解。
此外，附圖僅為本公開的示意性圖解，並非一定是按比例繪製。附圖中各層的厚度和形狀不反映真實比例，僅是為了便於說明本公開的內容。圖中相同的附圖標記表示相同或類似的部分，因而將省略對它們的重複描述。
本示例實施方式提供了一種封嚴環，用於在圓弧端齒聯軸器的第一端齒部和第二端齒部裝配之後實現對第一端齒部的齒頂與第二端齒部的齒底之間的密封。
如圖1所示，顯示了一具體實施例中封嚴環10軸向剖面的單側結構示意，封嚴環10的結構可以包括：第一密封部101、第二密封部102、以及位於二者之間的連接部103，且第一密封部101、第二密封部102、以及連接部103的截面可以均為弧形。本領域技術人員應該理解的是，封嚴環10整體採用連接的板件，以對待密封件進行有效密封。
第一密封部101的弧形中心與第二密封部102的弧形中心均位於封嚴環10的內側，即該封嚴環10的截面形狀設置有開口的一側，也是第一密封部101和第二密封部102相對於連接部103彎曲的一側；連接部103的弧形中心位於封嚴環10的外側，即該封嚴環10的截面形狀未設置開口的一側，也是第一密封部101和第二密封部102與待封嚴件相接觸的一側。所稱截面，因為封嚴環10實質是一個空心的環形，本領域技術人員應該理解的是，封嚴環10實體是沿周向延伸的長條形狀，截面是截斷封嚴環10周向長條形狀顯示的形狀，也就是與圖1中封嚴環10剖面的單側結構示意相同。
其中，所述封嚴環10可以具有彈性的材料製成，且所述第一密封部101和所述第二密封部102均與待封嚴件，例如圓弧端齒聯軸器形成緊密接觸。
需要說明的是：本實施例僅限定了第一密封部101、第二密封部102、以及連接部103的形狀為弧形，至於其為圓弧形、橢圓弧形、還是其它曲線的一部分形狀，這裡不做具體限定，只需保證第一密封部101和第二密封部102的彎曲方向相同、且與連接部103的彎曲方向相背即可。
本公開示例性實施方式所提供的封嚴環，由兩個弧形的密封部以及二者之間的連接部構成。如圖2所示，在採用該封嚴環10對圓弧端齒聯軸器進行密封時，第一密封部101和第二密封部102會受到軸向的壓縮力而產生一定的壓縮量，該壓縮量的存在使得第一密封部101與圓弧端齒聯軸器的第一周向接觸區域104，以及第二密封部102與圓弧端齒聯軸器的第二周向接觸區域105，均會產生趨向於圓弧半徑變大的形變，從而促使該封嚴環10與圓弧端齒聯軸器的第一端齒部和第二端齒部緊密的貼合在一起，這樣便能起到良好的密封作用，從而實現圓弧端齒之間的氣體封嚴。
應當理解的是，假設僅包括第一密封部和第二密封部，且為了保證這兩個密封部之間的連接部位不會因應力集中而發生彎折甚至斷裂，該兩個密封部之間平直地平滑過度。這種結構當然也可以作為封嚴環以克服圓弧端齒密封不嚴的問題，但這種兩段式弧形連接結構的封嚴效果顯然沒有本公開的三段式弧形連接結構的封嚴效果好。這是由於兩段式弧形連接結構的封嚴環與待封嚴件例如圓弧端齒聯軸器的接觸區域僅為一處，即封嚴環在與待封嚴件裝配之後的最凸出部位，一旦該凸出部位無法正對圓弧端齒的齒頂與齒底之間的間隙，還是會產生密封不嚴而造成漏氣。本實施例中的三段式弧形連接結構的封嚴環，其與待封嚴件例如圓弧端齒聯軸器的接觸區域包括兩處，即兩個密封部分別與圓弧端齒聯軸器相接觸的部位，且該封嚴環的密封效果是通過受力產生形變，以使該兩個密封部與圓弧端齒聯軸器的第一端齒部和第二端齒部之間緊密貼合而實現的，密封效果顯著。
本示例實施方式中，第一密封部101和第二密封部102的半徑選擇為相同。即，第一密封部101和第二密封部102可以為形狀尺寸完全一致且鏡像對稱的兩個密封部。以便於提供相平衡的密封回彈力，使得封嚴環10在動態情形下，仍能保持平穩，避免封嚴環10位置偏移失效。
其中，第一密封部101和第二密封部102的形狀可以為優弧、劣弧、或者半圓。但無論該兩個密封部的弧形為以上的哪一種情況，均應保證每個弧形密封部與圓弧端齒聯軸器之間存在一軸向接觸點a以及一周向接觸點b，以便於實現圓弧端齒之間的氣體封嚴。
基於此，由於第一密封部101和第二密封部102的半徑相同且對稱設置於連接部103的兩側，因此二者相對於圓弧端齒聯軸器的第一端齒部和第二端齒部具有相同的接觸面積，從而能夠達到相同的密封效果。此外，具有對稱結構的封嚴環製備工藝相對簡單且易於實現。
在此基礎上，所述連接部103的半徑優選大於所述第一密封部101或者所述第二密封部102的半徑。
由此可以，第一密封部101和第二密封部102的彎曲程度相對較大，而連接部103的彎曲程度相對較小，這樣便可以保證連接部103具有足夠的強度以支撐該兩個密封部發生形變，從而將密封部受到的軸向壓縮力轉換為其半徑變大的形變應力，以避免軸向壓縮力稍大就導致連接部103受壓而過度變形的情況。
進一步的，為了保證連接部位的可靠性，各個密封部與連接部103的連接區域應保持平滑過度，從而防止由應力集中所引起的過度變形甚至斷裂。
具體而言，第一密封部101在靠近連接部103處的切線與連接部103在靠近第一密封部101處的切線之間的夾角越小越好，第二密封部102在靠近連接部103處的切線與連接部103在靠近第二密封部102處的切線之間的夾角越小越好。
本示例實施方式中，所述封嚴環10可以選擇採用高溫合金材料以一體化成型工藝製備而得；即，第一密封部101、第二密封部102、以及連接部103可以具有一體化成型結構。
其中，所述封嚴環10的材質可以為彈性材質例如高溫合金板材，如此製得的封嚴環10既能承受一定的溫度，同時還具有一定的變形可靠性，且成本較低、易於更換。舉例而言，封嚴環10選擇採用鎳基高溫合金材料，先利用輥壓成型為條狀件，之後，兩端對接後採用焊接形成圓形。鎳基高溫合金是以鎳為基體(含量一般大於50％)在650～1000℃範圍內具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力的高溫合金。具體實施例中，封嚴環10選擇採用鎳基高溫合金中的變形高溫合金，使用溫度範圍為900～1300℃，最高抗氧化溫度達1320℃。例如gh128合金，室溫拉伸強度為850mpa、屈服強度為350mpa；1000℃拉伸強度為140mpa、延伸率為85％,1000℃、30mpa應力的持久壽命為200小時、延伸率40％。當然，也可以選擇由gh4169合金或gh220合金製成。
本示例實施方式還提供了一種圓弧端齒聯軸器，如圖3所示，包括相互嚙合的第一端齒部21和第二端齒部22，以及上述的封嚴環10；其中，所述第一端齒部21可以為凸齒部，所述第二端齒部22可以為凹齒部，或者二者也可以互換，這裡不做具體限定。
具體而言，所述第一端齒部21可以包括環形的第一基體211以及設置在第一基體211的一端面的凸齒結構212；所述第二端齒部22可以包括環形的第二基體221以及設置在第二基體221的一端面的凹齒結構222；其中，所述凸齒結構212和所述凹齒結構222相對設置且形狀互補。
基於這種相互嚙合的凸齒結構212和凹齒結構222所組成的圓弧端齒聯軸器，其凸齒結構212的齒頂與凹齒結構222的齒底之間必然存在一定的間隙。如圖4所示，為了保證良好的氣體封嚴性，本實施例可分別在第一端齒部21和第二端齒部22的結構中設置凹槽，以在二者裝配之後形成用於設置封嚴環10的密封槽23。
基於此，參考圖3和圖4所示，所述第一基體211的環形內側可以設置第一凹槽213，所述第二基體221的環形內側可以設置第二凹槽223，且第一凹槽213和第二凹槽223可在第一端齒部21和第二端齒部22裝配之後構成所述密封槽23。
需要說明的是：雖然密封槽23是在第一端齒部21和第二端齒部22裝配之後才形成的，但封嚴環10的安裝是在這兩個端齒部裝配的過程中進行的。其安裝過程如下：先將封嚴環10裝入第一端齒部21例如凸齒部的第一凹槽213中，再將第二端齒部22例如凹齒部的第二凹槽223對準第一凹槽213的位置進行安裝，以實現第一端齒部21和第二端齒部22的組裝，其裝配狀態見圖4所示。
這樣一來，在第一端齒部21和第二端齒部22裝配形成圓弧端齒聯軸器之後，所述封嚴環10便可設置於密封槽23中，從而能夠有效的防止氣體洩漏。
為了確保良好的氣體封嚴效果，本示例實施方式優選所述封嚴環10在第一端齒部21和第二端齒部22的裝配狀態下應具有一定的軸向壓縮量，以使所述封嚴環10的兩個密封部產生趨向於圓弧半徑變大的形變，從而使得該封嚴環10與圓弧端齒聯軸器的第一端齒部21和第二端齒部22緊密的貼合在一起，這樣便能起到良好的密封效果，從而實現圓弧端齒之間的氣體封嚴。
本示例實施方式還提供了一種航空發動機，包括上述的圓弧端齒聯軸器。其中，所述圓弧端齒聯軸器具體可以應用於航空發動機壓氣機、航空發動機渦輪轉子等部位，具有良好的氣體封嚴效果。
本領域技術人員在考慮說明書及實踐這裡公開的發明後，將容易想到本公開的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本公開的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本公開的一般性原理並包括本公開未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本公開的真正範圍和精神由所附的權利要求指出。
應當理解的是，本公開並不局限於上面已經描述並在附圖中示出的精確結構，並且可以在不脫離其範圍進行各種修改和改變。本公開的範圍僅由所附的權利要求來限制。