环下润滑结构对径向收油环收油效率影响的数值计算研究

为研究环下供油润滑系统中的流动过程和收油环收油效率的影响因素及其影响规律,基于VOF(Volume of fluid)两相流模型和滑移网格模型的数值计算方法,建立了环下润滑系统内部流场的计算模型。通过数值计算,获得了收油环的收油效率并验证了数值计算结果的有效性,分析和探讨了不同结构参数对收油效率的影响。计算结果表明:利用本文数值计算方法得到的收油效率和流动现象与已有实验和数值计算结果均一致;供油喷嘴角度和收油环外径均主要影响滑油射流冲击收油叶片的飞溅量和收油叶片切割滑油量,收油效率取决于二者的相对大小,θ=0°,θ=9°和r0=2mm,r0=6mm时收油效率取极大值;收油叶片数量和供油喷嘴与收油叶片间距离分别影响收油叶片切割滑油射流的时间间隔和滑油射流在到达收油叶片前的流动,不影响滑油射流冲击收油叶片的飞溅量和收油叶片切割滑油射流的量,对收油效率的影响较小。     

环下润滑结构内部流动分析和收油叶片结构优化研究

为了研究环下润滑结构内部流动并优化收油叶片结构,根据环下润滑结构内部高转速、强旋流的流动特点建立了数值计算模型,分析了原始结构的油气两相流动并总结了滑油的损失机理,在此基础上提出收油叶片的优化改进结构,详细讨论了不同收油叶片结构对环下润滑内部流动和收油效率的影响规律。研究结果表明,原始结构中滑油冲击主轴产生的碰撞飞溅和在离心作用下沿收油叶片被向外甩出均是引起收油效率下降的原因;优化收油叶片结构后的气流速度在叶尖附近的最大增加幅度不超过4m/s;收油叶片叶根拐角处采用圆弧过渡且叶根延伸后的收油效率仅在低转速范围内略高于原始结构的收油效率,收油效率最大提升了1.03%;在此基础上增加阶梯结构并进一步延伸叶根后可在全部转速范围内提升收油效率,相对原始结构的收油效率最大可提升接近5.0%。     

高速轴承环下润滑收油叶片结构参数与工况参数间的匹配关系

为了研究环下润滑收油叶片结构参数和工况参数间的匹配关系,通过理论分析和数值模拟方法研究了收油叶片半径差、滑油喷嘴喷射角度、收油环转速和滑油流速对滑油损失角和收油效率的影响。研究结果表明：调整滑油喷射角度和收油叶片半径差可改变滑油射流冲击收油叶片外轮廓的冲击点位置,前者的影响较小,后者在低滑油流速下可以降低滑油射流的冲击飞溅量;在考虑风阻影响的情况下得到的滑油损失角小于对应的理论分析结果;11 000 r/min转速下,增加收油叶片半径差后收油效率可提高超过3.0%,在一定转速范围内调整收油叶片的半径差可降低滑油的冲击飞溅量、提高收油效率。     

基于中介轴承润滑效率的流道结构参数反向预测

为了满足航空发动机中介轴承润滑系统设计需求,即在给出特定轴承润滑效率的前提下,获得与之匹配的合理的轴承润滑流道结构参数,提出了考虑各结构参数取值约束条件的轴承润滑效率——流道结构参数反向预测分析方法。根据轴承润滑效率神经网络模型,构造反映结构参数与润滑效率拟合关系的润滑效率函数;以润滑效率函数值与给定润滑效率误差最小为优化目标,通过考虑各结构参数取值范围的优化分析,获得满足给定润滑效率(误差最小)的流道结构参数。相较于目前已有分析方法,所提出的反向预测分析方法预测精度提高了439%,平均计算时长缩短了175 min,且能同时实现多个参数的预测,为中介轴承润滑系统设计提供了一种思路。     

滚珠自转对高速球轴承环下润滑内部流动的影响

高速球轴承正常工作时,处于高速旋转状态,此时油相和气相因重力和离心力的作用在轴承环间剧烈运动。为了更准确地分析轴承环间的两相流动,采取VOF模型进行内部流场的模拟,采用多重旋转坐标系描述部件运动。建立球轴承环下润滑计算模型,分析了考虑滚珠自转因素下轴承内部的流动,并在此基础上探究了转速及供油量对轴承工作状态的影响。结果表明,对比整体模型与滚珠自转模型,发现滚珠自转使得轴承内部油体积分数增大,同时也使得滑油穿透间隙达到外环的能力增加;在考虑滚珠自转情况下,转速的不断增大,使得轴承内部的油相体积分数不断减小,在低转速情况下滚珠自转对流体运动影响较为明显,在高转速情况下公转速度对流体运动起到主导作用,滚珠自转对流体运动影响减弱;供油量不断的增大,使得滚珠自转模型内部的油相体积分数也在不断增大,而且滚珠自转运动会加强滑油在轴承内部的分布。     

航空发动机主轴轴承润滑与冷却技术研究

研究了航空发动机主轴轴承润滑冷却技术中几个环节的关键问题。提出了润滑油的选用依据,分析了各种供油方式的特点及其供油压力的应用原则,给出了工程设计中滑油流量计算公式的使用方法,并归纳了喷嘴和润滑冷却结构设计中技术细节的设计要点。     

航空发动机主轴轴承润滑冷却的设计与试验研究

本文是结合发动机研制而进行的主轴轴承润滑与冷却的设计和试验研究。介绍了喷射、环下、喷管三种润滑冷却方式。重点对影响环下润滑冷却的因素及结构设计进行了讨论。最后给出了滑油供给量计算公式。     

润滑方式对球轴承润滑性能影响的数值研究

为合理选择高速球轴承润滑方案,优化润滑系统参数,针对SKF7210角接触球轴承建立了喷油润滑与环下润滑计算模型,基于VOF数值方法,研究了两种润滑方式下轴承内油气两相流场和内外环温度场。研究结果表明:相同工况下,环下润滑轴承内油气分布较喷油润滑更为均匀;转速增加两种润滑方式润滑效果均下降,但对环下润滑影响更大,当转速超过18kr/min时(Q=3L/min,F=5kN),环下润滑轴承内油体积分数将低于喷射润滑;供油量增加可改善润滑效果,尤其对环下润滑,当转速大于10kr/min时,环下润滑轴承内油体积分数相对喷油润滑将大幅提高;载荷增加会使轴承内油体积分数减小。结论:当转速和载荷较低时,可使用结构简单的喷油润滑;当转速和载荷较高时,使用环下润滑较为有利,但需保证供油量维持在较高水平。     

高速角接触球轴承腔内气液两相流模拟分析

基于轴承腔内气液两相流流动模型,采用VOF方法和MRF模型对高速角接触球轴承简化模型内润滑油的流动特性进行数值计算,获得腔内速度、压力以及润滑油分布情况。分析轴承转速和润滑油进口流量等参数对油液体积分数的影响,以及轴承腔内润滑油的流动轨迹和润滑油进入腔内的影响机理。结果表明:轴承高速转动阶段,润滑油在滚动体和保持架的搅动作用,在腔内局部形成漩涡不利于润滑油的流动;轴承腔内两相流场的环间压力具有周期性特点,喷射润滑油很难穿过环间压力进入腔内;腔内油液体积分数随轴承转速的升高而降低,随供油量的增加而增加,呈非线性关系;喷射角度对环间油液体积分数和滚道油液体积数的影响很大,选择合适的喷射角度能够得到更好的润滑效果。该研究结果对高速轴承润滑设计提供了一定的参考依据。      

航空发动机轴承腔油气两相流动特性及改进研究

为了研究航空发动机轴承腔油气两相流动特性，改善滑油回油效果，建立了基于欧拉-欧拉方法轴承腔两相流求解模型，针对轴承腔的通风结构和回油结构提出了三种改进方案，对不同工况下常规轴承腔和三种改进方案流动特性和回油特性进行深入分析。研究结果表明，将常规轴承腔通风结构进行嵌入(Embed)改进后，滑油被嵌入的通风口壁面阻挡，从通风口流出的滑油量减小，回油效率明显提升；将常规轴承腔回油结构进行斜坡(Slope)改进后，回油口右侧滑油堆积区消失，腔内滑油体积分数减小，回油效率明显提升；组合改进方案(ES)能够兼顾嵌入和斜坡改进方案的优势，回油效率进一步提升。相比常规轴承腔，当滑油流量为200L/h，转速为15000r/min时，嵌入、斜坡和组合改进方案回油效率分别提高了16.47%,13.02%和32.81%。     

A 3D CFD simulation of oil spray-collection and delivery process in an aeroengine inter-shaft bearing

Under-race lubrication applied to the inter-shaft bearing of aeroengine is characterized by spray oil collection and oil delivery to the bearing via flow-path structure. Droplet splashing induced by the collision between spray oil and the scoop as well as oil flowing characteristics in the flow-path influence bearing lubrication efficiency. In previous investigations, the spray oil collection and oil delivery analysis were separated, and the effect of droplet splashing on bearing lubrication efficiency was not considered. Moreover, time-varying characteristics of oil delivered to the bearing were not accounted for. This is caused by time variations of the circumferential position of rollers and under-race feed holes. To overcome these limitations, a numerical model which integrates the spray oil collection and oil delivery analysis is proposed in this paper. The model is embedded with the function of calculating the flow rate of splashing droplets and analyzing time-varying characteristics of the oil fed to the bearing. Furthermore, the numerical model is validated by experimental investigation. The proposed numerical model facilitates the accurate calculation of bearing lubrication efficiency as well as the design of an efficient lubrication structure.     

圆柱滚子中介轴承拟静力学分析

航空燃气涡轮发动机为了提高性能经常采用中介轴承.中介轴承对发动机转子系统的动力特性的影响很大,但国内外对中介轴承动力学特性的研究却很少.本文采用拟静力学法,通过分析圆柱滚子中介轴承的运动关系和受载情况,建立了相应的计算模型.本文应用所建立的模型,计算了圆柱滚子中介轴承的动力学特性,并将计算得到的滚子打滑率与试验结果进行了比较.在此基础上,进一步对内外圈反向旋转,且内圈与高压转子联接、外圈与低压转子联接的中介轴承进行了分析,研究了保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力随径向载荷变化的关系.研究结果表明,随着径向载荷的增加,保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力均增大.     

航空发动机中介轴承的特性分析

针对内外圈同向旋转和内外圈反向旋转的两种航空发动机圆柱滚子中介轴承, 应用拟静力学法对其进行了分析, 讨论了它们的保持架转速与滚子自转转速随径向载荷变化的规律, 并且比较了二者在各自的工作方式下的工作特性.由特性对比可知, 在内外圈反向旋转, 内圈转速大于外圈转速的工作方式下, 中介轴承具有较低的打滑率, 较高的疲劳寿命, 并且有利于密封和转子的振动稳定性;在内外圈同向旋转, 内圈转速小于外圈转速的工作方式下, 中介轴承受载区滚子自转转速较低, 有利于提高滚子的使用寿命.      

高速滚动轴承喷油润滑油液穿透机理分析

基于空气动力学研究高速滚动轴承环间气流特性,通过建立气相流数学模型和气液两相流数学模型研究润滑油在轴承环间的穿透过程,探究高DN值时润滑油的穿透机理.利用流体体积（VOF）模型对此状态下的空气和润滑油界面进行动态捕捉,以研究润滑油的运动过程、分布特点以及不同参数对环间油液体积分数的影响,得到了高速滚动轴承环间气相流的特性;润滑油在不同转速下进入轴承环间的运动过程;轴承环间气液两相流场的压力、速度特性;轴承环间初始气流场对润滑油进入的影响.结果表明:在轴承小端面靠近内圈附近喷油可以避免湍流对润滑油的影响和干扰,有利于润滑油进入环间;轴承环间存在有利于润滑油贴滚道运动的气流径向作用力,随着转速的增加,该力呈近似线性增加;气流的初始状态影响着轴承环间润滑油的运动状态,润滑油对气流的运动影响较小;较低转速时,轴承环间周向压力变化很小可忽略,较高转速时,其呈现周期性波动,对润滑油进入的影响不可忽视;在较低转速时通过提高喷油体积流量可以有效提高轴承环间油液体积分数,但是高转速时,通过提高喷油体积流量来提高轴承环间的油液体积分数的效果并不明显.      

内圈带缺陷中介轴承的动力学建模与振动响应分析

针对外圈支承于低压转子轴颈,内圈支承于高压转子轴颈支承形式的中介轴承,在考虑轴承径向间隙变化和滚动体通过内圈缺陷时接触变形量发生变化的基础上,建立了内圈含单一故障缺陷的中介轴承动力学模型。数值仿真研究了轴承振动响应的有量纲参数和无量纲参数随缺陷大小,内、外圈转速和径向外载荷变化的规律,得出了若干有益结论,为中介轴承故障诊断提供了有益参考。     

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.      

Analysis of oil shedding and ligaments formation on bearing rotary elements

For designing efficient lubrication system of an aeroengine bearing chamber, sufficient knowledge on oil/air two-phase flow characteristics is required. When analyzing bearing chamber two-phase flow, the essential prerequisite is quantifying the oil ligaments, which are detached from bearing rotary elements and shed into the bearing chamber. Related investigations are mainly targeted at liquid shedding on the rotating disk as opposed to the bearing rotary elements. Moreover, the research based on bearing rotary elements is conducted by experiment. Due to the limited operating conditions, experimental studies cannot guide engineering applications. To overcome these limitations, a theoretical model is established in this paper, for revealing the mechanism of oil shedding from bearing rotary elements and quantifying the shedding ligaments. The theoretical model is validated against experimental results from classical studies. In addition, the correlation for shedding ligaments number based on aeroengine bearing structural and operational parameters is obtained via theoretical analysis. The analytical results demonstrate that oil shedding and ligaments formation appear at the edge of bearing inner race outer-periphery. The number of shedding ligaments increases with the rise of shaft rotational speed while decreases with the growth of oil viscosity.     

工作参数对航空发动机轴承腔内二相流动的影响

作为航空发动机润滑系统油气二相流的重要区域,主轴承腔的工作参数对内部二相流动的影响对于发动机润滑系统设计具有重要意义。利用DPM壁面液膜模型,采用CFD方法对某型发动机轴承腔简化模型内油气二相流进行了数值计算,计算结果与现有试验数据符合良好;给出了轴承腔在不同主轴转速及不同滑油流量下油膜厚度、空气和油膜速度的分布以及出口速度变化规律。     

Research into Configuration and Flow of Wall Oil Film in Bearing Chamber Based on Droplet Size Distribution

The lubrication design and heat transfer determination of bearing chambers in aeroengine require a sufficient understanding of the oil droplet-film interaction and physical characteristic in an oil/air two-phase flow state.The analyses of oil droplet movement,mass and momentum transfer during the impingement of droplet/wall,as well as wall oil film thickness and flow velocity are very important for the bearing chamber lubrication and heat transfer calculation.An integrated model in combination with droplet movement,droplet/wall impact and film flow analysis is put forward initially based on the consideration of droplet size distribution.The model makes a contribution to provide more practical and feasible technical approach,which is not only for the study of droplet-film interaction and physical behavior in bearing chambers with oil/air two-phase flow phenomena,but also useful for an insight into the essence of physical course through droplet movement and deposition,film formation and flow.The influences of chamber geometries and operating conditions on droplet deposition mass and momentum transfer,and wall film thickness and velocity distribution are discussed.The feasibility of the method by theoretical analysis is also verified by the existing experimental data.The current work is conducive to expose the physical behavior of wall oil film configuration and flow in bearing chamber,and also significant for bearing chamber lubrication and heat transfer study under oil/air two-phase flow conditions.