轴承腔壁面液膜厚度测量系统的设计与实现

航空发动机轴承腔壁面液膜厚度影响轴承腔的换热,准确测量轴承腔壁面液膜厚度对轴承腔润滑设计和热分析至关重要。针对轴承腔壁面液膜厚度难测的问题,根据脉冲反射法的基本原理,设计超声波测量系统,系统主要包括数据采集卡、电缆、探头以及延迟块等硬件以及由VC++开发的软件。以水作为介质,测量不同温度、不同倾斜角度条件下液膜厚度,并将测量结果与计算值进行对比,验证测量系统的准确性与可靠性。测量结果显示:在测量范围内,最大相对误差小于7.1%,满足工程实践要求。     

轴承腔壁面液膜厚度数值模拟与实验测量

通过轴承腔壁面油膜厚度的实验测量以及数值模拟,对建立轴承腔壁换热模型、完善轴承腔热分析具有重要意义。通过轴承腔壁油膜流动进行量纲分析,提出了轴承腔表面的二维计算模型,并完成了对试验件的数值模拟。采用超声测量系统对轴承腔两个不同点处进行了油膜厚度测量,得到轴承腔油膜厚度随转速以及滑油流量的变化关系。将数值模拟结果与实验值进行对比表明:在计算工况条件下,测量点处最大误差小于8%,满足工程实践要求。     

航空发动机热区轴承腔壁面油膜流动及温度特性

将热区轴承腔壁面油膜划分为若干上下游相互关联的流动控制单元,结合壁面油膜流动状态以及油滴的运动状态进行单位时间内各壁面油膜控制单元中的油滴/油膜碰撞转移分析,基于此构建壁面油膜控制单元的非定常质量、动量和能量方程,并利用Matlab自编软件求解获得轴承腔壁面油膜厚度分布、流动速度分布和温度分布特性,最终形成轴承腔壁面油膜流动及温度特性分析的方法。结果表明:在所研究的工况范围内,轴承腔壁面油膜厚度分布在0~1 mm内,油膜速度分布在0~5 m/s范围内,壁面油膜温度分布在100~140 ℃范围内;轴承腔左右两侧的壁面油膜厚度、速度和温度都随着周向角度的增加而不断增加,且在相同工况下轴承腔壁面油膜的最高温度比最低温度增加了约为13%;随转子转速的增加,轴承腔壁面油膜的速度及温度是增加的,而壁面油膜的厚度是减小的;随着进油量的增加,轴承腔壁面油膜厚度和速度是增加的,而油膜温度略有下降。开展的航空发动机热区轴承腔壁面油膜流动及换热特性研究工作,为轴承腔润滑系统的精确设计提供了理论支持和基础数据。     

高转速下轴承腔内壁油膜流动建模

结合国外已有试验工作,提出描述轴承腔壁面油膜运动的分析模型,并进行若干工况条件的影响分析.研究结果表明,轴承腔中油膜流动具有累积特点,表现出在排出口之间油膜厚度逐渐增大;旋转件转速的增加减小了壁面油膜厚度,但却提高了油膜平均速度;随着入口滑油流量的增加,壁面油膜厚度和平均速度都随之增加.理论分析及其与试验工作的比较都表明,提出的基于试验研究预测轴承腔中油膜运动物理状态的方法,对于在有限试验条件下研究轴承腔中壁面油膜运动机理、继而开展轴承腔内传热分析和润滑分析,是有价值的技术途径.      

轴承腔内壁油膜运动特性的数值研究

为了获得航空发动机轴承腔内壁油膜运动特性,对油滴在轴承腔内运动、油滴/壁面相互作用及油膜的流动进行研究,建立了一套完整的数学计算模型,利用Star-CD商业软件对油膜的运动进行非稳态数值计算,在验证计算模型合理性的基础上,对不同主轴转速下轴承腔两相流动的运动特性进行研究。研究表明:油膜在轴承腔壁面经历从形成到基本稳定的过程。在油膜流动稳定的状态下,随转速的增加,壁面油膜厚度呈减小趋势,而壁面油膜速度却呈增加趋势,油滴撞击油膜动量随转速的增强是主要因素。此外,空气对油膜的剪切作用对油膜流动的加速产生积极作用,且转速越高越显著。     

轴承腔油滴沉积特性及油膜流动特征分析

轴承腔的润滑和换热设计依赖于对腔内油气两相流动和换热状态的准确理解。针对先前研究工作的不足,在包含油滴碰撞腔壁热量交换、沉积热量以及油膜温度即考虑温度效应的条件下,开展了油滴沉积特性及油膜流动特征分析。首先分析了单个油滴碰撞腔壁沉积特性,确定了油滴的沉积质量、动量和热量。其次在考虑油滴尺寸分布的条件下,通过离散油滴尺寸范围的方式确定了腔内所有油滴碰撞腔壁的沉积油膜质量、动量和热量。最后借助力学平衡和质量守恒条件,以上述参数为基础计算了腔壁油膜温度以及速度和厚度的分布情况。计算结果表明,随着转子转速的增加,油滴的质量、动量和热量沉积率有所降低,一次沉积油膜质量、沉积油膜动量、沉积油膜热量以及油膜速度均有所增加,而油膜厚度降低。通过与试验数据的对比表明,提出的轴承腔油滴沉积特性及油膜流动特征分析方法是较为可靠的,并且考虑温度效应使油膜厚度的计算更为准确。分析工作为轴承腔的润滑和换热设计提供了一定的参考依据。     

基于DPM与VOF方法轴承腔内滑油瞬态特性对比

为了研究航空发动机轴承腔内油气两相流流动特性,分别采用DPM方法和VOF方法建立了完整的数学模型,并对轴承腔内的两相流动进行了非稳态的数值模拟,获得了不同转速情况下内壁面油膜厚度和滑油体积分数的动态变化过程。通过与实验数据的对比及两种方法计算结果的对比,验证了模型的合理性。进一步计算了增大滑油流量情况下腔内滑油分布。研究结果表明：油膜在轴承腔壁面经历从形成到基本稳定的过程,历时约0.8 s;油膜的生成位置及发展速度受转速影响较大,空气对油膜的剪切作用对油膜分布的均匀性有积极作用。     

运动油滴/固体壁面斜碰撞的状态辨识及特征分析

 航空发动机轴承腔油气两相流动与换热研究是轴承腔润滑与换热设计的重要基础工作,而运动油滴与轴承腔壁面的碰撞状态辨识及特征分析是轴承腔油气两相流动与换热研究的组成部分。基于VOF方法建立了运动油滴与固体壁面斜碰撞数值仿真模型,实现了运动油滴与固体壁面斜碰撞状态的数值模拟,分析了碰撞油滴直径、入射角和碰撞速度对沉积油膜铺展长度、油膜堆积厚度和溅射油滴数目等碰撞状态特征参数的影响规律,提出了运动油滴与固体壁面斜碰撞条件下的状态判断准则,并得到了文献的物理试验工作的支持。研究结果表明:随着油滴入射角减小,沉积油膜铺展长度和油膜堆积厚度增大,溅射油滴数目减少;随着碰撞速度和油滴直径的增大,沉积油膜铺展长度和溅射油滴数目均增大,但油膜堆积厚度对应前者呈减小趋势、对应后者仍呈增大趋势。     

密封气流流量对轴承腔外壁滑油运动的影响

为了研究密封气流质量流量对轴承腔外壁面上滑油分布及温度分布的影响，基于拉格朗日离散相模型（DPM）和液膜模 型，利用STAR CCM+商业软件对轴承腔内油滴运动、油滴向油膜的转化以及油膜在轴承腔内的运动开展非稳态数值模拟计算，并 与德国Karlsruhe 大学轴承腔油膜厚度试验结果进行对比。结果表明：计算值与试验值在高转速下一致性较好，平均相对误差 13.6%；低转速下由于空气分布均匀性较差，个别工况点计算值与试验值存在一定误差，但最小相对误差在4%，总体上具有较好一 致性；随着轴承腔密封气流的质量流量的增加，轴承腔内空气的平均流动速度提高，对轴承腔外壁面上油膜的剪切作用和扰动能 力增强，导致轴承腔的外壁面油膜厚度和稳定性降低；轴承腔外壁面上的温度分布与油膜的厚度分布一致，最小温度分布在壁面 上被油滴冲击位置；随着轴承腔密封气流的质量流量的增加，轴承腔外壁面上低温分布范围增大，但温度分布均匀性变差。     

基于荧光油膜的全局表面摩阻测量技术研究

针对表面摩阻传统测量方法的单点性和间接性,探索了荧光油膜进行全局表面摩阻分布的直接测量方法.建立了表征荧光油膜厚度与表面摩阻之间关系的油膜控制方程,引入附加约束和积分最小化方法,采用变分迭代方法求解表面摩阻分布.研制了可用紫外光激发的荧光油膜,采用紫外光源和高分辨率CCD相机,建立荧光油膜表面摩阻测量硬件系统.针对特定的三角翼模型进行了表面摩阻分布测量实验,获得了高分辨率的表面摩阻分布和相对幅值分布,并与文献理论进行比较分析.实验结果与理论分析完全一致,表明了基于荧光油膜的全局表面摩阻测量技术的有效性.     

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.     

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。     

轴承腔油气两相介质流动与热分析

为获得轴承腔油气两相介质流动与热分析计算方法,探究轴承腔油气两相介质流动换热规律。以某发动机轴承腔结构为对象,运用CFD方法分析轴承腔中两相介质流动速度、温度分布、体积分数和传热系数分布。基于试验获取轴承腔内外不同位置局部温度,利用温度梯度法计算热流获得传热系数。结果表明:两相介质的流动速度随径向高度增大呈现先增大后减小趋势,在无量纲径向高度为0.6时流速最大。轴承腔中转子及壁面之间的区域两相介质的温度随径向坐标增大呈现先减小后增大趋势。轴承腔内滑油主要分布在回油池及轴承腔外壁面上,回油池旁边其剪力分量和重力方向一致区域的油膜较薄,局部传热系数较小,其方向相反区域的油膜较厚,局部传热系数较大。      

基于异频扰动和CFD技术的滑动轴承动力特性系数识别方法

目前CFD技术已广泛应用于滑动轴承的数值仿真中,但还存在两个问题,相对于传统的通过求解Reynolds方程获得流体压力场和油膜力的方法,如何通过CFD计算结果来识别得到动力特性系数,以及CFD方法误差有多大。针对这些问题,本文基于同幅异频位移激励技术,同时充分考虑惯性力、刚度、阻尼交叉项等因素给出了一套适用于挤压油膜阻尼器、可倾瓦轴承、固定瓦轴承等多种模型的动力特性识别方法,应用该方法可以一次性识别出油膜的动力特性系数。通过滑动轴承算例与短圆瓦轴承刚度阻尼理论解进行对比,验证了该方法的准确性。     

基于Elman的荧光油膜厚度近效测量

为解决荧光油膜灰度与厚度现标定方法（微小高度装置法）存在采集工况复杂、标定周期较长等缺陷，提出了一种新的近效测量方法，该方法只需极少量标定数据，便可达到与现标定方法相近的效果。近效方法利用了Elman动态神经网络对小样本数据进行量程扩展并引入一维插值算法使扩展后的数据项平滑，对解算出的三维荧光油膜厚度数据采用二维插值算法进行二次平滑以求得完整的厚度分布图。经模拟试验结果显示，通过该近效方法进行厚度测量最终可以清晰、准确、定量地显示荧光油膜厚度分布，与目前广泛使用的微小高度装置法相比效果相近，在荧光油膜汇集处（较厚区域）误差最大不超过±2.5μm，在平滑适中及较薄区域误差不超过±2μm，达到荧光油膜厚度工程测量标准，为飞行器全局摩阻测量提供了一种新标定思路，具有一定的实际工程应用意义。     

不同流型下轴承腔中油气介质的流动特征参数

 航空发动机轴承腔两相介质流动状态的理解对于润滑和二次空气流动系统的设计是十分重要的。借助于流型分类进行两相介质流动研究,是揭示轴承腔中两相介质流动物理本质的可行途径。由于航空发动机轴承腔润滑状态的复杂性,难以从物理试验直观判断流型类别,通过流动特征参数的差异性判断流型类别是值得探索的方法。发动机轴承腔可能出现的流型有均相流动、分层流动和油膜/空气（含油滴颗粒相）流动。针对这3种流型类别,分析了润滑介质压力和速度相对于不同流型表现出的差异性及其分布特点,同时探讨了转子转速、供油量和密封进气量等工况条件对这种差异性的影响。研究工作表明：轴承腔中润滑介质的压力和速度可以作为判别两相介质流型的特征参数,并且这一判别技术具有较好的鲁棒性。