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。     

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。     

中介轴承环下流道滑油流动及润滑效率分析

航空发动机主轴轴承（中介轴承）大多采用环下供油方式进行润滑,滑油在环下供油流道中的流动特性影响着轴承润滑效率,为了改善迄今滑油流动分析与喷射-收纳滑油分析相割裂及未考虑环下供油孔与滚动体相对位置变化所产生滑油输出时变性影响的不足,提出了考虑滑油输出时变性影响的喷油-收油与滑油流动集成分析方法。首先,将进入环下供油流道的滑油分解为直接喷入收油孔的滑油和沉积于收油环壁面上并沿周向流入收油孔的滑油,通过计算这两部分滑油流量获得进入环下供油流道的滑油流量;然后,基于环下供油孔和滚动体相对位置变化规律确定供油孔出口的时变边界条件,将其嵌入滑油流动瞬态分析模型,进行模型求解后得到环下供油流道各出口的滑油流量及轴承润滑效率。所提出的滑油流动分析方法较为系统也更符合工程实际,为中介轴承润滑效率的准确计算提供了技术方法和基础数据,有助于中介轴承润滑系统的精确设计。     

径向油孔结构对环下润滑高速轴承内部流动特性的影响研究

为了研究径向油孔结构对环下润滑高速轴承内部流动特性的影响规律，根据高速轴承内部流动特征建立了数值计算方法，针对包含输油通道、径向油孔和轴承组件的物理仿真模型开展了油气两相流动计算，对比并讨论了不同径向油孔结构下轴承内部的油气分布和黏性摩擦损失。数值模拟结果表明，径向油孔孔径增大后轴承内部的平均滑油体积分数单调增加且滑油分布更均匀。径向油孔布设在周向油槽的同侧有利于提升轴承内部的平均滑油体积分数，同时滑油沿周向分布的均匀性较好。轴承组件表面扩展参数受径向油孔结构的影响，其变化趋势与平均滑油体积分数的变化相似。全部采用经验公式预测得到的黏性摩擦损失整体偏高，且不能反映径向油孔结构参数的影响，数值模拟和经验公式相结合计算得到的黏性摩擦损失与直接采用数值模拟获得的结果表现出较好的一致性。     

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。     

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。     

双转子轴间滑油颗粒运动轨迹参数化模型

为研究双转子轴间滑油颗粒运动对环下润滑收油效率及轴承腔油气分离效率的影响,建立了对转轴间在边界层流场结构下基于质点运动学的滑油颗粒运动轨迹参数化模型,并采用经实验验证的计算流体力学（CFD）数值计算结果进行验证。双转子轴间的边界层流场结构的确定运用了对湍流边界层卡门三层结构速度分布进行修正的方法。结果表明：给出的参数化模型可以很好地描述双转子轴间的滑油颗粒运动规律。直径较大的颗粒径直或沿弧线迅速到达外轴,而直径较小的颗粒中存在一个在给定停留时间内使颗粒无法到达外轴的最大直径,小于这一临界直径的颗粒在有轴向气流时将被吹离轴间环腔。     

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%。     

轴承腔甩油盘结构优化设计

根据轴承腔中采用环下供油方式冷却跑道的特点,设计出两种不同结构方案的甩油盘。分别建立其气液两相流的流体域数值分析模型,采用CFX软件对跑道下表面的流场进行计算,得到滑油的质量流量和体积分数。运用ANSYS Workbench的多参数响应面优化设计方法,以滑油有效冷却流量为目标函数,得到甩油盘各个结构参数在限定范围内的极值及对应的结构参数值,并将优化后的结构参数构造的数值分析模型输入CFX软件中,对其计算结果进行检验,证明了优化设计的可靠性。通过对比两个甩油盘方案的优化结构,选出了更优的结构方案,可为工程设计提供参考。     

旋转状态下涡轮叶片复合冷却结构

采用三维流固耦合换热计算研究了旋转状态下涡轮叶片冷却结构的复合冷却性能,讨论了辐射换热和转速对综合冷却效果的影响.结果表明:结构1叶根处出现局部高温区,低冷却效率范围大,叶片整体温度分布不均匀,结构2通过更合理的气膜流量分配提高了前缘附近冷却效率,降低了叶片表面最高温度,结构3采用内部蛇形通道使吸力面冷却效率显著提高,叶片整体冷却效率分布较为均匀;考虑壁面辐射换热时叶片表面温度升高,当表面发射率为1时局部温升超过50K,壁面辐射换热的影响不能被忽略;压力面综合冷却效率随转速增大而升高,3种结构的局部冷却效率最高分别能提升15.6%,13.4%和16.4%,吸力面上除弦中区冷却效率随转速升高有所降低外,其余位置冷却效率变化不大.      

Novel design and simulation of curved blade oil scoop with high oil capture efficiency

As the load and working environment temperature increasing, high efficiency oil lubrication was urgently needed for the main bearing of aeroengine. However, the low oil capture efficiency of radial oil scoop affects the application of under-race lubrication structure with radial oil collection. In this work, a novel design of curved blade oil scoop for under-race lubrication is proposed to improve the oil capture efficiency. First of all, the principle of relative velocity optimization is proposed by analyzing the collision process between blade and oil jet for theoretical research. Then, the theoretical curve equations of blade inlet under three different oil jet incidence conditions are solved. After that, the monotonicity of the theoretical curves is analyzed. The effects of rotation speed, oil jet velocity, eccentric distance of oil jet, and include angle of curve are analyzed. The location of the collision points of proposed theoretical curves are also been optimized. Finally, a transient Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation of the novel oil scoop design was carried out. The simulation results show that the capture efficiency of curved blade oil scoop can be improved by 30% comparing to the traditional design.     

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.     

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。      

涡轮叶片内部通道流动换热算法改进

在使用工程计算方法对涡轮叶片温度场进行计算时,往往将叶片内流通道简化成光滑或带肋的换热管元件,容易忽略 各内流管段之间的影响,造成计算得到的叶片3维温度场与真实温度场存在较大差异。针对上述问题,为了提高对涡轮叶片3维 温度场模拟的准确度,对涡轮叶片内流通道的换热流动算法进行改进。考虑涡轮内部蜿蜒通道中弯转区和弯转效应2种因素对 涡轮内部流动换热的影响,使用试验得到的数据对2种因素影响区域的换热情况进行修正,利用修正后的算法对某工作叶片进行 温度场计算,并对修正前后叶片温度场进行了对比分析。结果表明：采用修正后算法得到的蜿蜒通道内的气体温度相较于修正前 算法得到的沿程升高更多,修正后算法求得的叶片整体平均温度降低,最大温差增大。     

大涵道比涡扇发动机风扇转子叶片优化

采用掠形设计技术对一台大涵道比涡扇发动机的风扇转子叶片进行了三维优化.通过三维定常Navier-Stokes（N-S）方程计算,分析了叶片尖部及根部掠形设计参数对风扇转子性能的影响.结果表明,叶片尖部前掠和根部后掠都能增加风扇转子的堵点流量,扩大其稳定工作范围.采用叶片尖部前掠和根部后掠的组合方案优化了叶片.单转子计算结果表明,优化后叶片的堵点流量增加约2%,设计流量点总压比和等熵效率分别增加5%和2%;风扇/增压级整机内外涵联算结果表明,优化后在起飞、巡航和爬升转速下,外涵的稳定工作范围都明显增加,巡航转速下,堵点流量增加约2.3%,失速点流量减小约5.2%,设计流量点的外涵总压比和等熵效率分别增加2%和0.8%,优化后内涵特性没有明显变化.      

某型直升机中减速器飞溅润滑流场特性分析

为了分析某型直升机中减速器飞溅润滑内部流场特性,基于计算流体动力学(CFD)方法,运用流体体积（VOF）多相流模型和湍流模型,建立了包含齿轮箱体、螺旋锥齿轮和导油器等部件的中减速器飞溅润滑数值仿真模型,得到了中减速器飞溅润滑过程中的流场特性,实现了中减速器内部瞬态流场的可视化,分析了齿轮转速、浸油深度对关键位置润滑油流量的影响。结果表明:齿轮啮合处润滑油流量与齿轮转速、浸油深度成正相关;导油管内润滑油流量与导油器油量饱和值有关,当油量大于该值时,导油管内润滑油流量随着齿轮转速的增大而增大,随着齿轮浸油深度的增大而不变。搭建了螺旋锥齿轮箱飞溅润滑试验系统,将飞溅润滑过程中圆孔润滑油流量试验结果与相应的仿真结果进行对比,最大误差为9.5%,验证了仿真方法的正确性。      

气-固耦合设计对斜流叶轮性能影响的数值分析

为了获得在设计工况下性能最佳的叶型,提出一种三维单向气-固耦合迭代设计方法。对三维气动设计得到的热态叶型（记为RT)进行单向气-固耦合计算,获得设计点流场特性和热态叶型变形量。采用基于面积平均的三维插值造型方法,分别获得进行机匣处理和不进行机匣处理的冷态叶轮(分别记为RC和RC-tip)。对冷热态叶轮流场的数值分析结果表明:与热态叶轮相比,冷态叶轮在设计转速下堵塞点流量提高1.93%;冷态叶轮的叶片最小负荷下降约30%;在低转速下,冷态叶轮的性能曲线优于热态叶轮;说明通过该设计流程得到的冷态叶轮在叶片负荷和流通能力等方面实现了优化。      

采用基于神经网络及遗传算法的叶轮机械叶片三维优化设计方法开发高载荷透平动叶片

为了提高透平的内效率及降低制造成本，采用基于神经网络及遗传算法的叶轮机械叶片三维优化设计方法，开发了一种高载荷动叶片。该叶片是以5个截面的重心沿径向积叠而成。每个截面的内背弧是以基于叶型中弧线的Bezier曲线来构造。三维流动分析表明，新叶片提高效率0．5％。通过减少叶片数约15％，新开发的高载荷动叶片不仅有效地提高了透平的内效率，同时降低了透平重量和制造成本。     

叶根倒角对微小型离心压气机气动性能的影响

为了研究叶根倒角对微小型离心压气机流场及气动性能的影响,对1个带有分流叶片的微小型离心压气机进行数值模拟及理论分析。结果表明:叶根倒角最小角度对主叶片及分流叶片表面的静压分布影响不大,压气机总压比几乎不变,但效率提高明显,最大可提高0.99%。压气机效率的提高,一方面是由于通道涡的削弱减小了损失;另一方面是主叶片吸力面根部附近低速区减小和流线弯曲程度降低,提高了根部附近的流通能力,减少了横向流动,从而减小了二次流的损失。另外,叶根倒角最小角度变大,降低了叶片出口处气流的不均匀性,从而减小了损失。