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。     

泛结构条件下轴承腔油气两相流动的模化方法

首先根据热力学、流体力学的基本定理对航空发动机轴承腔油气两相流动的相似性进行了数学推导,获得了弗劳德数、欧拉数、雷诺数、普朗特数和埃克特数等相似准则数,遵循系统几何相似和动力相似等相似准则建立了航空发动机泛结构及工况条件下轴承腔油气两相流动的模化模型;并对实际轴承腔及模化轴承腔的油气两相流场进行了数值求解,模化轴承腔与实际轴承腔无量纲速度、温度和压力分布一致性较好,支持了提出的轴承腔油气两相流动相似准则和模化方法的可靠性.泛结构条件下轴承腔油气两相流动模化方法对于指导轴承腔油气两相流动试验设计及推进理论分析向航空发动机工程设计转化都有一定的参考价值.     

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。     

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。      

轴承腔内壁与油膜换热的数值模拟与试验

航空发动机后轴承腔内壁与滑油的换热分析是轴承腔热防护结构设计的基础。对航空发动机轴承腔内壁换热模拟试验件开展试验与数值模拟研究,得到了滑油油膜对轴承腔内壁的换热影响。通过测量试验件外壁面、内壁面以及滑油油膜的温度得到了试验件内壁面换热热流密度与换热系数的分布;结合CLSVOF(Coupled Level Set and Volume Of Fluid)油/气两相流以及热-流-固耦合计算方法对试验件进行了换热分析,并将内壁对滑油的局部热流量的计算结果与试验结果进行了对比,结果显示两者在各个工况下均吻合较好。通过将局部换热系数计算值与当地的滑油流动雷诺数Rel进行对比分析,结果显示内壁局部努赛尔数Nuw与Rel的0.7次方成正比关系。另外,对转速对换热的影响进行分析得到Nuw与旋转雷诺数Re_(rot)的0.345次方呈正比关系。     

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%。     

考虑油气传热传质耦合的轴承腔内壁油膜运动研究

为研究航空发动机轴承腔油气两相流动及内壁面油膜运动特性,建立了腔内油滴-空气双向耦合数学模型和内壁面油膜传热传质运动模型,并对油气流场及不同供油流量下油膜的流动进行计算,获得腔内两相流场特性及内壁面油膜厚度、周向速度分布。结果表明:在所计算工况中,双向耦合计算流场与单向计算结果至少相差10%,因而不可忽略油滴对空气流动的影响;腔内滑油蒸汽质量分数低于0.05%,则空气-油滴之间粘性力产生的拖曳作用是影响流场的主要因素;随着供油流量的增加,油膜厚度及周向速度都呈增加趋势,但与滑油流量的增幅并不成正比。与国外试验数据的对比证明所建数学模型合理且有效。     

轴承腔油气两相流数值模拟的试验验证

为探索一种适于模拟轴承腔油气两相流流动特性的数值计算模型,建立了一套简化结构的轴承腔试验装置,通过试验研究获得了不同工况对轴承腔通风口出气比例和回油口滑油温升的影响规律.应用Fluent软件,采用Mixture多相流模型和Eulerian多相流模型分别搭配标准k-ε湍流模型和RNG(renormalization group) k-ε湍流模型对选定试验工况进行数值模拟.对比结果表明:当转速为2200r/min时,使用Mixture多相流模型搭配RNG k-ε湍流模型计算的滑油温升与试验值的相对误差仅为2.72%,体现了该计算模型在高转速时的精确性,并在此基础上获得了油气两相流速度场、压力场和温度场的分布特征.      

航空发动机轴承腔换热特性研究

轴承腔是航空发动机机械系统的重要组成部分,其换热特性对滑油系统热分析有决定性影响,为此,对航空发动机典型轴承腔的换热特性进行研究。以ANSYS有限元分析软件结合APDL语言,对典型轴承腔进行有限元建模,并对边界条件进行计算加载,得到了在不同供油量和滑油供油温度下的轴承腔换热特性曲线。采用本方法计算的轴承腔特性与发动机地面试车数据符合性良好,所得到的典型轴承腔换热特性曲线可简化滑油系统热分析,取得很好的系统计算结果。并开辟了通过提高轴承腔换热特性曲线精度而提高系统计算精度的研究途径。本文的计算方法及结果可为发动机整机试车及润滑系统设计提供参考。     

构建航空发动机滑油系统稳态模型

研究模拟不同飞行条件下滑油系统稳态工作对滑油系统的设计和故障诊断具有重要的参考价值。基于部附件特性，提出了依据8个航空发动机性能参数，用向量计算和插值算法取代迭代算法来构建滑油系统稳态模型的方法，并对发动机在海平面、最大工作状态条件下的滑油系统性能参数进行了验证计算。计算结果与设计数据吻合较好，误差在5％以内，表明所建立的稳态模型是有效的。滑油在各轴承腔和齿轮箱中的流量分配随空气压力变化，计算误差主要来自轴承腔和齿轮箱压力分布假设，为进一步提高计算精度，必须建立航空发动机内部空气系统模型。     

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。     

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.     

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.      

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.     

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。     

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。      

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。