泛结构条件下轴承腔油气两相流动的模化方法分析.docVIP

泛结构条件下轴承腔油气两相流动的模化方法分析 　　航空发动机轴承腔(下文简称轴承腔)是航空发动机转子支承系统中的重要部件，其工作性能优劣影响到航空发动机的可靠性和寿命.用于润滑冷却功用的润滑油与防止润滑油泄漏的密封空气在轴承腔中形成油气两相流动，轴承腔润滑与换热设计依赖于对腔内油气两相流动的正确理解和分析. 　　自Wlttlg等研制了轴承腔油气两相流动及换热分析的试验台，测量了轴承腔壁面油膜厚度和腔内温度，并计算了轴承腔壁面/润滑介质的局部表面传热系数开始，己有不少学者开展了轴承腔油气两相流动的相关研究.之后的研究工作主要是以Wlttlg试验台确定的简化轴承腔结构为基础展开的，包括腔内油膜厚度和速度的计算，壁面/润滑介质传热系数的工况影响分析及腔内油气两相流动的数值模拟等. 　　迄今的轴承腔油气两相流动分析大多基于简化结构和工况参数面开展，虽说简化结构轴承腔使得理论分析较为简单，但毕竟忽略了轴承腔的工程特点，其研究只能反映个别结构及工况条件下概念或标准型的轴承腔的两相流动特性，难以应对指导轴承腔工程设计的需求.当然，遍及不同航空发动机型号的每一个轴承腔都进行理论和试验研究，存在着受制于计算和试验成本、测试空间、测试精度及测试安全性等因素的限制;若简单将个别轴承腔的研究移植或映射到其他轴承腔分析设计中，又因轴承腔的多样性和复杂性难以保证分析设计的可靠性.因此，解决轴承腔理论与试验研究中普适性与可行性之间的矛盾，建立轴承腔工程结构与分析模型之间的映射关系与方法，是很有益和必要的工作. 　　本文以反映轴承腔油气两相流动物理本质的控制方程为基础，采用方程分析法建立轴承腔油气两相流动相似准则，基于实际结构及工况条件下轴承腔与模化轴承腔油气两相流动几何和力学相似，提出描述实际结构及工况条件下轴承腔油气两相流动的模化模型，实现不同结构及工况条件下轴承腔油气两相流动的“共性”分析.基于模化轴承腔与实际轴承腔的油气两相流动数值分析对比支持了本文提出的分析方法和结果. 　　1轴承腔的结构和工况 　　轴承腔按布置位置不同分为压气机轴承腔和涡轮轴承腔.压气机轴承腔受压气机叶片安装筒鼓结构的影响，某些腔壁有倾角，腔体几何尺寸也要大些.由于远离航空发动机热区，压气机轴承腔的进油、进气及环境温度都较低.涡轮轴承腔结构较规则且腔体几何尺寸较小，但因多处于航空发动机热区，其进油、进气及环境温度较高，另外其轴承腔的密封与轴承的相对方位也有所不同.为了能够在较宽泛的结构条件下进行轴承腔油气两相流动的模化处理，本文列举了4种较具有代表性的轴承腔结构作为模化处理的研究对象. 　　2轴承腔油气两相流动相似准则 　　2.1轴承腔油气两相流动流型 　　轴承腔工作时可能出现均相流动、分层流动和油膜/空气(含油滴颗粒相)流动3种流型10 m大多数情况下轴承腔油膜、油滴和空气是共存的.参考文献的研究结果，轴承腔内空气中所含油滴颗粒的质量占排出润滑油总质量的止例约为25%，按照轴承腔滑油供给量和密封进气量计算空气(含油滴颗粒相)中油滴的体积分数。 　　在满足润滑功能的条件下，轴承腔内空气中油滴的体积分数是很低的，轴承腔犷、分别为1. 45%. 19%. 6 2%.因此空气中存在的油滴对于油气两相流动的影响是有限的，文献的计算结果亦表明油膜/空气分层流动和油膜/空气(含油滴颗粒相)流动两种流型条件下轴承腔内流动特征参数差异较小.故本文未考虑油滴的影响后，将轴承腔内的油气两相流动处理为气液分层流动. 　　2. 2轴承腔油气两相流动的数学描述 　　物理模型的相似必须以物理本质相同为原则.轴承腔油气两相流动的控制方程反映了轴承腔中油气两相流动的物理本质，故面轴承腔油气两相流动的几何和力学相似应立足于相同的控制方程.忽略腔内空气和润滑油的相变并且满足热动平衡假设，轴承腔内油气两相分层流动状态的连续性方程。 　　2.3轴承腔油气两相流动相似准则 　　轴承腔油气两相流动相似分析的一个原则是进油量、进气量和转速等工况参数组成的相似准则数应相等，欲以模化轴承腔映射实际轴承腔以分析油气两相流动问题，需要使两者之间的相似准则数相等.采用方程分析法从式(3)和式(4)中提炼出相似准则数，使模化轴承腔和实际轴承腔中油气两相流动相似准则数相等面形成两者相似的准则. 　　3模化轴承腔的油气两相流动 　　3. 1模化轴承腔油气两相流动的结构处理 　　进行模化轴承腔油气两相流动分析需要确定模化轴承腔的结构和工况条件.采用模化轴承腔处理轴承腔油气两相流动问题，应保证模化模型与实际轴承腔的几何相似.可以依据研究需要给定模化轴承腔与实际轴承腔结构的止例因子，这样模化轴承腔的结构是实