轴承腔油气两相介质流动和热效应理论分析与试验研究

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1、学校代码１０６９９Ｉ分类号Ｖ２３３．４密级学号２００９１００３１５Ａ．．ＶｄｉＭＮＯＲＴＨＷＥＳＴＥＲＮＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣＡＬＤＩＶＥＲＳＩＴＹ博±学位论文題目辅承腔油气两相介质流动和热效应理论分析与试验研究Ｊｂｌ作者孙恒超■业城设村理论＃［师陈国定教授巧期２０１５年１１月瑪？．‘軒ｆ，．西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：轴承腔油气两相介质流动和热效应理论分析与试验研究作者：孙恒超学科专业：机械设计及理

2、论指导教师：陈国定教授2015年11月TheoreticalandExperimentalStudyontheFlowandThermalEffectsofOilAirTwo-PhaseinaBearingChamberBySunHeng-chaoUndertheSupervisionofProfessorChenGuo-dingADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequire

3、mentForthedegreeofDoctorofMechanicalDesignandTheoryXi’anP.R.ChinaNovember2015摘要摘要轴承腔是包纳航空发动机转子支点轴承的容腔，起着收集润滑油、将轴承与高温环境以及灰尘污物等隔离的重要作用。由于处在二次空气系统和润滑系统的界面位置，轴承腔存在着“油滴-空气-油膜”共存的复杂的油气两相流动和换热状态，导致轴承腔润滑和换热设计面临诸多困难和挑战，因为轴承腔润滑和换热设计很大程度上依赖于对腔内油气两相流动和换热状态的准确理解和预测。近年来先

4、进航空燃气涡轮发动机高转速、大推力、小体积以及轻重量的发展趋势对包括轴承腔等机械系统的设计也提出了更高的要求。然而受多种因素的制约，目前轴承腔润滑与换热状态的研究水平与工程设计需求还有很大的差距。在这一背景下，本文关注作为轴承腔润滑与换热研究的基础工作、轴承腔油气两相流动和换热问题研究，重点包括油滴生成、运动和沉积特征以及油膜流动等几方面的研究，具体研究内容如下。（1）根据轴承腔油滴形成及运动过程的特点与旋转喷雾器中雾滴形成和运动特点存在着显著的相似性，本文设计了旋转圆盘腔试验装置的总体结构。然后进行了试验装

5、置子系统的设计和零部件选配，并确定了油矢数量、油滴轨迹和速度以及腔壁油膜宽度等参数的试验测量方案。在试验装置上开展了相关试验，为本文后续工作提供了基础。（2）本文开展了旋转圆盘甩射油矢及油滴特征的理论分析。首先确定了旋转圆盘上油膜的离心力，并根据牛顿粘性定律建立了油膜力学平衡方程，从而计算了油膜流动的厚度和速度分布。之后讨论了旋转圆盘边缘油膜波动及破裂问题，借助波动油膜受力分析确定了油膜破碎临界条件方程，最终确定了油膜破碎形成的油矢数量以及油矢进一步断裂形成的油滴的平均直径。借助油矢数量的试验数据验证了旋转圆

6、盘甩射油矢及油滴特征的理论分析。（3）为提供油滴运动和热状态分析中所需的输入条件，开展了轴承腔气相流动数值计算和相似性分析。首先确定了轴承腔气相流动和换热的连续性方程、动量方程、能量方程以及湍流方程；构建了气相介质流场的离散网格以及确定了边界条件，从而建立了气相流动数值模型，求解了气相流动的速度、压力和温度。根据量纲分析的有关方法推导了轴承腔气相流动相似准则，并根据气相流动数值计算结果拟合了轴承腔气相介质流动速度和温度分布的无量纲相似准则关系式。以他人研究的试验结果评估了文中提出的轴承腔气相介质流动速度分布关

7、系式的误差。（4）在上述工作的基础上，开展了轴承腔油滴运动及其与空气相能量传递分析。首先考虑了油滴与空气的对流换热，嵌入油滴能量方程确定了油滴运动和热状态方程组，并构建了瞬时步进法求解油滴轨迹、速度以及温度的计算流程。确定了轴承腔油滴尺寸分布的数学描述函数，并利用相关试验数据建立了油滴尺寸分布与轴承腔结构及工况参数间的关系。之后，将油滴直径范围进行离散，获得了各直径区间油滴的质量、数I西北工业大学博士学位论文量以及油滴运动轨迹、速度和温度等，进一步计算了轴承腔中油滴相体积和质量含率以及油滴相与空气相的动能和热

8、能传递量。并利用旋转圆盘腔试验装置测量的油滴轨迹、速度及油滴相体积含率的试验结果验证了理论分析模型的可靠性。（5）分析了轴承腔中油滴与腔壁碰撞的沉积和飞溅现象，并确定了油滴与腔壁碰撞沉积准则，给出了油滴与腔壁碰撞的“粘附”、“反弹”、“扩散”及“破裂”四种不同状态时油滴碰撞腔壁的质量、动量和热量沉积率。进而建立了考虑油滴尺寸分布条件的轴承腔轴承甩射油滴碰撞腔壁沉积特征计算模型，获得了沉积油膜质量、动