轴承腔油滴含率及油滴相与空气能量传递分析.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar.252016V01.37No.31060.1073ISSN1000.6893CN11.1929/Vhttp://hkxb.buaa.edu.CRhkxb@buaa.edu.cnDOI:10.7527/$1000—6893.2015.0086轴承腔油滴含率及油滴相与空气能量传递分析孙恒超,陈国定*,王莉娜,王菲西北工业大学机电学院,西安710072摘要:为了改善迄今轴承腔油滴运动分析未包含油滴与空气热量传递以及油滴相/空气

2、介质均相处理中油滴含率确定方式不够准确的不足,借助单个油滴运动分析和油滴尺寸分布提出了轴承腔油滴含率及油滴相与空气能量传递分析方法。首先在考虑单个油滴与空气对流换热条件下,将油滴能量方程嵌入运动方程,并同步离散求解油滴运动方程和能量方程,实现了单个油滴运动速度和温度的联立求解,通过与试验结果对比证明考虑温度效应有助于提升油滴速度计算的准确性;然后确定了轴承腔油滴尺寸分布,并离散油滴尺寸分布范围以及轴承腔流场空间,进行油滴运动分析确定了轴承腔不同径向位置处油滴的体积和质量含率及油滴相与空气的动能和热能传递量

3、。构建了圆盘腔油滴含率试验台,开展了油滴体积含率的试验测量,理论计算值与试验值较为吻合,验证了轴承腔油滴含率分析方法的有效性。关键词:航空发动机;轴承腔;液滴;液滴尺寸分布;对流换热;含率;热能;动能中图分类号:V233.4文献标识码:A文章编号:i000—6893(2016)03—106014航空发动机轴承腔起着保证主轴轴承安全工作的重要作用,因此近年来发动机高转速、高运行温度以及大进气比的发展趋势[13对提升轴承腔设计水平有着较为急迫的需求。在轴承腔中通过篦齿密封进入的空气受转子带动及外部环境的加热作

4、用具有很高的切向速度和温度;由轴承运动元件甩出的润滑油滴射向轴承腔,在空气热力作用下油滴的速度、位置和温度在不断变化,并在离心力作用下运动到腔壁上沉积形成油膜;最终油膜和空气分别从排油口和通风口流出轴承腔。轴承腔高效的润滑和冷却设计依赖于准确地理解腔内油滴/空气/油膜共存的复杂的油气两相流动和换热状态,因此轴承腔油气两相流动和换热状态研究得到了广泛的关注。就涉及到轴承腔油滴和空气流动的研究而言,以往的研究主要是开展了单相空气介质流动分析、油滴运动分析和基于油滴/空气介质均相处理的油气两相流动数值仿真等工作

5、。Glahn和Simmons等心。33借助计算流体力学(Computation—alFluidDynamics,CFD)软件对轴承腔单相空气介质流动进行了数值仿真,继而确定了油滴受到的空气阻力作用,并利用拉格朗日数值方法计算了若干典型尺寸油滴的运动速度和轨迹。Farrall等[4‘1则将描述油滴运动的子模型嵌入CFX软件并计算了典型航空发动机轴承腔的空气流动和油滴轨迹。陈国定等邸11分析了轴承腔结构工况与油滴直径分布参数的关系,并基于油滴尺寸分布开展了油滴运动及沉积分析。Chen等口。91则提出了轴承腔油

6、滴变形模型,并计算了轴承腔油滴变形和运动情况。吕亚国等[1叩同时考虑了油滴运动对空气的作用,建立了轴承腔油气流动的双向耦合模型,并重点关注了油滴运动对空气速度和收稿日期:2015—02—10;退修日期:2015—03—04;录用日期:2015—03—13;网络出版时间:2015—03—2716:54网络出版地址:WWWcnki.net/kcms/detail/11.1929.V.201503271654001htmI基金项目:国家自然科学基金(51275411)*通讯作者Tel:029—88493929E

7、-mail:gdchen@nwpueduON引用格武:孙恒超,陈国定.I莉铘,等.轴承腔油滴含率及油滴相s空气能量传递分析!J],航空学报.2016,37(3):1060.1073.SUNHC,OHENGD·WANGLN·etalOildropletsfractionsandoildroplets/airenergytransferanalysm{nbearingchamber[如Ac—taAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(3):1060.1073,孙恒超,等

8、:轴承腔油滴含率及油滴相与空气能量传递分析湍动能的影响。在油气两相流动数值仿真工作方面,Flouros等¨¨按照进油量和进气量的比例将油滴和空气进行了均匀化处理,确定了均相介质的密度、比热和热导率等物性参数,并使用CFX软件对轴承腔回油管中油气流动进行了数值计算。陈国定等[12。13。将油滴相/空气混合物按一定油气比例简化为均相介质,建立了均相介质/壁面油膜分层流动分析模型并展开油气两相流场的数值计算。然而,以往关于轴承腔油滴

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