軸承腔油氣兩相介質(zhì)流動和熱效應(yīng)理論分析與試驗研究.pdf

1、軸承腔是包納航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子支點軸承的容腔，起著收集潤滑油、將軸承與高溫環(huán)境以及灰塵污物等隔離的重要作用。由于處在二次空氣系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)的界面位置，軸承腔存在著“油滴-空氣-油膜”共存的復(fù)雜的油氣兩相流動和換熱狀態(tài)，導(dǎo)致軸承腔潤滑和換熱設(shè)計面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，因為軸承腔潤滑和換熱設(shè)計很大程度上依賴于對腔內(nèi)油氣兩相流動和換熱狀態(tài)的準(zhǔn)確理解和預(yù)測。近年來先進(jìn)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機高轉(zhuǎn)速、大推力、小體積以及輕重量的發(fā)展趨勢對包括軸承腔等機械系統(tǒng)的設(shè)

2、計也提出了更高的要求。然而受多種因素的制約，目前軸承腔潤滑與換熱狀態(tài)的研究水平與工程設(shè)計需求還有很大的差距。在這一背景下，本文關(guān)注作為軸承腔潤滑與換熱研究的基礎(chǔ)工作、軸承腔油氣兩相流動和換熱問題研究，重點包括油滴生成、運動和沉積特征以及油膜流動等幾方面的研究，具體研究內(nèi)容如下。
　　（1）根據(jù)軸承腔油滴形成及運動過程的特點與旋轉(zhuǎn)噴霧器中霧滴形成和運動特點存在著顯著的相似性，本文設(shè)計了旋轉(zhuǎn)圓盤腔試驗裝置的總體結(jié)構(gòu)。然后進(jìn)行了試驗裝置

3、子系統(tǒng)的設(shè)計和零部件選配，并確定了油矢數(shù)量、油滴軌跡和速度以及腔壁油膜寬度等參數(shù)的試驗測量方案。在試驗裝置上開展了相關(guān)試驗，為本文后續(xù)工作提供了基礎(chǔ)。
　?。?）本文開展了旋轉(zhuǎn)圓盤甩射油矢及油滴特征的理論分析。首先確定了旋轉(zhuǎn)圓盤上油膜的離心力，并根據(jù)牛頓粘性定律建立了油膜力學(xué)平衡方程，從而計算了油膜流動的厚度和速度分布。之后討論了旋轉(zhuǎn)圓盤邊緣油膜波動及破裂問題，借助波動油膜受力分析確定了油膜破碎臨界條件方程，最終確定了油膜破碎形成

4、的油矢數(shù)量以及油矢進(jìn)一步斷裂形成的油滴的平均直徑。借助油矢數(shù)量的試驗數(shù)據(jù)驗證了旋轉(zhuǎn)圓盤甩射油矢及油滴特征的理論分析。
　?。?）為提供油滴運動和熱狀態(tài)分析中所需的輸入條件，開展了軸承腔氣相流動數(shù)值計算和相似性分析。首先確定了軸承腔氣相流動和換熱的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及湍流方程；構(gòu)建了氣相介質(zhì)流場的離散網(wǎng)格以及確定了邊界條件，從而建立了氣相流動數(shù)值模型，求解了氣相流動的速度、壓力和溫度。根據(jù)量綱分析的有關(guān)方法推導(dǎo)了軸承腔

5、氣相流動相似準(zhǔn)則，并根據(jù)氣相流動數(shù)值計算結(jié)果擬合了軸承腔氣相介質(zhì)流動速度和溫度分布的無量綱相似準(zhǔn)則關(guān)系式。以他人研究的試驗結(jié)果評估了文中提出的軸承腔氣相介質(zhì)流動速度分布關(guān)系式的誤差。
　?。?）在上述工作的基礎(chǔ)上，開展了軸承腔油滴運動及其與空氣相能量傳遞分析。首先考慮了油滴與空氣的對流換熱，嵌入油滴能量方程確定了油滴運動和熱狀態(tài)方程組，并構(gòu)建了瞬時步進(jìn)法求解油滴軌跡、速度以及溫度的計算流程。確定了軸承腔油滴尺寸分布的數(shù)學(xué)描述函數(shù)，

6、并利用相關(guān)試驗數(shù)據(jù)建立了油滴尺寸分布與軸承腔結(jié)構(gòu)及工況參數(shù)間的關(guān)系。之后，將油滴直徑范圍進(jìn)行離散，獲得了各直徑區(qū)間油滴的質(zhì)量、數(shù)量以及油滴運動軌跡、速度和溫度等，進(jìn)一步計算了軸承腔中油滴相體積和質(zhì)量含率以及油滴相與空氣相的動能和熱能傳遞量。并利用旋轉(zhuǎn)圓盤腔試驗裝置測量的油滴軌跡、速度及油滴相體積含率的試驗結(jié)果驗證了理論分析模型的可靠性。
　　（5）分析了軸承腔中油滴與腔壁碰撞的沉積和飛濺現(xiàn)象，并確定了油滴與腔壁碰撞沉積準(zhǔn)則，給出了

7、油滴與腔壁碰撞的“粘附”、“反彈”、“擴散”及“破裂”四種不同狀態(tài)時油滴碰撞腔壁的質(zhì)量、動量和熱量沉積率。進(jìn)而建立了考慮油滴尺寸分布條件的軸承腔軸承甩射油滴碰撞腔壁沉積特征計算模型，獲得了沉積油膜質(zhì)量、動量和熱量。討論了軸承腔若干結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)對油滴與腔壁碰撞沉積特征的影響。根據(jù)軸承腔壁面油膜流動的力學(xué)平衡和質(zhì)量守恒條件計算了油膜的厚度、平均速度和溫度。
　?。?）提出了將軸承腔中油滴和空氣混合物等效為均相介質(zhì)的處理方式，構(gòu)建了描

8、述軸承腔油氣兩相流動和換熱問題的均相介質(zhì)/油膜分層流動和換熱數(shù)值模型，實現(xiàn)了軸承腔油氣兩相流動的速度、壓力和溫度的計算。設(shè)計制造了軸承腔油氣兩相流動和換熱試驗裝置，測量了軸承腔中均相介質(zhì)以及油膜的溫度和壓力，支持了軸承腔油氣兩相流動和換熱數(shù)值分析的合理性。
　　本文的研究工作進(jìn)一步充實了軸承腔油氣兩相流動和換熱的研究內(nèi)容。構(gòu)建了軸承腔軸承霧化潤滑油矢和油滴特征的理論分析方法；提出的借助相似性方法構(gòu)建氣相介質(zhì)流動分布模型能夠提升分析