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

1、軸承腔是包納航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支點(diǎn)軸承的容腔，起著收集潤(rùn)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(rùn)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(dòng)和換熱狀態(tài)，導(dǎo)致軸承腔潤(rùn)滑和換熱設(shè)計(jì)面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，因?yàn)檩S承腔潤(rùn)滑和換熱設(shè)計(jì)很大程度上依賴于對(duì)腔內(nèi)油氣兩相流動(dòng)和換熱狀態(tài)的準(zhǔn)確理解和預(yù)測(cè)。近年來(lái)先進(jìn)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、大推力、小體積以及輕重量的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)包括軸承腔等機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)

2、計(jì)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(rùn)滑與換熱狀態(tài)的研究水平與工程設(shè)計(jì)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(rùn)滑與換熱研究的基礎(chǔ)工作、軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱問(wèn)題研究，重點(diǎn)包括油滴生成、運(yùn)動(dòng)和沉積特征以及油膜流動(dòng)等幾方面的研究，具體研究?jī)?nèi)容如下。
　?。?）根據(jù)軸承腔油滴形成及運(yùn)動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)噴霧器中霧滴形成和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)存在著顯著的相似性，本文設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)圓盤腔試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)。然后進(jìn)行了試驗(yàn)裝置

3、子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yàn)測(cè)量方案。在試驗(yàn)裝置上開展了相關(guān)試驗(yàn)，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(jì)算了油膜流動(dòng)的厚度和速度分布。之后討論了旋轉(zhuǎn)圓盤邊緣油膜波動(dòng)及破裂問(wèn)題，借助波動(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(dòng)數(shù)值計(jì)算和相似性分析。首先確定了軸承腔氣相流動(dòng)和換熱的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及湍流方程；構(gòu)建了氣相介質(zhì)流場(chǎng)的離散網(wǎng)格以及確定了邊界條件，從而建立了氣相流動(dòng)數(shù)值模型，求解了氣相流動(dòng)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(dòng)相似準(zhǔn)則，并根據(jù)氣相流動(dòng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果擬合了軸承腔氣相介質(zhì)流動(dòng)速度和溫度分布的無(wú)量綱相似準(zhǔn)則關(guān)系式。以他人研究的試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估了文中提出的軸承腔氣相介質(zhì)流動(dòng)速度分布關(guān)系式的誤差。
　　（4）在上述工作的基礎(chǔ)上，開展了軸承腔油滴運(yùn)動(dòng)及其與空氣相能量傳遞分析。首先考慮了油滴與空氣的對(duì)流換熱，嵌入油滴能量方程確定了油滴運(yùn)動(dòng)和熱狀態(tài)方程組，并構(gòu)建了瞬時(shí)步進(jìn)法求解油滴軌跡、速度以及溫度的計(jì)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(yàn)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(yùn)動(dòng)軌跡、速度和溫度等，進(jìn)一步計(jì)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(dòng)能和熱能傳遞量。并利用旋轉(zhuǎn)圓盤腔試驗(yàn)裝置測(cè)量的油滴軌跡、速度及油滴相體積含率的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析模型的可靠性。
　?。?）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(kuò)散”及“破裂”四種不同狀態(tài)時(shí)油滴碰撞腔壁的質(zhì)量、動(dòng)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(jì)算模型，獲得了沉積油膜質(zhì)量、動(dòng)量和熱量。討論了軸承腔若干結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)對(duì)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(dòng)的力學(xué)平衡和質(zhì)量守恒條件計(jì)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(dòng)和換熱問(wèn)題的均相介質(zhì)/油膜分層流動(dòng)和換熱數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)了軸承腔油氣兩相流動(dòng)的速度、壓力和溫度的計(jì)算。設(shè)計(jì)制造了軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱試驗(yàn)裝置，測(cè)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(dòng)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(shí)了軸承腔油氣兩相流動(dòng)和換熱的研究?jī)?nèi)容。構(gòu)建了軸承腔軸承霧化潤(rùn)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(dòng)分布模型能夠提升分析