一種圓環(huán)滑油箱結(jié)構(gòu)集成與優(yōu)化的數(shù)值模擬

景國(guó)慶，宋飛

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

一種圓環(huán)滑油箱結(jié)構(gòu)集成與優(yōu)化的數(shù)值模擬

景國(guó)慶，宋飛

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

基于Fluent多相流模型，采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)圓環(huán)滑油箱結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。分析過(guò)程中，考慮了不同飛行姿態(tài)和過(guò)載條件對(duì)性能的影響，得到了油面角、內(nèi)部流場(chǎng)、高度-油量公式和氣液分離效率曲線，并對(duì)滑油箱結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化方案。研究表明：采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行滑油箱結(jié)構(gòu)集成研究簡(jiǎn)單有效，對(duì)比優(yōu)化前后數(shù)值模擬結(jié)果，可定量分析結(jié)構(gòu)對(duì)工作性能的影響。本文研究方法可為其它類(lèi)型滑油箱設(shè)計(jì)和優(yōu)化參考。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；滑油系統(tǒng)；圓環(huán)滑油箱；油面角；分離效率；兩相流；數(shù)值模擬

1 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)中，滑油箱具有重要作用，它不僅為發(fā)動(dòng)機(jī)滑油消耗提供滑油補(bǔ)充源，也為滑油熱膨脹及滑油在整個(gè)系統(tǒng)中吸氣膨脹提供空間，并提供低速區(qū)使滑油出氣。在各種飛行姿態(tài)與機(jī)動(dòng)力作用下，滑油箱需保證供油、回油與通風(fēng)[1]。

目前，有關(guān)滑油箱結(jié)構(gòu)和性能的研究逐漸增多。根據(jù)滑油箱的工作過(guò)程，可將研究分為供油、回油和通風(fēng)三方面。供油方面主要研究其姿態(tài)適應(yīng)性和過(guò)載條件下供油能力的判斷方法。何敏[2]、袁梅[3]和徐讓書(shū)[4]等，分別應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、CAD和UG技術(shù)，探索了油量和高度之間關(guān)系的確定方法，但沒(méi)有深入考慮過(guò)載和定量分析。針對(duì)回油中氣液兩相分離，Willenborg[5]、楊勤[6]分別對(duì)油氣分離機(jī)理和影響因素進(jìn)行了分析，為兩相分離的優(yōu)化提供了幫助；白茹芳[7]分析了油氣分離器的進(jìn)氣管及內(nèi)置附件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)油氣分離效果的影響，得出了較為合理的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于通風(fēng)管路中的油氣兩相，宗雋杰[8]、劉宇恒[9]對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)氣液分離裝置的結(jié)構(gòu)和分離效率進(jìn)行了研究，分析了分離效率的影響因素

和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。

滑油箱的種類(lèi)很多，其中一種圓環(huán)結(jié)構(gòu)的滑油箱可有效減小所在位置的外廓尺寸，內(nèi)部可集成不同結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)如氣液分離等功能，并在一些小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中已得到很好應(yīng)用。本文以Fluent分析方法為依據(jù)，適當(dāng)考慮飛行姿態(tài)和過(guò)載影響，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用不同模型計(jì)算，從理論分析和數(shù)值模擬兩方面探討圓環(huán)滑油箱的結(jié)構(gòu)集成和優(yōu)化。

2 研究?jī)?nèi)容

滑油箱在不同姿態(tài)和過(guò)載條件下，液面會(huì)相對(duì)于油箱傾斜一定角度，因此需分析機(jī)動(dòng)飛行狀態(tài)下油面位置和油面角對(duì)供油能力的影響。另外，當(dāng)滑油從發(fā)動(dòng)機(jī)各處回油管以油氣兩相狀態(tài)返回到滑油箱后，油氣混合物如未經(jīng)分離，將有很大一部分滑油從通風(fēng)口隨氣體逸出，造成滑油消耗。為提高滑油利用率，需對(duì)油氣混合物進(jìn)行有效分離，從而達(dá)到降低滑油消耗、保證滑油循環(huán)和充分利用的目的。

以一圓環(huán)滑油箱為研究對(duì)象，其模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中圖1(a)的結(jié)構(gòu)和功能都很簡(jiǎn)單，只包含吸油口、回油口和通風(fēng)口等結(jié)構(gòu)；圖1(b)是在圖1(a)的基礎(chǔ)上，在滑油箱內(nèi)部集成了擋板、回油嘴和通風(fēng)留油板等功能結(jié)構(gòu)。

3 參數(shù)計(jì)算

3.1 油面角和最低油面

油面角αfs是油面與機(jī)體縱軸、橫軸的夾角[10]，其算法流程見(jiàn)圖2。

油面角幾何關(guān)系見(jiàn)圖3，圖3(a)為xoz平面內(nèi)慣性系數(shù)、飛行姿態(tài)角、迎角、慣性角和油面角關(guān)系圖，圖3(b)為yoz平面內(nèi)慣性系數(shù)、飛行姿態(tài)角、慣性角和油面角關(guān)系圖。

根據(jù)穩(wěn)定飛行狀態(tài)受力情況，穩(wěn)定平飛時(shí)重力等于升力，穩(wěn)定爬升和俯沖時(shí)重力大于升力，水平橫滾時(shí)重力小于升力[11]。不同姿態(tài)下施加最大過(guò)載時(shí)的最低油面，可結(jié)合滑油箱受力和油面角計(jì)算。已知最低點(diǎn)供油口圓心坐標(biāo)為M0() x0,y0,z0，滑油箱所受三個(gè)方向過(guò)載為油面的法向量n?={} nx,ny,nz，則最低油面上任意點(diǎn)M() x,y,z應(yīng)滿(mǎn)足方程：

3.2滑油分離效率

油氣混合物經(jīng)過(guò)氣液分離裝置后，根據(jù)氣液分離裝置出口所分離出的滑油流量mout,oil和入口總滑油流量min,oil，滑油分離效率η為：

4 數(shù)值模擬

4.1 供油結(jié)構(gòu)

4.1.1 滑油箱內(nèi)三維流動(dòng)模擬

供油結(jié)構(gòu)的模擬對(duì)象為圖1(a)中的圓環(huán)滑油箱，計(jì)算模型如圖4所示。

圖5示出了滑油箱應(yīng)滿(mǎn)足的八個(gè)姿態(tài)極限點(diǎn)(A～H)。由于A、B、F、G點(diǎn)分別與D、C、E、H點(diǎn)左右對(duì)稱(chēng)，其最低油面M法線方向相對(duì)于xoz坐標(biāo)平面分別對(duì)稱(chēng)，油面角大小分別對(duì)應(yīng)相等，為節(jié)約計(jì)算資源，故只對(duì)右側(cè)A、B、F、G四點(diǎn)建模計(jì)算。按前文計(jì)算方法，得到四個(gè)不同姿態(tài)點(diǎn)處分別施加最大過(guò)載時(shí)的油面角，及A、B、F、G四點(diǎn)正常供油所需最低油面位置。圖6示出了四個(gè)姿態(tài)點(diǎn)計(jì)算初始狀態(tài)時(shí)的最低油面相對(duì)位置及其對(duì)應(yīng)的油面坐標(biāo)。

對(duì)于不可壓流動(dòng)采用壓力基求解器和VOF模型求解瞬態(tài)問(wèn)題，常選擇定義NITA格式的參數(shù)求解方法，壓力-速度耦合方式選擇Fractional Step方式，計(jì)算模擬從不同姿態(tài)點(diǎn)過(guò)渡到穩(wěn)定平飛狀態(tài)的流場(chǎng)變化過(guò)程。

4.1.2 模擬結(jié)果及分析

迭代求解后，油氣交界面的變化逐漸趨于穩(wěn)定，得到A、B、F、G四點(diǎn)最低油面高度對(duì)比(圖7)。參照上述方法，利用Fluent可計(jì)算出從油箱最低點(diǎn)到最高油面范圍內(nèi)不同高度所對(duì)應(yīng)的油量，擬合出圓環(huán)滑油箱油量-高度曲線，同時(shí)可標(biāo)定出四個(gè)姿態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置。若按滑油耗油量0.3 L/h計(jì)算，則該圓環(huán)滑油箱的姿態(tài)-油量-高度曲線如圖8所示。

從圖7中可看出，四個(gè)姿態(tài)點(diǎn)中G點(diǎn)滿(mǎn)足正常供油所需油量最少，對(duì)應(yīng)的油面角也最??；F點(diǎn)所需油量最多，這是由于F點(diǎn)存在俯沖、橫滾兩種姿態(tài)和最大過(guò)載，此時(shí)對(duì)應(yīng)的油面角也最大。圖8中，A、B、F、G四個(gè)姿態(tài)點(diǎn)的油量-高度值與油量-高度曲線吻合較好，能直觀判斷各姿態(tài)點(diǎn)滿(mǎn)足供油能力所需的最低油量。

根據(jù)曲線擬合結(jié)果，可得油量隨時(shí)間變化關(guān)系式(3)和高度隨油量變化關(guān)系式(4)。

4.2 回油結(jié)構(gòu)

4.2.1 回油嘴內(nèi)三維流動(dòng)模擬

滑油箱回油結(jié)構(gòu)的模擬對(duì)象為回油嘴，如圖9所示。已知進(jìn)口滑油流量為10 L/min，進(jìn)口空氣流量分別取20、25、30、33 L/min作為初始條件?；赜妥靸?nèi)為不可壓縮流動(dòng)，兩相(基本相為滑油，第二相為空氣)體積分?jǐn)?shù)均超過(guò)10%，計(jì)算中選擇歐拉模型和RNGk-ε湍流模型。進(jìn)油口為兩相混合流量入口，上方通氣壓力出口分為頂部出口和側(cè)面出口，下方臺(tái)錐形漏斗壓力出口也分為下部出口和側(cè)面出口，其它設(shè)為固壁邊界。

4.2.2 模擬結(jié)果及分析

經(jīng)迭代計(jì)算收斂后，得到滑油分離效率，見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，隨著空氣流量的增大，分離效率逐漸增加，油氣分離器下方分離出的滑油油量也逐漸增加；但在空氣流量為33 L/min時(shí)分離效率有少量下降，這是因?yàn)榭諝饬髁窟M(jìn)一步增大后，使得內(nèi)部?jī)上嗔鲌?chǎng)湍流程度增加，影響了滑油分離。

4.3 通風(fēng)結(jié)構(gòu)

4.3.1 通風(fēng)留油板內(nèi)三維流動(dòng)模擬

根據(jù)上文計(jì)算結(jié)果，油氣混合物經(jīng)過(guò)回油嘴第一次分離后，仍含有一定滑油，可通過(guò)設(shè)置通風(fēng)留油板進(jìn)行二次分離?；拖渫L(fēng)性能的模擬對(duì)象為通風(fēng)留油板(圖10)。

按表1中第1個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的出口流場(chǎng)計(jì)算。兩側(cè)入口速度為2.122 m/s，方向?yàn)槿肟谄矫娣ň€，中間通氣管出口選擇壓力出口條件，壁面上采用Trap邊界條件，在入口和出口處采用Escape邊界條件。

一次分離后，油相的體積分?jǐn)?shù)小于10%，不考慮油滴蒸發(fā)，利用DPM模型進(jìn)行離散相計(jì)算。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，選擇SIMPLE算法。假設(shè)進(jìn)入通風(fēng)留油板的油滴顆粒具有相同直徑，并選取0～20 μm之間的直徑范圍進(jìn)行模擬。共研究了25種油滴直徑的情況，通過(guò)拉格朗日法分別得到油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡和分離效率。

4.3.2 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，通風(fēng)留油板內(nèi)不同直徑下油

滴的分離效率如表2所示?？梢?jiàn)，兩相混合氣通過(guò)通風(fēng)留油板達(dá)到了二次分離效果。隨著油滴直徑的不斷增大，從通風(fēng)管口流出的油滴數(shù)越來(lái)越少，所分離出并返回滑油箱內(nèi)腔的油越來(lái)越多，油滴的分離效率不斷增加。對(duì)于大于20μm的油滴，可實(shí)現(xiàn)完全分離。

5 優(yōu)化方案

由上文的模擬結(jié)果可看出，將回油嘴和通風(fēng)留油板集成在滑油箱內(nèi)部，可有效改善滑油箱的回油和通風(fēng)能力，但仍需對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以進(jìn)一步提高滑油箱的使用性能。

5.1 在滑油箱中設(shè)置擋板

選擇與4.1節(jié)中相同的三維模型和輸入條件，計(jì)算過(guò)程為從平飛狀態(tài)過(guò)渡到最大姿態(tài)F點(diǎn)，模擬有無(wú)擋板兩種情況下的供油情況。在滑油箱內(nèi)可任取一水平位置增加擋板，本計(jì)算中選取距離滑油箱中心向下80 mm的平面為截面，截面與內(nèi)壁之間留有0.775 mm間隙，便于滑油在擋板兩側(cè)內(nèi)腔流動(dòng)。設(shè)置油氣兩相的初始位置與擋板等高(圖11)。

計(jì)算過(guò)程中，利用Fluent監(jiān)測(cè)供油口油相體積分?jǐn)?shù)變化，得到有擋板(b)和無(wú)擋板(no-b)兩種情況下供油口油相體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)曲線(圖12)?？梢?jiàn)，無(wú)擋板時(shí)，供油管口在0.130 s時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始小于100%并急劇下降，說(shuō)明供油口此時(shí)未完全浸入油中，無(wú)法抽吸滑油；有擋板時(shí)，供油口在2.319 s時(shí)才無(wú)法抽到滑油。由此表明，在滑油箱中設(shè)置擋板，可保證滑油箱在姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，適當(dāng)延長(zhǎng)供油時(shí)間。

5.2 將回油結(jié)構(gòu)中主筒體加長(zhǎng)

將4.2節(jié)模型中的主筒體加長(zhǎng)15 mm。模擬計(jì)算時(shí)的輸入條件和邊界條件與4.2節(jié)中的完全相同。優(yōu)化前后兩相分布(紅色區(qū)域?yàn)橛拖?，藍(lán)色區(qū)域?yàn)闅庀?及兩相流線圖見(jiàn)圖13，優(yōu)化前后滑油分離效率對(duì)比見(jiàn)圖14?？梢?jiàn)，當(dāng)主筒體軸向尺寸增加后，內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)趨勢(shì)與優(yōu)化前基本一致，都能保持較好的流動(dòng)性。優(yōu)化后的模型由于延長(zhǎng)了油氣分離行程，使油氣混合物的分離效率提高，臺(tái)錐漏斗部分充滿(mǎn)滑油相，且滑油分離效率隨著空氣流量增大而有所下降的問(wèn)題也得到改善。因此增加主筒體軸向尺寸，可很好地提高回油嘴的油氣分離性能。

5.3 將通風(fēng)結(jié)構(gòu)中壁板軸向尺寸加長(zhǎng)

將4.3節(jié)模型中的壁板軸向尺寸加長(zhǎng)10 mm。選擇與4.3節(jié)中完全相同的輸入條件和計(jì)算條件。優(yōu)化后不同油滴直徑的運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖15，優(yōu)化前后通風(fēng)留油板中不同油滴直徑的分離效率見(jiàn)圖16?？梢?jiàn)，通風(fēng)板軸向長(zhǎng)度增加，使得液滴的運(yùn)動(dòng)路徑加長(zhǎng)，有效提高了壁面捕捉油滴能力，進(jìn)而提高了油滴分離效率。

另外，根據(jù)4.1節(jié)中的模擬計(jì)算初始條件，當(dāng)滑油箱處于姿態(tài)點(diǎn)F時(shí)，雖然該姿態(tài)點(diǎn)下工作時(shí)間最短，但此時(shí)所需的滑油量最大；滑油已完全沒(méi)過(guò)上方的通風(fēng)口(圖17)，通風(fēng)性能受到影響。在此姿態(tài)點(diǎn)下大量油滴短時(shí)間內(nèi)會(huì)從通風(fēng)口排出，造成通風(fēng)管堵塞，進(jìn)而可能損壞滑油箱。優(yōu)化方案是將伸入到滑油箱內(nèi)部的通風(fēng)管長(zhǎng)度加長(zhǎng)到油氣分界面處。計(jì)算表明，當(dāng)內(nèi)部通風(fēng)管長(zhǎng)度加長(zhǎng)到21 mm時(shí)，就超出了油氣分界面，可提高通風(fēng)性能。

6 結(jié)論

(1)通過(guò)理論計(jì)算可確定不同姿態(tài)和過(guò)載下，滑油箱內(nèi)油面角和正常供油的最低油面位置。

(2)利用Fluent數(shù)值模擬平臺(tái)得到的圓環(huán)滑油箱的高度-油量公式簡(jiǎn)單實(shí)用，可準(zhǔn)確判斷滑油箱的供油能力，為油位標(biāo)定提供計(jì)算依據(jù)；且適用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)滑油箱。

(3)采用集成結(jié)構(gòu)的滑油箱，能有效地對(duì)油氣混合物進(jìn)行一次分離和二次分離，使油氣分離效率逐步提高。

(4)對(duì)集成結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可明顯改善滑油箱的供油、回油和通風(fēng)能力。

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Numerical Investigation of Integrated and Optimized Scheme for a Ring-Shaped Oil Tank

JING Guo-qing，SONG Fei
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Based on multiphase model of Fluent,the integrated design of oil tank was analyzed theoretical?ly and numerically.In the analysis，the effects of different flight attitudes and overloads on performance were considered.The angle of oil level,interior flow field,height-oil quality formula and separation efficien?cy were obtained and optimized scheme of oil tank construction was proposed.The research results show that using numerical investigation for integrated design of oil tank is simple and useful.Based on the com?parison analysis of the numerical results before and after optimization,the effect of different structural de?sign on performance could be quantitative analyzed.The investigation method will be referential for integrat?ed and optimized design of other oil tanks.

aero-engine；lubrication system；ring-shaped oil tank；angle of oil level；separation efficiency；two-phase flow；numerical simulation

V228.2

：A

：1672-2620(2014)01-0039-06

2013-03-11；

：2014-02-17

景國(guó)慶(1980-)，男，黑龍江綏化人，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究。