滑油循環(huán)散熱對粒子分離器溫升的影響試驗研究

劉媛

摘 要：本文針對滑油在粒子分離器機匣內(nèi)腔循環(huán)散熱對氣流的溫升影響進行了試驗研究，并對其散熱功率進行了評估。試驗結(jié)果表明：粒子分離器清除比在12.5%～15%之間變化時，滑油散熱功率變化不大，在14KW左右波動;滑油散熱引起的清除流溫升遠(yuǎn)高于主流，約為9.1℃，且隨清除比變化不大，主流溫升約3.7℃，且隨著清除流增加，溫升稍有下降.

關(guān)鍵詞：粒子分離器;滑油散熱;散熱功率;溫升

由于渦軸發(fā)動機的使用環(huán)境寬廣，在沙漠等環(huán)境惡劣的地方，渦軸發(fā)動機需要采用進氣防護措施以獲得干凈氣流。經(jīng)過長期的研究和積累，進氣防護已由早期的進氣過濾網(wǎng)、毛氈過濾器和多管慣性粒子分離器發(fā)展為現(xiàn)在的整體式粒子分離器[1-2]，其典型的應(yīng)用包括T700、T800和RTM322。整體式粒子分離器以其分離效率高、總壓損失小、結(jié)構(gòu)簡單等特點引氣國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[3-5]。

整體式粒子分離器對于整個渦軸發(fā)動機而言，不僅為發(fā)動機提供干凈、均勻氣流，同時還可能兼顧了防冰、滑油散熱、前軸承腔滑油循環(huán)等功能[5]。而防冰、滑油散熱等功能的實現(xiàn)均一定程度上影響機匣溫度，進而造成壓氣機進口流場溫度畸變，最終影響整機性能。本文以某型渦軸發(fā)動機粒子分離器為研究對象，通過試驗研究滑油散熱對流體溫升的影響，為發(fā)動機整體性能評估提供數(shù)據(jù)支撐。

1 滑油散熱在粒子分離器機匣中流動機理

為滿足功能要求，粒子分離器機匣中集成部分滑油管路，通過粒子分離器內(nèi)部氣體流動對高溫還有進行散熱，在低溫狀態(tài)還能夠?qū)αＷ臃蛛x器部分流道進行防冰。為增加滑油散熱面積，采用滑油管路繞機匣循環(huán)流動一周設(shè)計。具體的流動示意圖及結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。

在試驗中，真實模擬了滑油在機匣內(nèi)部的滑油空腔，并于試驗件外部設(shè)計了與滑油循環(huán)設(shè)備連接的兩個接口，實現(xiàn)滑油的循環(huán)流動。

2、滑油散熱試驗

2.1 試驗件狀態(tài)

粒子分離器流道試驗件結(jié)構(gòu)相對簡單，機匣內(nèi)滑油環(huán)腔通過外置的兩個接口與滑油循環(huán)裝置連接，實現(xiàn)滑油進出。

2.2 試驗狀態(tài)

本次試驗評估了設(shè)計狀態(tài)下，不同清除流流量與滑油散熱性能的關(guān)系。記錄數(shù)據(jù)為：試驗時空氣的溫度、濕度參數(shù)（設(shè)備測點）、不同狀態(tài)點下的滑油進、出口溫度（滑油循環(huán)設(shè)備測點）、主流和清除流的進、出口溫度。（出口截面采用等環(huán)面分布的4支5點探針）

試驗條件如下：空氣進氣溫度為室溫;清除比為12%～15%。

3、試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可以計算得到滑油的散熱功率，以及主流和清除流的溫升數(shù)值。從而評估滑油散熱功率以及其對粒子分離器主流和清除流的溫度影響。

3.1 滑油散熱功率

通過外置的滑油循環(huán)系統(tǒng)與粒子分離器試驗件的連接，讀取了滑油在試驗件進出口的溫度。表1給出了若干狀態(tài)的滑油進出口溫度數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，滑油進出口的溫差在32～33℃左右，隨著清除流的流量變化不大。

獲得滑油進出口溫度數(shù)據(jù)后，結(jié)合公式1獲得了滑油散熱功率計算結(jié)果。由公式可知，在一定滑油溫度（比熱不變）和流量狀態(tài)下，滑油散熱功率與進出口溫差成正比。

通過試驗數(shù)據(jù)的處理，圖2給出了滑油散熱功率隨清除比的變化關(guān)系，由圖中可以看出，清除比在12.5%～15%之間變化時，滑油散熱功率變化不大，在14KW左右波動。

3.2 滑油散熱對氣流的影響

在試驗條件下，高溫滑油在機匣內(nèi)循環(huán)流動一周，其熱量必然通過機匣壁面?zhèn)鬟f給流通過的氣流，造成氣流溫度升高。粒子分離器主氣流以及清除氣流的出口截面均布置有溫度探針，從而獲得了兩個截面的溫升狀態(tài)。圖3和圖4給出了粒子分離器試驗件主流和清除流出口截面的溫升隨著清除流變化曲線。從圖中可以看出，試驗狀態(tài)下主流溫升約3.7℃，且隨著清除流增加，溫升呈現(xiàn)稍有下降的趨勢;清除流溫升整體變化不大，在9.1℃左右波動，無明顯的升降趨勢。整體而言，清除流的溫升遠(yuǎn)高于主流溫升，這是由于滑油散熱的主體流道大部分位于清除流道內(nèi)，且清除流流量較小，因此溫升較高。

3 結(jié)論

本文針對粒子分離器機匣內(nèi)集成的滑油散熱功能進行了試驗驗證，并對由于滑油散熱造成的粒子分離器主、清除氣流的溫升進行了評估。試驗結(jié)果表明：

（1）在試驗條件下，粒子分離器清除比在12.5%～15%之間變化時，滑油散熱功率變化不大，在14KW左右波動;

（2）清除流的溫升遠(yuǎn)高于主流，約為9.1℃，且整體變化不大;主流溫升約3.7℃，且隨著清除流增加，溫升稍有下降。

參考文獻：

[1] 童悅，譚慧俊，曾平均.帶掃氣蝸殼的整體式粒子分離器仿真.航空動力學(xué)報，Vol.28 No.5，May，2013.

[2] Filippone A， Bojdo N. Turboshaft engine air particle separator[J]. Progress in Aerospace Sciences， 2010，46（5/6）：224-245

[3] 于廣元，雷玉冰.基于混合優(yōu)化算法的無葉片粒子分離器優(yōu)化設(shè)計.航空動力學(xué)報，Vol.28 No.8，Aug，2013.

[4] 葉靜，胡柏安，熊焰.渦軸發(fā)動機無葉片粒子分力氣流道設(shè)計[J].現(xiàn)代機械，2007，2：39-42.

[5] Robert J D， Bernard F S. Integral engine inlet particle separator： Volume II design guide[R]. USAAMRDL-TR-75-31B，1975