基于Flowmaster的發(fā)動機滑油供油系統(tǒng)流量壓力換熱特性建模與仿真

冷子昊，程榮輝，郁麗，蘇壯，李國權(quán)

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015；2.中國航空發(fā)動機集團航空發(fā)動機動力傳輸重點實驗室，沈陽 110015）

0 引言

我國的發(fā)動機研制起步晚且長期處于仿制階段。過去只注重大元件的研發(fā)[1]，而對于發(fā)動機滑油系統(tǒng)的研究不夠重視。美國IHPTET（Integrated High Performance Turbine Engine Technology，集成高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)）計劃將航空發(fā)動機傳動與滑油系統(tǒng)作為六大研究部分之一[2]。滑油系統(tǒng)是航空發(fā)動機的重要組成部分[3]。馬壯[4]構(gòu)建了滑油系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)壓力模型，楊春信等[5]進行了滑油系統(tǒng)散熱性能的分析。

通常將散熱器安放在供油路的滑油系統(tǒng)稱為反向循環(huán)系統(tǒng)[6]，滑油系統(tǒng)中燃滑油散熱器流阻受溫度與流量影響比較大，由于缺乏試驗數(shù)據(jù)及換熱特性計算方法，在以前完成的滑油供油系統(tǒng)流量壓力仿真技術(shù)研究中，均未考慮溫度對散熱器流阻及滑油系統(tǒng)換熱特性的影響，因此會給仿真結(jié)果帶來誤差。目前常用的殼程換熱計算方法主要有2 種：Kern法及Bell-Delaware法[7-8]。谷俊[9]基于這兩種方法提出了一種按流動特性分段計算殼程換熱的方法。李國權(quán)等[10]提出了由一條散熱器試驗性能曲線推算其性能曲線簇的數(shù)學(xué)方法。

Flowmaster作為流體系統(tǒng)仿真分析軟件，其以組成系統(tǒng)的各元件流阻特性為基礎(chǔ)，通過迭代求解系數(shù)矩陣的方式來計算得到系統(tǒng)內(nèi)各部分的壓力、流量、換熱量等參數(shù)分布，該軟件已廣泛用于設(shè)計和分析復(fù)雜流體系統(tǒng)。為較全面、準(zhǔn)確地描述發(fā)動機工作包線內(nèi)滑油系統(tǒng)實際工作狀態(tài)，本文研究滑油系統(tǒng)中元件的流動特性與散熱器換熱特性，利用Flowmaster對滑油系統(tǒng)供油子系統(tǒng)進行建模仿真，二次開發(fā)散熱器換熱模型，總結(jié)實際工作狀態(tài)下滑油系統(tǒng)狀態(tài)，指導(dǎo)滑油系統(tǒng)供油子系統(tǒng)正向設(shè)計，為最終設(shè)計與試驗提供了有力的理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 航空發(fā)動機滑油供油系統(tǒng)

發(fā)動機滑油系統(tǒng)主要功能是向發(fā)動機軸承、齒輪、密封裝置等處提供用于潤滑及冷卻的滑油。常見滑油系統(tǒng)供油子系統(tǒng)如圖1所示，具體流路為：滑油箱→滑油泵組→滑油濾→燃滑油散熱器→前、中、后腔噴嘴（后腔管路上設(shè)有后腔滑油控制閥）。其中滑油泵組上設(shè)有壓差活門，其目的為保證供油壓力與后腔軸承腔腔壓的供油壓差保持穩(wěn)定。

圖1 滑油系統(tǒng)供油系統(tǒng)

2 系統(tǒng)建模

2.1 計算假設(shè)

本文在對滑油系統(tǒng)供油子系統(tǒng)進行計算時，作了以下假設(shè)：1）不考慮滑油泵組的起動過程；2）不考慮慣性阻力；3）忽略彎頭角度小于10°的彎頭和折管元件；4）不考慮滑油流路的換熱過程，由于流路中流速較快，流路的熱交換對計算結(jié)果影響較??；5）不考慮重力影響，由于管路的位差較小，各部位流體勢能變化較小，因此忽略重力的影響。

2.2 仿真計算流程

基于上述假設(shè)，建立流量-壓力-換熱計算模型，對沿程阻力損失、局部阻力損失、噴嘴、滑油物性、滑油溫度等仿真計算，計算流程如圖2所示。

圖2 仿真計算流程

2.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

依據(jù)發(fā)動機滑油系統(tǒng)流量設(shè)計要求確定滑油系統(tǒng)各零組件對滑油流量的初步需求。選用Ⅱ型潤滑油，其理化性能如圖3所示。

圖3 滑油物性

2.4 各元件模型及參數(shù)處理

滑油系統(tǒng)供油子系統(tǒng)仿真模型共從FLOWMASTER軟件中調(diào)用9類元件模型，包含3種節(jié)流孔（Orifices）、3種控制元件（Controllers）、2種彎頭（Bends）、2種三通（Junctions）、2種源元件（Sources）、2種突變（Transitions）、1種流阻元件（Losses）、1種直管（Pipes）、1種自設(shè)元件，具體各部分元件使用情況如表1所示。

表1 元件模型

2.4.1 調(diào)壓活門

調(diào)壓活門流量阻力性能選擇軟件中Orifice: Short Variable Throttle閥門元件表示，活門開啟功能可用軟件中Controller: Template控制元件建模。

通過判斷滑油供油壓差（供油壓力與后軸承腔壓的差值）與調(diào)壓活門的打開壓力差值，確定閥門開度，調(diào)壓活門模型與流阻特性曲線如圖4所示。

圖4 調(diào)壓活門模型及流阻特性曲線

2.4.2 燃滑油散熱器

1）散熱器流阻模型。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，建立壓降、流量與溫度三維關(guān)系曲面進行仿真計算，主、輔助燃滑油散熱器壓降部分采用元件“Loss: Discrete”，其模型、壓降、流量與溫度曲面如圖5所示。

圖5 散熱器流量、壓降、溫度曲面

2）散熱器換熱模型。

主燃滑油散熱器和輔助燃滑油散熱器均為殼管式結(jié)構(gòu)，燃油均在管內(nèi)流動，滑油均在管外殼內(nèi)流動。本文采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腂ell-Delaware法[9]描述殼側(cè)流體換熱，綜合考慮散熱器殼側(cè)的泄漏流動以及旁路流動的影響，更貼近實際地預(yù)測殼側(cè)的換熱性能。管殼式典型散熱器校核計算流程如圖6所示。

圖6 殼管式散熱器性能校核計算流程

已知條件：某型殼管式燃滑油散熱器具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，進口參數(shù)如表2所示。

表2 燃滑油散熱器進口參數(shù)

求解參數(shù)如表3所示。

表3 燃滑油散熱器求解參數(shù)

根據(jù)殼管式典型散熱器的實際分析步驟（如圖6）依次確定下述參數(shù)：確定傳熱表面特征；確定流體物性參數(shù)；雷諾數(shù)；由傳熱表面的基本特征確定傳熱因子J和摩擦因數(shù)f，計算求得對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；總傳熱系數(shù)；傳熱單元數(shù)NTU和散熱器效率；出口溫度和散熱量。

根據(jù)燃滑油散熱器換熱性能計算結(jié)果與散熱器模型參數(shù)，對Flowmaster自設(shè)元件進行二次開發(fā)，搭建主、輔助燃滑油散熱器仿真計算模型（如圖7）。

圖7 燃滑油散熱器模型

2.5 模型集成

集成表1中所有元件模型，建立滑油系統(tǒng)供油子系統(tǒng)Flowmaster模型，如圖8所示。

圖8 滑油供油系統(tǒng)模型

3 仿真分析驗證

3.1 噴嘴驗證

根據(jù)發(fā)動機滑油系統(tǒng)流量設(shè)計要求，對一支點、二支點、中腔、后腔噴嘴模型進行迭代修正，最終仿真結(jié)果如表4～表7所示。

表4 一支點噴嘴仿真結(jié)果

表5 二支點噴嘴仿真結(jié)果

表6 中腔噴嘴仿真結(jié)果

表7 后腔噴嘴仿真結(jié)果

將仿真數(shù)據(jù)與流量檢查要求對比，可以看出各支點模型與發(fā)動機實際機構(gòu)相一致，且滿足流量檢查要求。

3.2 系統(tǒng)驗證

選取發(fā)動機熱分析與腔壓計算數(shù)據(jù)作為邊界條件，輸入滑油總回油溫度、燃油進口溫度、流量、軸承腔腔壓，通過迭代修正滑油流量，使輸出滑油供油溫度與熱分析計算結(jié)果誤差小于5%，此時系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)，求得典型工況流量-壓力-換熱參數(shù)，流量計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)流量仿真結(jié)果

由表8 、表9 可知，滑油供油溫度與發(fā)動機熱分析計算結(jié)果基本一致，驗證換熱性能滿足設(shè)計要求，誤差小于5%；各腔處供油量基本在設(shè)計要求范圍內(nèi)，滿足各處供油量需求，誤差小于5%；壓力略有差別，分析是因為滑油濾等元件缺乏試驗數(shù)據(jù)，導(dǎo)致壓力計算存在一定的誤差。

表8 系統(tǒng)流量壓力換熱仿真結(jié)果

表9 元件仿真結(jié)果對比L/min

4 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)發(fā)動機滑油供油系統(tǒng)元件及系統(tǒng)級仿真結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）通過各支點噴嘴模型建立及仿真計算，驗證各支點模型與實際結(jié)構(gòu)較為吻合，證明滑油系統(tǒng)噴嘴滿足設(shè)計要求。

2）通過燃滑油散熱器元件模型開發(fā)與設(shè)計，完成換熱性能仿真計算，驗證滑油供回油溫度與實際基本一致，證明燃滑油散熱器滿足設(shè)計要求。

3）通過整體供油系統(tǒng)仿真計算，并與熱分析數(shù)據(jù)進行對比，計算結(jié)果誤差較小，驗證發(fā)動機滑油系統(tǒng)總供油量、供油壓力、散熱器換熱量滿足設(shè)計要求；對系統(tǒng)各處進行評估，得到前軸承腔、后軸承腔、附件機匣、轉(zhuǎn)接齒輪箱等各處供油流量、供油壓力滿足使用要求。仿真計算模型可對系統(tǒng)其他工況點進行預(yù)測，為滑油系統(tǒng)設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)支持。