冷子昊，程榮輝，郭松，張杰一, 蘇壯

（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

滑油系統(tǒng)是航空發(fā)動機的重要組成部分[1]，高溫、高轉速工況對航空發(fā)動機軸承工作環(huán)境提出了較高的要求，需要向軸承提供冷卻滑油以帶走因軸承高速旋轉摩擦而產(chǎn)生的熱量，同時需要將封嚴氣引入封嚴增壓腔，以保證在任何飛行狀態(tài)下通過密封裝置的壓差為正壓差[2]，避免滑油泄漏。

因此軸承腔氣體的流動特性求解得到了廣泛的研究。Lee等[3-4]闡述了腔室?guī)缀谓Y構對腔內空氣流動結構的影響。Gorse等[5]測量了軸承腔內空氣各個方向速度分量，發(fā)現(xiàn)流動渦結構形成與密封空氣、腔體結構及旋轉軸轉速均有直接關系。Aidarinis等[6]對空氣流動的數(shù)值模擬計算模型進行驗證與完善。Aidarinis等[7-8]使用激光多普勒測速儀（LDA）對某發(fā)動機的前軸承腔中的油氣兩相流流場進行了測量，并與數(shù)值模擬結果進行了對比分析，獲得了流場中的漩渦分布規(guī)律。Simmons等[9]采用單向耦合與雙向耦合方法對比分析了空氣場切向速度的差別，研究了不同滑油流量和油滴粒徑情況下空氣場速度等參數(shù)的差別。

采用CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）模擬方法，可以分析并且顯示流體流動過程中發(fā)生的現(xiàn)象，及時預測流體在模擬區(qū)域的流動性能，并通過改變各種參數(shù)，得到相應過程的最佳設計參數(shù)。近年來，CFD在流場計算中應用日益廣泛，并出現(xiàn)了多個商用CFD軟件，其中FLUENT軟件是目前功能全面、適應性廣、國內使用廣泛的CFD軟件之一[10]。本文以航空發(fā)動機軸承腔封嚴引氣結構為研究對象，應用三維軟件UG進行建模，基于CFD軟件平臺FLUENT進行三維數(shù)值模擬，對多種結構引氣流動特性進行優(yōu)化改進，得到最優(yōu)化引氣結構，指導軸承腔結構設計。

1 軸承腔封嚴引氣結構

傳統(tǒng)軸承腔的封嚴引氣結構如圖1所示，機匣、后蓋、密封裝置、支撐環(huán)、軸與軸承之間形成軸承腔A腔，機匣、蒙皮、后蓋、密封裝置、支撐環(huán)與軸之間形成封嚴增壓腔B腔。航空發(fā)動機高壓封嚴引氣經(jīng)過機匣、封嚴增壓腔B腔、軸心至篦齒封嚴一端，與另一端含有滑油的軸承腔A腔形成封嚴壓差，從而防止滑油泄漏。

圖1 傳統(tǒng)軸承腔封嚴引氣結構

1.1 流動特性分析

由圖1所示，傳統(tǒng)軸承腔封嚴引氣結構流路復雜、流阻較大，會產(chǎn)生不必要的引氣壓力損失，降低封嚴壓力，導致滑油泄漏。蒙皮與右側高溫腔接觸面積大，會導致封嚴引氣溫度升高，致使軸承腔溫度升高，影響軸承腔潤滑冷卻效果。因此需要開展流動特性仿真分析及優(yōu)化工作。

1.2 流動特性仿真分析

1.2.1 三維建模與網(wǎng)格劃分

應用三維軟件UG進行建模，得到引氣結構流體域模型，導入CFD軟件平臺FLUENT并進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 模型與網(wǎng)格劃分

1.2.2 邊界條件

根據(jù)發(fā)動機中間狀態(tài)工況點，選取封嚴引氣入口流量qzj、發(fā)動機低壓轉速Nzj，封嚴引氣出口壓力設置為0 Pa，作為仿真邊界條件。

1.2.3 仿真分析

針對上述軸承腔封嚴引氣結構流體域模型，采用Realizable k-ε模型進行三維數(shù)值模擬仿真分析，中間狀態(tài)軸承腔封嚴引氣結構流場仿真分析結果如圖3所示。

圖3 壓力分布和流速分布圖

通過仿真結果可知，傳統(tǒng)軸承腔封嚴引氣結構在中間狀態(tài)流阻高達27.95 kPa，流速差達到87.83 m/s，需要對其流動特性進行優(yōu)化，降低流阻。

1.3 結構優(yōu)化與仿真分析

由于傳統(tǒng)結構引氣入口處產(chǎn)生渦流，導致流阻偏大，需要對該結構進行優(yōu)化，因此設計軸承腔封嚴引氣結構（如圖4），通過設計球頭導管封嚴引氣結構，優(yōu)化引氣流路結構，增大封嚴引氣流路截面積，減小流阻損失，提高封嚴可靠性。

圖4 軸承腔封嚴引氣管優(yōu)化結構

1.3.1 三維建模與網(wǎng)格劃分

應用三維軟件UG 進行建模，得到優(yōu)化后的引氣結構流體域，導入CFD軟件平臺FLUENT并進行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

圖5 模型與網(wǎng)格劃分

1.3.2 流場仿真與分析

設置同樣的邊界條件，針對上述軸承腔封嚴引氣優(yōu)化結構流體域模型，采用Realizable k-ε模型進行三維數(shù)值模擬仿真分析，中間狀態(tài)軸承腔封嚴引氣結構流場仿真分析結果如圖6所示。

圖6 壓力分布和流速分布圖

通過流場仿真分析結果可知，高壓封嚴引氣通過封嚴增壓腔至篦齒封嚴一端，與另一端含有滑油的軸承腔形成封嚴壓差，從而防止滑油泄漏。經(jīng)仿真對比分析，設置相同的邊界條件，軸承腔封嚴引氣優(yōu)化結構流阻為8.46 kPa，流速差為0.98 m/s，比傳統(tǒng)結構流阻降低了約70%。

由此證明，優(yōu)化后的軸承腔封嚴引氣結構可以有效地降低封嚴引氣的流阻，提高封嚴可靠性，改善軸承工作環(huán)境，從而避免因封嚴壓差不足而導致的滑油泄漏問題。

2 軸承腔軸心封嚴引氣結構

傳統(tǒng)軸承腔軸心封嚴引氣結構如圖7所示。A腔為滑油腔，滑油流經(jīng)噴嘴進入A腔內，在離心力作用下經(jīng)收油引氣結構、低壓渦輪軸進入軸承腔，潤滑高速運轉的軸承；B為封嚴增壓腔，航空發(fā)動機高壓封嚴引氣經(jīng)過收油引氣結構，通過低壓渦輪軸至篦齒封嚴一端，與另一端含有滑油的軸承腔形成封嚴壓差，從而防止滑油泄漏。

圖7 軸承腔軸心封嚴引氣結構

2.1 流動特性分析

在發(fā)動機個別工作狀態(tài)點，由于封嚴引氣壓力較低，導致該狀態(tài)下篦齒封嚴壓差較低，封嚴壓差不足導致滑油泄漏至增壓腔B內，致使滑油接觸高溫低壓渦輪軸，產(chǎn)生滑油結焦；低壓渦輪軸內高溫腔與增壓腔相通，封嚴引氣會受高溫腔影響而升溫，而且B腔與A腔之間只有一層間隔，高溫封嚴氣會將熱量傳遞至滑油腔A內，致使滑油溫度升高，影響軸承冷卻效果。

2.2 軸心封嚴引氣結構設計

為降低流阻，滿足軸承腔封嚴引氣要求，設計雙層壁堵蓋式軸承腔軸心封嚴引氣結構，如圖8所示。

圖8 雙層壁堵蓋軸承腔軸心封嚴引氣結構

通過增加堵蓋結構，將封嚴氣直接引入篦齒封嚴腔，與引入軸心結構相比，可減小引氣流路的壓力損失，有利于提高封嚴壓差。同時，堵蓋將增壓腔與低壓渦輪軸內高溫腔隔絕，可以有效地防止封嚴引氣升溫，并防止滑油泄漏至高溫低壓渦輪軸，避免滑油結焦。通過設計雙層壁結構，在高溫增壓腔B與低溫滑油腔A之間增加封閉腔體，減少熱傳導，使滑油腔處于較低的工作溫度，可改善軸承工作環(huán)境。

2.3 流動特性仿真分析

2.3.1 三維建模與網(wǎng)格劃分

應用三維軟件UG進行建模，得到軸心引氣結構流體域模型，導入CFD軟件平臺FLUENT并進行網(wǎng)格劃分，如圖9所示。

圖9 模型與網(wǎng)格劃分

2.3.2 邊界條件

根據(jù)發(fā)動機慢車與中間狀態(tài)工況點，選取封嚴引氣入口流量qmc、qzj，發(fā)動機低壓轉速Nmc與Nzj，將軸心封嚴引氣出口壓力設置為0 Pa，作為仿真邊界條件。

2.3.3 仿真分析

針對上述軸承腔軸心封嚴引氣結構流體域模型，采用Realizable k-ε模型進行三維數(shù)值模擬仿真分析，慢車與中間狀態(tài)軸心封嚴引氣結構流場仿真分析結果如圖10所示。

圖10 壓力分布和流速分布圖

通過仿真結果可知，軸承腔平直堵蓋軸心封嚴引氣結構在慢車、中間狀態(tài)流阻分別高達94.20、3302.54 Pa，流速差分別達到6.58、63.64 m/s，需要對堵蓋結構及其流動特性進行優(yōu)化，降低流阻。

2.4 軸心堵蓋結構優(yōu)化設計

由上述仿真結果可知，封嚴引氣通過引氣環(huán)遇到平直堵蓋后直接進入引氣環(huán)中引氣孔，沒有氣體引導結構，可能產(chǎn)生渦流，并增加氣體流阻，減緩流速，影響引氣封嚴效果。為減小增壓腔B內氣體流阻，設計部分折彎堵蓋和折彎堵蓋，對引氣結構進行改進設計（如圖11），并應用三維軟件UG進行建模，基于CFD軟件平臺FLUENT進行三維數(shù)值模擬。

圖11 軸承腔軸心封嚴引氣結構

2.4.1 三維建模與網(wǎng)格劃分

應用三維軟件UG進行建模，得到2種軸心堵蓋，優(yōu)化結構流體域模型，導入CFD軟件平臺FLUENT并進行網(wǎng)格劃分，如圖12所示。

圖12 模型與網(wǎng)格劃分

2.4.2 流場仿真與分析

設置同樣的邊界條件，分別對上述2種軸心堵蓋優(yōu)化結構流體域模型，采用Realizable k-ε模型進行三維數(shù)值模擬仿真分析，慢車與中間狀態(tài)軸承腔封嚴引氣結構流場仿真分析結果如圖13和圖14所示。

圖13 慢車和中間狀態(tài)壓力分布對比結果

圖14 慢車和中間狀態(tài)流速分布對比結果

通過流場仿真分析結果可知，由于慢車狀態(tài)轉速較低，封嚴引氣流量較小，因此3種軸承腔封嚴引氣結構流阻、出口流速相差不大，最大差值分別為0.03 kPa與0.82 m/s；而中間狀態(tài)的轉速升高，封嚴引氣流量增大，3種結構流阻差異明顯，其中，帶折彎堵蓋的軸承腔封嚴引氣結構流阻最小，出口流速最大，分別為2.57 kPa與63.84 m/s，比原始帶平直堵蓋的軸承腔封嚴引氣結構流阻減小0.73 kPa與0.2 m/s。而且，通過3種結構仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，在折彎角度不變的情況下，折彎范圍越大，封嚴引氣流阻越小。

由此證明，優(yōu)化后的帶折彎堵蓋的軸承腔封嚴引氣結構增加了封嚴引氣引導結構，可以有效地減小氣體流阻，保證良好的封嚴效果。

3 結論

經(jīng)過上述軸承腔封嚴引氣結構優(yōu)化設計和流動特性仿真分析，基于CFD軟件平臺FLUENT完成三維數(shù)值模擬，得出如下結論：1）采用Realizable k-ε模型進行三維數(shù)值模擬，流場結果與實際相吻合，能夠準確地反映氣體流動狀態(tài)；2）通過設計球頭導管封嚴引氣結構，優(yōu)化引氣流路，大幅降低封嚴引氣流動阻力，從而提高封嚴壓差，避免滑油泄漏影響發(fā)動機的運行安全；3）通過增加堵蓋結構，將封嚴引氣直接引入，減少了壓力損失，有利于提高封嚴壓差；優(yōu)化后的帶折彎堵蓋的軸承腔封嚴引氣結構，增加封嚴引氣引導結構，可以有效地減小氣體流阻，保證良好的封嚴效果；在折彎角度不變的情況下，折彎范圍越大，軸承腔封嚴引氣結構流阻越小。