CN106446316B - 一种蜂窝结构离心通风器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蜂窝结构离心通风器的设计方法，包括S1：根据设计输入要求进行通风器结构的初步设计；S2：进行三维建模；S3：利用有限元进行强度分析，通风器是否满足强度要求，若满足继续则进行S4，若不满足则返回S1；S4：利用计算流体力学软件进行通风器的性能仿真分析；S5：综合各个状态点的仿真分析结果进行局部贡献率的分析；S6：重复S2～S5，调整通风器结构，对通风器进行结构优化；S7：试验验证；S8：重复S2～S7得到满足需要的通风器，完成设计。本发明蜂窝结构离心通风器的设计方法通过有限元仿真分析的方法对新型多孔结构蜂窝离心通风器的性能进行仿真分析，来预估设计效果，节约设计成本。

Description

一种蜂窝结构离心通风器的设计方法

技术领域

本发明属于航空燃气轮机结构设计领域，尤其涉及一种蜂窝结构离心通风器的设计方法。

背景技术

航空燃气涡轮发动机滑油系统是航空发燃气涡轮发动机的重要组成部分，主要承担发动机的高低压转子支点轴承、传动齿轮等部件的润滑工作，此外还有一项重要作用是将滑油腔中的油气排出发动机外，同时将油气进行分离，将滑油留在轴承腔内继续参与循环，将空气排出发动机。因此通风器(也称分离器)是滑油系统必不可少的关键部件，其性能好坏，决定发动机单位时间内排出机外的滑油多少，而发动机上的滑油量是有限的，单位时间的滑油消耗量大将影响发动机持续工作的时间，继而影响战斗机的最大航程。目前，长航时发动机的滑油系统滑油消耗量指标要求已经在原三代机的基础上减少了50％。这使得系统对离心通风器的性能和结构等要求更加苛刻。

通风器按类别划分有很多种，按分离原理分为离心式通风器、动压式油气分离器。其中离心式通风器一般采用发动机低压轴传动，位于发动机的轴承腔内部，轴承腔内油气通过离心通风器进入轴心后由尾椎排出发动机外，这种通风器形式在我国的涡喷、涡扇发动机中应用非常普遍。目前国内离心通风器的设计结构一般为辐板式，此种离心通风器结构简单、可靠性高，但油气分离效率性能一般不高，不能满足长航时发动机的需要。

国外资料表明蜂窝结构的离心通风器分离效率较高，并且已应用于低滑油消耗量发动机滑油系统，但由于一些原因，尚未有资料表明如何设计出蜂窝结构的离心通风器。

发明内容

本发明的目的是提供一种蜂窝结构离心通风器的设计方法，解决上述问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种蜂窝结构离心通风器的设计方法，包括

S1：根据设计输入要求进行通风器结构的初步设计,所述设计输入要求包括通风器的外廓尺寸、通风量、最大转速、阻力要求；

S2：进行三维建模，其中使用的软件为UG三维软件；

S3：利用有限元进行强度分析，通风器是否满足强度要求，若满足则继续进行S4，若不满足则返回S1；

S4：利用计算流体力学软件进行通风器的性能仿真分析；

S5：综合各个状态点的仿真分析结果进行局部贡献率的分析，所述局部贡献率指通风器各部分结构对整体分离效果的贡献百分比；

S6：重复S2～S5，调整通风器结构，对通风器进行结构优化；

S7：试验验证；

S8：重复S2～S7得到满足需要的通风器，完成设计。

进一步地，包括S4中计算流体力学软件为Fluent软件和/或GAMBIT软件，其仿真步骤为

1)计算域模型建立：根据UG模型进行流体域UG模型建立，包括通风器流体域模型和外流域场模型；

2)网格划分：运用GAMBIT软件进行网格划分，包括外流域、蜂窝和其他部分；外流域使用结构性网格划分，蜂窝多孔结构使用Cooper划分法划分网格，其他部分使用TGrid划分法划分网格；

3)计算求解：利用Fluent软件对空气场和油气两相流进行计算求解；

4)计算结果处理：包括计算压降、计算分离效率和计算最小分离直径。

进一步地，所述利用FLUENT软件对空气场和油气两相流进行计算求解的过程为1)空气场求解

1.1)设定材料属性，包括通风器内温度、空气密度、粘性等物理参数；

1.2)设定旋转域属性，包括旋转轴、旋转转速设定；

1.3)设定边界条件，包括质量流量进口边界，压力出口边界；

1.4)设定湍流模型，通风器计算中使用K-ε或者K-ω模型；

1.5)设置离散格式，使用二阶精度以上的离散格式；

1.6)进行迭代计算；

2)油滴－空气耦合求解

2.1)激活DPM模型；

2.2)设置喷射源，包括滑油材料，粒子分布模式，油滴速度、尺寸；

2.3)设置捕捉壁面，选取wall类型边界；

2.4)进行迭代计算。

本发明的一种蜂窝结构离心通风器的设计方法通过有限元仿真分析的方法对新型多孔结构蜂窝离心通风器的性能进行仿真分析，来预估设计效果，节约设计成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明的蜂窝结构离心通风器的设计方法流程图。

图2为本发明的蜂窝结构离心通风器的仿真步骤图。

图3为本发明一实施例的蜂窝结构离心通风器的分解图。

图4为本发明一实施例的蜂窝结构离心通风器的组装图。

图5为本发明一实施例的蜂窝结构离心通风器的强度分析图。

图6为本发明一实施例的蜂窝结构离心通风器的网格划分图。

图7为本发明一实施例的蜂窝结构离心通风器的仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例型的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造型劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明的一种蜂窝结构离心通风器的设计方法，包括

S1：根据设计输入要求进行通风器结构的初步设计,设计输入要求包括通风器的外廓尺寸、通风量、最大转速、阻力要求；

S2：进行三维建模，其中使用的软件为UG三维软件；

S3：利用有限元进行强度分析，通风器是否满足强度要求，若满足则继续进行S4，若不满足则返回S1；

S4：利用计算流体力学软件进行通风器的性能仿真分析；

S5：综合各个状态点的仿真分析结果进行局部贡献率的分析，局部贡献率指通风器各部分结构对整体分离效果的贡献百分比；

S6：重复S2～S5，调整通风器结构，对通风器进行结构优化；

S7：试验验证；

S8：重复S2～S7得到满足需要的通风器，完成设计。

另外，包括S4中计算流体力学软件为Fluent软件和/或GAMBIT软件，其仿真步骤为(如图2所示)

1)计算域模型建立：根据UG模型进行流体域UG模型建立，包括通风器流体域模型和外流域场模型；

2)网格划分：运用GAMBIT软件进行网格划分，包括外流域、蜂窝和其他部分；外流域使用结构性网格划分，蜂窝多孔结构使用Cooper划分法划分网格，其他部分使用TGrid划分法划分网格；

3)计算求解：利用Fluent软件对空气场和油气两相流进行计算求解；

3.1)空气场求解

3.1.1)设定材料属性，包括通风器内温度、空气密度、粘性等物理参数；

3.1.2)设定旋转域属性，包括旋转轴、旋转转速设定；

3.1.3)设定边界条件，包括质量流量进口边界，压力出口边界；

3.1.4)设定湍流模型，通风器计算中使用K-ε或者K-ω模型；

3.1.5)设置离散格式，使用二阶精度以上的离散格式；

3.1.6)进行迭代计算；

3.2)油滴－空气耦合求解

3.2.1)激活DPM模型；

3.2.2)设置喷射源，包括滑油材料，粒子分布模式，油滴速度、尺寸；

3.2.3)设置捕捉壁面，选取wall类型边界；

3.2.4)进行迭代计算。

4)计算结果处理：包括计算压降、计算分离效率和计算最小分离直径。

以下为本发明的蜂窝结构离心通风器的设计方法中所可能涉及的部分公式：

①基于Boussinesq假设的雷诺时均化的k-ε两方程湍流模型如下：

空气流动的湍流模型采用两方程的k-ε模型，Reynolds应力中三个法向应力分量之和的一半称为湍流动能，即：

湍流耗散率ε的定义为：

此时，湍流粘度μ_t可以表示成为湍流动能k和湍流耗散率ε的函数：

其中C_μ＝0.09。

湍流动能方程k：

扩散方程ε:

方程中：

G——由层流速度梯度而产生的湍流动能，

C₁，C₂均是常量，取值分别为1.44，1.92；ρk和ρε是k方程和ε方程的湍流Prandtl数，取值分别为1.1，1.3；S_k,ex和S_ε,ex是附加源项。

②油气两相流动方程

拉格朗日模型中气流与油滴之间的作用力为：

在上式中，q_m·oil——油滴的质量流量

F_D——单位质量液滴受到的气流阻力

F_Q——单位质量液滴受到的其它作用力

F_D为油滴受到的气流阻力，表征了气液两相之间由于速度差而产生的对液滴的作用力。该力大小与两相的速度差成正比，与液滴的相对雷诺数成正比，表达式如式所示：

其中，带下标oil的变量是油滴的物理量，d_oil为油滴直径，Re为油滴的相对雷诺数，表征了空气绕水滴流动时的惯性力与粘性力的比值：

对于小尺寸液滴，在刚性球体的假设下并考虑了液滴雷诺数的影响，采用了如下的经验关系式：

然而大尺寸液滴流动过程中，在空气的剪切力和液滴的表面张力共同作用下，大尺寸的液滴可能会发生较大变形，从球形逐渐向扁圆盘形变化，此时液滴受到的阻力将不再满足球形假设。通常采用水滴运动韦伯数Wed来衡量液滴的惯性力与表面张力的比值。Clift在球体和扁圆盘的阻力系数经验式的基础上对大韦伯数的大水滴的阻力系数进行了修正，其表达式为：

C_D,droplet＝eC_D,disk+(1-e)C_D,sphere

其中C_D,disk为扁圆盘的阻力系数,不过在通风器流动中液滴的直径比较小，其计算得到的阻力系数C_D与球形得到的阻力系数基本一致，可见通风器中油滴可能的变形对油滴运动的影响很有限。

液滴所在位置的空气速度通过所在控制单元的节点速度进行距离加权得到，即：

其中r_i为液滴坐标与第i个节点的距离。

③液滴/壁面撞击壁面模型

液滴与壁面碰撞根据撞击能量的大小可能会发生粘附、反弹、铺展、飞溅等不同现象。

在通风器结构中，主要考虑的是通风器内壁面是否能够回收撞击到其上的油滴，结合通风器的油滴分离特性，在上述四种碰撞情况中，液滴的粘附与铺展即视为液滴完全被壁面收集；反弹表示没有液滴停留，即液滴返回到通风器内部流场；飞溅表示有部分液滴以小液滴形式脱离表面，剩下的部分视为被壁面回收。

计算中选取Trujilloy飞溅判断准则关系式，液滴的反弹选用Bai计算模型。

Trujilloy飞溅判断准则式是根据Cossali对液滴与湿润固体表面的撞实验数据的归纳，提出了判断水滴飞溅的判断准则数Cossali数。

其中R＝RS/Dp表示固体表面等效沙粒高度与来流水滴直径的比值。经过对通风器内部液滴撞击壁面参数的分析。

在不考虑液滴飞溅现象后，区分液滴碰撞后现象的参数主要是韦伯数We_s,n，其物理意义为惯性力与表面张力的比值，液滴撞击的韦伯数定义为：

Bai认为撞击后的韦伯数在2～10范围内液滴会发生反弹，反弹的速度计算公式为：

其中，下标t，n分别代表了在壁面切向与法向的速度分量；o，s分别表示反弹前后的液滴。

撞击后的韦伯数在小于2的范围内视为液滴的粘附，韦伯数大于10的范围视为液滴的铺展，这两种现象都是液滴被壁面回收，在通风器内相当于trap的边界条件。

以下为本发明的一个设计通风器的具体实施例，根据设计要求，离心通风器的外廓尺寸为外径为Φ218mm，轴向宽度为Φ43mm，通风器由外罩，转子，蜂窝体组成，角向用三个销钉定位，蜂窝体由整体3D打印成型的粉末冶金蜂窝芯体。蜂窝孔的长度尽量长，增大捕捉油滴的接触面积，如图3和4所示。

2、强度计算

对通风器进行了强度计算，图5为蜂窝体的强度计算结果，在发动机最大工作条件下，其最大拉伸应力为16.1Mpa，远小于的抗拉伸极限70Mpa，该通风器的蜂窝体结构强度可以满足发动机工作要求。

3、性能仿真分析

针对所建立的流体域划分网格，根据模型的特征，在网格化分过程中，对于蜂窝孔结构，由于其是标准的圆柱结构，因此采用cooper的方法进行网格化分，得到棱柱结构的体网格。最终得到的网格总数目为约209万，如下图6所示的网格：

设定边界条件后对模型进行仿真分析，仿真结果如图7所示，得到通风器在设计工况(转速4750r/min，空气流量0.08kg/s)下的分离效率为99.66％，阻力为30kPa，满足设计要求。

5、实验验证

试验在滑油附件综合试验器上进行，该系统包括气路、油路和油气混合路三个通路。来自加温油箱的热滑油经滑油泵组的增压级增压后，在掺混箱内，与来自空气加温器的高温空气进行掺混后形成油雾。未在掺混箱中形成油雾的大颗粒油滴经回油泵抽回至滑油箱，掺混箱内剩余的油气混合物在气压作用下，经管路进入试验腔体，然后经试验腔体内部安装的后通风器分离作用实现油气分离，尾气从通风器的轴心出口通入大气。

进行分离效率试验时，掺混后的油气进入装有试验件的壳体中，试验件后通风器以一定速度旋转，将油气进行分离。分离出的滑油最终汇集在试验壳体底部，每次试验项目完毕，打开试验壳体底部阀门进行收集，测量出分离出的滑油质量m₁。未被分离的滑油以小油滴颗粒形式存在于尾气中。为了收集尾气中残余油滴颗粒，在尾气进入大气之前，系统出口管路末端安装尾气收油装置。试验前测量尾气收油装置的质量，试验结束时再次测量，二者之差即为尾气中未分离滑油的质量m₂，通风器的分离效率η＝m₁/(m₁+m₂)。

进行阻力试验时，分离出的滑油直接从壳体底部流入接油盒中，取消集气盒装置，分离后的气体经离心通风器轴心出口经过一段管路后排入大气。分别测出试验件所在腔体中的混合气体的压力与通风器出口的气体压力，通过前后压力差可得出试验件的阻力。

表1试验结果

由表1可知，通风器试验件的分离效率达到99.35％，阻力为26kPa，能够满足设计要求。

应用本发明的方法设计的离心通风器，分离效率可以达到99％以上，仿真计算节约了设计成本。全新设计的蜂窝结构离心通风器，解决了现有蜂窝焊接制造工艺精度差，无法形成结构均匀的蜂窝体的问题，油气通过蜂窝体的蜂窝孔流道，增大了油气与旋转体的接触面积，提高油滴捕捉能力，且流通面积减少量可忽略，达到提高分离效率和阻力变化不大的目的。实现了阻力满足设计要求的条件下，通过大幅提高通风器油气与旋转体的接触面积的方法提高分离效率，并满足结构设计要求。可应用于航空发动机、燃气轮机滑油系统的通风系统中，也可用于其他领域需要对油气分离的部位。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种蜂窝结构离心通风器的设计方法，其特征在于，包括

S1：根据设计输入要求进行通风器结构的初步设计,所述设计输入要求包括通风器的外廓尺寸、通风量、最大转速、阻力要求；

S2：进行三维建模；

S3：利用有限元进行强度分析，通风器是否满足强度要求，若满足则继续进行S4，若不满足则返回S1；

S4：利用计算流体力学软件进行通风器的性能仿真分析，包括

1)计算域模型建立：根据三维模型进行流体域三维模型的建立，所述三维模型包括通风器流体域模型和外流域场模型；

2)网格划分：对包括外流域、蜂窝和其他部分的模型进行网格划分，其中外流域使用结构性网格划分，蜂窝多孔结构使用Cooper划分法划分网格，其他部分使用TGrid划分法划分网格；

3)计算求解：对空气场和油气两相流进行计算求解，包括

3.1)空气场求解

3.1.1)设定材料属性，包括通风器内温度、空气密度、粘性物理参数；

3.1.2)设定旋转域属性，包括旋转轴、旋转转速设定；

3.1.3)设定边界条件，包括质量流量进口边界，压力出口边界；

3.1.4)设定湍流模型，通风器计算中使用K-ε或者K-ω模型；

3.1.5)设置离散格式，使用二阶精度以上的离散格式；

3.1.6)进行迭代计算；

3.2)油滴－空气耦合求解

3.2.1)激活DPM模型；

3.2.2)设置喷射源，包括滑油材料，粒子分布模式，油滴速度、尺寸；

3.2.3)设置捕捉壁面，选取wall类型边界；

3.2.4)进行迭代计算；

4)计算结果处理：包括计算压降、计算分离效率和计算最小分离直径；

S5：综合各个状态点的仿真分析结果进行局部贡献率的分析，所述局部贡献率指通风器各部分结构对整体分离效果的贡献百分比；

S6：重复S2～S5，调整通风器结构，对通风器进行结构优化；

S7：试验验证；

S8：重复S2～S7得到满足需要的通风器，完成设计。

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