CN116561933B - 一种航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机滑油系统分析设计领域，特别提供了一种航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法及系统，针对航空发动机的风扇后支点和高压转子前支点所在的轴承腔，由油雾体积分数、回油比、无量纲滑油滞留量这三个参数，计算得到综合分析指数，对轴承腔内油气流动状态进行定量评估。其中，油雾体积分数是指特定时刻油雾颗粒总体积占轴承腔容积之比，回油比是指单位时间内回收滑油量占供油量的比例，无量纲滑油滞留量是指特定时刻中轴承腔内滑油总体积与中轴承腔允许的滑油吞入容积之比。本方法能够定量分析轴承腔内润滑油的流动状态，防止轴承腔内旋转体转动生成过量油雾，使得滑油能够保持液态状，有利于被快速排出轴承腔。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机滑油系统分析设计领域，特别提供了一种航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法及系统。
背景技术
航空发动机是一种高速、高温、高压、高负荷的热力机械，其正常运行需要各种系统的协同工作，而轴承作为转静子之间的交界面，其寿命和可靠性对发动机的正常运行和安全起着至关重要的作用。轴承腔是指包裹轴承的密封空腔，承载着轴承内部的滑油-空气混合物流动，其主要功能之一是为轴承提供必要的滑油润滑和冷却，防止轴承磨损，或因为摩擦而产生过多热量、影响轴承的寿命和可靠性。
中轴承腔是发动机中体积最大的轴承腔，如图1所示，其中有三个转动体，分别为中央传动锥齿轮1、低压压气机轴2和高压压气机轴3，它们的转速互不相同，因此对油气流动会产生较大的扰动，对轴承腔内油气流动状态的影响很大。在工作过程中，腔内轴承处于高速运转状态，如果油气流动状态不佳、影响滑油系统工作效率，会导致轴承的摩擦、磨损、超温等问题，从而降低轴承寿命和可靠性，严重时还可能导致发动机故障或事故。因此，中轴承腔内的滑油流动状态对于航空发动机的寿命、可靠性和安全性至关重要，需要对其进行分析和评估。但目前还没有相关文献对轴承腔内油气流动状态进行定量分析。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法及系统，可以准确、全面地评估轴承腔内滑油的流动状态，包括油气分布、油雾浓度和滑油润滑性能等情况。
本发明是这样实现的，提供一种航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法，包括如下步骤：
步骤1）：获取中轴承腔里滑油的油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z，油雾体积分数V是指特定时刻油雾颗粒总体积与中轴承腔容积之比，回油比R指单位时间内回收滑油量与供油量之比，无量纲滑油滞留量Z指特定时刻中轴承腔内滑油总体积与中轴承腔允许的滑油吞入容积之比；
步骤2）：定义油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数/>、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>，具体的：
，
其中，，/>是一个正的常数；
，
其中，是常数，表达式为/>，/>是滑油系统允许的滑油最大消耗速度，是中轴承腔供油速度；
，
其中，，/>是一个正的常数；
步骤3）：根据油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数/>、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>计算综合分析指数A，具体的：
，
其中，、/>、/>分别为油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z的权重，且有/>；
步骤4）：根据综合分析指数A的数值，分析中轴承腔内滑油的流动状态。
优选的，步骤1）中所述油雾体积分数V、所述回油比R、所述无量纲滑油滞留量Z通过计算仿真获得。
进一步优选，步骤1）中所述单位时间表示中轴承腔内转速最慢的转动体旋转五周及以上的时间。
进一步优选，步骤1）中所述中轴承腔允许的滑油吞入容积指的是轴承在运行过程中，允许滑油从外部加入到中轴承腔内部的最大容量。
进一步优选，步骤3）中，权重值，/>，/>。
进一步优选，步骤4）中按如下方法分析中轴承腔内滑油的流动状态：
综合分析指数A越接近1，说明中轴承腔内油气分布、油雾浓度和滑油润滑性能越接近正常范围；综合分析指数A越偏离1，说明油气分布、油雾浓度和滑油润滑性能越不正常。
本发明还提供一种利用上述的航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法的航空发动机中轴承腔油气流动状态分析系统，包括如下单元：
参数获取单元，用于获取中轴承腔里滑油的油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z；
分析函数计算单元，用于根据油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z计算油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数/>、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>；
综合分析指数计算单元，用于根据油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数/>、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>计算综合分析指数A的值；
中轴承腔内滑油流动状态分析单元，用于根据综合分析指数A的数值，分析中轴承腔内滑油的流动状态。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供的航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法及系统，对于航空发动机的可靠性和性能提升具有重要的作用和有益效果，主要表现在以下几个方面：
1、提高轴承寿命和可靠性。轴承腔内油气流动状态的不良会导致轴承摩擦、磨损和热量积聚等问题，从而缩短轴承的寿命和降低其可靠性。通过分析轴承腔内油气流动状态，发现问题并采取合适的优化措施，可以有效地提高轴承的寿命和可靠性。
2、降低维修和更换成本。如果轴承寿命较短，需要频繁更换或维修，将会增加维修和更换成本，甚至会导致发动机停机维修。通过分析轴承腔内油气流动状态并采取相应的优化措施，可以降低维修和更换成本。
3、提高发动机性能。轴承腔内油气流动状态的优化可以减小轴承摩擦和磨损，防止油雾在轴承腔内驻留而产生的过高搅拌热，降低发动机的机械损失，提高发动机的效率和性能。
4、减少对环境的影响。轴承腔内油气流动状态的优化可以降低机油消耗和排放，减少对环境的影响。
综上所述，本发明的有益效果主要表现在提高轴承寿命和可靠性、降低维修和更换成本、提高发动机性能和减少对环境的影响等方面。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为航空发动机中轴承腔结构示意图；
图2为当为不同值时，/>的分布图；
图3为当为不同值时，/>的分布图；
图4为当为不同值时，/>的分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明针对航空发动机中体积较大的中轴承腔，采用油雾体积分数、回油比、无量纲滑油滞留量构建综合分析指数，对轴承腔内滑油流动状态进行定量评估。
油雾体积分数是指特定时刻油雾颗粒总体积占轴承腔容积之比。油雾是指油滴在润滑系统中被气流和机械作用分散成小颗粒的液态混合物，主要由油和空气组成。在工程中，油雾体积分数通常用来描述润滑系统中油雾量的大小。过高的油雾体积可能意味着如下问题：a）滑油泵对油气的抽吸效率不高，导致滑油无法快速排出轴承腔，引发滑油系统滑油利用效率降低；b）滑油会以油雾状态从密封处泄漏，引发滑油系统内滑油总量损失；c）轴承腔内旋转体对油雾的搅动会产生更高的搅拌热，提高轴承腔温度。因此，通过油雾体积分数可以定量描述轴承腔内滑油流动状态。
回油比是指单位时间内回收滑油量占供油量的比例。回油比低于1时，代表轴承腔发生滑油泄漏，微小的滑油泄漏是滑油系统正常工作所允许的，但是当回油比过低时，一方面会导致滑油损耗速率过高，引发滑油系统内滑油供给量不足，另一方面异常泄漏的滑油流动至滑油系统外，可能引发发动机其它系统故障。因此，需要通过回油比反映轴承腔内滑油流动状态。
无量纲滑油滞留量是指特定时刻中轴承腔内滑油总体积与中轴承腔允许的滑油吞入容积之比。它是衡量滑油系统滑油使用效率的重要参数。过高的滑油滞留量会导致滑油系统内滑油利用效率不高，并且大量滑油滞留于轴承腔内，会增加滑油泄漏的风险。所以无量纲滑油滞留量越低越好，这意味着轴承腔内的滑油利用效率高、滑油以油膜状快速流动，有效提高滑油润滑冷却效率。
本发明提出的三个参数均可以有效表征滑油流动状态及其对滑油系统正常工作的影响，并且通过构建综合分析指数，能综合评估轴承腔内油气流动状态，为进一步研究油气流动规律和机理、寻求有效的优化方案提供了更加高效、精确和可靠的分析手段，这对于提高航空发动机轴承腔设计具有重要的实际意义。油气流动状态，即“滑油-空气混合物流动状态”的简称。其中，当滑油以微小颗粒的形式与空气较为均匀地混合时，称之为“油雾”。在本发明中，将油气比处于一定范围内的油气混合物称为油雾。具体的：
本发明首先提供一种航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法，包括如下步骤：
步骤1）：通过计算仿真获取中轴承腔里滑油的油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z，具体的：
a）油雾体积分数V是指特定时刻油雾颗粒总体积与中轴承腔容积之比，其计算公式为：，单位为%，其中/>为轴承腔内油雾颗粒总体积，/>为轴承腔的容积。
回油比R指单位时间内回收滑油量与供油量之比，其计算公式为：，单位为%，其中/>是回收滑油量，/>为供油量。单位时间表示中轴承腔内转速最慢的转动体旋转五周及以上的时间。在航空发动机轴承的设计和使用中，一般回油比在95%以上。
无量纲滑油滞留量Z指特定时刻中轴承腔内滑油总体积与中轴承腔允许的滑油吞入容积之比，其计算公式为：，单位为%，其中/>是中轴承腔内滑油总体积，是中轴承腔允许的滑油吞入容积。中轴承腔允许的滑油吞入容积指的是轴承在运行过程中，允许滑油从外部加入到轴承腔内部的最大容量。
步骤2）：定义油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数/>、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>，具体的：
，
其中，，/>是一个正的常数，用于调整函数的陡峭程度。当/>时，，此时油都以油膜的形式存在。当/>为不同值时，函数图像如图2所示；
，
其中，是常数，表达式为/>，/>是滑油系统允许的滑油最大消耗速度，单位L/min，/>是中轴承腔供油速度，单位L/min。当/>为不同值时，函数图像如图3所示；
，
其中，，/>是一个正的常数，用于调整函数的陡峭程度，当/>为不同值时，函数图像如图4所示。
步骤3）：根据油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数/>、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>计算综合分析指数A，具体的：
，
其中，、/>、/>分别为油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z的权重，且有/>；
步骤4）：根据综合分析指数A的数值，分析中轴承腔内滑油的流动状态。
采用权重值，/>，/>，综合分析指数A越接近1，说明中轴承腔内油气分布、油雾浓度和滑油润滑性能越接近正常范围；综合分析指数A越偏离1，说明油气分布、油雾浓度和滑油润滑性能越不正常。需要采取相应的措施进行调整。具体的综合分析指数的范围大小，也可以根据实际情况进行调整和精细化设计。
实施例
步骤1）：通过仿真，在一段时间内得到以下数据：油雾体积分数V=10%，回油比R=97%，无量纲滑油滞留量Z=20%。
步骤2）：取，算得各参数的分析函数值为：/>，/>，。
步骤3）：算出不同转速下的综合分析指数A=0.891。
步骤4）：定量分析中轴承腔内滑油的流动状态：0.891离1较近，说明油气分布、油雾浓度和滑油润滑性能等较好。
本发明还提供一种采用上述方法的航空发动机中轴承腔油气流动状态分析系统，包括如下单元：
参数获取单元，用于获取中轴承腔里滑油的油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z；
分析函数计算单元，用于根据油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z计算油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数/>、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>；
综合分析指数计算单元，用于根据油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数/>、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>计算综合分析指数A的值；
中轴承腔内滑油流动状态分析单元，用于根据综合分析指数A的数值，分析中轴承腔内滑油的流动状态。
上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1）：获取中轴承腔里滑油的油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z，油雾体积分数V是指特定时刻油雾颗粒总体积与中轴承腔容积之比，回油比R指单位时间内回收滑油量与供油量之比，无量纲滑油滞留量Z指特定时刻中轴承腔内滑油总体积与中轴承腔允许的滑油吞入容积之比；
步骤2）：定义油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数/>、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>，具体的：
，
其中，，/>是一个正的常数；
，
其中，是常数，表达式为/>，/>是滑油系统允许的滑油最大消耗速度，/>是中轴承腔供油速度；
，
其中，，/>是一个正的常数；
步骤3）：根据油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数/>、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>计算综合分析指数A，具体的：
，
其中，、/>、/>分别为油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z的权重，且有；
步骤4）：根据综合分析指数A的数值，分析中轴承腔内滑油的流动状态。
2.根据权利要求1所述的航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法，其特征在于，步骤1）中所述油雾体积分数V、所述回油比R、所述无量纲滑油滞留量Z通过计算仿真获得。
3.根据权利要求1所述的航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法，其特征在于，步骤1）中所述单位时间表示中轴承腔内转速最慢的转动体旋转五周及以上的时间。
4.根据权利要求1所述的航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法，其特征在于，步骤1）中所述中轴承腔允许的滑油吞入容积指的是轴承在运行过程中，允许滑油从外部加入到中轴承腔内部的最大容量。
5.根据权利要求1所述的航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法，其特征在于，步骤3）中，权重值，/>，/>。
6.根据权利要求1所述的航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法，其特征在于，步骤4）中按如下方法分析中轴承腔内滑油的流动状态：
综合分析指数A越接近1，说明中轴承腔内油气分布、油雾浓度和滑油润滑性能越接近正常范围；综合分析指数A越偏离1，说明油气分布、油雾浓度和滑油润滑性能越不正常。
7.一种采用权利要求1所述的航空发动机中轴承腔油气流动状态分析方法的航空发动机中轴承腔油气流动状态分析系统，其特征在于，包括如下单元：
参数获取单元，用于获取中轴承腔里滑油的油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z；
分析函数计算单元，用于根据油雾体积分数V、回油比R、无量纲滑油滞留量Z计算油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数/>、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>；
综合分析指数计算单元，用于根据油雾体积分数V的分析函数、回油比R的分析函数、无量纲滑油滞留量Z的分析函数/>计算综合分析指数A的值；
中轴承腔内滑油流动状态分析单元，用于根据综合分析指数A的数值，分析中轴承腔内滑油的流动状态。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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