航空发动机用动压式油气分离器性能研究

发布时间：2020-05-10 19:36

【摘要】：动压式油气分离器是小型航空发动机滑油系统中的重要部件,是一种利用离心力对油气混合物进行分离的装置,具有结构简单、空间紧凑、效率相对较高等优点,对其性能的研究是国内外的前沿问题之一。因分离器内部为三维强旋湍流,伴随着气液两相分离,涉及到气泡的破碎、铺展与聚合等复杂的流动过程,对其流动机理和性能分析的研究相当困难,尚未从整体上提出描述分离器性能的数学模型。本文结合动压式油气分离器的工作原理和工作条件,采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法对分离器性能进行系统的研究。首先,设计并搭建了小型动压式油气分离器性能测试实验系统,对4种不同结构形式实验模型进行了系统研究,通过对所得实验数据的整理和分析,给出了最佳结构组合形式;论文提出容积法测量分离效率,分析了筒体直径、筒体长度、入口倾斜角和出气管长度等因素对分离器性能的影响规律。研究结果表明:内嵌式出气管与切向出油管相结合的结构形式可获得较优的分离性能;入口倾斜角、长径比、出气管长度和直径均存在最佳取值,可使分离器性能最优。其次,采用理论分析的方法建立了动压式油气分离器内的气泡运动轨迹模型,分析了流量、切向速度和筒体直径对分离性能的影响规律。研究结果表明:进口处滑油切向速度的增大有助于提高分离性能,但当其增大到一定程度时,分离性能提高速度减缓;当平均轴向速度较小时,流量增加对离心力的影响大于对气泡停留时间的影响,分离效率随滑油流量的增大而升高,但当平均轴向速度较大时,流量的影响则相反;在一定流量范围内确定了分离性能最优时的筒体直径。再次,利用数值模拟手段对动压式油气分离器内的两相流场进行了详细研究,分析了3种工况参数和6种结构参数对动压式油气分离器性能的影响。研究结果表明:分离器内部存在多处局部二次流现象,滑油流量不影响分离器流场结构;造成分离器内部压力降低的主要因素为筒体内部的摩擦损失、旋转耗散和出气管的突缩结构;随着温度的升高,分离器筒底循环流由单涡结构逐渐转变为双涡结构,分离性能增强;随着油气比的增大,分离器筒底循环流由双涡结构逐渐裂变为三涡结构,内部旋转加强,气芯柱范围减小,分离效率明显改善;存在最佳的结构参数使得分离器的性能最优。最后,基于量纲分析原理建立了动压式油气分离器的分离效率与阻力预测数学模型,分析了多元非线性拟合误差,并与实验数据对比验证了模型的准确性,研究表明本文建立的分离效率与阻力模型可在一定范围内准确预测动压式油气分离器的分离与阻力性能。
【图文】：

原理图,润滑系统,航空发动机,原理图

研究背景液分离现象广泛存在于各个工业生产领域[1-3]，从生物制药[4]、石油开采[5领域的许多关键部分[8]都涉及到气液分离问题。在航空航天领域，由于高转速以及耐久性等方面的要求，航空发动机成为最复杂精密的工业产品，国家具备独立生产的能力。近年来，为提高发动机的工作性能，各国都在加大了投入。动机高温高压高转速的工作环境需要高性能的润滑系统来保证其安全平统计，上世纪末，发动机润滑系统故障引发的事故，占我国空中停车事故的发动机事故的 28%。受到发动机体积小、重量轻的整体要求，对润滑系统要求越发严格。经过多年的努力，发动机润滑系统研究方面已取得了很大仅限于对润滑系统的一般性理论描述或具体的故障分析，试验研究通常只统中某个部件进行整体性能测试，缺少对换热、摩擦和阻力原件等的机理立自己的部件设计模型。目前，润滑系统的研究是国内外的前沿问题之一

滑油,流动过程,回油系统

哈尔滨工程大学博士学位论文滑系统内外压差的作用下，空气会进入系统，在高速旋转部件的作用下，滑油与空气掺混，形成滑油乳化液，并由回油泵将其输送至回油系统中；此外，为了保证发动机的安全运行，回油泵的设计容量往往大于供油量，其工作时也会将大量空气输送至回油系统因此，在回油系统中的流体为油气两相混合物，将增大管路阻力、降低燃滑油散热器的性能，并影响摩擦对偶面的润滑条件。此外，若油气两相混合物直接进入供油系统中将造成供油压力和供油量的降低，从而严重影响发动机的安全。因此，，在回油系统中需设置油气分离装置。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V232

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