滑油循環(huán)散熱對(duì)粒子分離器溫升的影響試驗(yàn)研究

劉媛

摘 要：本文針對(duì)滑油在粒子分離器機(jī)匣內(nèi)腔循環(huán)散熱對(duì)氣流的溫升影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)其散熱功率進(jìn)行了評(píng)估。試驗(yàn)結(jié)果表明：粒子分離器清除比在12.5%～15%之間變化時(shí)，滑油散熱功率變化不大，在14KW左右波動(dòng);滑油散熱引起的清除流溫升遠(yuǎn)高于主流，約為9.1℃，且隨清除比變化不大，主流溫升約3.7℃，且隨著清除流增加，溫升稍有下降.

關(guān)鍵詞：粒子分離器;滑油散熱;散熱功率;溫升

由于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境寬廣，在沙漠等環(huán)境惡劣的地方，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)需要采用進(jìn)氣防護(hù)措施以獲得干凈氣流。經(jīng)過長(zhǎng)期的研究和積累，進(jìn)氣防護(hù)已由早期的進(jìn)氣過濾網(wǎng)、毛氈過濾器和多管慣性粒子分離器發(fā)展為現(xiàn)在的整體式粒子分離器[1-2]，其典型的應(yīng)用包括T700、T800和RTM322。整體式粒子分離器以其分離效率高、總壓損失小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)引氣國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[3-5]。

整體式粒子分離器對(duì)于整個(gè)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)而言，不僅為發(fā)動(dòng)機(jī)提供干凈、均勻氣流，同時(shí)還可能兼顧了防冰、滑油散熱、前軸承腔滑油循環(huán)等功能[5]。而防冰、滑油散熱等功能的實(shí)現(xiàn)均一定程度上影響機(jī)匣溫度，進(jìn)而造成壓氣機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)溫度畸變，最終影響整機(jī)性能。本文以某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)粒子分離器為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)研究滑油散熱對(duì)流體溫升的影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

1 滑油散熱在粒子分離器機(jī)匣中流動(dòng)機(jī)理

為滿足功能要求，粒子分離器機(jī)匣中集成部分滑油管路，通過粒子分離器內(nèi)部氣體流動(dòng)對(duì)高溫還有進(jìn)行散熱，在低溫狀態(tài)還能夠?qū)αＷ臃蛛x器部分流道進(jìn)行防冰。為增加滑油散熱面積，采用滑油管路繞機(jī)匣循環(huán)流動(dòng)一周設(shè)計(jì)。具體的流動(dòng)示意圖及結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。

在試驗(yàn)中，真實(shí)模擬了滑油在機(jī)匣內(nèi)部的滑油空腔，并于試驗(yàn)件外部設(shè)計(jì)了與滑油循環(huán)設(shè)備連接的兩個(gè)接口，實(shí)現(xiàn)滑油的循環(huán)流動(dòng)。

2、滑油散熱試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)件狀態(tài)

粒子分離器流道試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，機(jī)匣內(nèi)滑油環(huán)腔通過外置的兩個(gè)接口與滑油循環(huán)裝置連接，實(shí)現(xiàn)滑油進(jìn)出。

2.2 試驗(yàn)狀態(tài)

本次試驗(yàn)評(píng)估了設(shè)計(jì)狀態(tài)下，不同清除流流量與滑油散熱性能的關(guān)系。記錄數(shù)據(jù)為：試驗(yàn)時(shí)空氣的溫度、濕度參數(shù)（設(shè)備測(cè)點(diǎn)）、不同狀態(tài)點(diǎn)下的滑油進(jìn)、出口溫度（滑油循環(huán)設(shè)備測(cè)點(diǎn)）、主流和清除流的進(jìn)、出口溫度。（出口截面采用等環(huán)面分布的4支5點(diǎn)探針）

試驗(yàn)條件如下：空氣進(jìn)氣溫度為室溫;清除比為12%～15%。

3、試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得到滑油的散熱功率，以及主流和清除流的溫升數(shù)值。從而評(píng)估滑油散熱功率以及其對(duì)粒子分離器主流和清除流的溫度影響。

3.1 滑油散熱功率

通過外置的滑油循環(huán)系統(tǒng)與粒子分離器試驗(yàn)件的連接，讀取了滑油在試驗(yàn)件進(jìn)出口的溫度。表1給出了若干狀態(tài)的滑油進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，滑油進(jìn)出口的溫差在32～33℃左右，隨著清除流的流量變化不大。

獲得滑油進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)后，結(jié)合公式1獲得了滑油散熱功率計(jì)算結(jié)果。由公式可知，在一定滑油溫度（比熱不變）和流量狀態(tài)下，滑油散熱功率與進(jìn)出口溫差成正比。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，圖2給出了滑油散熱功率隨清除比的變化關(guān)系，由圖中可以看出，清除比在12.5%～15%之間變化時(shí)，滑油散熱功率變化不大，在14KW左右波動(dòng)。

3.2 滑油散熱對(duì)氣流的影響

在試驗(yàn)條件下，高溫滑油在機(jī)匣內(nèi)循環(huán)流動(dòng)一周，其熱量必然通過機(jī)匣壁面?zhèn)鬟f給流通過的氣流，造成氣流溫度升高。粒子分離器主氣流以及清除氣流的出口截面均布置有溫度探針，從而獲得了兩個(gè)截面的溫升狀態(tài)。圖3和圖4給出了粒子分離器試驗(yàn)件主流和清除流出口截面的溫升隨著清除流變化曲線。從圖中可以看出，試驗(yàn)狀態(tài)下主流溫升約3.7℃，且隨著清除流增加，溫升呈現(xiàn)稍有下降的趨勢(shì);清除流溫升整體變化不大，在9.1℃左右波動(dòng)，無明顯的升降趨勢(shì)。整體而言，清除流的溫升遠(yuǎn)高于主流溫升，這是由于滑油散熱的主體流道大部分位于清除流道內(nèi)，且清除流流量較小，因此溫升較高。

3 結(jié)論

本文針對(duì)粒子分離器機(jī)匣內(nèi)集成的滑油散熱功能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)由于滑油散熱造成的粒子分離器主、清除氣流的溫升進(jìn)行了評(píng)估。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）在試驗(yàn)條件下，粒子分離器清除比在12.5%～15%之間變化時(shí)，滑油散熱功率變化不大，在14KW左右波動(dòng);

（2）清除流的溫升遠(yuǎn)高于主流，約為9.1℃，且整體變化不大;主流溫升約3.7℃，且隨著清除流增加，溫升稍有下降。

參考文獻(xiàn)：

[1] 童悅，譚慧俊，曾平均.帶掃氣蝸殼的整體式粒子分離器仿真.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，Vol.28 No.5，May，2013.

[2] Filippone A， Bojdo N. Turboshaft engine air particle separator[J]. Progress in Aerospace Sciences， 2010，46（5/6）：224-245

[3] 于廣元，雷玉冰.基于混合優(yōu)化算法的無葉片粒子分離器優(yōu)化設(shè)計(jì).航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，Vol.28 No.8，Aug，2013.

[4] 葉靜，胡柏安，熊焰.渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)無葉片粒子分力氣流道設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械，2007，2：39-42.

[5] Robert J D， Bernard F S. Integral engine inlet particle separator： Volume II design guide[R]. USAAMRDL-TR-75-31B，1975