基于Flowmaster的發動機滑油供油系統流量壓力換熱特性建模與仿真

冷子昊，程榮輝，郁麗，蘇壯，李國權

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015；2.中國航空發動機集團航空發動機動力傳輸重點實驗室，沈陽 110015）

0 引言

我國的發動機研制起步晚且長期處于仿制階段。過去只注重大元件的研發[1]，而對于發動機滑油系統的研究不夠重視。美國IHPTET（Integrated High Performance Turbine Engine Technology，集成高性能渦輪發動機技術）計劃將航空發動機傳動與滑油系統作為六大研究部分之一[2]。滑油系統是航空發動機的重要組成部分[3]。馬壯[4]構建了滑油系統穩態壓力模型，楊春信等[5]進行了滑油系統散熱性能的分析。

通常將散熱器安放在供油路的滑油系統稱為反向循環系統[6]，滑油系統中燃滑油散熱器流阻受溫度與流量影響比較大，由于缺乏試驗數據及換熱特性計算方法，在以前完成的滑油供油系統流量壓力仿真技術研究中，均未考慮溫度對散熱器流阻及滑油系統換熱特性的影響，因此會給仿真結果帶來誤差。目前常用的殼程換熱計算方法主要有2 種：Kern法及Bell-Delaware法[7-8]。谷俊[9]基于這兩種方法提出了一種按流動特性分段計算殼程換熱的方法。李國權等[10]提出了由一條散熱器試驗性能曲線推算其性能曲線簇的數學方法。

Flowmaster作為流體系統仿真分析軟件，其以組成系統的各元件流阻特性為基礎，通過迭代求解系數矩陣的方式來計算得到系統內各部分的壓力、流量、換熱量等參數分布，該軟件已廣泛用于設計和分析復雜流體系統。為較全面、準確地描述發動機工作包線內滑油系統實際工作狀態，本文研究滑油系統中元件的流動特性與散熱器換熱特性，利用Flowmaster對滑油系統供油子系統進行建模仿真，二次開發散熱器換熱模型，總結實際工作狀態下滑油系統狀態，指導滑油系統供油子系統正向設計，為最終設計與試驗提供了有力的理論指導依據。

1 航空發動機滑油供油系統

發動機滑油系統主要功能是向發動機軸承、齒輪、密封裝置等處提供用于潤滑及冷卻的滑油。常見滑油系統供油子系統如圖1所示，具體流路為：滑油箱→滑油泵組→滑油濾→燃滑油散熱器→前、中、后腔噴嘴（后腔管路上設有后腔滑油控制閥）。其中滑油泵組上設有壓差活門，其目的為保證供油壓力與后腔軸承腔腔壓的供油壓差保持穩定。

圖1 滑油系統供油系統

2 系統建模

2.1 計算假設

本文在對滑油系統供油子系統進行計算時，作了以下假設：1）不考慮滑油泵組的起動過程；2）不考慮慣性阻力；3）忽略彎頭角度小于10°的彎頭和折管元件；4）不考慮滑油流路的換熱過程，由于流路中流速較快，流路的熱交換對計算結果影響較小；5）不考慮重力影響，由于管路的位差較小，各部位流體勢能變化較小，因此忽略重力的影響。

2.2 仿真計算流程

基于上述假設，建立流量-壓力-換熱計算模型，對沿程阻力損失、局部阻力損失、噴嘴、滑油物性、滑油溫度等仿真計算，計算流程如圖2所示。

圖2 仿真計算流程

2.3 系統參數設置

依據發動機滑油系統流量設計要求確定滑油系統各零組件對滑油流量的初步需求。選用Ⅱ型潤滑油，其理化性能如圖3所示。

圖3 滑油物性

2.4 各元件模型及參數處理

滑油系統供油子系統仿真模型共從FLOWMASTER軟件中調用9類元件模型，包含3種節流孔（Orifices）、3種控制元件（Controllers）、2種彎頭（Bends）、2種三通（Junctions）、2種源元件（Sources）、2種突變（Transitions）、1種流阻元件（Losses）、1種直管（Pipes）、1種自設元件，具體各部分元件使用情況如表1所示。

表1 元件模型

2.4.1 調壓活門

調壓活門流量阻力性能選擇軟件中Orifice: Short Variable Throttle閥門元件表示，活門開啟功能可用軟件中Controller: Template控制元件建模。

通過判斷滑油供油壓差（供油壓力與后軸承腔壓的差值）與調壓活門的打開壓力差值，確定閥門開度，調壓活門模型與流阻特性曲線如圖4所示。

圖4 調壓活門模型及流阻特性曲線

2.4.2 燃滑油散熱器

1）散熱器流阻模型。

根據試驗數據，建立壓降、流量與溫度三維關系曲面進行仿真計算，主、輔助燃滑油散熱器壓降部分采用元件“Loss: Discrete”，其模型、壓降、流量與溫度曲面如圖5所示。

圖5 散熱器流量、壓降、溫度曲面

2）散熱器換熱模型。

主燃滑油散熱器和輔助燃滑油散熱器均為殼管式結構，燃油均在管內流動，滑油均在管外殼內流動。本文采用嚴謹的Bell-Delaware法[9]描述殼側流體換熱，綜合考慮散熱器殼側的泄漏流動以及旁路流動的影響，更貼近實際地預測殼側的換熱性能。管殼式典型散熱器校核計算流程如圖6所示。

圖6 殼管式散熱器性能校核計算流程

已知條件：某型殼管式燃滑油散熱器具體結構參數，進口參數如表2所示。

表2 燃滑油散熱器進口參數

求解參數如表3所示。

表3 燃滑油散熱器求解參數

根據殼管式典型散熱器的實際分析步驟（如圖6）依次確定下述參數：確定傳熱表面特征；確定流體物性參數；雷諾數；由傳熱表面的基本特征確定傳熱因子J和摩擦因數f，計算求得對流表面傳熱系數；總傳熱系數；傳熱單元數NTU和散熱器效率；出口溫度和散熱量。

根據燃滑油散熱器換熱性能計算結果與散熱器模型參數，對Flowmaster自設元件進行二次開發，搭建主、輔助燃滑油散熱器仿真計算模型（如圖7）。

圖7 燃滑油散熱器模型

2.5 模型集成

集成表1中所有元件模型，建立滑油系統供油子系統Flowmaster模型，如圖8所示。

圖8 滑油供油系統模型

3 仿真分析驗證

3.1 噴嘴驗證

根據發動機滑油系統流量設計要求，對一支點、二支點、中腔、后腔噴嘴模型進行迭代修正，最終仿真結果如表4～表7所示。

表4 一支點噴嘴仿真結果

表5 二支點噴嘴仿真結果

表6 中腔噴嘴仿真結果

表7 后腔噴嘴仿真結果

將仿真數據與流量檢查要求對比，可以看出各支點模型與發動機實際機構相一致，且滿足流量檢查要求。

3.2 系統驗證

選取發動機熱分析與腔壓計算數據作為邊界條件，輸入滑油總回油溫度、燃油進口溫度、流量、軸承腔腔壓，通過迭代修正滑油流量，使輸出滑油供油溫度與熱分析計算結果誤差小于5%，此時系統達到平衡狀態，求得典型工況流量-壓力-換熱參數，流量計算結果如圖9所示。

圖9 系統流量仿真結果

由表8 、表9 可知，滑油供油溫度與發動機熱分析計算結果基本一致，驗證換熱性能滿足設計要求，誤差小于5%；各腔處供油量基本在設計要求范圍內，滿足各處供油量需求，誤差小于5%；壓力略有差別，分析是因為滑油濾等元件缺乏試驗數據，導致壓力計算存在一定的誤差。

表8 系統流量壓力換熱仿真結果

表9 元件仿真結果對比L/min

4 結論

綜上所述，根據發動機滑油供油系統元件及系統級仿真結果，得出如下結論：

1）通過各支點噴嘴模型建立及仿真計算，驗證各支點模型與實際結構較為吻合，證明滑油系統噴嘴滿足設計要求。

2）通過燃滑油散熱器元件模型開發與設計，完成換熱性能仿真計算，驗證滑油供回油溫度與實際基本一致，證明燃滑油散熱器滿足設計要求。

3）通過整體供油系統仿真計算，并與熱分析數據進行對比，計算結果誤差較小，驗證發動機滑油系統總供油量、供油壓力、散熱器換熱量滿足設計要求；對系統各處進行評估，得到前軸承腔、后軸承腔、附件機匣、轉接齒輪箱等各處供油流量、供油壓力滿足使用要求。仿真計算模型可對系統其他工況點進行預測，為滑油系統設計提供可靠的數據支持。