基于FLUENT的軸承腔封嚴引氣流動特性仿真分析及結構優化

冷子昊，程榮輝，郭松，張杰一, 蘇壯

（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

滑油系統是航空發動機的重要組成部分[1]，高溫、高轉速工況對航空發動機軸承工作環境提出了較高的要求，需要向軸承提供冷卻滑油以帶走因軸承高速旋轉摩擦而產生的熱量，同時需要將封嚴氣引入封嚴增壓腔，以保證在任何飛行狀態下通過密封裝置的壓差為正壓差[2]，避免滑油泄漏。

因此軸承腔氣體的流動特性求解得到了廣泛的研究。Lee等[3-4]闡述了腔室幾何結構對腔內空氣流動結構的影響。Gorse等[5]測量了軸承腔內空氣各個方向速度分量，發現流動渦結構形成與密封空氣、腔體結構及旋轉軸轉速均有直接關系。Aidarinis等[6]對空氣流動的數值模擬計算模型進行驗證與完善。Aidarinis等[7-8]使用激光多普勒測速儀（LDA）對某發動機的前軸承腔中的油氣兩相流流場進行了測量，并與數值模擬結果進行了對比分析，獲得了流場中的漩渦分布規律。Simmons等[9]采用單向耦合與雙向耦合方法對比分析了空氣場切向速度的差別，研究了不同滑油流量和油滴粒徑情況下空氣場速度等參數的差別。

采用CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）模擬方法，可以分析并且顯示流體流動過程中發生的現象，及時預測流體在模擬區域的流動性能，并通過改變各種參數，得到相應過程的最佳設計參數。近年來，CFD在流場計算中應用日益廣泛，并出現了多個商用CFD軟件，其中FLUENT軟件是目前功能全面、適應性廣、國內使用廣泛的CFD軟件之一[10]。本文以航空發動機軸承腔封嚴引氣結構為研究對象，應用三維軟件UG進行建模，基于CFD軟件平臺FLUENT進行三維數值模擬，對多種結構引氣流動特性進行優化改進，得到最優化引氣結構，指導軸承腔結構設計。

1 軸承腔封嚴引氣結構

傳統軸承腔的封嚴引氣結構如圖1所示，機匣、后蓋、密封裝置、支撐環、軸與軸承之間形成軸承腔A腔，機匣、蒙皮、后蓋、密封裝置、支撐環與軸之間形成封嚴增壓腔B腔。航空發動機高壓封嚴引氣經過機匣、封嚴增壓腔B腔、軸心至篦齒封嚴一端，與另一端含有滑油的軸承腔A腔形成封嚴壓差，從而防止滑油泄漏。

圖1 傳統軸承腔封嚴引氣結構

1.1 流動特性分析

由圖1所示，傳統軸承腔封嚴引氣結構流路復雜、流阻較大，會產生不必要的引氣壓力損失，降低封嚴壓力，導致滑油泄漏。蒙皮與右側高溫腔接觸面積大，會導致封嚴引氣溫度升高，致使軸承腔溫度升高，影響軸承腔潤滑冷卻效果。因此需要開展流動特性仿真分析及優化工作。

1.2 流動特性仿真分析

1.2.1 三維建模與網格劃分

應用三維軟件UG進行建模，得到引氣結構流體域模型，導入CFD軟件平臺FLUENT并進行網格劃分，如圖2所示。

圖2 模型與網格劃分

1.2.2 邊界條件

根據發動機中間狀態工況點，選取封嚴引氣入口流量qzj、發動機低壓轉速Nzj，封嚴引氣出口壓力設置為0 Pa，作為仿真邊界條件。

1.2.3 仿真分析

針對上述軸承腔封嚴引氣結構流體域模型，采用Realizable k-ε模型進行三維數值模擬仿真分析，中間狀態軸承腔封嚴引氣結構流場仿真分析結果如圖3所示。

圖3 壓力分布和流速分布圖

通過仿真結果可知，傳統軸承腔封嚴引氣結構在中間狀態流阻高達27.95 kPa，流速差達到87.83 m/s，需要對其流動特性進行優化，降低流阻。

1.3 結構優化與仿真分析

由于傳統結構引氣入口處產生渦流，導致流阻偏大，需要對該結構進行優化，因此設計軸承腔封嚴引氣結構（如圖4），通過設計球頭導管封嚴引氣結構，優化引氣流路結構，增大封嚴引氣流路截面積，減小流阻損失，提高封嚴可靠性。

圖4 軸承腔封嚴引氣管優化結構

1.3.1 三維建模與網格劃分

應用三維軟件UG 進行建模，得到優化后的引氣結構流體域，導入CFD軟件平臺FLUENT并進行網格劃分，如圖5所示。

圖5 模型與網格劃分

1.3.2 流場仿真與分析

設置同樣的邊界條件，針對上述軸承腔封嚴引氣優化結構流體域模型，采用Realizable k-ε模型進行三維數值模擬仿真分析，中間狀態軸承腔封嚴引氣結構流場仿真分析結果如圖6所示。

圖6 壓力分布和流速分布圖

通過流場仿真分析結果可知，高壓封嚴引氣通過封嚴增壓腔至篦齒封嚴一端，與另一端含有滑油的軸承腔形成封嚴壓差，從而防止滑油泄漏。經仿真對比分析，設置相同的邊界條件，軸承腔封嚴引氣優化結構流阻為8.46 kPa，流速差為0.98 m/s，比傳統結構流阻降低了約70%。

由此證明，優化后的軸承腔封嚴引氣結構可以有效地降低封嚴引氣的流阻，提高封嚴可靠性，改善軸承工作環境，從而避免因封嚴壓差不足而導致的滑油泄漏問題。

2 軸承腔軸心封嚴引氣結構

傳統軸承腔軸心封嚴引氣結構如圖7所示。A腔為滑油腔，滑油流經噴嘴進入A腔內，在離心力作用下經收油引氣結構、低壓渦輪軸進入軸承腔，潤滑高速運轉的軸承；B為封嚴增壓腔，航空發動機高壓封嚴引氣經過收油引氣結構，通過低壓渦輪軸至篦齒封嚴一端，與另一端含有滑油的軸承腔形成封嚴壓差，從而防止滑油泄漏。

圖7 軸承腔軸心封嚴引氣結構

2.1 流動特性分析

在發動機個別工作狀態點，由于封嚴引氣壓力較低，導致該狀態下篦齒封嚴壓差較低，封嚴壓差不足導致滑油泄漏至增壓腔B內，致使滑油接觸高溫低壓渦輪軸，產生滑油結焦；低壓渦輪軸內高溫腔與增壓腔相通，封嚴引氣會受高溫腔影響而升溫，而且B腔與A腔之間只有一層間隔，高溫封嚴氣會將熱量傳遞至滑油腔A內，致使滑油溫度升高，影響軸承冷卻效果。

2.2 軸心封嚴引氣結構設計

為降低流阻，滿足軸承腔封嚴引氣要求，設計雙層壁堵蓋式軸承腔軸心封嚴引氣結構，如圖8所示。

圖8 雙層壁堵蓋軸承腔軸心封嚴引氣結構

通過增加堵蓋結構，將封嚴氣直接引入篦齒封嚴腔，與引入軸心結構相比，可減小引氣流路的壓力損失，有利于提高封嚴壓差。同時，堵蓋將增壓腔與低壓渦輪軸內高溫腔隔絕，可以有效地防止封嚴引氣升溫，并防止滑油泄漏至高溫低壓渦輪軸，避免滑油結焦。通過設計雙層壁結構，在高溫增壓腔B與低溫滑油腔A之間增加封閉腔體，減少熱傳導，使滑油腔處于較低的工作溫度，可改善軸承工作環境。

2.3 流動特性仿真分析

2.3.1 三維建模與網格劃分

應用三維軟件UG進行建模，得到軸心引氣結構流體域模型，導入CFD軟件平臺FLUENT并進行網格劃分，如圖9所示。

圖9 模型與網格劃分

2.3.2 邊界條件

根據發動機慢車與中間狀態工況點，選取封嚴引氣入口流量qmc、qzj，發動機低壓轉速Nmc與Nzj，將軸心封嚴引氣出口壓力設置為0 Pa，作為仿真邊界條件。

2.3.3 仿真分析

針對上述軸承腔軸心封嚴引氣結構流體域模型，采用Realizable k-ε模型進行三維數值模擬仿真分析，慢車與中間狀態軸心封嚴引氣結構流場仿真分析結果如圖10所示。

圖10 壓力分布和流速分布圖

通過仿真結果可知，軸承腔平直堵蓋軸心封嚴引氣結構在慢車、中間狀態流阻分別高達94.20、3302.54 Pa，流速差分別達到6.58、63.64 m/s，需要對堵蓋結構及其流動特性進行優化，降低流阻。

2.4 軸心堵蓋結構優化設計

由上述仿真結果可知，封嚴引氣通過引氣環遇到平直堵蓋后直接進入引氣環中引氣孔，沒有氣體引導結構，可能產生渦流，并增加氣體流阻，減緩流速，影響引氣封嚴效果。為減小增壓腔B內氣體流阻，設計部分折彎堵蓋和折彎堵蓋，對引氣結構進行改進設計（如圖11），并應用三維軟件UG進行建模，基于CFD軟件平臺FLUENT進行三維數值模擬。

圖11 軸承腔軸心封嚴引氣結構

2.4.1 三維建模與網格劃分

應用三維軟件UG進行建模，得到2種軸心堵蓋，優化結構流體域模型，導入CFD軟件平臺FLUENT并進行網格劃分，如圖12所示。

圖12 模型與網格劃分

2.4.2 流場仿真與分析

設置同樣的邊界條件，分別對上述2種軸心堵蓋優化結構流體域模型，采用Realizable k-ε模型進行三維數值模擬仿真分析，慢車與中間狀態軸承腔封嚴引氣結構流場仿真分析結果如圖13和圖14所示。

圖13 慢車和中間狀態壓力分布對比結果

圖14 慢車和中間狀態流速分布對比結果

通過流場仿真分析結果可知，由于慢車狀態轉速較低，封嚴引氣流量較小，因此3種軸承腔封嚴引氣結構流阻、出口流速相差不大，最大差值分別為0.03 kPa與0.82 m/s；而中間狀態的轉速升高，封嚴引氣流量增大，3種結構流阻差異明顯，其中，帶折彎堵蓋的軸承腔封嚴引氣結構流阻最小，出口流速最大，分別為2.57 kPa與63.84 m/s，比原始帶平直堵蓋的軸承腔封嚴引氣結構流阻減小0.73 kPa與0.2 m/s。而且，通過3種結構仿真結果可以發現，在折彎角度不變的情況下，折彎范圍越大，封嚴引氣流阻越小。

由此證明，優化后的帶折彎堵蓋的軸承腔封嚴引氣結構增加了封嚴引氣引導結構，可以有效地減小氣體流阻，保證良好的封嚴效果。

3 結論

經過上述軸承腔封嚴引氣結構優化設計和流動特性仿真分析，基于CFD軟件平臺FLUENT完成三維數值模擬，得出如下結論：1）采用Realizable k-ε模型進行三維數值模擬，流場結果與實際相吻合，能夠準確地反映氣體流動狀態；2）通過設計球頭導管封嚴引氣結構，優化引氣流路，大幅降低封嚴引氣流動阻力，從而提高封嚴壓差，避免滑油泄漏影響發動機的運行安全；3）通過增加堵蓋結構，將封嚴引氣直接引入，減少了壓力損失，有利于提高封嚴壓差；優化后的帶折彎堵蓋的軸承腔封嚴引氣結構，增加封嚴引氣引導結構，可以有效地減小氣體流阻，保證良好的封嚴效果；在折彎角度不變的情況下，折彎范圍越大，軸承腔封嚴引氣結構流阻越小。