基于FLUENT的轴承腔封严引气流动特性仿真分析及结构优化

冷子昊，程荣辉，郭松，张杰一, 苏壮

（1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015；2.中国航空发动机集团 航空发动机动力传输重点实验室，沈阳 110015）

0 引言

滑油系统是航空发动机的重要组成部分[1]，高温、高转速工况对航空发动机轴承工作环境提出了较高的要求，需要向轴承提供冷却滑油以带走因轴承高速旋转摩擦而产生的热量，同时需要将封严气引入封严增压腔，以保证在任何飞行状态下通过密封装置的压差为正压差[2]，避免滑油泄漏。

因此轴承腔气体的流动特性求解得到了广泛的研究。Lee等[3-4]阐述了腔室几何结构对腔内空气流动结构的影响。Gorse等[5]测量了轴承腔内空气各个方向速度分量，发现流动涡结构形成与密封空气、腔体结构及旋转轴转速均有直接关系。Aidarinis等[6]对空气流动的数值模拟计算模型进行验证与完善。Aidarinis等[7-8]使用激光多普勒测速仪（LDA）对某发动机的前轴承腔中的油气两相流流场进行了测量，并与数值模拟结果进行了对比分析，获得了流场中的漩涡分布规律。Simmons等[9]采用单向耦合与双向耦合方法对比分析了空气场切向速度的差别，研究了不同滑油流量和油滴粒径情况下空气场速度等参数的差别。

采用CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）模拟方法，可以分析并且显示流体流动过程中发生的现象，及时预测流体在模拟区域的流动性能，并通过改变各种参数，得到相应过程的最佳设计参数。近年来，CFD在流场计算中应用日益广泛，并出现了多个商用CFD软件，其中FLUENT软件是目前功能全面、适应性广、国内使用广泛的CFD软件之一[10]。本文以航空发动机轴承腔封严引气结构为研究对象，应用三维软件UG进行建模，基于CFD软件平台FLUENT进行三维数值模拟，对多种结构引气流动特性进行优化改进，得到最优化引气结构，指导轴承腔结构设计。

1 轴承腔封严引气结构

传统轴承腔的封严引气结构如图1所示，机匣、后盖、密封装置、支撑环、轴与轴承之间形成轴承腔A腔，机匣、蒙皮、后盖、密封装置、支撑环与轴之间形成封严增压腔B腔。航空发动机高压封严引气经过机匣、封严增压腔B腔、轴心至篦齿封严一端，与另一端含有滑油的轴承腔A腔形成封严压差，从而防止滑油泄漏。

图1 传统轴承腔封严引气结构

1.1 流动特性分析

由图1所示，传统轴承腔封严引气结构流路复杂、流阻较大，会产生不必要的引气压力损失，降低封严压力，导致滑油泄漏。蒙皮与右侧高温腔接触面积大，会导致封严引气温度升高，致使轴承腔温度升高，影响轴承腔润滑冷却效果。因此需要开展流动特性仿真分析及优化工作。

1.2 流动特性仿真分析

1.2.1 三维建模与网格划分

应用三维软件UG进行建模，得到引气结构流体域模型，导入CFD软件平台FLUENT并进行网格划分，如图2所示。

图2 模型与网格划分

1.2.2 边界条件

根据发动机中间状态工况点，选取封严引气入口流量qzj、发动机低压转速Nzj，封严引气出口压力设置为0 Pa，作为仿真边界条件。

1.2.3 仿真分析

针对上述轴承腔封严引气结构流体域模型，采用Realizable k-ε模型进行三维数值模拟仿真分析，中间状态轴承腔封严引气结构流场仿真分析结果如图3所示。

图3 压力分布和流速分布图

通过仿真结果可知，传统轴承腔封严引气结构在中间状态流阻高达27.95 kPa，流速差达到87.83 m/s，需要对其流动特性进行优化，降低流阻。

1.3 结构优化与仿真分析

由于传统结构引气入口处产生涡流，导致流阻偏大，需要对该结构进行优化，因此设计轴承腔封严引气结构（如图4），通过设计球头导管封严引气结构，优化引气流路结构，增大封严引气流路截面积，减小流阻损失，提高封严可靠性。

图4 轴承腔封严引气管优化结构

1.3.1 三维建模与网格划分

应用三维软件UG 进行建模，得到优化后的引气结构流体域，导入CFD软件平台FLUENT并进行网格划分，如图5所示。

图5 模型与网格划分

1.3.2 流场仿真与分析

设置同样的边界条件，针对上述轴承腔封严引气优化结构流体域模型，采用Realizable k-ε模型进行三维数值模拟仿真分析，中间状态轴承腔封严引气结构流场仿真分析结果如图6所示。

图6 压力分布和流速分布图

通过流场仿真分析结果可知，高压封严引气通过封严增压腔至篦齿封严一端，与另一端含有滑油的轴承腔形成封严压差，从而防止滑油泄漏。经仿真对比分析，设置相同的边界条件，轴承腔封严引气优化结构流阻为8.46 kPa，流速差为0.98 m/s，比传统结构流阻降低了约70%。

由此证明，优化后的轴承腔封严引气结构可以有效地降低封严引气的流阻，提高封严可靠性，改善轴承工作环境，从而避免因封严压差不足而导致的滑油泄漏问题。

2 轴承腔轴心封严引气结构

传统轴承腔轴心封严引气结构如图7所示。A腔为滑油腔，滑油流经喷嘴进入A腔内，在离心力作用下经收油引气结构、低压涡轮轴进入轴承腔，润滑高速运转的轴承；B为封严增压腔，航空发动机高压封严引气经过收油引气结构，通过低压涡轮轴至篦齿封严一端，与另一端含有滑油的轴承腔形成封严压差，从而防止滑油泄漏。

图7 轴承腔轴心封严引气结构

2.1 流动特性分析

在发动机个别工作状态点，由于封严引气压力较低，导致该状态下篦齿封严压差较低，封严压差不足导致滑油泄漏至增压腔B内，致使滑油接触高温低压涡轮轴，产生滑油结焦；低压涡轮轴内高温腔与增压腔相通，封严引气会受高温腔影响而升温，而且B腔与A腔之间只有一层间隔，高温封严气会将热量传递至滑油腔A内，致使滑油温度升高，影响轴承冷却效果。

2.2 轴心封严引气结构设计

为降低流阻，满足轴承腔封严引气要求，设计双层壁堵盖式轴承腔轴心封严引气结构，如图8所示。

图8 双层壁堵盖轴承腔轴心封严引气结构

通过增加堵盖结构，将封严气直接引入篦齿封严腔，与引入轴心结构相比，可减小引气流路的压力损失，有利于提高封严压差。同时，堵盖将增压腔与低压涡轮轴内高温腔隔绝，可以有效地防止封严引气升温，并防止滑油泄漏至高温低压涡轮轴，避免滑油结焦。通过设计双层壁结构，在高温增压腔B与低温滑油腔A之间增加封闭腔体，减少热传导，使滑油腔处于较低的工作温度，可改善轴承工作环境。

2.3 流动特性仿真分析

2.3.1 三维建模与网格划分

应用三维软件UG进行建模，得到轴心引气结构流体域模型，导入CFD软件平台FLUENT并进行网格划分，如图9所示。

图9 模型与网格划分

2.3.2 边界条件

根据发动机慢车与中间状态工况点，选取封严引气入口流量qmc、qzj，发动机低压转速Nmc与Nzj，将轴心封严引气出口压力设置为0 Pa，作为仿真边界条件。

2.3.3 仿真分析

针对上述轴承腔轴心封严引气结构流体域模型，采用Realizable k-ε模型进行三维数值模拟仿真分析，慢车与中间状态轴心封严引气结构流场仿真分析结果如图10所示。

图10 压力分布和流速分布图

通过仿真结果可知，轴承腔平直堵盖轴心封严引气结构在慢车、中间状态流阻分别高达94.20、3302.54 Pa，流速差分别达到6.58、63.64 m/s，需要对堵盖结构及其流动特性进行优化，降低流阻。

2.4 轴心堵盖结构优化设计

由上述仿真结果可知，封严引气通过引气环遇到平直堵盖后直接进入引气环中引气孔，没有气体引导结构，可能产生涡流，并增加气体流阻，减缓流速，影响引气封严效果。为减小增压腔B内气体流阻，设计部分折弯堵盖和折弯堵盖，对引气结构进行改进设计（如图11），并应用三维软件UG进行建模，基于CFD软件平台FLUENT进行三维数值模拟。

图11 轴承腔轴心封严引气结构

2.4.1 三维建模与网格划分

应用三维软件UG进行建模，得到2种轴心堵盖，优化结构流体域模型，导入CFD软件平台FLUENT并进行网格划分，如图12所示。

图12 模型与网格划分

2.4.2 流场仿真与分析

设置同样的边界条件，分别对上述2种轴心堵盖优化结构流体域模型，采用Realizable k-ε模型进行三维数值模拟仿真分析，慢车与中间状态轴承腔封严引气结构流场仿真分析结果如图13和图14所示。

图13 慢车和中间状态压力分布对比结果

图14 慢车和中间状态流速分布对比结果

通过流场仿真分析结果可知，由于慢车状态转速较低，封严引气流量较小，因此3种轴承腔封严引气结构流阻、出口流速相差不大，最大差值分别为0.03 kPa与0.82 m/s；而中间状态的转速升高，封严引气流量增大，3种结构流阻差异明显，其中，带折弯堵盖的轴承腔封严引气结构流阻最小，出口流速最大，分别为2.57 kPa与63.84 m/s，比原始带平直堵盖的轴承腔封严引气结构流阻减小0.73 kPa与0.2 m/s。而且，通过3种结构仿真结果可以发现，在折弯角度不变的情况下，折弯范围越大，封严引气流阻越小。

由此证明，优化后的带折弯堵盖的轴承腔封严引气结构增加了封严引气引导结构，可以有效地减小气体流阻，保证良好的封严效果。

3 结论

经过上述轴承腔封严引气结构优化设计和流动特性仿真分析，基于CFD软件平台FLUENT完成三维数值模拟，得出如下结论：1）采用Realizable k-ε模型进行三维数值模拟，流场结果与实际相吻合，能够准确地反映气体流动状态；2）通过设计球头导管封严引气结构，优化引气流路，大幅降低封严引气流动阻力，从而提高封严压差，避免滑油泄漏影响发动机的运行安全；3）通过增加堵盖结构，将封严引气直接引入，减少了压力损失，有利于提高封严压差；优化后的带折弯堵盖的轴承腔封严引气结构，增加封严引气引导结构，可以有效地减小气体流阻，保证良好的封严效果；在折弯角度不变的情况下，折弯范围越大，轴承腔封严引气结构流阻越小。