一种圆环滑油箱结构集成与优化的数值模拟

景国庆，宋飞

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

一种圆环滑油箱结构集成与优化的数值模拟

景国庆，宋飞

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

基于Fluent多相流模型，采用理论计算与数值模拟相结合的方法，对圆环滑油箱结构集成设计进行了分析。分析过程中，考虑了不同飞行姿态和过载条件对性能的影响，得到了油面角、内部流场、高度-油量公式和气液分离效率曲线，并对滑油箱结构提出了优化方案。研究表明：采用数值模拟方法进行滑油箱结构集成研究简单有效，对比优化前后数值模拟结果，可定量分析结构对工作性能的影响。本文研究方法可为其它类型滑油箱设计和优化参考。

航空发动机；滑油系统；圆环滑油箱；油面角；分离效率；两相流；数值模拟

1 引言

在航空发动机滑油系统中，滑油箱具有重要作用，它不仅为发动机滑油消耗提供滑油补充源，也为滑油热膨胀及滑油在整个系统中吸气膨胀提供空间，并提供低速区使滑油出气。在各种飞行姿态与机动力作用下，滑油箱需保证供油、回油与通风[1]。

目前，有关滑油箱结构和性能的研究逐渐增多。根据滑油箱的工作过程，可将研究分为供油、回油和通风三方面。供油方面主要研究其姿态适应性和过载条件下供油能力的判断方法。何敏[2]、袁梅[3]和徐让书[4]等，分别应用计算机图形学技术、CAD和UG技术，探索了油量和高度之间关系的确定方法，但没有深入考虑过载和定量分析。针对回油中气液两相分离，Willenborg[5]、杨勤[6]分别对油气分离机理和影响因素进行了分析，为两相分离的优化提供了帮助；白茹芳[7]分析了油气分离器的进气管及内置附件的结构设计对油气分离效果的影响，得出了较为合理的结构形式。对于通风管路中的油气两相，宗隽杰[8]、刘宇恒[9]对通风系统气液分离装置的结构和分离效率进行了研究，分析了分离效率的影响因素

和结构参数的优化。

滑油箱的种类很多，其中一种圆环结构的滑油箱可有效减小所在位置的外廓尺寸，内部可集成不同结构以实现如气液分离等功能，并在一些小型航空发动机中已得到很好应用。本文以Fluent分析方法为依据，适当考虑飞行姿态和过载影响，针对不同结构特点采用不同模型计算，从理论分析和数值模拟两方面探讨圆环滑油箱的结构集成和优化。

2 研究内容

滑油箱在不同姿态和过载条件下，液面会相对于油箱倾斜一定角度，因此需分析机动飞行状态下油面位置和油面角对供油能力的影响。另外，当滑油从发动机各处回油管以油气两相状态返回到滑油箱后，油气混合物如未经分离，将有很大一部分滑油从通风口随气体逸出，造成滑油消耗。为提高滑油利用率，需对油气混合物进行有效分离，从而达到降低滑油消耗、保证滑油循环和充分利用的目的。

以一圆环滑油箱为研究对象，其模型结构如图1所示。其中图1(a)的结构和功能都很简单，只包含吸油口、回油口和通风口等结构；图1(b)是在图1(a)的基础上，在滑油箱内部集成了挡板、回油嘴和通风留油板等功能结构。

3 参数计算

3.1 油面角和最低油面

油面角αfs是油面与机体纵轴、横轴的夹角[10]，其算法流程见图2。

油面角几何关系见图3，图3(a)为xoz平面内惯性系数、飞行姿态角、迎角、惯性角和油面角关系图，图3(b)为yoz平面内惯性系数、飞行姿态角、惯性角和油面角关系图。

根据稳定飞行状态受力情况，稳定平飞时重力等于升力，稳定爬升和俯冲时重力大于升力，水平横滚时重力小于升力[11]。不同姿态下施加最大过载时的最低油面，可结合滑油箱受力和油面角计算。已知最低点供油口圆心坐标为M0() x0,y0,z0，滑油箱所受三个方向过载为油面的法向量n⇀={} nx,ny,nz，则最低油面上任意点M() x,y,z应满足方程：

3.2滑油分离效率

油气混合物经过气液分离装置后，根据气液分离装置出口所分离出的滑油流量mout,oil和入口总滑油流量min,oil，滑油分离效率η为：

4 数值模拟

4.1 供油结构

4.1.1 滑油箱内三维流动模拟

供油结构的模拟对象为图1(a)中的圆环滑油箱，计算模型如图4所示。

图5示出了滑油箱应满足的八个姿态极限点(A～H)。由于A、B、F、G点分别与D、C、E、H点左右对称，其最低油面M法线方向相对于xoz坐标平面分别对称，油面角大小分别对应相等，为节约计算资源，故只对右侧A、B、F、G四点建模计算。按前文计算方法，得到四个不同姿态点处分别施加最大过载时的油面角，及A、B、F、G四点正常供油所需最低油面位置。图6示出了四个姿态点计算初始状态时的最低油面相对位置及其对应的油面坐标。

对于不可压流动采用压力基求解器和VOF模型求解瞬态问题，常选择定义NITA格式的参数求解方法，压力-速度耦合方式选择Fractional Step方式，计算模拟从不同姿态点过渡到稳定平飞状态的流场变化过程。

4.1.2 模拟结果及分析

迭代求解后，油气交界面的变化逐渐趋于稳定，得到A、B、F、G四点最低油面高度对比(图7)。参照上述方法，利用Fluent可计算出从油箱最低点到最高油面范围内不同高度所对应的油量，拟合出圆环滑油箱油量-高度曲线，同时可标定出四个姿态点对应位置。若按滑油耗油量0.3 L/h计算，则该圆环滑油箱的姿态-油量-高度曲线如图8所示。

从图7中可看出，四个姿态点中G点满足正常供油所需油量最少，对应的油面角也最小；F点所需油量最多，这是由于F点存在俯冲、横滚两种姿态和最大过载，此时对应的油面角也最大。图8中，A、B、F、G四个姿态点的油量-高度值与油量-高度曲线吻合较好，能直观判断各姿态点满足供油能力所需的最低油量。

根据曲线拟合结果，可得油量随时间变化关系式(3)和高度随油量变化关系式(4)。

4.2 回油结构

4.2.1 回油嘴内三维流动模拟

滑油箱回油结构的模拟对象为回油嘴，如图9所示。已知进口滑油流量为10 L/min，进口空气流量分别取20、25、30、33 L/min作为初始条件。回油嘴内为不可压缩流动，两相(基本相为滑油，第二相为空气)体积分数均超过10%，计算中选择欧拉模型和RNGk-ε湍流模型。进油口为两相混合流量入口，上方通气压力出口分为顶部出口和侧面出口，下方台锥形漏斗压力出口也分为下部出口和侧面出口，其它设为固壁边界。

4.2.2 模拟结果及分析

经迭代计算收敛后，得到滑油分离效率，见表1。可见，随着空气流量的增大，分离效率逐渐增加，油气分离器下方分离出的滑油油量也逐渐增加；但在空气流量为33 L/min时分离效率有少量下降，这是因为空气流量进一步增大后，使得内部两相流场湍流程度增加，影响了滑油分离。

4.3 通风结构

4.3.1 通风留油板内三维流动模拟

根据上文计算结果，油气混合物经过回油嘴第一次分离后，仍含有一定滑油，可通过设置通风留油板进行二次分离。滑油箱通风性能的模拟对象为通风留油板(图10)。

按表1中第1个状态点的出口流场计算。两侧入口速度为2.122 m/s，方向为入口平面法线，中间通气管出口选择压力出口条件，壁面上采用Trap边界条件，在入口和出口处采用Escape边界条件。

一次分离后，油相的体积分数小于10%，不考虑油滴蒸发，利用DPM模型进行离散相计算。采用标准k-ε湍流模型，选择SIMPLE算法。假设进入通风留油板的油滴颗粒具有相同直径，并选取0～20 μm之间的直径范围进行模拟。共研究了25种油滴直径的情况，通过拉格朗日法分别得到油滴的运动轨迹和分离效率。

4.3.2 模拟结果及分析

根据统计和计算，通风留油板内不同直径下油

滴的分离效率如表2所示。可见，两相混合气通过通风留油板达到了二次分离效果。随着油滴直径的不断增大，从通风管口流出的油滴数越来越少，所分离出并返回滑油箱内腔的油越来越多，油滴的分离效率不断增加。对于大于20μm的油滴，可实现完全分离。

5 优化方案

由上文的模拟结果可看出，将回油嘴和通风留油板集成在滑油箱内部，可有效改善滑油箱的回油和通风能力，但仍需对局部结构进行优化以进一步提高滑油箱的使用性能。

5.1 在滑油箱中设置挡板

选择与4.1节中相同的三维模型和输入条件，计算过程为从平飞状态过渡到最大姿态F点，模拟有无挡板两种情况下的供油情况。在滑油箱内可任取一水平位置增加挡板，本计算中选取距离滑油箱中心向下80 mm的平面为截面，截面与内壁之间留有0.775 mm间隙，便于滑油在挡板两侧内腔流动。设置油气两相的初始位置与挡板等高(图11)。

计算过程中，利用Fluent监测供油口油相体积分数变化，得到有挡板(b)和无挡板(no-b)两种情况下供油口油相体积分数监测曲线(图12)。可见，无挡板时，供油管口在0.130 s时油相体积分数开始小于100%并急剧下降，说明供油口此时未完全浸入油中，无法抽吸滑油；有挡板时，供油口在2.319 s时才无法抽到滑油。由此表明，在滑油箱中设置挡板，可保证滑油箱在姿态转换时，适当延长供油时间。

5.2 将回油结构中主筒体加长

将4.2节模型中的主筒体加长15 mm。模拟计算时的输入条件和边界条件与4.2节中的完全相同。优化前后两相分布(红色区域为油相，蓝色区域为气相)及两相流线图见图13，优化前后滑油分离效率对比见图14。可见，当主筒体轴向尺寸增加后，内部两相流动趋势与优化前基本一致，都能保持较好的流动性。优化后的模型由于延长了油气分离行程，使油气混合物的分离效率提高，台锥漏斗部分充满滑油相，且滑油分离效率随着空气流量增大而有所下降的问题也得到改善。因此增加主筒体轴向尺寸，可很好地提高回油嘴的油气分离性能。

5.3 将通风结构中壁板轴向尺寸加长

将4.3节模型中的壁板轴向尺寸加长10 mm。选择与4.3节中完全相同的输入条件和计算条件。优化后不同油滴直径的运动轨迹见图15，优化前后通风留油板中不同油滴直径的分离效率见图16。可见，通风板轴向长度增加，使得液滴的运动路径加长，有效提高了壁面捕捉油滴能力，进而提高了油滴分离效率。

另外，根据4.1节中的模拟计算初始条件，当滑油箱处于姿态点F时，虽然该姿态点下工作时间最短，但此时所需的滑油量最大；滑油已完全没过上方的通风口(图17)，通风性能受到影响。在此姿态点下大量油滴短时间内会从通风口排出，造成通风管堵塞，进而可能损坏滑油箱。优化方案是将伸入到滑油箱内部的通风管长度加长到油气分界面处。计算表明，当内部通风管长度加长到21 mm时，就超出了油气分界面，可提高通风性能。

6 结论

(1)通过理论计算可确定不同姿态和过载下，滑油箱内油面角和正常供油的最低油面位置。

(2)利用Fluent数值模拟平台得到的圆环滑油箱的高度-油量公式简单实用，可准确判断滑油箱的供油能力，为油位标定提供计算依据；且适用于各种复杂结构滑油箱。

(3)采用集成结构的滑油箱，能有效地对油气混合物进行一次分离和二次分离，使油气分离效率逐步提高。

(4)对集成结构进行优化，可明显改善滑油箱的供油、回油和通风能力。

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[11]王细洋.航空概论[M].北京：航空工业出版社，2006.

Numerical Investigation of Integrated and Optimized Scheme for a Ring-Shaped Oil Tank

JING Guo-qing，SONG Fei
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Based on multiphase model of Fluent,the integrated design of oil tank was analyzed theoretical⁃ly and numerically.In the analysis，the effects of different flight attitudes and overloads on performance were considered.The angle of oil level,interior flow field,height-oil quality formula and separation efficien⁃cy were obtained and optimized scheme of oil tank construction was proposed.The research results show that using numerical investigation for integrated design of oil tank is simple and useful.Based on the com⁃parison analysis of the numerical results before and after optimization,the effect of different structural de⁃sign on performance could be quantitative analyzed.The investigation method will be referential for integrat⁃ed and optimized design of other oil tanks.

aero-engine；lubrication system；ring-shaped oil tank；angle of oil level；separation efficiency；two-phase flow；numerical simulation

V228.2

：A

：1672-2620(2014)01-0039-06

2013-03-11；

：2014-02-17

景国庆(1980-)，男，黑龙江绥化人，工程师，主要从事航空发动机润滑系统设计和研究。