航空发动机增压式离心通风器流动与分离特性

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28675

流体力学与飞行力学

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航空发动机增压式离心通风器流动与分离特性

姜乐¹^,², 陈以彪¹, 李炎军¹(), 李贵林¹, 刘涛¹

^1.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500
^2.西北工业大学动力与能源学院，西安 710129

收稿日期:2023-03-09 修回日期:2023-04-03 接受日期:2023-05-22 出版日期:2023-06-19 发布日期:2023-06-16
通讯作者: 李炎军 E-mail:liyanjun628@163.com
基金资助:
中国航发自主创新专项基金

Flow and separation characteristics of pressurized centrifugal separator for aero⁃engine

Le JIANG¹^,², Yibiao CHEN¹, Yanjun LI¹(), Guilin LI¹, Tao LIU¹

^1.AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500
^2.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129

Received:2023-03-09 Revised:2023-04-03 Accepted:2023-05-22 Online:2023-06-19 Published:2023-06-16
Contact: Yanjun LI E-mail:liyanjun628@163.com
Supported by:
Independent Innovation Special Fund of Aero Engine Corporation of China

摘要/Abstract

摘要：

航空发动机滑油系统的精细化设计依赖于对关键部件工作性能的掌握，这其中包括影响轴承腔压力和滑油消耗的通风器。为研究航空发动机气动增压式离心通风器的流动与分离特性，通过数值仿真获得了设计参数对压差、分离效率和最小分离直径的影响规律，并定量评估了设计参数的敏感性。结果表明，提高转速能够在实现气动增压的同时提升分离效率、降低最小分离直径；转速为25 000 r/min、通风量为10 g/s时，进口压力比出口压力低2 700 Pa，分离效率可达99.5%。增大通风量将削弱通风器的气动增压效果，且不利于油滴的有效分离。调整叶片数量可使气动增压效果达到最佳，压差的最大变化量均可超过30%，然而叶片数量对分离效率和最小分离直径的影响较小。转速对压差和分离效率的影响较大，最小分离直径受通风量的影响最显著。此外，通风器的工作特性还受设计参数之间的交互影响，根据敏感性系数对设计参数进行合理匹配可以进一步提升工作性能。

关键词: 增压式离心通风器, 压差, 分离效率, 最小分离直径, 敏感性分析

Abstract:

The refined design of aero-engine oil systems relies on the mastery of the working performance of key components， including separators affecting the bearing chamber pressure and oil consumption. To study the flow and separation characteristics of a pressurized centrifugal separator， we obtain the effects of design parameters on pressure difference， separation efficiency， and the minimum separation diameter by numerical simulation， and quantitatively evaluate the sensitivity of design parameters. The results show that increasing the rotating speed can improve the separation and reduce the minimum separation diameter while increasing the airflow pressure. With rotating speed of 25 000 r/min， the air mass flow rate of 10 g/s， and the inlet pressure of 2 700 Pa lower than the outlet pressure， the separation efficiency can reach 99.5%. Increasing the air mass flow rate weakens the aerodynamic pressurization effect of the separator， and is not conducive to the effective separation of oil droplets. Adjusting the number of blades can achieve the best effect of aerodynamic pressurization， and the maximum variation of pressure difference can exceed by 30%. However， the number of blades has little effect on separation efficiency and the minimum separation diameter. The rotating speed has a significant influence on the pressure difference and separation efficiency， while the minimum separation diameter is most significantly affected by the air mass flow rate. In addition， the working characteristics of the separator are also affected by the interaction between the design parameters， and the reasonable matching of the design parameters according to the sensitivity coefficient can further improve the working performance.

Key words: pressurized centrifugal separator, pressure difference, separation efficiency, minimum separation diameter, sensitivity analysis

中图分类号:

V233.4

姜乐, 陈以彪, 李炎军, 李贵林, 刘涛. 航空发动机增压式离心通风器流动与分离特性[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128675-128675.

Le JIANG, Yibiao CHEN, Yanjun LI, Guilin LI, Tao LIU. Flow and separation characteristics of pressurized centrifugal separator for aero⁃engine[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(2): 128675-128675.

图/表 24

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参考文献 33

1	陈薄，陈国定，王涛. 轴承腔中均匀流体/壁面油膜分层流动分析［J］. 机械工程学报， 2014， 50（21）： 164-173.
	CHEN B， CHEN G D， WANG T. Analysis of homogeneous fluid/wall oil film two-phase stratified flow in an aero-engine bearing chamber［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2014， 50（21）： 164-173 （in Chinese）.
2	孙恒超，陈国定，王莉娜，等. 轴承腔油滴含率及油滴相与空气能量传递分析［J］. 航空学报， 2016， 37（3）： 1060-1073.
	SUN H C， CHEN G D， WANG L N， et al. Oil droplets fractions and oil droplets/air energy transfer analysis in bearing chamber［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2016， 37（3）： 1060-1073 （in Chinese）.
3	吕亚国，姜乐，高晓果，等. 高速轴承环下润滑收油叶片结构参数与工况参数间的匹配关系［J］. 航空学报， 2022， 43（12）： 559-573.
	LYU Y G， JIANG L， GAO X G， et al. Matching relationship between structural parameters and operating parameters of oil scoop blade for high-speed bearing with under-race lubrication［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（12）： 559-573 （in Chinese）.
4	刘振侠，江平. 航空发动机机械系统设计［M］. 北京：科学出版社， 2022.
	LIU Z X， JIANG P. Mechanical system design of aero-engine［M］. Beijing： Science Press， 2022 （in Chinese）.
5	WILLENBORG K， BUSAM S， ROßKAMP H， et al. Experimental studies of the boundary conditions leading to oil fire in the bearing chamber and in the secondary air system of aeroengines［C］∥ Proceedings of ASME Turbo Expo 2002： Power for Land， Sea， and Air. New York： ASME， 2004.
6	EASTWICK C N， SIMMONS K， WANG Y， et al. Study of aero-engine oil-air separators［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part A： Journal of Power and Energy， 2006， 220（7）： 707-717.
7	GLAHN A， BLAIR M F， ALLARD K L， et al. Disintegration of oil jets emerging from axial passages at the face of a rotating cylinder［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2003， 125（4）： 1003-1010.
8	SHERIDAN W G， SWAYZE S T， GLAHN J A. De-oiler system for improved oil containment［C］∥ Proceedings of ASME Turbo Expo 2006： Power for Land， Sea， and Air. New York： ASME， 2006.
9	ELSAYED K， LACOR C. Optimization of the cyclone separator geometry for minimum pressure drop using mathematical models and CFD simulations［J］. Chemical Engineering Science， 2010， 65（22）： 6048-6058.
10	徐让书，胡慧，邵长浩，等. 离心通风器通风阻力的影响因素［J］. 航空动力学报， 2014， 29（10）： 2410-2416.
	XU R S， HU H， SHAO C H， et al. Influencing factors of flow resistance in oil-air separator［J］. Journal of Aerospace Power， 2014， 29（10）： 2410-2416 （in Chinese）.
11	LYU Y G， HU J P. Numerical simulation for air/oil separator of aero-engine［J］. Applied Mechanics and Materials， 2014， 510： 197-201.
12	LYU Y G， SHEN J Y， LIU Z X， et al. The improvement of air/oil separator performance in the aero-engine lubrication system［C］∥ Proceedings of ASME Turbo Expo 2017： Turbomachinery Technical Conference and Exposition. New York： ASME， 2017.
13	韩金在，陈聪慧，徐让书. 超高转速离心通风器性能仿真分析［J］. 航空动力学报， 2016， 31（3）： 685-691.
	HAN J Z， CHEN C H， XU R S. Simulation analysis on performance of a high speed centrifugal oil-air separator［J］. Journal of Aerospace Power， 2016， 31（3）： 685-691 （in Chinese）.
14	张小彬，朱卫兵，张崇龙，等. 叶轮式通风器分离效率计算方法［J］. 航空动力学报， 2018， 33（4）： 903-910.
	ZHANG X B， ZHU W B， ZHANG C L， et al. Calculation method to separation efficiency of impeller type ventilation［J］. Journal of Aerospace Power， 2018， 33（4）： 903-910 （in Chinese）.
15	荆帅，谷俊，李国权. 润滑系统孔径式通风器的阻力计算模型及阻力特性分析［J］. 润滑与密封， 2020， 45（9）： 135-141， 148.
	JING S， GU J， LI G Q. Resistance calculation model and resistance characteristic analysis of orifice-separator in lubrication system［J］. Lubrication Engineering， 2020， 45（9）： 135-141， 148 （in Chinese）.
16	荆帅，谷俊，马庆岩，等. 辐板式通风器阻力计算方法及影响因素分析［J］. 航空发动机， 2021， 47（5）： 55-61.
	JING S， GU J， MA Q Y， et al. Resistance calculation method and influence factors analysis of the separator with blades［J］. Aeroengine， 2021， 47（5）： 55-61 （in Chinese）.
17	蔡毅，杨家军，马磊. 航空发动机离心通风器性能试验［J］. 航空动力学报， 2021， 36（12）： 2683-2688.
	CAI Y， YANG J J， MA L. Aero-engine centrifugal separator performance test［J］. Journal of Aerospace Power， 2021， 36（12）： 2683-2688 （in Chinese）.
18	WILLENBORG K， KLINGSPORN M， TEBBY S， et al. Experimental analysis of air∕oil separator performance［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2008， 130（6）： 062503.
19	STEIMES J， GRUSELLE F， HENDRICK P. Performance study of an air-oil pump and separator solution［C］∥ Proceedings of ASME Turbo Expo 2012： Turbine Technical Conference and Exposition. New York： ASME， 2012.
20	STEIMES J， GRUSELLE F， HENDRICK P. Study of an air-oil pump and separator solution for aero engine lubrication systems［C］∥ Proceedings of ASME Turbo Expo 2013： Turbine Technical Conference and Exposition. New York： ASME， 2013.
21	赵静宇，刘振侠，吕亚国，等. 蜂窝式轴心通风器油气分离性能计算［J］. 航空动力学报， 2016， 31（7）： 1583-1590.
	ZHAO J Y， LIU Z X， LYU Y G， et al. Computation on oil/gas separation performance of axial breather with honeycomb structure［J］. Journal of Aerospace Power， 2016， 31（7）： 1583-1590 （in Chinese）.
22	ZHAO J Y， LIU Z X， REN G Z. The design and performance evaluation of axial ventilator with honeycomb in the turbofan engine lubrication system［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2016， 230（8）： 1397-1408.
23	董哲，徐让书，胡慧. 蜂窝式轴心通风器分离效率数值模拟［J］. 沈阳航空航天大学学报， 2016， 33（4）： 19-24.
	DONG Z， XU R S， HU H. Calculation of separation efficiency in axial ventilator with honeycomb structure［J］. Journal of Shenyang Aerospace University， 2016， 33（4）： 19-24 （in Chinese）.
24	CORDES A L， PYCHYNSKI B T， SCHWITZKE C C， et al. Experimental study of the pressure loss in aero-engine air-oil separators［J］. The Aeronautical Journal， 2017， 121（1242）： 1147-1161.
25	李静，王旭飞. 航空发动机金属泡沫通风器阻力特性研究［J］. 装备制造技术， 2021（7）： 8-11， 29.
	LI J， WANG X F. Research on resistance characteristics of air-oil separator in aero-engine with metal foam under different working conditions［J］. Equipment Manufacturing Technology， 2021（7）： 8-11， 29 （in Chinese）.
26	NIE Z W， LIN Y Y， TONG Q B. Numerical simulations of two-phase flow in open-cell metal foams with application to aero-engine separators［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2018， 127： 917-932.
27	YAKHOT V， ORSZAG S A. Renormalization-group analysis of turbulence［J］. Physical Review Letters， 1986， 57（14）： 1722-1724.
28	刘铁英，范利民，郑刚. 用双 Rosin-Rammler 函数求颗粒尺寸分布［J］. 上海理工大学学报， 1998， 20（2）： 135-138.
	LIU T Y， FAN L M， ZHENG G. A new algorithm for determination of the particle size distribution with bimodel Rosin-Rammler function［J］. Journal of University of Shanghai for Science and Technology， 1998， 20（2）： 135-138 （in Chinese）.
29	SOBOL' I M. Sensitivity analysis for non-linear mathematical models［J］. Mathematical Modeling & Computational Experiment， 1993， 1： 407-414.
30	SOBOL' I M. Global sensitivity indices for nonlinear mathematical models and their Monte Carlo estimates［J］. Mathematics and Computers in Simulation， 2001， 55（1-3）： 271-280.
31	SACKS J， WELCH W J， MITCHELL T J， et al. Design and analysis of computer experiments ［J］. Statistical Science， 1989， 4（4）： 409-423.
32	李耀辉. 基于Kriging模型的仿真优化方法［M］. 武汉：华中科技大学出版社， 2020.
	LI Y H. Simulation optimization method based on Kriging model［M］.Wuhan： Huazhong University of Science and Technology Press， 2020 （in Chinese）.
33	邵长浩. 基于CFD的航空发动机离心通风器的优化设计研究［D］. 沈阳：沈阳航空航天大学， 2014.
	SHAO C H. Optimization design of centrifugal breather of aero engine based on CFD［D］. Shenyang： Shenyang Aerospace University， 2014 （in Chinese）.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

边界名称	边界类型	边界参数	数值
气流进口	质量流量边界	气流进口质量流量/（g·s^-1）	6，10，15，20
滑油进口	质量流量边界	滑油进口质量流量/（g·s^-1）	1
出口	压力出口边界	出口压力/Pa	0
旋转叶轮转轴	无滑移壁面（旋转）	转速/（r·min^-1）	1 000，5 000，9 000，13 000，18 000，22 000，25 000
试验腔静子叶片	无滑移壁面（静止）

网格	网格数量	压差/Pa	分离效率/%
G1	1 357 826	-652	98.32
G2	2 047 932	-698	98.45
G3	3 105 982	-720	98.59
G4	4 558 674	-731	98.72
G5	6 823 258	-736	98.75

[1]	孙晓哲, 侯东, 杨建忠. 双余度机电作动器力纷争机理及敏感性[J]. 航空学报, 2023, 44(S1): 727661-727661.
[2]	王志凯, 陈盛, 范玮. 神经网络宽度对燃烧室排放预测的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 126816-126816.
[3]	张振康, 徐万武, 李智严, 叶伟. 钝锥体辐射平衡温度不确定度量化分析[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528673-528673.
[4]	舒博文, 黄江涛, 高正红, 刘刚, 何成军, 夏露. 二元激波矢量喷管矢量性能敏感性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 127831-127831.
[5]	王睿, 周洲, 郭荣化, 黄悦琛. 太阳能无人机伞降着陆多体动力学仿真与试验[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 225721-225721.
[6]	张冬辉, 张泰华, 崔燕香, 陈臣, 王生. 平流层系留气球气动参数敏感性分析[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 125083-125083.
[7]	曹凡, 张美芳, 胡骁, 唐智礼. 轴对称短舱自然层流优化及转捩敏感性分析[J]. 航空学报, 2022, 43(11): 527330-527330.
[8]	范周伟, 余雄庆, 王朝, 钟伯文. 基于深度神经网络的客机总体设计参数敏感性分析[J]. 航空学报, 2021, 42(4): 524353-524353.
[9]	宋欣, 沈华, 陈龙宝, 李天玉. Weibull分布参数估计值对细节疲劳额定强度的影响[J]. 航空学报, 2021, 42(3): 224759-224759.
[10]	陈江涛, 赵娇, 章超, 刘深深, 张耀冰, 吴晓军. 数值模拟方法对NASA CRM模型阻力预测的影响[J]. 航空学报, 2020, 41(4): 123383-123383.
[11]	张伟, 高正红, 周琳, 夏露. 基于代理模型全局优化的自适应参数化方法[J]. 航空学报, 2020, 41(10): 123815-123815.
[12]	丁水汀, 邓长春, 邱天. 中心进气旋转盘腔换热特性对无量纲参数的敏感性分析[J]. 航空学报, 2019, 40(12): 123017-123017.
[13]	李波, 雒浩然, 田琳宇, 王元勋. 基于DBN效能拟合的舰艇编队作战效能敏感性分析[J]. 航空学报, 2019, 40(12): 323214-323214.
[14]	赵洪, 李建波, 刘铖. 电动直升机概念设计与分析[J]. 航空学报, 2017, 38(7): 520866-520866.
[15]	刘汉儒, 陈南树. 多孔渗透结构影响尾缘噪声的试验[J]. 航空学报, 2017, 38(6): 120746-120746.

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Flow and separation characteristics of pressurized centrifugal separator for aero⁃engine

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