某直升機(jī)主減速器壓力潤滑流量仿真分析*

趙一帆

(中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引 言

直升機(jī)主減速器是直升機(jī)的關(guān)鍵動部件，傳遞直升機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)所需的功率和載荷。除部分輕型、超輕型直升機(jī)外，大部分直升機(jī)主減速器均采用了壓力潤滑設(shè)計(jì)，通過一套由滑油泵、調(diào)壓閥、滑油濾、噴嘴、管路、外滑油散熱系統(tǒng)等組成的潤滑和散熱系統(tǒng)，來滿足主減速器內(nèi)齒輪、軸承等動部件的潤滑和散熱需求[1-2]。

壓力潤滑系統(tǒng)中，全部流量通過系統(tǒng)末端的噴嘴噴孔噴射到主減速器內(nèi)部，系統(tǒng)內(nèi)各部件壓力響應(yīng)時(shí)間較短，可忽略不計(jì)；在系統(tǒng)總體參數(shù)確定的情況下，不同噴孔流量主要取決于噴孔的尺寸與噴孔在油路中的位置。

對噴孔流量的計(jì)算，目前比較普遍的方法是通過噴嘴性能公式計(jì)算，對于復(fù)雜系統(tǒng)，還會通過合并同一個(gè)支路上的多個(gè)噴孔來簡化計(jì)算[3-4]。這種計(jì)算方式難以全面考慮油路流阻等造成的影響，計(jì)算結(jié)果的可靠性往往通過經(jīng)驗(yàn)判斷或試驗(yàn)驗(yàn)證，前者的準(zhǔn)確性不足，后者耗時(shí)較多、成本較高，不適用于設(shè)計(jì)階段的多次迭代。因此筆者采用數(shù)值仿真的方式，對壓力潤滑系統(tǒng)噴嘴流量開展仿真建模和分析，并對經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。

1 數(shù)值仿真與結(jié)果

1.1 數(shù)值仿真方法

滑油管路中滑油的流動遵循質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律[5]，如式(1)、(2)。

連續(xù)方程式質(zhì)量守恒方程的數(shù)學(xué)表述，表達(dá)式如下：

(1)

粘性流體的動量方程是動量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)，表達(dá)式如下：

(2)

FLUENT軟件中集成了非常多的模型與算法，如單相流模型與多相流模型；粘性模型中的層流模型和湍流模型，湍流模型又包括目前較為常用的RNG K-ε模型與Realizable K-ε模型等等。算法中包括單精度SIMPLE算法、耦合COUPLE算法和PISO算法。由于模型中包括了管路流動與噴嘴射流等情況，因此選擇了適合這種情況的VOF多相流模型、Realizable K-ε湍流模型以及PISO算法。

1.2 仿真模型建立

根據(jù)某型機(jī)主減速器噴嘴和孔徑設(shè)計(jì)分布，建立數(shù)值仿真模型。模型結(jié)構(gòu)主要是提取主減速器油路進(jìn)口、內(nèi)部油路結(jié)構(gòu)和噴嘴噴孔結(jié)構(gòu)等，并在油路靠近末端處設(shè)置壓力檢測點(diǎn)。由于主減速器結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要潤滑和散熱的動部件分布較多，因此具有多個(gè)滑油噴嘴，同一噴嘴往往設(shè)置多個(gè)噴孔。為方便后續(xù)描述，現(xiàn)依據(jù)各噴孔距離油路入口的遠(yuǎn)近，依次對其編號，并整理各噴孔的直徑大小如表1所列。仿真模型整體如圖1所示。

表1 各噴孔的變化和尺寸 /mm

圖1 油路與各噴嘴噴孔數(shù)值仿真模型

1.3 仿真結(jié)果與分析

將上述油路模型導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行仿真分析，初設(shè)入口壓力為0.3 MPa(相對壓力)，在FLUENT中定義入口為壓力入口；同時(shí)，將各噴孔定義為壓力出口，出口壓力等于主減速器內(nèi)部壓力，基本等同與大氣壓，因此設(shè)置為0.0 MPa(相對壓力)。滑油密度9 100 kg/m3，運(yùn)動粘度為5.25 mm2/s，轉(zhuǎn)化為動力粘度等于0.005 775 kg·s/m2。同時(shí)設(shè)置重力方向?yàn)閆軸負(fù)方向。在不同迭代次數(shù)下部分噴孔的流量變化如圖2、圖3所示。

圖2 噴孔1-4數(shù)值仿真流量結(jié)果

圖3 噴孔5-8數(shù)值仿真流量結(jié)果

如圖2、圖3所示，計(jì)算開始時(shí)，油路中全部是空氣，因此各噴孔流量為0；隨著迭代次數(shù)增加，滑油依次到達(dá)各噴孔處，因而各噴孔流量也逐漸增加，離入口近的噴孔滑油流量優(yōu)先增加。當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到5 000次時(shí)，各噴孔流量波動較小，基本保持不變。提取穩(wěn)定時(shí)刻下各噴孔及油路入口的流量值如表2所列。

表2 各噴孔流量值(L/min)

相鄰噴嘴之間流量存在一定的耦合干擾，但是干擾程度較小，可以忽略不計(jì)[6]。

2 噴嘴流量公式計(jì)算

噴嘴性能公式如下：

(3)

式中：Cd為噴嘴流量系數(shù)；m為與噴嘴孔徑有關(guān)的系數(shù)，A為噴口截面積；ΔP為噴嘴處壓力；ρ為滑油密度。

經(jīng)過簡化，將流量系數(shù)、孔徑相關(guān)系數(shù)等合并為1個(gè)系數(shù)K，則公式(3)簡化為：

(4)

對式(4)中單位進(jìn)行換算，采用工程上常用的單位，得公式(5)如下：

(5)

式中:q為噴嘴流量，L/min；d為噴孔直徑，mm；ΔP為噴嘴處壓強(qiáng)，MPa。工程上，基于主減速器工作工況以及常用滑油的密度、粘度特性，公式(3)中K值的選取一般在1～2之間。

經(jīng)驗(yàn)公式中，給定噴嘴處壓強(qiáng)為0.3 MPa，將不同的噴孔尺寸代入計(jì)算，取系數(shù)1.7得到的流量值見表3。

表3 不同噴孔直徑的流量值(L/min)

3 結(jié)果對比分析

將仿真結(jié)果流量與公式計(jì)算的流量進(jìn)行對比，見表4。從表中可以看出，公式計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果對比，系統(tǒng)總流量差值為-0.675 L/min，相差-3.75%，小于5%。各個(gè)噴孔流量，公式計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果相差均在10%以內(nèi)，以直徑為Φ0.8的噴孔為例，整個(gè)潤滑油路中，仿真得出的流量最大值為0.647 L/min，最小為0.563 L/min，與公式計(jì)算值的偏差在-7.88%～+5.86%之間，出現(xiàn)上述差別的主要的影響因素是噴孔所處的位置高低帶來的壓差以及局部油路的結(jié)構(gòu)影響造成的流阻，如8～10號噴孔，因尺寸相同且位置相鄰，流量就較為接近。

表4 仿真結(jié)果與公式計(jì)算流量值對比(L/min)

4 結(jié) 語

基于數(shù)值模擬理論，針對某直升機(jī)主減速器壓力潤滑系統(tǒng)開展研究，采用CFD仿真方法，建立了基于Fluent的主減速器壓力油路、噴嘴和噴孔的仿真模型，通過仿真計(jì)算和分析，得到了各個(gè)噴孔的流量變化曲線和穩(wěn)態(tài)數(shù)值，同時(shí)采用公式計(jì)算方法，選取合適的修正系數(shù)，計(jì)算不同孔徑下噴孔滑油流量，對比兩種結(jié)果，驗(yàn)證了公式計(jì)算方法的可行性與準(zhǔn)確性，為直升機(jī)壓力潤滑流量快速設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了一個(gè)行之有效的解決途徑。