離心式滑油冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真分析

仇振安　李超　鐘林林

摘 要：發(fā)動機是飛機制造業(yè)的心臟，而滑油冷卻風(fēng)扇是發(fā)動機正常工作的重要保證。為提高產(chǎn)品性能，本文從葉形、蝸殼、軸、軸承殼體等方面對滑油冷卻風(fēng)扇進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取全壓和全壓效率、靜壓和靜壓效率、動壓、軸功率、噪聲、結(jié)構(gòu)強度等進(jìn)行對比仿真分析，最后通過三維數(shù)值模擬對改進(jìn)后的風(fēng)扇性能進(jìn)行了仿真計算，結(jié)果滿足要求。

關(guān)鍵詞：滑油冷卻風(fēng)扇;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;計算流體力學(xué);仿真分析

中圖分類號：V233.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0046-03

Abstract： Engine is the heart of aircraft manufacturing industry， and lubricating oil cooling fan is an important guarantee for the normal operation of engine. In order to improve the product performance， this paper optimized the structure of the lubricating oil cooling fan from the aspects of blade shape， volute， shaft and bearing shell， and selected the total pressure and total pressure efficiency， static pressure and static pressure efficiency， dynamic pressure， shaft power， noise and structural strength for comparative simulation analysis. Finally， the improved fan performance was simulated through three-dimensional numerical simulation， and the results met the requirements.

Keywords： lubricating oil cooling fan;structural optimization;computational fluid dynamics;the simulation analysis

發(fā)動機滑油系統(tǒng)是保證發(fā)動機正常運行的重要系統(tǒng)，發(fā)動機冷卻風(fēng)扇作為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能對發(fā)動機的運行具有重要影響。對冷卻風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計主要采用冷卻風(fēng)洞的方法進(jìn)行，但該方式不僅周期長，資金耗費大，而且需要大量的迭代設(shè)計。而Fluent和ANSYS等仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，提高了風(fēng)扇設(shè)計效率。

1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

風(fēng)扇結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成[1]，如圖1所示。轉(zhuǎn)子零件包括軸、軸承、葉輪、葉輪擋套等，所有零件由螺母壓緊在軸上，依靠端面摩擦傳遞扭矩;定子零件包括蝸殼、襯板、罩殼、軸承殼體、壓蓋、齒形止動圈、螺樁、支撐架等。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

風(fēng)扇的主要技術(shù)指標(biāo)為：額定工作轉(zhuǎn)速：19 757 r/min;在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為（19 757±50） r/min，散熱器進(jìn)口空氣溫度為（52±2） ℃時，風(fēng)扇出口空氣流量≮0.35 kg/s;提取功率≯5 kW;花鍵軸扭斷力矩：在冷卻風(fēng)扇花鍵軸上設(shè)置剪切截面，其扭斷力矩不大于30 N·m;超轉(zhuǎn)能力：冷卻風(fēng)扇應(yīng)具有轉(zhuǎn)速為22 918 r/min的超轉(zhuǎn)能力。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 軸改進(jìn)

改進(jìn)前，風(fēng)扇軸采用一體式;改進(jìn)后，風(fēng)扇軸采用兩節(jié)組合式結(jié)構(gòu)。兩節(jié)組合式結(jié)構(gòu)的軸與一體式結(jié)構(gòu)的區(qū)別如表1所示。

2.2 葉輪改進(jìn)

在原有成熟葉型的基礎(chǔ)上，對葉片型線和葉輪直徑進(jìn)行優(yōu)化：基于風(fēng)扇內(nèi)部三元流場進(jìn)行動態(tài)仿真模擬[2-3]，優(yōu)化氣流在風(fēng)扇內(nèi)部的流動，減小漩渦、回流、氣流分離等對葉片的沖擊。這既可以減小風(fēng)扇內(nèi)部損失、提高效率，又可以減小葉片的自振和產(chǎn)品的振動。最終實現(xiàn)改進(jìn)后風(fēng)量提高25%、壓升提高5%、全壓效率提高1.9%。

降低葉輪振動量值，除了在設(shè)計上對葉片型線進(jìn)行優(yōu)化之外，還可以采取以下措施：對風(fēng)扇葉輪零件狀態(tài)進(jìn)行靜平衡;對轉(zhuǎn)子整體進(jìn)行動平衡校驗，根據(jù)同類產(chǎn)品研制經(jīng)驗，不平衡度應(yīng)不大于0.392×10-5 N·m。

2.3 蝸殼優(yōu)化設(shè)計

為了優(yōu)化氣流在蝸殼中的集流及擴壓效果，增大蝸殼徑向尺寸，對于局部裝機干涉部位，采取平滑收縮處理。

2.4 軸承殼體優(yōu)化

根據(jù)類似產(chǎn)品使用中出現(xiàn)的故障，此次軸承殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了針對性優(yōu)化設(shè)計：在內(nèi)壁增加均壓槽，用于平衡軸承殼體各腔室的壓力。

3 性能仿真分析

在設(shè)計冷卻風(fēng)扇的過程中，影響其性能的關(guān)鍵因素有葉輪直徑、葉型、葉片的安裝角及葉輪與相配合零件的結(jié)構(gòu)、間隙大小等，冷卻風(fēng)扇的性能以全壓和全壓效率、靜壓和靜壓效率、動壓、軸功率、噪聲等與空氣流量相關(guān)聯(lián)的特性曲線來進(jìn)行表征。風(fēng)扇葉輪內(nèi)部流場仿真分析如下。

圖2和圖3分別為離心葉輪流道子午面的馬赫數(shù)分布云圖和相對速度矢量圖。從圖中可以看出，葉輪內(nèi)流場分布均勻，不存在氣體分離現(xiàn)象。

圖4為葉輪在不同葉高處的靜壓分布云圖。從圖4可知，葉輪流道內(nèi)的靜壓分布均勻，特別是葉尖區(qū)域。圖5為葉輪不同葉高的相對速度矢量圖。從圖5可知，葉輪僅在葉尖尾緣區(qū)域存在較明顯的氣流分離現(xiàn)象，而在葉中及以下僅在吸力面靠近葉片壁面處存在小范圍的低速區(qū)。

通過仿真分析獲得改進(jìn)后的冷卻風(fēng)扇性能參數(shù)。冷卻風(fēng)扇的風(fēng)量要求為0.35 kg/s，而三維數(shù)值計算的結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，風(fēng)扇風(fēng)量為0.41 kg/s，滿足要求。

4 葉輪離心應(yīng)力仿真分析

葉輪離心應(yīng)力仿真結(jié)果如圖6及表2所示。

從上述分析結(jié)果可以看出，葉輪在超速下的最大變形量為0.069 mm，遠(yuǎn)小于葉頂間隙;最大等效應(yīng)力為20.78 MPa，小于其零件材料的屈服強度275 MPa，因此冷卻風(fēng)扇葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計強度滿足高轉(zhuǎn)速工況要求。

5 結(jié)語

本文首先對產(chǎn)品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后基于仿真分析技術(shù)，分析了風(fēng)扇葉輪內(nèi)部流場和壓升變化規(guī)律，最后通過三維數(shù)值模擬對改進(jìn)后的風(fēng)扇性能進(jìn)行了仿真計算，結(jié)果滿足要求。后續(xù)將結(jié)合試驗結(jié)果對仿真分析進(jìn)行校核、修正，提高改進(jìn)冷卻風(fēng)扇仿真分析的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

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