軸承腔甩油盤結構優化設計

趙亞飛，潘代鋒，李炎軍，李貴林，胡海濤

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

軸承腔中設計甩油盤的目的，是通過甩油盤隨軸做高速圓周運動時將軸承腔中的潤滑油帶到軸承或密封跑道上[1]，對相應零件進行潤滑、沖洗和冷卻。這種設計具有結構簡單、高效、可靠等優點，廣泛應用于航空發動機滑油系統和燃油系統中。

國內外對甩油盤做了大量研究。如埃威爾等[1]針對某甩油盤的轉速、長徑比、滑油黏度等因素對潤滑效果的影響進行了分析。孫丹丹[2]對甩油盤與軸的配合進行了改進設計，由0.040 mm 的過盈調整為0.063 mm 的間隙，使得裝配更加簡便，不再需要對甩油盤進行加溫從而節省了電費成本。吳敬[3]將鏜床主軸密封結構由迷宮密封改進為甩油環密封結構，有效解決了灰塵進入或滑油滲漏的難題。蔡學成[4]在轉子軸上的擋油環附近增加了一個大直徑甩油盤，有效解決了機油外漏問題。賀宏斌等[5]將軸承腔中的甩油塊改進為甩油盤后，腔壓下降，密封效果得到了改善。談鋒[6]對中間軸承甩油盤的抗沖擊性能進行了模態分析，證明最大應力出現在垂向位置。王峰等[7]針對甩油盤葉片斷裂問題，分析了甩油盤的載荷工況及有限元強度，提出了相應的改進措施，經試驗考核效果良好。楊策等[8]設計的燃燒室采用甩油盤的供油方式代替噴嘴，使其具有成本低、工作可靠、易實現等優點。熊純等[9]在離心甩油盤性能試驗器上對一種離心甩油盤的霧化性能進行了較詳細的試驗研究。陳曉麗等[10]將常用的離心孔式甩油盤改進為離心葉輪式甩油盤，大大改善了甩油的均勻度。蔣雪輝[11]對所設計的甩油盤進行了數值校核和部件及整機試驗驗證。吳世興[12]設計了一種新式甩油盤，此甩油盤具有較強的供油能力，可增大對連桿軸頸主油道潤滑油的供油量，確保潤滑系統的可靠性。總的來說，目前的研究仍是對已有甩油盤結構的一種簡單改進與工程方面的經驗性應用，對甩油結構的兩相流數值模擬分析研究不夠深入，缺乏對具體結構的參數化優化設計研究。

本文以一種圓周密封[13]跑道的甩油盤為應用對象，采用氣液兩相流數值分析技術，以有效冷卻跑道的滑油質量流量(將跑道內側徑向1.8 mm 范圍內的滑油流量記為有效冷卻流量)為目標對甩油盤結構進行優化。基于ANSYS Workbench 中的響應曲面優化方法[14]，對甩油盤結構進行多參數優化設計，并將優化結構參數值代入甩油盤結構中，檢驗計算出滑油流量是否最大，驗算優化結構的合理性，以期為甩油盤的研究和設計選型等提供理論基礎及指導。

2 甩油盤數值分析計算

2.1 兩種甩油結構

軸承腔主軸密封多采用環下供油[15]方式帶走摩擦熱進而冷卻密封跑道，其甩油盤結構設計直接關系到冷卻效率進而影響密封性能。發動機軸承腔中的甩油盤結構多樣，圖1 給出了兩種典型的甩油盤結構。圖中，紅色線段為摩擦生熱面，是需要冷卻的環面；藍色區域為A、B 型兩種甩油盤結構，其中A 型甩油盤較B 型甩油盤結構復雜。圖2 給出了A 型甩油盤的三維結構圖。

2.2 模型及邊界條件

實際工作過程中，滑油流過的區域是跑道下表面與甩油盤之間的寬闊空間。取此空間為計算對象，流體域中間截面的滑油流動示意如圖3 所示。

圖1 兩種甩油盤結構Fig.1 Structure of two oil slingers

圖2 A 型甩油盤結構圖Fig.2 Structure diagram of type A oil slinger

圖3 流體域剖面圖Fig.3 Cutaway view of fluid domain

圖4 為A 型甩油盤流體域三維模型(簡稱模型A)，示出了周期對稱的計算區域形狀。該計算區域由入口、出口、跑道圓周、甩油盤圓周及左右循環對稱分界面構成。表1 列出了模型A 各個表面的邊界條件。B 型甩油盤流體域三維模型(簡稱模型B)建模過程與A 型甩油盤的類似。

為方便計算，對模型作如下假設：①甩油盤與跑道等壁面所在體為剛體；②滑油流動為三維定常穩態流動；③潤滑油膜在厚度方向溫度相等；④氣體為理想氣體；⑤甩油盤結構及相對位置處于理想狀態；⑥流體流動循環對稱。

圖4 流體域三維模型(模型A)Fig.4 3D drawing of fluid domain(model A)

表1 模型A 各個表面的邊界條件Table 1 Boundary conditions for different surface of model A

計算時，根據軸承腔的固有特性，取進口壓力為滑油壓力，取出口壓力為大氣壓力。左右分界面為周期性邊界，其余表面取旋轉壁面邊界條件。計算軟件采用CFX 流體分析軟件。由于氣液兩相計算過程中，壁面粗糙度、滑油粘性及流動雷諾數等都會對滑油的流動產生很大的影響，因此設定以下邊界條件：①軸轉速為10 000 r/min；②進口壓力0.2 MPa(表壓)，出口壓力0 MPa(表壓)；③溫度T=300 K；④計算模型采用帶壁面函數的k-ε模型。潤滑油選用航空4050潤滑油，其物性參數詳見文獻[16]。

在CFX 中基于N-S 方程，采用紊流、二階迎風格式、基于微元中心有限體積法，壓力速度耦合方程采用SIMPLEC 對流場進行求解。計算域網格全部為四面體網格，總數約8 萬個。

3 多參數響應面優化

Workbench的響應面優化方法[14]是利用CAE 軟件進行優化的一種典型方法，具體步驟為：首先建立參數化模型，其次對多組水平組合的不同參數化CAD 模型進行CAE 求解，然后將優化目標提出供優化處理器進行優化參數評價并形成目標函數與多參數的響應曲面，最后根據響應曲面得到最優解(極大值或極小值)。具體優化流程見圖5。

3.1 模型A

圖5 優化流程Fig.5 Flow chart for optimization

首先對A 型甩油盤結構的結構參數進行參數化建模。圖6 給出了使用UG 軟件創建的模型A 的參數化模型截面圖，選擇的參數化結構尺寸基本覆蓋了A 型甩油盤中與滑油相關的主要結構參數，表2給出了圖中結構參數的含義。根據結構空間的實際情況，確定各結構參數的取值范圍，如表3 所示。

圖6 參數化的流體域模型AFig.6 Parametric fluid domain model A

將滑油有效冷卻流量作為目標函數，對響應曲面法選取的45 組樣本結構進行分網并設置后計算，部分結果見表4。根據45 組樣本結構的計算結果，以滑油有效冷卻流量最大化為目標，使用響應面曲線法可創建6 維參數的響應曲線，從而得到最優的一組結構參數。將選取的最優參數值圓整后重新代入模型進行計算，得到出口滑油有效冷卻流量，如表5 所示。對比優化前后結果可知，優化后的滑油有效冷卻流量比優化前的大，表明根據優化結果進行圓整的結構參數具有更優的甩油能力，優化較成功。

表2 模型A 結構參數及含義Table 2 Structural parameters of model A

表3 甩油盤結構參數變量(A 型)Table 3 Structural parameter variables of oil slinger(type A)

表4 響應曲面法使用的計算參數與計算結果(A 型)Table 4 Calculation parameters and calculation results using response surface method(type A)

3.2 模型B

B 型甩油盤的優化過程與A 型甩油盤的類似。圖7 為模型B 的參數化模型截面圖，表6 給出了圖7中結構參數的含義。各結構參數的取值范圍見表7。表8 給出了響應曲面法選取的25 組樣本結構的計算結果。使用響應面曲線法創建結構參數的4 維響應曲線，從而得到最優的一組結構參數。將此最優參數值圓整后重新代入模型進行計算，得到出口滑油有效冷卻流量，如表9 所示。對比優化前后結果可知，優化后的滑油有效冷卻流量比優化前的大，證明根據優化結果進行圓整的結構參數具有更優的甩油能力，優化較成功。

表5 A 型甩油盤結構參數優化結果Table 5 Optimum results of type A oil slinger structural parameters

圖7 參數化的流體域模型BFig.7 Parametric fluid domain model B

表6 模型B 結構參數及含義Table 6 Structural parameters of model B

4 優化后的兩種甩油盤對比

對比模型A 與模型B 優化后的結構，分別計算滑油體積分數，結果如圖8 所示。由圖可看出，A 型甩油盤結構的滑油在跑道下表面更加集中，更有利于對跑道進行潤滑和冷卻。

表7 甩油盤結構參數變量(B 型)Table 7 Structural parameter variables of oil slinger(type B)

表8 響應曲面法使用的計算參數與計算結果(B 型)Table 8 Calculation parameters and calculation results using response surface method(type B)

由表5 和表9 可知，A 型甩油盤優化后模型的滑油有效冷卻流量為0.161 kg/s，B 型甩油盤優化后模型的有效冷卻流量為0.127 kg/s。A 型甩油盤的最優化模型的有效冷卻流量比B 型的高出約26.4%，這說明A 型甩油盤優化后的結構更優。

表9 B 型甩油盤結構參數優化結果Table 9 Optimum results of type B oil slinger structural parameters

圖8 滑油體積分數云圖Fig.8 Lubrication oil volume fraction distribution

5 結論

(1)運用ANSYS Workbench 多參數響應面優化方法，以滑油有效冷卻流量為目標函數，可得到甩油盤各個結構參數在取值范圍內的最優解。該方法提高了優化效率，避免了優化的盲目性。

(2)相比B 型甩油盤結構優化結果，A 型甩油盤結構優化結果的滑油有效冷卻流量更大，甩油效率更高。

(3)本文中的優化設計方法不僅可為甩油盤的研究和設計選型等提供理論基礎及指導，亦可應用到結構復雜的其他機械結構優化設計過程中。