離心式滑油冷卻風扇結構優化和仿真分析

仇振安　李超　鐘林林

摘 要：發動機是飛機制造業的心臟，而滑油冷卻風扇是發動機正常工作的重要保證。為提高產品性能，本文從葉形、蝸殼、軸、軸承殼體等方面對滑油冷卻風扇進行結構優化，選取全壓和全壓效率、靜壓和靜壓效率、動壓、軸功率、噪聲、結構強度等進行對比仿真分析，最后通過三維數值模擬對改進后的風扇性能進行了仿真計算，結果滿足要求。

關鍵詞：滑油冷卻風扇;結構優化;計算流體力學;仿真分析

中圖分類號：V233.5文獻標識碼：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

發動機滑油系統是保證發動機正常運行的重要系統，發動機冷卻風扇作為發動機冷卻系統的關鍵部件，其性能對發動機的運行具有重要影響。對冷卻風扇的優化設計主要采用冷卻風洞的方法進行，但該方式不僅周期長，資金耗費大，而且需要大量的迭代設計。而Fluent和ANSYS等仿真技術的不斷發展，提高了風扇設計效率。

1 產品的結構特點及主要技術指標

1.1 產品結構特點

風扇結構主要由定子和轉子兩大部分組成[1]，如圖1所示。轉子零件包括軸、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 主要技術指標

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

2 結構優化設計

2.1 軸改進

改進前，風扇軸采用一體式;改進后，風扇軸采用兩節組合式結構。兩節組合式結構的軸與一體式結構的區別如表1所示。

2.2 葉輪改進

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

降低葉輪振動量值，除了在設計上對葉片型線進行優化之外，還可以采取以下措施：對風扇葉輪零件狀態進行靜平衡;對轉子整體進行動平衡校驗，根據同類產品研制經驗，不平衡度應不大于0.392×10-5 N·m。

2.3 蝸殼優化設計

為了優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 軸承殼體優化

根據類似產品使用中出現的故障，此次軸承殼體結構設計進行了針對性優化設計：在內壁增加均壓槽，用于平衡軸承殼體各腔室的壓力。

3 性能仿真分析

在設計冷卻風扇的過程中，影響其性能的關鍵因素有葉輪直徑、葉型、葉片的安裝角及葉輪與相配合零件的結構、間隙大小等，冷卻風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聯的特性曲線來進行表征。風扇葉輪內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分布云圖和相對速度矢量圖。從圖中可以看出，葉輪內流場分布均勻，不存在氣體分離現象。

圖4為葉輪在不同葉高處的靜壓分布云圖。從圖4可知，葉輪流道內的靜壓分布均勻，特別是葉尖區域。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域存在較明顯的氣流分離現象，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。

通過仿真分析獲得改進后的冷卻風扇性能參數。冷卻風扇的風量要求為0.35 kg/s，而三維數值計算的結果顯示，在標準狀況下，風扇風量為0.41 kg/s，滿足要求。

4 葉輪離心應力仿真分析

葉輪離心應力仿真結果如圖6及表2所示。

從上述分析結果可以看出，葉輪在超速下的最大變形量為0.069 mm，遠小于葉頂間隙;最大等效應力為20.78 MPa，小于其零件材料的屈服強度275 MPa，因此冷卻風扇葉輪結構設計強度滿足高轉速工況要求。

5 結語

本文首先對產品進行了結構優化，然后基于仿真分析技術，分析了風扇葉輪內部流場和壓升變化規律，最后通過三維數值模擬對改進后的風扇性能進行了仿真計算，結果滿足要求。后續將結合試驗結果對仿真分析進行校核、修正，提高改進冷卻風扇仿真分析的準確性。

參考文獻：

[1]李琳，余建祖，謝永奇.直升機用小型高壓離心式風機的設計[J].北京航空航天大學學報，2003（3）：244-247.

[2]李慶宜.通風機[M].北京：機械工業出版社，1982：29-64.

[3]王振寧，王紅.基于計算流體力學汽車冷卻風扇優化設計[J].機械設計與制造，2016（10）：182-185.