江建文，王兵，李文高

（1.中航工業(yè)航空動力機(jī)械研究所，湖南株洲412002；2.清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京100084）

0 引言

先進(jìn)航空渦軸發(fā)動機(jī)為減少零件數(shù)量、減小空間尺寸、減輕質(zhì)量和提高可靠性，趨向于將燃油油路和滑油油路設(shè)計在機(jī)匣的內(nèi)部[1-2]。對于含密集內(nèi)部油路的機(jī)匣，為確保復(fù)雜多排管路之間無鑄造缺陷造成的串通或滲漏，往往采用高致密度的鍛造鋁鎂毛坯，復(fù)雜外部輪廓和內(nèi)部油路均機(jī)械加工而成。與傳統(tǒng)的外部連接油路相比，機(jī)械加工油路雖然長度較短，但受結(jié)構(gòu)限制需由直角或鈍角連接，無法采用圓弧過渡，油路的壓力損失相對較大。在燃油泵和滑油泵設(shè)計時需提供較為精確的泵后油路壓力損失，以保證噴嘴的壓力符合要求。目前，國內(nèi)采用試驗方法來研究和校驗內(nèi)部油路壓力損失計算的精度還少有報道[3]。

本文通過分析先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)附件傳動機(jī)匣的發(fā)展，確定了機(jī)匣內(nèi)部油路的典型結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計制造了試驗件，對典型結(jié)構(gòu)的油路進(jìn)行壓力損失試驗和計算分析。

1 發(fā)動機(jī)機(jī)匣內(nèi)部油路

渦軸發(fā)動機(jī)附件大多為獨(dú)立結(jié)構(gòu)（如：燃油泵、滑油泵、燃油濾、滑油濾、旁通閥、燃滑油散熱器等），通過快卸環(huán)或螺釘安裝在附件傳動機(jī)匣上，附件之間的燃、滑油連接基本采用外部管路。錯綜復(fù)雜的外部管路零件數(shù)量多，占用的空間尺寸大，發(fā)生漏油事故的情況多，可靠性低。在分解附件時，首先需要分解大量的外部管路，極不利于附件的維護(hù)。為滿足渦軸發(fā)動機(jī)高功重比的要求，齒輪箱式附件傳動的設(shè)計主要在于在減輕質(zhì)量的同時提高可靠性和維護(hù)性。附件傳動單元體的設(shè)計將向附件集成化和燃、滑油管路機(jī)匣內(nèi)置化等方向發(fā)展，典型的有T700發(fā)動機(jī)和RTM322發(fā)動機(jī)。其發(fā)動機(jī)附件與附件傳動機(jī)匣采用一體化設(shè)計，燃、滑油附件直接安裝在附件傳動機(jī)匣上，燃油泵、滑油泵及燃滑油系統(tǒng)附件的進(jìn)、出油路均設(shè)計在附件傳動機(jī)匣內(nèi)，如圖1、2所示。采用內(nèi)置化設(shè)計，可以省去大量的燃油系統(tǒng)與滑油系統(tǒng)外部管路及其連接件和密封件，大幅減少相關(guān)零件數(shù)量，使發(fā)動機(jī)的空間尺寸減小，質(zhì)量減輕，可靠性提高。

大量的機(jī)匣內(nèi)部油路給傳動機(jī)匣的鑄造帶來了較大困難。為解決復(fù)雜機(jī)匣的設(shè)計和制造問題，在某型發(fā)動機(jī)設(shè)計中開發(fā)了1種新的結(jié)構(gòu)形式，將燃、滑油附件集成安裝在1個專用機(jī)匣上，以減少傳動機(jī)匣上的附件，并簡化其結(jié)構(gòu)和減少其內(nèi)部油路。專用機(jī)匣采用鍛造毛坯，保證機(jī)匣內(nèi)部不會有材料缺陷造成油路之間相互滲漏，用數(shù)控加工完成機(jī)匣的外部輪廓和內(nèi)部油路加工。只要完成好數(shù)控加工的編程工作，在現(xiàn)有的設(shè)備上便可保證批生產(chǎn)的零件質(zhì)量，典型的結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。

采用鍛造毛坯的機(jī)匣，用機(jī)械加工而成機(jī)匣內(nèi)部油路無法采用圓弧過渡連接，油路的連接處將產(chǎn)生很大的壓力損失。為保證發(fā)動機(jī)燃油噴嘴的壓力要求，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮從燃油泵出口到發(fā)動機(jī)燃燒室燃油噴嘴的全程壓力損失。目前，油路壓力損失計算一般應(yīng)用ICEM CFD和FLUENT商用軟件，但對機(jī)械加工形成油路的壓力損失試驗在國內(nèi)尚未見報道。

2 試驗方案設(shè)計

某型發(fā)動機(jī)油濾組件內(nèi)部油路試驗件如圖5、6所示。通過試驗測量獲得了等長度不同直徑直管的壁面摩擦損失、等長度等直徑90°相交管路的壁面摩擦和轉(zhuǎn)彎處摻混壓力損失、等長度不同直徑的壁面摩擦和轉(zhuǎn)彎處摻混壓力損失。通過試驗驗證壓力損失計算結(jié)果，以滿足設(shè)計需要。各試驗油路的尺寸見表1。

表1 試驗油路

3 試驗結(jié)果

3.1 試驗條件

試驗介質(zhì)為3號噴氣燃料（GB 6537－1994），試驗燃油溫度為20℃，試驗壓力大于1 MPa。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 試驗結(jié)果

表1對應(yīng)油路的壓力損失試驗結(jié)果如圖7所示。

3.2.2 90°連接對燃油壓力損失的影響

為分析90°連接對燃油壓力損失的影響，將B1～B2油路設(shè)計成直徑為9 mm的直通管，B5～B6油路為長度和直徑與B1～B2油路相等的90°相接的油路；將D1～D2油路設(shè)計成直徑為6 mm的直通管，D3～D4油路為長度和直徑與D1～D2油路相等的90°相接的油路。試驗結(jié)果如圖8所示。從試驗結(jié)果可見，B5～B6油路的壓力損失為B1～B2油路的3.9倍，D3～D4油路的壓力損失為D1～D2油路的3.4倍，內(nèi)部油路的壓力損失主要產(chǎn)生在2條油路的連接處。

3.2.3 變徑油路對燃油壓力損失的影響

為分析變徑90°連接對燃油壓力損失的影響，將C1～C2油路設(shè)計成直徑為6～9 mm的變徑90°相接油路，分別測量C1～C2和C2～C1油路的壓力損失。同時將D1～D2油路設(shè)計成直徑為6 mm的等徑90°相接油路，試驗結(jié)果如圖9所示。從圖中可見，雖然C1～C2和C2～C1油路相同，但二者進(jìn)、出口直徑不同，其壓力損失相差近1倍；而C1～C2油路的進(jìn)口截面積是D1～D2油路的2.25倍，但二者出口直徑相同，其壓力損失相當(dāng)。可見，變徑管路的壓力損失主要取決于出口直徑的大小。

3.2.4 連接處結(jié)構(gòu)形式對燃油壓力損失的影響

設(shè)計直徑為9 mm的等徑90°相接油路連接處結(jié)構(gòu)形式如圖10所示。分別測量B1～B2、B2～B1和B3～B4油路的壓力損失，如圖11所示。B1～B2、B2～B1油路相同，由于進(jìn)、出口方向相反，B2～B1油路的壓力損失比B1～B2油路的低19%；而B3～B4油路的壓力損失比B2～B1油路的低20%。雖然圓弧過渡有利于減小壓力損失，但該結(jié)構(gòu)的加工工藝性較差。

4 試驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比

4.1 計算模型和方法

采用CFD計算軟件FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬研究。在研究中，應(yīng)用2階迎風(fēng)格式離散控制方程，采用顯式的時間推進(jìn)格式,湍流模型采用了k－ε雙方程模型[4-5]。

計算模型及邊界條件如圖12所示。計算網(wǎng)格采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目依據(jù)不同流動工況在8～10萬之間變化。為了保證收斂性，采用了以壓力梯度為變量的局部加密方法。數(shù)值模擬結(jié)果表明，計算獲得的壓力損失值和試驗數(shù)據(jù)相符合，本文的數(shù)值模擬方法對絕大多數(shù)復(fù)雜油路的壓力損失計算都是適用和可靠的。

4.2 A1～A2油路試驗和計算結(jié)果對比

僅改變油路出口，將A1～A2油路的出口處直徑由6 mm改為9 mm，分別得到2條油路，考慮實際試驗件的機(jī)械加工誤差最大為0.2 mm，試驗和計算結(jié)果如圖13所示。從圖中可見，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，誤差小于5%。

4.3 A3～A4油路試驗和計算結(jié)果對比

分步改變A3～A4油路的進(jìn)口和出口直徑，A3的進(jìn)口直徑由6 mm改為9 mm，A4的出口直徑由6.3 mm改為9 mm，分別得到3條油路，試驗結(jié)果如圖14所示。從圖中可見，油路出口直徑的變化對壓力損失的影響明顯大于油路進(jìn)口直徑的變化的。

試驗件的機(jī)械加工誤差最大為0.2 mm，壓力損失計算與試驗結(jié)果對比如圖15～17所示。

從圖15中可見，對于這類含有突擴(kuò)連接的管路，與試驗結(jié)果相比，計算誤差為15%～18%，超出工程設(shè)計允許的誤差范圍（一般不超過10%）。從數(shù)值模擬獲得的流場分析可知，該工況下6～9 mm的突擴(kuò)段內(nèi)有復(fù)雜回流區(qū)，目前使用的雙方程湍流模型對這類流動模擬結(jié)果較差，即使在研究過程中嘗試使用局部加密網(wǎng)格或使用其他類似的湍流方程也難以提高計算精度。對于有突擴(kuò)段的油路，本文采用的計算模型對計算精度有較大影響。因此，需用典型試驗數(shù)據(jù)校核計算結(jié)果獲得壓力損失修正模型或系數(shù)。

從圖16、17中可見，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，誤差小于3%。

5 結(jié)論

（1）油路出口直徑的大小是決定壓力損失的主要參數(shù)之一。

（2）經(jīng)機(jī)械加工形成的相交油路，將鉆孔加工段設(shè)計在油路出口端有利于減小油路的壓力損失。

（3）對于沒有突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的油路，采用FLUENT計算的結(jié)果誤差小于5%，可滿足工程應(yīng)用的需要；對于有突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的油路，采用FLUENT計算的結(jié)果偏小，誤差為10%～20%，需用試驗數(shù)據(jù)校核建立修正系數(shù)，并需在計算模型上進(jìn)一步修改完善。

[1] 郭允亮，嚴(yán)心靜，陳弘道.國內(nèi)外渦軸發(fā)動機(jī)性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其技術(shù)發(fā)展[M].北京：藍(lán)天出版社，1990：191-212.

[2] Mark D,Bill G.Jane’s aero engines[M].London：Jane’s Information Group,2012：244-247.

[3] 徐英，鄭建生，楊會峰.基于RNG k-ε模型的內(nèi)錐流量計氣體流出系數(shù)預(yù)測[J].天津大學(xué)學(xué)報，2007，40（10）：122-125.

[4] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：113-142.

[5] 王獻(xiàn)孚，熊鰲魁.高等流體力學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004：258-270.