何 童,徐讓書,陳曉萌

(沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術重點實驗室,遼寧 沈陽 110136)

0 引言

通風器[1]作為一種機械部件，目前主要應用于航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)、內燃機系統(tǒng)及醫(yī)學呼吸機等，其作用是將油氣兩相流中的滑油顆粒進行回收利用，同時還要維持通風器進出口的壓力平衡，所以在追求高分離效率的同時還要保證要有較低的壓降。

目前國內外對于通風器做了大量的研究，主要分為兩個方面。一方面是對分離機理及結構的研究：徐讓書等[2]在對離心通風器內部流場研究時發(fā)現(xiàn)，離心通風器進口段的分離機理主要是慣性分離，葉輪段的分離機理主要是離心分離，出口段的分離機理主要是湍流彌散；Ei-Hadj[3]給出了兩種通風器的分析方法，一種是FSI分析法,另外一種是采用移動邊界的CFD計算法，以此對通風器進行研究，發(fā)現(xiàn)通風器的性能與進口流量、缸體的長度、內徑大小有關系；Zhang等[4]為研究航空發(fā)動機動壓油氣分離器的分離特性，采用PBM與CFD雙流體模型的耦合方法，發(fā)現(xiàn)缸徑與缸長之間存在一個最佳的長徑比，長徑比在5～6時分離器的分離性能最好；韓金在等[5]對超高轉速通風器進行研究時發(fā)現(xiàn)改善空心軸結構可以降低壓降，腹板間油氣分離方式主要是離心分離；鐘超等[6]發(fā)現(xiàn)離心通風器葉輪段的分離效率最高，離心力的作用占據(jù)主導地位；蔡毅等[7]運用測重法與光學測量方法對通風器分離效率進行了研究，發(fā)現(xiàn)分離效率隨轉速先增大，當轉速達到1000 r/min后再增大轉速效率變化不大、粒徑的分布與流量無關、壓降與流量和轉速成正比；董哲等[8]在對軸心通風器進行研究時，發(fā)現(xiàn)蜂窩式結構相對于原結構有著更高的分離效率。另一方面是對內部兩相流場的分析：Wang等[9]為了對軸承油滴粒徑分布進行研究，利用CFD-PBM模型分析了油滴粒徑分布隨油滴消失和破碎的影響，隨著油滴初始直徑和空氣質量流量的增大，油滴的聚合和破碎程度增大，油滴粒徑分布發(fā)生顯著變化；Tokoro等[10]對攪拌機軸承內部的粒子碰撞能量損失進行了分析，內部粒子碰撞越劇烈，能量損耗越大，同時軸承內部的溫度上升越快。

綜上，影響通風器性能及內部油滴粒徑分布的因素，主要為通風器進口的流量、轉速以及通風器的結構長度和內徑等，同時蜂窩式結構更有利于油氣分離。本文所研究的離心通風器，研究人員在工況與內部流場方面已做了大量的研究，但是在通風器的結構優(yōu)化方面還是較少，所以本文以優(yōu)化通風器結構為目的，對通風器葉輪段做蜂窩式結構處理。以質點運動學及兩相流[11-12]為理論基礎，通過對通風器內部油滴顆粒的受力分析，建立油滴顆粒在蜂窩孔中的速度分布方程、運動軌跡[13]方程、油滴顆粒分離的判斷準則，探討進口流量、轉速、蜂窩式結構長度及口徑大小對離心通風器性能的影響；同時以此為基礎得到離心通風器出口段的油滴顆粒運動軌跡方程，為以后通風器的結構優(yōu)化打下理論基礎。

1 蜂窩式通風器結構

離心通風器的結構如圖1所示，主要分為進口段、葉輪段、出口段、殼體等，工作后的油氣混合氣通過通風器進口進來之后，在通風器內部發(fā)生了油氣分離[14-16]，分離后的油滴得到回收利用，而空氣則通過空心軸排出機體外部。其中葉輪段的分離效率最高，同時葉輪段結構是一個圓筒，內部含有12個轉子葉片，在結構上相對規(guī)則，所以對離心通風器葉輪段進行蜂窩式結構處理，如圖2為蜂窩式通風器的葉輪段，整個葉輪段被無數(shù)個蜂窩孔式結構所填充。

圖1 離心通風器

圖2 葉輪段蜂窩孔結構

2 受力分析

油滴顆粒在蜂窩孔內部的運動如圖3所示，圖中d為蜂窩孔六邊形入口的對邊距，l為蜂窩孔結構長度，lin為蜂窩孔入口到通風器通風孔的距離，lout為蜂窩孔出口到通風器通風孔的距離，假設滑油顆粒與空氣混合物垂直于蜂窩孔入口截面以相對速度vin流入。

圖3 單個蜂窩孔結構示意圖

油滴顆粒在蜂窩孔內部隨著離心通風器以角速度ω圍繞z軸轉動，根據(jù)受力分析得到，油滴顆粒在蜂窩孔中會受到氣拽力、離心力、科氏力的共同作用，此外還有布朗力、熱泳力、壓力梯度力等，但這些力較小，本文只對氣拽力、離心力、科氏力進行計算研究。所以油滴顆粒在蜂窩孔內部的運動方程可表示為

阻力系數(shù)

油滴顆粒的雷諾數(shù)

油滴顆粒的質量

式中,ρ為氣流的密度，dp為滑油顆粒的直徑，v為氣流流動相對速度的矢量，Cd為阻力系數(shù)，Rep為油滴顆粒的雷諾數(shù)，μ為氣流的黏度，K1、K2、K3為修正系數(shù)，mp為油滴顆粒的質量，ρp為油滴顆粒的密度。

3 蜂窩孔中油滴顆粒的運動軌跡方程

在實際工作條件下，因蜂窩孔中氣流馬赫數(shù)小于0.30，氣流在蜂窩孔結構內部視為不可壓縮流動，同時蜂窩孔結構的長徑比較大，氣流在蜂窩孔結構中的流動速度較快，因此氣流在蜂窩孔結構內部看作只有軸向速度，所以蜂窩孔結構內部的氣流流速v(z)的表達式為

假設油滴顆粒在隨氣流進入蜂窩孔時，氣流和油滴顆粒之間不存在相對運動，那么油滴顆粒的初始條件為

則油滴顆粒在蜂窩式通風器葉輪段內部的運動軌跡方程為

圖4 油滴運動軌跡

通過對直徑分別為0.1 μm、1 μm、10 μm顆粒進行計算得到如圖4所示的油滴運動軌跡，可以看出1 μm、10 μm直徑的顆粒會在不同位置進行碰壁形成油膜從而被分離出通風器，而0.1 μm的油滴顆粒不會被分離，其會在出口逃逸出去。

圖5為直徑分別為0.1 μm、1 μm、10 μm的顆粒在x方向上的加速度變化曲線，可以清晰地看到，顆粒在進入蜂窩孔之初具有相同的加速度，隨著顆粒進入蜂窩孔結構內部后，在x方向上大直徑顆粒的加速度變化不大，而小直徑顆粒的加速度急劇減小。這是因為在x方向上氣流主要受到離心力、科氏力、氣拽力的共同作用，其中離心力占據(jù)主導位置，顆粒尺寸越大離心力越大。加速度整體減小的原因是在剛進入蜂窩式結構時，氣流與顆粒之間存在著較大的速度差，氣流會給油滴顆粒一個氣拽力加速度，小直徑顆粒相對于大直徑顆粒更容易被帶動，所得到的氣拽力加速度更大，但當氣流與油滴顆粒之間的速度差越來越小時，氣拽力加速度就會減小，因小直徑顆粒所得到的氣拽力加速度更大，所以在速度差減小時，小直徑顆粒加速度的變化更劇烈。

圖6為油滴顆粒在z方向上的加速度變化趨勢，如圖所示，大直徑顆粒的加速度基本上不變，而小直徑顆粒的加速度基本上是呈現(xiàn)增加的趨勢。這是因為在z方向上油滴顆粒僅僅受到了氣拽力的作用。小直徑顆粒相對于大直徑顆粒更容易被空氣帶動，所以小直徑顆粒加速度變化更大，更容易被帶出通風器，這也是小直徑顆粒不容易被分離出去的原因之一。

圖5 x方向顆粒加速度

圖6 z方向顆粒加速度

4 蜂窩式結構分離效率

評價離心通風器性能的重要指標就是分離效率，其表征的是通風器在混合氣中回收油滴顆粒的能力，計算式如下：

式中，m2為出口油滴質量,m1為進口油滴質量。其中通風器進口油-氣混合物中的油滴顆粒尺寸分布完全服從Rosin-Rammler分布：

以此類推，由不同坐標點流進蜂窩孔的油滴粒子運動軌跡也不同，其臨界分離尺寸也不同，這就會導致分離效率也不盡相同。單獨一個蜂窩孔的分離效率為進口處橫截面所有微元面所流進的粒子流的分離效率在面積上的加權平均值，其表達式為

S為進口處橫截面積，dS為微元面。

圖7為半個蜂窩孔入口界面，因本文所研究蜂窩孔結構與x軸對稱，同時內部粒子運動也完全對稱，所以可通過任意一側蜂窩孔推測出所有蜂窩孔的情況。

圖7 蜂窩孔入口油滴位置

假設油滴粒子經(jīng)正三角形高和中位線的交點位置p(x,y)流進蜂窩孔中,將各單元的位置序號選為(i,j)，則p點在x,y截面上的坐標是

圖8 滑油顆粒分離條件判斷參數(shù)示意圖

圖8為x,z方向上滑油顆粒流進蜂窩孔，此時蜂窩孔進口處和出口處在x方向的寬度分別為

當滑油顆粒流動至z處時，所對應的蜂窩孔在x方向的寬度為

w(x,z)=w(x,lin)-2(lin-z)tanθ。

所以滑油顆粒經(jīng)點p進入蜂窩孔后，油滴顆粒分離的判斷依據(jù)為在未離開蜂窩孔結構之前發(fā)生碰壁現(xiàn)象，其數(shù)學表達式如下：

|x|

通過以上分析將通風器的進口橫截面劃分為無數(shù)個正三角形單元，同時假設油滴顆粒由每個正三角單元的幾何中心進入到通風器內部，這樣就可以得到通風器整個葉輪段的分離效率表達式

4.1 工況因素對蜂窩孔結構分離效率的影響

圖9為進口速度、通風器轉速對蜂窩孔轉速的影響。在同一轉速的情況下，蜂窩孔結構的分離效率隨著進口速度的增大而減小，這是因為氣流速度太大就會導致有的滑油顆粒還未來得及進行分離就已經(jīng)隨著氣流被帶出蜂窩孔結構；而在同一進口速度的情況下，蜂窩孔結構的分離效率隨著通風器轉速的增大而增大，這是因為滑油顆粒在高轉速的情況下所受到的離心力和科氏力更大，滑油顆粒更容易從氣流中分離出來。

4.2 尺寸因素對蜂窩孔結構分離效率的影響

圖10為蜂窩孔結構長度、蜂窩孔口徑大小對蜂窩孔結構分離效率的影響。在同一蜂窩孔結構長度的情況下，蜂窩孔的分離效率隨著蜂窩孔口徑的增大而減小，這是因為較小口徑的蜂窩孔結構更容易使油滴顆粒發(fā)生碰壁現(xiàn)象、更容易分離；同時在蜂窩孔同一口徑大小的情況下，蜂窩孔結構的分離效率也會隨著蜂窩孔結構長度的增加而增大，這是因為如果蜂窩孔結構長度太短，部分油滴顆粒還未來得及進行分離就已經(jīng)被氣流帶出蜂窩孔結構。

圖9 工況因素對蜂窩孔分離效率的影響

圖10 尺寸因素對蜂窩孔分離效率的影響

5 出口段滑油顆粒軌道方程

因出口段的油滴顆粒與在蜂窩孔結構中的受力相同，由此建立通風器出口段油滴顆粒的軌道方程，在確定初始速度時，為了計算的精度，對通風器進行CFD流場模擬，通過對出口段各點的速度進行檢測，最終輸出數(shù)據(jù)文件得到初始的速度值大小。油滴顆粒運動軌跡方程和所受到的加速度分別如下式所示。

圖11、圖12為通風器出口段直徑1 μm、10 μm、100 μm的顆粒運動軌跡圖，可以看到大直徑顆粒相對于小直徑顆粒更容易發(fā)生碰壁現(xiàn)象而被分離出去，因其原理與蜂窩孔結構相同，此處不做過多陳述。

圖11 x,z截面顆粒運動軌跡

圖12 x,y截面顆粒運動軌跡

6 結論

本文以質點運動學與兩相流為理論基礎對蜂窩式結構以及通風器出口段的油滴顆粒進行了受力分析，建立了油滴顆粒的運動軌跡方程、分離判斷準則，從而得到蜂窩式通風器整個葉輪段的分離效率的計算公式。通過對不同直徑大小顆粒在蜂窩式結構及通風器出口段中的運動軌跡進行計算，最終得到以下結論。

(1)油滴顆粒在通風器內部時，在徑向上同時受到離心力、科氏力、氣拽力的共同作用，其中離心力占據(jù)主導位置，氣拽力逐漸減小，而在軸向方向上油滴顆粒僅僅受到了氣拽力的作用。

(2)提高轉速、減小進口速度在同一轉速情況下有利于提高蜂窩式結構的分離效率。

(3)在結構上，增大蜂窩孔結構長度減小蜂窩孔口徑大小可提高分離效率。

基于上述結論，在對離心通風器進行蜂窩式結構設計時，可通過對工況及蜂窩式結構的尺寸調整來達到提高離心通風器的分離效率的目的，同時對出口進行了計算分析，為以后離心通風器出口段的改進提供了理論依據(jù)。