航空发动机涡轮前支承轴承腔油气两相物理场分析
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流动 问题 。上 述 研 究 大 多 是 基于 简 化 结 构 和工 况参 数 开展 的工 作 ， 包 括 简 化结 构 轴 承 腔 的试 验 多
以支持相关理论分析为 目的， 故 而与航空发动机轴
承腔 实 际结构 和 工 况有 较 大差 异 ， 尚难 以为 工 程设
发动机的工作性能、 效率和可靠性 。随着高推重 比 航空发动机研制 的需要 ， 提升涡轮前支承轴承腔润
作 者简介 ： 孙恒超 （ １ ９ ８ ７ 一） ， 西北工业大学博 士研究 生 ， 主要从事 航空发动机润滑系统设计研究 。
西
北
工
业
大
学
学
报
第３ １ 卷
１ 涡轮前支承轴承腔 的结构及油气 物 性参数
某 型涡扇 发 动机 涡轮前 支承 轴 承腔 的基本 结构 如图 ｌ 所示 ， 结 构参 数 见 表 １ 。润 滑 油 通 过 环 下 对 轴 承进 行润 滑 ， 其后 以油 滴 形 式 由轴 承 保 持 架 甩进 轴 承腔 ， 密 封空气 由端 面 密封 流入轴 承腔 ， 油气 介质
２ ０ １ ３年 ２月 第３ １卷第 １ 期
西 北 工 业 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ ｅ ｎ ｒ Ｐｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ３
航空发动机涡轮前支承轴承腔是保证高压轴支 点轴承可靠工作 的重要部件 ， 因其处在发动机热 区， 不仅本身的润滑与换热设计十分重要 ， 亦为二次流 系统和润滑系统设计的关注重点， 设 计效能直接影
响到二 次流 系统 和 润 滑 系 统 的性 能 ， 并 继 而影 响到
为系统地分析 了油滴运动 和沉积 、 壁面油膜分布及
Ｖｏ １ ． ３ １ Ｎｏ ． １
航 空发 动机 涡 轮 前 支 承 轴 承 腔 油气 两 相 物 理 场 分 析
孙恒超，陈国定，陈 薄
（ 西北工业 大学 机电学院 ，陕西 西 安 ７ １ ０ ０ ７ ２ ）
摘 要 ： 处在航 空发动机 热 区的涡轮 前 支承 轴承腔 的 油气 两相物 理 场分析 是进 行二 次流及 润滑 系统
在 腔 内形 成 油 气 两 相 流 动 状 态 。 润 滑 油 的牌 号 为
＋ｖ ７ ・（
（ ｐ
） ：一ｙ ｖ ｐ ＋
（７ Ｕ ＋（Ｖ Ｕ ） ） ）＋ 舶 ＋＾ （ ２ ）
警 ＋ Ｖ
Ｖ・ （ （ Ｖ ＋（ Ｖ Ｕ ） 一 ÷７ Ｕ ） ）
设计的重要基础工作。文章结合某型发动机涡轮前轴承腔的结构和 工况参数 ， 构建了适用于发动机 全运行状 态下的轴承腔 油 气两相 物理场 理论 计算 模 型 ， 求 解获得 了轴承腔 内油 气两相介 质 流动 的物 理场。探讨 了轴承腔 内油气两相流动的速度、 压力、 温度及壁面油膜厚度在腔 内不同位置的分布情 况； 分析 了 发动机运行状 态对上述物理场的影响规律 ； 与试验数据的比较支持 了文 中理论分析方法的 正确性 。提 出的轴承腔 油 气两相 物理场 分析 方 法对 于航 空发动机 主轴 支承轴承 腔 的润滑 与换热 设计
型， 获得并探讨了轴承腔油气两相物理场分布及其
发 动机 运行状 态 的影 响 ， 并 与 相关 文 献 的试 验 数 据
进行 了比较。本文针对涡轮前支承轴承腔开展的油
气两 相 物理 场分 析 ， 不 仅 在 理 论 上 能够 支 持 这 一 轴
特征 、 运动轨迹及速度进行了研究 ， 探讨 了油滴与油 膜的相互作用及壁面油膜流动状态 ｊ 。Ｃ ｈ ｅ ｎ等较
状态 下 涡 轮前 支 承 轴 承 腔 油 气 两 相 物 理 场 分 析模
膜厚度和温度 ， 据此计算了油膜／ 壁面换热系数 ， 探 讨 了轴承腔结构 和工况参数对 换热 系数 的影响规 律【 １ － ３ ］ 。Ｇ ｏ ｒ ｓ ｅ 等利用 Ｗｉ ｔ ｔ ｉ ｇ的试验数 据 ， 结合角动
量 方程 给 出 了油膜厚 度 和壁 面剪 切力 的周 向分 布规 律＿ ４ Ｊ 。Ｇ ｌ ａ ｈ ｎ和 Ｆ ａ ｒ ｒ ａ ｌ ｌ 等 对 自轴 承滑 油 油 滴 的几 何
滑 与换 热设 计技 术水 平 的迫切 性 十分 明显 。
计提供准确的理论指导。这一研究现状表明， 开展 基于航空发动机实际结构及工况条件下的轴承腔油
气两 相 流动研 究 ， 无论 是应 对工 程设 计 的实 际需要 ，
密封气体与润滑油共存于轴承腔中形成了复杂 的油气两相流动状态 ， 使得轴承腔润滑与换热设计
具有应 用价值 。
关 键 词： 航 空发 动机 ， 轴 承腔 ， 两相流 ， 物理 场 ， 对流 换 热 ， 油膜厚 度 文 献标识 码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ０ － ２ ７ ５ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ ０ ７ １ ０６ －
中图分 类 号 ： Ｖ ２ ３ ３ ． ４
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ － ０ ４ ． １ ９
承腔 的润滑与换热设计工作 ， 而且提 出的分析方法 亦可应用于其它航空发动机主轴支承轴承腔的润滑 与换热分析。
基金项 目： 国家 自然科学基金 （ ５ ０ ９ ７ ５ ２ ３ ３ 、 ５ １ ２ ７ ５ ４ １ １ ） 和西北
工业 大学研 究生创业种子基金 （ Ｚ ２ ０ １ ２ ０ ５ １ ） 资助
十 分依 赖 于对 腔 中油 气 两相 流动 物理本 质 的认 识与
还是 推进 轴 承腔 油 气两 相 流动 学 术研 究 都 很有
必要 。
掌握 ， 因而有不少学者在这一领域开展 了相关研究
工 作 。Ｗｉ ｔ ｔ ｉ ｇ等通 过轴 承 腔 试 验装 置 测 量 了腔壁 油
本文根据某型涡扇发动机涡轮前支承轴承腔的 实际结构和工况参数 ， 建立 了适用 于发动机全运行
以支持相关理论分析为 目的， 故 而与航空发动机轴
承腔 实 际结构 和 工 况有 较 大差 异 ， 尚难 以为 工 程设
发动机的工作性能、 效率和可靠性 。随着高推重 比 航空发动机研制 的需要 ， 提升涡轮前支承轴承腔润
作 者简介 ： 孙恒超 （ １ ９ ８ ７ 一） ， 西北工业大学博 士研究 生 ， 主要从事 航空发动机润滑系统设计研究 。
西
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第３ １ 卷
１ 涡轮前支承轴承腔 的结构及油气 物 性参数
某 型涡扇 发 动机 涡轮前 支承 轴 承腔 的基本 结构 如图 ｌ 所示 ， 结 构参 数 见 表 １ 。润 滑 油 通 过 环 下 对 轴 承进 行润 滑 ， 其后 以油 滴 形 式 由轴 承 保 持 架 甩进 轴 承腔 ， 密 封空气 由端 面 密封 流入轴 承腔 ， 油气 介质
２ ０ １ ３年 ２月 第３ １卷第 １ 期
西 北 工 业 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ ｅ ｎ ｒ Ｐｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ３
航空发动机涡轮前支承轴承腔是保证高压轴支 点轴承可靠工作 的重要部件 ， 因其处在发动机热 区， 不仅本身的润滑与换热设计十分重要 ， 亦为二次流 系统和润滑系统设计的关注重点， 设 计效能直接影
响到二 次流 系统 和 润 滑 系 统 的性 能 ， 并 继 而影 响到
为系统地分析 了油滴运动 和沉积 、 壁面油膜分布及
Ｖｏ １ ． ３ １ Ｎｏ ． １
航 空发 动机 涡 轮 前 支 承 轴 承 腔 油气 两 相 物 理 场 分 析
孙恒超，陈国定，陈 薄
（ 西北工业 大学 机电学院 ，陕西 西 安 ７ １ ０ ０ ７ ２ ）
摘 要 ： 处在航 空发动机 热 区的涡轮 前 支承 轴承腔 的 油气 两相物 理 场分析 是进 行二 次流及 润滑 系统
在 腔 内形 成 油 气 两 相 流 动 状 态 。 润 滑 油 的牌 号 为
＋ｖ ７ ・（
（ ｐ
） ：一ｙ ｖ ｐ ＋
（７ Ｕ ＋（Ｖ Ｕ ） ） ）＋ 舶 ＋＾ （ ２ ）
警 ＋ Ｖ
Ｖ・ （ （ Ｖ ＋（ Ｖ Ｕ ） 一 ÷７ Ｕ ） ）
设计的重要基础工作。文章结合某型发动机涡轮前轴承腔的结构和 工况参数 ， 构建了适用于发动机 全运行状 态下的轴承腔 油 气两相 物理场 理论 计算 模 型 ， 求 解获得 了轴承腔 内油 气两相介 质 流动 的物 理场。探讨 了轴承腔 内油气两相流动的速度、 压力、 温度及壁面油膜厚度在腔 内不同位置的分布情 况； 分析 了 发动机运行状 态对上述物理场的影响规律 ； 与试验数据的比较支持 了文 中理论分析方法的 正确性 。提 出的轴承腔 油 气两相 物理场 分析 方 法对 于航 空发动机 主轴 支承轴承 腔 的润滑 与换热 设计
型， 获得并探讨了轴承腔油气两相物理场分布及其
发 动机 运行状 态 的影 响 ， 并 与 相关 文 献 的试 验 数 据
进行 了比较。本文针对涡轮前支承轴承腔开展的油
气两 相 物理 场分 析 ， 不 仅 在 理 论 上 能够 支 持 这 一 轴
特征 、 运动轨迹及速度进行了研究 ， 探讨 了油滴与油 膜的相互作用及壁面油膜流动状态 ｊ 。Ｃ ｈ ｅ ｎ等较
状态 下 涡 轮前 支 承 轴 承 腔 油 气 两 相 物 理 场 分 析模
膜厚度和温度 ， 据此计算了油膜／ 壁面换热系数 ， 探 讨 了轴承腔结构 和工况参数对 换热 系数 的影响规 律【 １ － ３ ］ 。Ｇ ｏ ｒ ｓ ｅ 等利用 Ｗｉ ｔ ｔ ｉ ｇ的试验数 据 ， 结合角动
量 方程 给 出 了油膜厚 度 和壁 面剪 切力 的周 向分 布规 律＿ ４ Ｊ 。Ｇ ｌ ａ ｈ ｎ和 Ｆ ａ ｒ ｒ ａ ｌ ｌ 等 对 自轴 承滑 油 油 滴 的几 何
滑 与换 热设 计技 术水 平 的迫切 性 十分 明显 。
计提供准确的理论指导。这一研究现状表明， 开展 基于航空发动机实际结构及工况条件下的轴承腔油
气两 相 流动研 究 ， 无论 是应 对工 程设 计 的实 际需要 ，
密封气体与润滑油共存于轴承腔中形成了复杂 的油气两相流动状态 ， 使得轴承腔润滑与换热设计
具有应 用价值 。
关 键 词： 航 空发 动机 ， 轴 承腔 ， 两相流 ， 物理 场 ， 对流 换 热 ， 油膜厚 度 文 献标识 码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ０ － ２ ７ ５ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ ０ ７ １ ０６ －
中图分 类 号 ： Ｖ ２ ３ ３ ． ４
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ － ０ ４ ． １ ９
承腔 的润滑与换热设计工作 ， 而且提 出的分析方法 亦可应用于其它航空发动机主轴支承轴承腔的润滑 与换热分析。
基金项 目： 国家 自然科学基金 （ ５ ０ ９ ７ ５ ２ ３ ３ 、 ５ １ ２ ７ ５ ４ １ １ ） 和西北
工业 大学研 究生创业种子基金 （ Ｚ ２ ０ １ ２ ０ ５ １ ） 资助
十 分依 赖 于对 腔 中油 气 两相 流动 物理本 质 的认 识与
还是 推进 轴 承腔 油 气两 相 流动 学 术研 究 都 很有
必要 。
掌握 ， 因而有不少学者在这一领域开展 了相关研究
工 作 。Ｗｉ ｔ ｔ ｉ ｇ等通 过轴 承 腔 试 验装 置 测 量 了腔壁 油
本文根据某型涡扇发动机涡轮前支承轴承腔的 实际结构和工况参数 ， 建立 了适用 于发动机全运行