【摘要】：動(dòng)壓式油氣分離器是小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)中的重要部件,是一種利用離心力對(duì)油氣混合物進(jìn)行分離的裝置,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間緊湊、效率相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn),對(duì)其性能的研究是國(guó)內(nèi)外的前沿問(wèn)題之一。因分離器內(nèi)部為三維強(qiáng)旋湍流,伴隨著氣液兩相分離,涉及到氣泡的破碎、鋪展與聚合等復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程,對(duì)其流動(dòng)機(jī)理和性能分析的研究相當(dāng)困難,尚未從整體上提出描述分離器性能的數(shù)學(xué)模型。本文結(jié)合動(dòng)壓式油氣分離器的工作原理和工作條件,采用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)分離器性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。首先,設(shè)計(jì)并搭建了小型動(dòng)壓式油氣分離器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)形式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了系統(tǒng)研究,通過(guò)對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析,給出了最佳結(jié)構(gòu)組合形式;論文提出容積法測(cè)量分離效率,分析了筒體直徑、筒體長(zhǎng)度、入口傾斜角和出氣管長(zhǎng)度等因素對(duì)分離器性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:內(nèi)嵌式出氣管與切向出油管相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式可獲得較優(yōu)的分離性能;入口傾斜角、長(zhǎng)徑比、出氣管長(zhǎng)度和直徑均存在最佳取值,可使分離器性能最優(yōu)。其次,采用理論分析的方法建立了動(dòng)壓式油氣分離器內(nèi)的氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡模型,分析了流量、切向速度和筒體直徑對(duì)分離性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:進(jìn)口處滑油切向速度的增大有助于提高分離性能,但當(dāng)其增大到一定程度時(shí),分離性能提高速度減緩;當(dāng)平均軸向速度較小時(shí),流量增加對(duì)離心力的影響大于對(duì)氣泡停留時(shí)間的影響,分離效率隨滑油流量的增大而升高,但當(dāng)平均軸向速度較大時(shí),流量的影響則相反;在一定流量范圍內(nèi)確定了分離性能最優(yōu)時(shí)的筒體直徑。再次,利用數(shù)值模擬手段對(duì)動(dòng)壓式油氣分離器內(nèi)的兩相流場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)研究,分析了3種工況參數(shù)和6種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)壓式油氣分離器性能的影響。研究結(jié)果表明:分離器內(nèi)部存在多處局部二次流現(xiàn)象,滑油流量不影響分離器流場(chǎng)結(jié)構(gòu);造成分離器內(nèi)部壓力降低的主要因素為筒體內(nèi)部的摩擦損失、旋轉(zhuǎn)耗散和出氣管的突縮結(jié)構(gòu);隨著溫度的升高,分離器筒底循環(huán)流由單渦結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡p渦結(jié)構(gòu),分離性能增強(qiáng);隨著油氣比的增大,分離器筒底循環(huán)流由雙渦結(jié)構(gòu)逐漸裂變?yōu)槿郎u結(jié)構(gòu),內(nèi)部旋轉(zhuǎn)加強(qiáng),氣芯柱范圍減小,分離效率明顯改善;存在最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)使得分離器的性能最優(yōu)。最后,基于量綱分析原理建立了動(dòng)壓式油氣分離器的分離效率與阻力預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型,分析了多元非線性擬合誤差,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,研究表明本文建立的分離效率與阻力模型可在一定范圍內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)動(dòng)壓式油氣分離器的分離與阻力性能。
【圖文】：

研究背景液分離現(xiàn)象廣泛存在于各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[1-3]，從生物制藥[4]、石油開(kāi)采[5領(lǐng)域的許多關(guān)鍵部分[8]都涉及到氣液分離問(wèn)題。在航空航天領(lǐng)域，由于高轉(zhuǎn)速以及耐久性等方面的要求，航空發(fā)動(dòng)機(jī)成為最復(fù)雜精密的工業(yè)產(chǎn)品，國(guó)家具備獨(dú)立生產(chǎn)的能力。近年來(lái)，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，各國(guó)都在加大了投入。動(dòng)機(jī)高溫高壓高轉(zhuǎn)速的工作環(huán)境需要高性能的潤(rùn)滑系統(tǒng)來(lái)保證其安全平統(tǒng)計(jì)，上世紀(jì)末，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)故障引發(fā)的事故，占我國(guó)空中停車事故的發(fā)動(dòng)機(jī)事故的 28%。受到發(fā)動(dòng)機(jī)體積小、重量輕的整體要求，對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)要求越發(fā)嚴(yán)格。經(jīng)過(guò)多年的努力，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)研究方面已取得了很大僅限于對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的一般性理論描述或具體的故障分析，試驗(yàn)研究通常只統(tǒng)中某個(gè)部件進(jìn)行整體性能測(cè)試，缺少對(duì)換熱、摩擦和阻力原件等的機(jī)理立自己的部件設(shè)計(jì)模型。目前，潤(rùn)滑系統(tǒng)的研究是國(guó)內(nèi)外的前沿問(wèn)題之一

哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文滑系統(tǒng)內(nèi)外壓差的作用下，空氣會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)，在高速旋轉(zhuǎn)部件的作用下，滑油與空氣摻混，形成滑油乳化液，并由回油泵將其輸送至回油系統(tǒng)中；此外，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行，回油泵的設(shè)計(jì)容量往往大于供油量，其工作時(shí)也會(huì)將大量空氣輸送至回油系統(tǒng)因此，在回油系統(tǒng)中的流體為油氣兩相混合物，將增大管路阻力、降低燃滑油散熱器的性能，并影響摩擦對(duì)偶面的潤(rùn)滑條件。此外，若油氣兩相混合物直接進(jìn)入供油系統(tǒng)中將造成供油壓力和供油量的降低，從而嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全。因此，，在回油系統(tǒng)中需設(shè)置油氣分離裝置。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V232

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