離心通風(fēng)器的設(shè)計(jì)

1、目 錄一、離心通風(fēng)器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介-31、航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)通風(fēng)簡(jiǎn)介-32、航空發(fā)動(dòng)機(jī)通風(fēng)器的基本設(shè)計(jì)要求-33、離心通風(fēng)器的工作原理-3二、離心通風(fēng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算-41、轉(zhuǎn)子主要結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算-42、構(gòu)造轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)計(jì)算模型-53、計(jì)算實(shí)例-104、離心通風(fēng)器消耗功率計(jì)算-115、通風(fēng)器的分離能力試驗(yàn)計(jì)算-126、離心通風(fēng)器分離能力評(píng)價(jià)計(jì)算-127、 主參數(shù)的確定-13三、零件模型的建立-14四、設(shè)計(jì)總結(jié)-16五、參考文獻(xiàn)-16前 言我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)一直以仿制和改進(jìn)外國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)為主，雖然也曾經(jīng)自行研制過(guò)幾種發(fā)動(dòng)機(jī)，但都因種種原因中途夭折。由于實(shí)踐范圍不廣，技術(shù)水平也不高，與航空技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家相比

2、還有很大的差距。在二十一世紀(jì)初，我國(guó)自行設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)、試飛全過(guò)程的昆侖發(fā)動(dòng)機(jī)已達(dá)到航空技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的二十一世紀(jì)九十年代中期的水平，是目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的中等推力級(jí)的軍用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，我國(guó)自此也成為能夠真正獨(dú)立研制發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家之一。目前，世界上真正能夠獨(dú)立研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家只有中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)和英國(guó)。而美國(guó)的惠普發(fā)動(dòng)機(jī)公司、俄羅斯的米格集團(tuán)公司及英國(guó)羅-羅航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司等各大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司研制單位均有了自己專用航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)通風(fēng)器的CDA軟件，但這些軟件都作為公司的機(jī)密對(duì)外保密。國(guó)內(nèi)卻未見(jiàn)有人進(jìn)行對(duì)這方面的研究工作，以往所做的工作主要集中在仿制、該型和維護(hù)等方面。離心通風(fēng)器作為航空

3、發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)完整的獨(dú)立附件，其性能好壞影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。為此，我們應(yīng)當(dāng)突破國(guó)外對(duì)我們的限制，加大在這方面的投入，提升我國(guó)在此方面的能力，為我國(guó)科技的發(fā)展，為我國(guó)航空航天事業(yè)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。一、離心通風(fēng)器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)通風(fēng)簡(jiǎn)介航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸密封系統(tǒng)是靠一定的壓力進(jìn)行密封。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，密封空氣返回通過(guò)密封裝置進(jìn)入潤(rùn)滑油系統(tǒng)軸承腔，在軸承腔中空氣與潤(rùn)滑油參混在一起形成油霧，如果讓油霧直接排出軸承腔將要造成潤(rùn)滑油的大量消耗。為此，在軸承腔與外界的通氣路上設(shè)置了一通風(fēng)器，把空氣中潤(rùn)滑油分離出來(lái)，以減少潤(rùn)滑油的消耗量。發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油油腔是用密封裝置與空氣及燃料腔分離開(kāi)，由

4、于密封裝置的漏氣，潤(rùn)滑油的揮發(fā)，空氣被飛濺的潤(rùn)滑油及環(huán)境加熱，都可能提高潤(rùn)滑油的壓力為防止這一點(diǎn)，就需要通風(fēng)。設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)要考慮以下幾點(diǎn)：（1）保持腔壓低于密封增壓空氣壓力，特別注意過(guò)度態(tài)，以保持潤(rùn)滑油密封增壓空氣的流動(dòng)任何時(shí)候都不反向；（2）保持腔壓不低于潤(rùn)滑油泵最小進(jìn)口壓力；（3）為減少潤(rùn)滑油消耗，通風(fēng)流量要設(shè)計(jì)盡量小些并經(jīng)過(guò)離心通風(fēng)器至機(jī)外；（4）如果通風(fēng)口位于熱端油腔出口，在系統(tǒng)分析時(shí)候要考慮是否需要加著火消除器。 通風(fēng)的方法往往與密封裝置結(jié)構(gòu)和密封增壓系統(tǒng)有關(guān)，可由多種方法實(shí)現(xiàn)。2、航空發(fā)動(dòng)機(jī)通風(fēng)器的基本設(shè)計(jì)要求航空發(fā)動(dòng)機(jī)的附件有很多，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)其附件的設(shè)計(jì)提出了一些基本

5、要求，既工作可靠性要高（附件的壽命影響發(fā)動(dòng)機(jī)本身的壽命），附件的可靠性能延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，重量和外形尺寸要小。為此結(jié)構(gòu)要緊湊，采用輕合金、合成材料和塑料，以及高轉(zhuǎn)速。有結(jié)合連接處要密封（液壓附件的密封是其可靠性的保證），易于在發(fā)動(dòng)機(jī)上固定和與傳動(dòng)裝置連接，易于在發(fā)動(dòng)機(jī)上調(diào)整和進(jìn)行定期工作。離心通風(fēng)器作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)立的完善附件也必須滿足上述各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。3、離心通風(fēng)器的工作原理離心通風(fēng)器是利用離心力平衡原理進(jìn)行油氣中液相油珠分離的。在工作時(shí)候，空氣夾雜著潤(rùn)滑油小油珠進(jìn)入離心通風(fēng)器。由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)使得空氣與小油珠受到一個(gè)向外的徑向力，由于潤(rùn)滑油密度比空氣密度大，所以作用在

6、小油珠上的離心力比作用在空氣上的離心力大，這樣潤(rùn)滑油小油珠就被甩到殼體內(nèi)壁上，并在動(dòng)壓作用下通過(guò)壁上的小孔流回傳動(dòng)腔。分離后的空氣在壓差的作用下通過(guò)軸上的通氣路排除，實(shí)現(xiàn)了軸承腔與外界大氣的通風(fēng)。這樣不但有效地實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)主軸密封系統(tǒng)的封嚴(yán)，也確保了避免潤(rùn)滑油的大量流失。采用離心通風(fēng)器的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)有WP7、P29-300、10A等。二、離心通風(fēng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算本系統(tǒng)的離心通風(fēng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算主要是指轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)轉(zhuǎn)子主要結(jié)構(gòu)尺寸（葉片長(zhǎng)度、葉片外徑和流通部分直徑）的進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算研究。對(duì)于轉(zhuǎn)子其他結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)，一般按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)即可滿足使用要求。此外，離心通風(fēng)器作為一個(gè)獨(dú)立的附件，需要由專門的傳動(dòng)機(jī)

7、構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)時(shí)還需要計(jì)算其所消耗的傳動(dòng)功率。同時(shí)作為一個(gè)新產(chǎn)品，也需要進(jìn)行試驗(yàn)，在計(jì)算中的計(jì)算主要是計(jì)算分離效率，在此也一并給出。最后，給出離心通風(fēng)器的工作性能評(píng)價(jià)公式。為了滿足生產(chǎn)加工的需要作者給出了零件及裝配體的工程圖。1、轉(zhuǎn)子主要結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算油珠的運(yùn)動(dòng)分析進(jìn)入殼體內(nèi)腔的空氣實(shí)際上是空氣和潤(rùn)滑油的兩相混合物，既空氣中含有少量潤(rùn)滑油的霧狀混合物，由于殼體內(nèi)腔里的轉(zhuǎn)子以極高的轉(zhuǎn)速（11300r/min14600r/min）旋轉(zhuǎn)，在殼體內(nèi)腔中形成離心力場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子葉片的作用下，油氣混合物在殼體內(nèi)腔的運(yùn)動(dòng)變得十分復(fù)雜，給分析油珠的運(yùn)動(dòng)造成較大的困難，故作如下處理： 空氣油霧是由液態(tài)的油珠和空氣

8、兩部分組成，故油珠的密度大于空氣的密度； 由于油珠所占空間體積很小，認(rèn)為流入殼體內(nèi)腔的主要是空氣，油珠則是空氣中的球形“雜質(zhì)”，油珠雜質(zhì)隨空氣一起運(yùn)動(dòng)，故可忽略二者的速度差； 空氣油霧通過(guò)殼體和轉(zhuǎn)子時(shí)的流動(dòng)是連續(xù)且穩(wěn)定的； 油珠在運(yùn)動(dòng)中其質(zhì)量不變化，沒(méi)有任何損失； 空氣密度不發(fā)生改變，即空氣是不可壓縮的流體。根據(jù)上述假設(shè)，以油珠為研究對(duì)象，并且設(shè)定油珠處在臨界狀態(tài)，即通風(fēng)器所能分離出的油珠直徑為最小時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也是最壞情形，油珠在被分離前沒(méi)有接觸到葉片，或者只是在離開(kāi)葉片的瞬間接觸到葉片如圖3.1所示的M點(diǎn)。為方便分析、作圖，把M點(diǎn)移至O點(diǎn)進(jìn)行分析。油珠在殼體內(nèi)腔的運(yùn)動(dòng)屬于多重空間運(yùn)動(dòng)，一是

9、油珠隨空氣一起向前的軸向運(yùn)動(dòng)，一是在葉片作用下隨空氣一起旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及在離心力作用下產(chǎn)生的離心運(yùn)動(dòng)。因?yàn)殡x心力與逃逸力（空氣阻力與向心力的合力）相等，故油珠的離心運(yùn)動(dòng)屬動(dòng)平衡運(yùn)動(dòng)。由此可見(jiàn)油珠的運(yùn)動(dòng)速度有油珠的相對(duì)徑向速度，軸向運(yùn)動(dòng)速度，油珠的圓周方向的切向速度等。參見(jiàn)圖1。 圖1 油珠運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖2、構(gòu)造轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)計(jì)算模型由上述運(yùn)動(dòng)分析可知，“雜質(zhì)”油珠的受力情況為：在軸線方向上，油珠與空氣一起以相同的速度運(yùn)動(dòng)，故油珠在軸向無(wú)阻力；在旋轉(zhuǎn)半徑方向上，油珠雜質(zhì)受到離心力、空氣旋轉(zhuǎn)所施加的向心力以及空氣阻力；油珠所受的重力G。取離心力、向心力、空氣阻力和重力位于同一垂直平面的時(shí)刻進(jìn)行受力分析

10、，如圖2所示。圖2油珠受力分析簡(jiǎn)圖 1） 離心力 （1）式中： 油珠所受的離心力，N； 油珠的質(zhì)量；kg； 油珠的旋轉(zhuǎn)半徑，m3； 油珠的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s； 油珠直徑（可被分離出去的最小直徑），um； 潤(rùn)滑油密度，kg/m3 ； 油珠的角速度對(duì)轉(zhuǎn)子角速度的滯后系數(shù)； 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。 2） 向心力 （2）式中： 油珠所受的向心力，N； 與油珠同體積的空氣的質(zhì)量，kg； 空氣密度，kg/m3。 油珠能夠從空氣中飛離出去，就是離心力和向心力的合力的結(jié)果，在此把二者稱為逃逸力p，其方向?yàn)檠匦D(zhuǎn)半徑從圓心指向外，大小為 （3）式中： 潤(rùn)滑油密度與空氣密度差，。 3）空氣阻力 （4）

11、式中： 空氣阻力； 阻力系數(shù)，為雷諾數(shù)的函數(shù)。在斯托克斯區(qū)域內(nèi) = （5）油珠的雷諾數(shù)為 （6）故得到空氣阻力為 （7）式中： 油珠所受空氣阻力，N； 空氣的動(dòng)力粘度，kg/m.s； 油珠的相對(duì)徑向速度，m/s； 油珠的直徑，m。 4）重力可以證明重力相對(duì)于離心力很小，故在此計(jì)算中省略不計(jì)。油珠在運(yùn)動(dòng)中逃逸力與空氣阻力相等，即 （8）將式（3）、式（7）代入式（8）得 由此得直徑為的油珠在旋轉(zhuǎn)半徑為R處的瞬時(shí)相對(duì)速度為 （9）整理得 兩端積分 得 由此可得油珠被拋離到殼體內(nèi)腔上所需的最長(zhǎng)拋離時(shí)間 （10）式中： 轉(zhuǎn)子葉片外圓半徑，mm； 轉(zhuǎn)子流通部分的半徑，mm。 在工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際需要及

12、方便計(jì)算，常取流體的平均流速來(lái)進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為 （11） 如果已知有效截面上的流速分布及有效截面，或已知流量與有效截面，均可求得平均速度，但事實(shí)上流速分布很難確定，所以一般多采用由已知流量與有效截面來(lái)求平均流速，既取 （12）根據(jù)假設(shè) （13）故油珠通過(guò)殼體內(nèi)腔的最長(zhǎng)通過(guò)時(shí)間為 （14）式中： 油珠隨空氣流過(guò)殼體內(nèi)腔的速度，m/s； L轉(zhuǎn)子葉片的長(zhǎng)度，mm； Q單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)殼體內(nèi)腔的空氣流量，kg/s； A殼體的通道面積，m2； 因轉(zhuǎn)子葉片而減少殼體的通道面積的系數(shù)。欲使直徑為的油珠被拋離出去，只需油珠的拋離時(shí)間不大于其通過(guò)時(shí)間即可，即 將式（10）、式（14）代入得 整理得油珠被分離

13、出去時(shí)，轉(zhuǎn)子的葉片有效長(zhǎng)度應(yīng)滿足的關(guān)系式。 （15）又有經(jīng)驗(yàn)公式 （16） （17）式中 k長(zhǎng)徑比例系數(shù)； 直徑比例系數(shù)； 轉(zhuǎn)子葉片外圓直徑， mm； 轉(zhuǎn)子流通部分直徑，mm。把式（16）、式（17）代入式（15）得 （18）在實(shí)際計(jì)算中可取 （19）綜上，在給定離心通風(fēng)器的空氣流量、空氣密度及黏度、潤(rùn)滑油的密度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的情況下，若能確定轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)徑比例系數(shù)及直徑比例系數(shù)、油珠直徑、角速度滯后系數(shù)及流通面積減少系數(shù)，就可由式（19）、式（16）、式（17）計(jì)算出轉(zhuǎn)子的有效長(zhǎng)度，轉(zhuǎn)子葉片外圓直徑及轉(zhuǎn)子流通部分的直徑等主要結(jié)構(gòu)尺寸（如圖3所示）。據(jù)此可設(shè)計(jì)的離心通風(fēng)器能夠把所有直徑小于的油珠分離出

14、來(lái)。圖3 離心通風(fēng)器轉(zhuǎn)子主要結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)圖3、計(jì)算實(shí)例設(shè)取小油珠直徑=1.2694m，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速Q(mào)=0.0495kg/s，空氣動(dòng)力黏度kg/m.s，潤(rùn)滑密度，空氣密度，長(zhǎng)徑比例系數(shù)k=1.18,直徑比例系數(shù)=0.34，角速度滯后系數(shù)=1，流通面積減少系數(shù)=0.9。把上述數(shù)據(jù)代入公式（19）得 代入式（16）、式（17）得到轉(zhuǎn)子的外徑和流通部分直徑分別為 圖4轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)對(duì)話框4、離心通風(fēng)器消耗功率計(jì)算 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)功率由轉(zhuǎn)子所消耗的功率、轉(zhuǎn)子對(duì)油霧旋轉(zhuǎn)所消耗的功率及支承軸承的摩擦功率損耗三部分組成，即 （20）式中 轉(zhuǎn)子所消耗的總功率，W； 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所消耗的功率，W； 轉(zhuǎn)子對(duì)油霧旋轉(zhuǎn)所消耗的功率，

15、W； 支承軸承的摩擦損耗功率，W。下面分別給出這三個(gè)公式的計(jì)算方法。1） 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所消耗的功率 帶動(dòng)轉(zhuǎn)子所需功率是在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或加速過(guò)程中，在一定加速時(shí)間內(nèi)所需的帶動(dòng)轉(zhuǎn)子加速的功率。 （21）式中 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2； 轉(zhuǎn)子的初始角速度，rad/s； 轉(zhuǎn)子的最終角速度，rad/s； 加速時(shí)間，S。2）轉(zhuǎn)子對(duì)油霧旋轉(zhuǎn)所消耗的功率 （22）式中 折算成標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)下的空氣泄露量，m3/s； 轉(zhuǎn)子外半徑，m； 轉(zhuǎn)子角速度，rad/s； 空氣密度，kg/m3； 壓頭系數(shù)。3） 支承軸承的摩擦功率損耗 （23）式中 F軸承上的徑向載荷，N； d軸承內(nèi)徑，m； n轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min； f軸承內(nèi)滾動(dòng)

16、體與跑道的摩擦系數(shù)。功率計(jì)算程序界面如圖5圖5功率計(jì)算對(duì)話框5、通風(fēng)器的分離能力試驗(yàn)計(jì)算通風(fēng)器的分離能力試驗(yàn)是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出轉(zhuǎn)子或葉輪的切線速度、空氣流量等對(duì)潤(rùn)滑油質(zhì)點(diǎn)分離量及分離效率的影響，測(cè)出通風(fēng)器可分離的最小油珠的臨界直徑，從而得到通風(fēng)器的分離性能隨切線速度和氣體流量的變化關(guān)系曲線。通風(fēng)器的分離能力用分離率表示，其計(jì)算公式如下： （24）式中 Q潤(rùn)滑油的分離量，L/min； q潤(rùn)滑油的未被分離量，L/min。 試驗(yàn)時(shí)，測(cè)出通風(fēng)器在不同轉(zhuǎn)速或不同空氣流量下的分離前后的潤(rùn)滑油量，代入上式即可得到通風(fēng)器的分離效率。6、離心通風(fēng)器分離能力評(píng)價(jià)計(jì)算評(píng)價(jià)離心通風(fēng)器的分離能力，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)評(píng)價(jià)其可分離最小

17、油珠直徑來(lái)說(shuō)明。實(shí)際計(jì)算時(shí)把理論計(jì)算的臨界油珠直徑乘以一個(gè)修正系數(shù)得到油珠實(shí)際臨界直徑，既 （25）式中 f修正系數(shù)。由式3.15得 （26）代入式3.26得 （27）分離能力計(jì)算界面對(duì)話框如圖6圖6分離能力計(jì)算對(duì)話框7、 主參數(shù)的確定實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵在于提取主參數(shù)和尺寸關(guān)聯(lián)的完成，主參數(shù)應(yīng)根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行提取，以滿足用戶需求為本。轉(zhuǎn)子是一帶有葉片的葉輪，葉片數(shù)目影響油珠的旋轉(zhuǎn)角速度，葉片數(shù)目越多，油珠的角速度越接近葉片的角速度。中心是支撐轉(zhuǎn)子的中心軸，軸上開(kāi)有通氣孔，被分離后的空氣從中心孔排出，實(shí)現(xiàn)軸承腔與外界大氣的通風(fēng)。通氣孔的數(shù)目與葉片數(shù)相同。綜合確定離心通風(fēng)器的主參

18、數(shù)為：轉(zhuǎn)子葉片的外圓半徑、葉片長(zhǎng)度、葉片數(shù)目，流通部分的直徑。把結(jié)構(gòu)尺寸中的除了主參數(shù)的尺寸盡可能的用主參數(shù)加以驅(qū)動(dòng)，形成牽連參數(shù)。下面是確定參數(shù)關(guān)系的一段表達(dá)式列表。p85=葉片數(shù)d18=外徑d65=葉片長(zhǎng)度d170=流通直徑d82=360/p85p123=p85d120=d82d31=d82/2p34=2*p85d36=d31p39=p34d151=d65+23.1-15.9728d6=d151-69.4d166=(d170/2)+2.5三、零件模型的建立轉(zhuǎn)子模型如圖7所示，在離心通風(fēng)器中轉(zhuǎn)子是核心組成零件，其設(shè)計(jì)是否合理直接影響通風(fēng)器的性能，設(shè)計(jì)能否成功，因此轉(zhuǎn)子的建模就顯得十分重要。在Pro/E環(huán)境用人機(jī)交互方式建立三維模型樣板。模型樣板的創(chuàng)建方法與一般三維模型相同，但必須注意以下幾點(diǎn)：l 在對(duì)三維模型樣板進(jìn)行特征造型時(shí)，對(duì)二維截面輪廓，利用尺寸標(biāo)注和施加相切、固定點(diǎn)、共線、垂直及對(duì)稱等關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何圖形的全約束。l 正確設(shè)置控制三維模型的設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)參數(shù)可以分為兩種情況：一是與他參數(shù)無(wú)關(guān)的獨(dú)立參數(shù)；另一種是與其他參數(shù)相關(guān)的非獨(dú)立參數(shù)。前者主要用來(lái)控制三維模型的幾何尺寸和