机械课程设计（论文）-离心通风器的设计.doc

沈阳理工大学课程设计目 录一、离心通风器的设计简介-31、航空发动机润滑油系统通风简介-32、航空发动机通风器的基本设计要求-33、离心通风器的工作原理-3二、离心通风器的设计计算-41、转子主要结构尺寸计算-42、构造转子的设计计算模型-53、计算实例-104、离心通风器消耗功率计算-115、通风器的分离能力试验计算-126、离心通风器分离能力评价计算-127、 主参数的确定-13三、零件模型的建立-14四、设计总结-16五、参考文献-16前 言我国的航空发动机行业一直以仿制和改进外国的发动机为主，虽然也曾经自行研制过几种发动机，但都因种种原因中途夭折。由于实践范围不广，技术水平也不高，与航空技术先进的国家相比还有很大的差距。在二十一世纪初，我国自行设计、试制、试验、试飞全过程的昆仑发动机已达到航空技术先进国家的二十一世纪九十年代中期的水平，是目前国内最先进的中等推力级的军用涡喷发动机，我国自此也成为能够真正独立研制发动机的国家之一。目前，世界上真正能够独立研制航空发动机的国家只有中国、美国、俄罗斯、法国和英国。而美国的惠普发动机公司、俄罗斯的米格集团公司及英国罗-罗航空发动机公司等各大航空发动机公司研制单位均有了自己专用航空发动机润滑油系统通风器的CDA软件，但这些软件都作为公司的机密对外保密。国内却未见有人进行对这方面的研究工作，以往所做的工作主要集中在仿制、该型和维护等方面。离心通风器作为航空发动机的一个完整的独立附件，其性能好坏影响着发动机的正常工作。为此，我们应当突破国外对我们的限制，加大在这方面的投入，提升我国在此方面的能力，为我国科技的发展，为我国航空航天事业的进步做出贡献。一、离心通风器的设计简介1、航空发动机润滑油系统通风简介航空发动机的主轴密封系统是靠一定的压力进行密封。在发动机工作过程中，密封空气返回通过密封装置进入润滑油系统轴承腔，在轴承腔中空气与润滑油参混在一起形成油雾，如果让油雾直接排出轴承腔将要造成润滑油的大量消耗。为此，在轴承腔与外界的通气路上设置了一通风器，把空气中润滑油分离出来，以减少润滑油的消耗量。发动机润滑油油腔是用密封装置与空气及燃料腔分离开，由于密封装置的漏气，润滑油的挥发，空气被飞溅的润滑油及环境加热，都可能提高润滑油的压力为防止这一点，就需要通风。设计通风系统时要考虑以下几点：（1）保持腔压低于密封增压空气压力，特别注意过度态，以保持润滑油密封增压空气的流动任何时候都不反向；（2）保持腔压不低于润滑油泵最小进口压力；（3）为减少润滑油消耗，通风流量要设计尽量小些并经过离心通风器至机外；（4）如果通风口位于热端油腔出口，在系统分析时候要考虑是否需要加着火消除器。 通风的方法往往与密封装置结构和密封增压系统有关，可由多种方法实现。2、航空发动机通风器的基本设计要求航空发动机的附件有很多，在进行发动机设计中对其附件的设计提出了一些基本要求，既工作可靠性要高（附件的寿命影响发动机本身的寿命），附件的可靠性能延长发动机的使用寿命，重量和外形尺寸要小。为此结构要紧凑，采用轻合金、合成材料和塑料，以及高转速。有结合连接处要密封（液压附件的密封是其可靠性的保证），易于在发动机上固定和与传动装置连接，易于在发动机上调整和进行定期工作。离心通风器作为航空发动机润滑油系统的一个独立的完善附件也必须满足上述各项设计要求。3、离心通风器的工作原理离心通风器是利用离心力平衡原理进行油气中液相油珠分离的。在工作时候，空气夹杂着润滑油小油珠进入离心通风器。由于转子的高速旋转使得空气与小油珠受到一个向外的径向力，由于润滑油密度比空气密度大，所以作用在小油珠上的离心力比作用在空气上的离心力大，这样润滑油小油珠就被甩到壳体内壁上，并在动压作用下通过壁上的小孔流回传动腔。分离后的空气在压差的作用下通过轴上的通气路排除，实现了轴承腔与外界大气的通风。这样不但有效地实现了发动机主轴密封系统的封严，也确保了避免润滑油的大量流失。采用离心通风器的发动机型号有WP7、P29-300、10A等。二、离心通风器的设计计算本系统的离心通风器的设计计算主要是指转子的设计计算。对转子主要结构尺寸（叶片长度、叶片外径和流通部分直径）的进行了设计计算研究。对于转子其他结构尺寸的设计，一般按经验设计即可满足使用要求。此外，离心通风器作为一个独立的附件，需要由专门的传动机构来驱动，因此设计时还需要计算其所消耗的传动功率。同时作为一个新产品，也需要进行试验，在计算中的计算主要是计算分离效率，在此也一并给出。最后，给出离心通风器的工作性能评价公式。为了满足生产加工的需要作者给出了零件及装配体的工程图。1、转子主要结构尺寸计算油珠的运动分析进入壳体内腔的空气实际上是空气和润滑油的两相混合物，既空气中含有少量润滑油的雾状混合物，由于壳体内腔里的转子以极高的转速（11300r/min14600r/min）旋转，在壳体内腔中形成离心力场，在转子叶片的作用下，油气混合物在壳体内腔的运动变得十分复杂，给分析油珠的运动造成较大的困难，故作如下处理： 空气油雾是由液态的油珠和空气两部分组成，故油珠的密度大于空气的密度； 由于油珠所占空间体积很小，认为流入壳体内腔的主要是空气，油珠则是空气中的球形“杂质”，油珠杂质随空气一起运动，故可忽略二者的速度差； 空气油雾通过壳体和转子时的流动是连续且稳定的； 油珠在运动中其质量不变化，没有任何损失； 空气密度不发生改变，即空气是不可压缩的流体。根据上述假设，以油珠为研究对象，并且设定油珠处在临界状态，即通风器所能分离出的油珠直径为最小时的运动状态，也是最坏情形，油珠在被分离前没有接触到叶片，或者只是在离开叶片的瞬间接触到叶片如图3.1所示的M点。为方便分析、作图，把M点移至O点进行分析。油珠在壳体内腔的运动属于多重空间运动，一是油珠随空气一起向前的轴向运动，一是在叶片作用下随空气一起旋转的旋转运动以及在离心力作用下产生的离心运动。因为离心力与逃逸力（空气阻力与向心力的合力）相等，故油珠的离心运动属动平衡运动。由此可见油珠的运动速度有油珠的相对径向速度，轴向运动速度，油珠的圆周方向的切向速度等。参见图1。 图1 油珠运动分析简图2、构造转子的设计计算模型由上述运动分析可知，“杂质”油珠的受力情况为：在轴线方向上，油珠与空气一起以相同的速度运动，故油珠在轴向无阻力；在旋转半径方向上，油珠杂质受到离心力、空气旋转所施加的向心力以及空气阻力；油珠所受的重力G。取离心力、向心力、空气阻力和重力位于同一垂直平面的时刻进行受力分析，如图2所示。图2油珠受力分析简图 1） 离心力 （1）式中： 油珠所受的离心力，N； 油珠的质量；kg； 油珠的旋转半径，m3； 油珠的旋转角速度，rad/s； 油珠直径（可被分离出去的最小直径），um； 润滑油密度，kg/m3 ； 油珠的角速度对转子角速度的滞后系数； 转子的旋转角速度，rad/s。 2） 向心力 （2）式中： 油珠所受的向心力，N； 与油珠同体积的空气的质量，kg； 空气密度，kg/m3。 油珠能够从空气中飞离出去，就是离心力和向心力的合力的结果，在此把二者称为逃逸力p，其方向为沿旋转半径从圆心指向外，大小为 （3）式中： 润滑油密度与空气密度差，。 3）空气阻力 （4）式中： 空气阻力； 阻力系数，为雷诺数的函数。在斯托克斯区域内 = （5）油珠的雷诺数为 （6）故得到空气阻力为 （7）式中： 油珠所受空气阻力，N； 空气的动力粘度，kg/m.s； 油珠的相对径向速度，m/s； 油珠的直径，m。 4）重力可以证明重力相对于离心力很小，故在此计算中省略不计。油珠在运动中逃逸力与空气阻力相等，即 （8）将式（3）、式（7）代入式（8）得 由此得直径为的油珠在旋转半径为R处的瞬时相对速度为 （9）整理得 两端积分 得 由此可得油珠被抛离到壳体内腔上所需的最长抛离时间 （10）式中： 转子叶片外圆半径，mm； 转子流通部分的半径，mm。 在工程设计中，根据实际需要及方便计算，常取流体的平均流速来进行计算，其计算公式为 （11） 如果已知有效截面上的流速分布及有效截面，或已知流量与有效截面，均可求得平均速度，但事实上流速分布很难确定，所以一般多采用由已知流量与有效截面来求平均流速，既取 （12）根据假设 （13）故油珠通过壳体内腔的最长通过时间为 （14）式中： 油珠随空气流过壳体内腔的速度，m/s； L转子叶片的长度，mm； Q单位时间内通过壳体内腔的空气流量，kg/s； A壳体的通道面积，m2； 因转子叶片而减少壳体的通道面积的系数。欲使直径为的油珠被抛离出去，只需油珠的抛离时间不大于其通过时间即可，即 将式（10）、式（14）代入得 整理得油珠被分离出去时，转子的叶片有效长度应满足的关系式。 （15）又有经验公式 （16） （17）式中 k长径比例系数； 直径比例系数； 转子叶片外圆直径， mm； 转子流通部分直径，mm。把式（16）、式（17）代入式（15）得 （18）在实际计算中可取 （19）综上，在给定离心通风器的空气流量、空气密度及黏度、润滑油的密度、转子转速的情况下，若能确定转子的长径比例系数及直径比例系数、油珠直径、角速度滞后系数及流通面积减少系数，就可由式（19）、式（16）、式（17）计算出转子的有效长度，转子叶片外圆直径及转子流通部分的直径等主要结构尺寸（如图3所示）。据此可设计的离心通风器能够把所有直径小于的油珠分离出来。图3 离心通风器转子主要结构尺寸简图3、计算实例设取小油珠直径=1.2694m，转子转速Q=0.0495kg/s，空气动力黏度kg/m.s，润滑密度，空气密度，长径比例系数k=1.18,直径比例系数=0.34，角速度滞后系数=1，流通面积减少系数=0.9。把上述数据代入公式（19）得 代入式（16）、式（17）得到转子的外径和流通部分直径分别为 图4转子设计对话框4、离心通风器消耗功率计算 转子转动所需驱动功率由转子所消耗的功率、转子对油雾旋转所消耗的功率及支承轴承的摩擦功率损耗三部分组成，即 （20）式中 转子所消耗的总功率，W； 转子转动所消耗的功率，W； 转子对油雾旋转所消耗的功率，W； 支承轴承的摩擦损耗功率，W。下面分别给出这三个公式的计算方法。1） 转子转动所消耗的功率 带动转子所需功率是在发动机启动或加速过程中，在一定加速时间内所需的带动转子加速的功率。 （21）式中 转子转动惯量，kgm2； 转子的初始角速度，rad/s； 转子的最终角速度，rad/s； 加速时间，S。2）转子对油雾旋转所消耗的功率 （22）式中 折算成标准大气压状态下的空气泄露量，m3/s； 转子外半径，m； 转子角速度，rad/s； 空气密度，kg/m3； 压头系数。3） 支承轴承的摩擦功率损耗 （23）式中 F轴承上的径向载荷，N； d轴承内径，m； n转子转速，r/min； f轴承内滚动体与跑道的摩擦系数。功率计算程序界面如图5图5功率计算对话框5、通风器的分离能力试验计算通风器的分离能力试验是通过试验测出转子或叶轮的切线速度、空气流量等对润滑油质点分离量及分离效率的影响，测出通风器可分离的最小油珠的临界直径，从而得到通风器的分离性能随切线速度和气体流量的变化关系曲线。通风器的分离能力用分离率表示，其计算公式如下： （24）式中 Q润滑油的分离量，L/min； q润滑油的未被分离量，L/min。 试验时，测出通风器在不同转速或不同空气流量下的分离前后的润滑油量，代入上式即可得到通风器的分离效率。6、离心通风器分离能力评价计算评价离心通风器的分离能力，设计时通过评价其可分离最小油珠直径来说明。实际计算时把理论计算的临界油珠直径乘以一个修正系数得到油珠实际临界直径，既 （25）式中 f修正系数。由式3.15得 （26）代入式3.26得 （27）分离能力计算界面对话框如图6图6分离能力计算对话框7、 主参数的确定实现零件的参数化尺寸驱动的关键在于提取主参数和尺寸关联的完成，主参数应根据零件的结构功能进行提取，以满足用户需求为本。转子是一带有叶片的叶轮，叶片数目影响油珠的旋转角速度，叶片数目越多，油珠的角速度越接近叶片的角速度。中心是支撑转子的中心轴，轴上开有通气孔，被分离后的空气从中心孔排出，实现轴承腔与外界大气的通风。通气孔的数目与叶片数相同。综合确定离心通风器的主参数为：转子叶片的外圆半径、叶片长度、叶片数目，流通部分的直径。把结构尺寸中的除了主参数的尺寸尽可能的用主参数加以驱动，形成牵连参数。下面是确定参数关系的一段表达式列表。p85=叶片数d18=外径d65=叶片长度d170=流通直径d82=360/p85p123=p85d120=d82d31=d82/2p34=2*p85d36=d31p39=p34d151=d65+23.1-15.9728d6=d151-69.4d166=(d170/2)+2.5三、零件模型的建立转子模型如图7所示，在离心通风器中转子是核心组成零件，其设计是否合理直接影响通风器的性能，设计能否成功，因此转子的建模就显得十分重要。在Pro/E环境用人机交互方式建立三维模型样板。模型样板的创建方法与一般三维模型相同，但必须注意以下几点：l 在对三维模型样板进行特征造型时，对二维截面轮廓，利用尺寸标注和施加相切、固定点、共线、垂直及对称等关系实现对几何图形的全约束。l 正确设置控制三维模型的设计参数。设计参数可以分为两种情况：一是与他参数无关的独立参数；另一种是与其他参数相关的非独立参数。前者主要用来控制三维模型的几何尺寸和拓