数值模拟油喷射润滑高速齿轮

文摘

齿轮传动涡扇发动机技术是最有前途的一个引擎配置大大降低燃油消耗率。在此体系结构中,权力epicyclical变速箱之间插入风扇和低压线轴。由于齿轮箱、风扇和低压管路可以将在不同的速度,导致更高的发动机的涵道比。因此变速箱效率成为关键参数等技术。进一步提高效率可以达到物理理解传输系统内的流体动力学损失。这些损失主要与粘滞效应和直接连接到润滑方法。在这部作品中,研究了喷油损失通过CFD模拟。数值研究一个喷油孔侵犯一个高速齿轮进行了使用受到方法。这个分析的目的是评估抗扭矩由于油喷射润滑,油齿轮的转矩数据交互关联阶段。巨蜥计算执行使用一种自适应网格方法,作为一种显著降低仿真成本。 A global sensitivity analysis of adopted models has been carried out and a numerical setup has been defined.

1。介绍

减少空中交通的环境和气候影响,航空发动机产业和研究社区已经努力替代引擎配置,目的是显著降低燃油消耗率。人们普遍认为证监会降低可以通过增加发动机的涵道比。这是一个关键参数,有效提高推进效率,以及减少喷气噪声和发动机排放(1]。

齿轮驱动涡扇(GTF)技术是一种最有前途的增加涵道比发动机配置。在这种发动机,功率epicyclical变速箱之间插入风扇和低压线轴。由于变速箱,风扇和低压线圈架可以在不同的速度。这带来了一些好处:首先,可以降低风扇转速,导致降低声学排放;其次,低压线圈架的速度可以明智地增加,导致更紧凑和高效的核心引擎。

证监会由变速箱的传动效率直接影响和间接的重量和大小的冷却系统。因此变速箱效率成为关键技术实现的好处引入的GTF架构。尽管变速箱效率高于99%,功率损耗可以在这样的高功率应用程序同样重要。进一步提高效率可以达到物理理解传输系统内的损失。

能源损失一个变速箱可以分为两组(2]:加载依赖和负载独立(流体动力学损失)。虽然已经有大量的处理工作负载相关的功率损耗和合适的模型预测已经可用,流体动力学损失仍需研究和正确地模仿3]。负载相关的功率损耗主要是相关机械功率损失之间的齿轮接触和摩擦轴承的滚动元素和比赛。负载独立相关功率损耗主要是粘性的影响,直接关系到润滑方法。

非常高的速度(俯仰速度超过100 m / s)和高功率变速箱,典型的航空应用程序,提供了润滑使用喷嘴创建小油飞机,饲料油进入啮合区。至关重要的是,齿轮润滑正常牙齿,并且足够的石油进入牙空间足够的冷却,确保齿轮箱的可靠性。很好地理解内部的喷油孔的行为因此变速箱是可取的,以减少润滑损失和减少所涉及石油体积。

类似et al。4)对齿轮进行了几个实验测试油喷射润滑,不同的齿轮和喷油孔速度。油喷射润滑的照片用相机拍摄高速运动,用氙气灯照亮了润滑剂。他们的研究报告了一个最优的石油穿透深度提供了飞机时不雾化,演示小水滴的轨迹是明智地受到空气动力场的影响;没有数据被收集的关于抗力矩由于油齿轮的相互作用。Johnson et al。5)提供了一个实验研究相关的扭矩和高速螺旋伞齿轮笼罩的配置,分析各种润滑剂的效果质量流率和裹尸布布局。平均转矩的测量数据报告一个线性增加的石油质量流率和平均转矩之间的良好的协议,导出了一个简单的计算基于石油的动量变化,和实验转矩。可视化通过一个透明的裹尸布表明,石油被困在裹尸布,导致油循环损失。这项研究强调了笼罩中的抗扭矩齿轮如何被认为是三个主要的和损失条款:单相空气风阻,石油加速,油循环。

应该指出的是,实验可视化这种多相流动的困难是由于齿轮的高速;因此,计算流体力学(CFD)模拟可以提供一个更深入的了解油齿轮相互作用现象。Arisawa et al。6)进行了实验和数值研究的偏差和石油生产损失在原型斜齿轮箱。润滑油是提供给齿轮啮合区使用许多喷射喷嘴。推导出动力流体动力学损失评估卸油和供应温度之间的差别。流体的体积(受到)和多孔体方法应用于两相流和齿轮啮合模型,分别。CFD结果吻合良好,平均功率损失,和实验。全球力量的损失进行评估,而没有数据报告的贡献个人损失来源的总损失。

当前工作的目的是研究通过CFD模拟注油损失。以达到一个更深的知识的损失,一个全面的数值研究,一个石油沿径向射流撞击一个齿轮进行了使用受到方法。这项工作的主要目的是预测抗扭矩由于高速齿轮喷油润滑,而不考虑油循环损失。完全不稳定和移动网格进行了模拟。关于这一分析的主要挑战是大型三维域导致高计算成本,两相瞬态模拟,高速自由表面流、静止和旋转域。受到的方法,描述了赫特和尼科尔斯(7),代表一个最合适的方法来模拟喷油孔对齿轮的牙齿移动的影响。这允许一个有效的跟踪的进化计算域内的油面,捕捉床界面,以及产生的水滴和韧带形成射流的分手。然而这种方法需要一个非常细网格在液体中地区,导致计算成本很高,如果不采用局部网格加密的策略。解决方案实现自适应网格特性在商业软件ANSYS流利(8)已被使用。这种方法提供了一些标准来完善和/或自动变粗糙网格基于几何和数值解的数据。混合的适应函数创建适应特定的域区域限制。为了执行一个全球网格适应策略和模型参数的敏感性分析,一个简化的几何定义。由此产生的数值设置采用几何仿真的参考。

2。几何和操作条件

2.1。参考几何

这项工作的目的是研究军队之间交换高速齿轮润滑喷嘴。为了达到这个目标,一个代表几何定义(图1)。它由一个圆柱齿轮封闭在一个对称的套管。整个360°几何建模。

典型的齿轮旋转速度的高速传输。介绍了润滑油喷射的圆柱管设置在套管表面。石油是针对转子轴,齿轮脸上撞击中心。没有定义,因为出口只有少数牙模拟通道,注入润滑油体积可以忽略对系统中空气的体积。

总结了几何尺寸表1。定义的传输和套管之间的差距是选择为了最小化域体积,在径向方向上保持足够的空间来跟踪石油分手时的影响。

2.2。理论模型

预期的平均阻力扭矩产生的油喷射润滑可以估计计算动量变化与牙齿的交互。参照图2,假设齿轮加速石油的节线的速度,抗扭矩,喷油角的函数,可以计算出报告

简单的模型提供了一个抵抗扭矩等于当喷油角度设置为零值 所有扭矩值报告这项工作已经无因次使用(2)。

2.3。操作条件

使用的操作条件的模拟是代表航空发动机巡航条件:(我)负压条件下,(2)温度是与变速箱系统内典型的操作价值,(3)节线之间的比例和固定的喷油孔速度4。

这样的选择条件生效的喷油孔的行为。润滑剂必须跨越一个旋转气流影响齿轮的牙齿。因为它将部分所示4所示。1,气流的切向速度的特点是相同的节线的速度()。

第一个近似,问题可视为注射液体高速横向气流(见图3)。对于这样的问题,很多经验相关性已被许多研究人员开发预测液柱轨迹,距离分手,高度,对各种流条件(9,10]。主要的参数管理现象是液体变成气体动量比(3),而横向气流韦伯数(4),是分手政权控制的参数(11] 的相关性有一个幂律形式报道(5),和常量值;因此飞机时渗透上升。因为小飞机进口和齿轮表面之间的距离(等于12.5喷射直径)和负压条件导致显著减少的空气密度以及空气动力学行为的润滑剂流(和),一个著名的石油分手之前预计不会喷射对齿轮的影响。相反,在环境压力很大喷油孔分手可能发生,由于空气密度增加。

随着喷油孔的高速齿轮齿,一个快速动量转移发生。识别不同的数量级现象,无量纲的组织进行了分析。的有用的无因次群多相系统下面列出: 在哪里油喷射冲击速度吗 液体喷射韦伯数()代表液体惯性力量的相对大小和表面张力的力量,而弗劳德数(Fr)特征惯性和重力的比值。如图所示的无量纲数,这一现象是由惯性力量,而重力和表面张力的影响可以忽略不计。影响后,润滑油可以在牙齿表面形成一层薄膜:这个时候使用的特征长度的无因次群是膜厚度,和表面张力的力量可能不是可以忽略不计。

3所示。CFD建模

3.1。计算域和网格

为了执行一个全球网格适应策略和模型参数的敏感性分析,一个简化的几何定义。随后,由此产生的数值设置采用参考几何的模拟。有两种简化:(我)对称边界条件,(2)简化的几何。

使用对称边界条件,利用问题的几何对称的喷油孔轴。这种情况会导致相当大的减少计算成本,因为只有一半的几何模拟。防止流穿越边界,对称条件介绍了巨蜥的近似模拟,事实上润滑剂喷射的速度分量与转动轴是被忽视的。影响抗扭矩计算由于边界条件将评估在这工作。简化几何切割已经获得两个径向平面的参考几何通过齿轮的牙齿,如在图表示4。每架飞机距入口设置10喷射直径轴,因此齿轮齿面宽喷油孔直径20倍。

报告一个简化的计算域的素描图5,而参考的计算域几何绘制在图6。入口的边界条件被分配的velocity-inlet边界条件类型:(我)速度组件:0,0,,(2)油体积分数:1、(3)湍流方程:低强度和长度等于规模假定。

参考压力值是固定在一个点位于对称平面中突出显示的数字5和6。所有的墙都视为光滑无滑移条件;套管和进气导管的墙壁都是静止的,而齿轮和轴墙是旋转的。简化对称条件和参考几何表面显示的是数字5和6,分别。

计算域被分为两个领域:一个旋转域包含齿轮和周围流动和静止域流齿轮外地区。转子内的流场区域已经解决了使用旋转参考系方程,而静止区使用固定帧方程。滑动网格模型采用本文把定子转子接口。网格运动方法在转子域幻灯片严格向下沿固定域。另外,转子和定子区域通过nonconformal接口相互连接;及时更新网格运动,nonconformal接口同样更新以反映新的每个区域的位置。

商业软件ANSYS ICEM-CFD被用来生成六面体网格。网格的特点,用于模拟报道在表2(参见图7)。

3.2。网格的适应方法

解决自适应网格特性在ANSYS中实现流利的使用,目的是要限制网格细化到特定区域,减少仿真工作。这项工作中使用的初始网格包含足够的细胞代表身体的形状和捕获气动流场的基本特征。期间适应网格区域受到模拟(我)液态空气界面(LAI)。(2)近壁区(NWR)。

莱地区的改进已经获得通过适应函数的梯度,选择细胞在床界面基于归一化梯度体积分数()。最大和最小阈值前固定开始仿真。特别是,最大值设为0.1,而最低设置为0.001。细胞,含有低于最低阈值,粗鄙不堪,而细胞高于最大阈值雅致。这种方法的一个目的是有效地解决液体表面最小化的数值扩散界面。

混合的适应函数创建了完善NWR;结合边界适应和等值适应功能,本机函数的代码,细胞接近齿轮齿面只有在精制润滑油存在,为了繁殖强劲的速度梯度和高剪切应力由于固相交互。适应战略报告在图的可视化8。

挂节点适应过程(8)用于六面体网格用于现在的工作:网格是由细胞分裂“父”精制成8“子细胞,”添加一个新的点每个表面上每个父母细胞。水平的优化(卤)参数,修正的最大数量六面体的分裂。网格是腥红,把孩子细胞回收之前的母细胞。网格不能使任何进一步的比原来粗糙网格使用挂节点适应过程。适应过程期间定期地自动执行的非定常计算通过执行命令的功能。

卤参数的敏感性分析结果已经评估了这两种策略的优化。

3.3。数值设置

商业软件ANSYS流利第十四节已经被用于求解三维非定常跑方程。与SIMPLEC隔离解决方案选择速度压力耦合算法,结合一阶时间向后差分格式离散化,为受到方程隐式和显式方案的身体力量。系统视为等温流动,考虑到空气和石油作为不可压缩流体(马赫数< 0.3)。压力场离散使用转眼间方案。一个二阶逆风计划用于速度场的离散化。压接口方案用于体积分数:这是一个高分辨率的差分方案,产生一个接口,是一样尖锐的几何重建计划(11]。表面张力是模仿使用连续表面力(CSF)模型提出的Brackbill et al。12]。虽然更准确的方法计算表面张力的力量存在,像CLSVOF苏斯曼和帕克特提出的方法13),受到方法与CSF模型采用两阶段因为考虑问题不是一个表面tension-dominant流()。改善表面张力的力量计算获得作用于网格细化。

湍流是模仿的- - - - - -模型,使用可伸缩的墙功能墙附近的治疗,以避免恶化下的标准壁函数下面的网格加密。对流项采用一阶离散化方案。

固定时间的模拟进行了一步,通过维护一个全球柯朗数低于1。典型的抗扭矩曲线推导出的模拟如图9:每个扭矩峰值与喷油孔对齿的影响,第一是第一个峰值的计算。转矩数据nondimensionalised了价值,虽然时间已经nondimensionalised通过5齿间隔。图9显示了如何计算几个影响已经到了一个周期性条件;因此,模拟5影响后被停止。为了评估解决方案的融合质量,按比例缩小的残差监视在每一个时间步。按比例缩小的残差达到最小对于每一个方程。

至于计算,模拟一个简化的几何水平4的细化NWR需要大约168小时使用2 CPU与英特尔至强处理器e5 - 2630 8核或相当于2700 CPU时间。

4所示。结果

4.1。流场初始化

在开始受到模拟之前,系统内的气流分布计算。不稳定单相运行计算,实施条件的润滑油进口而不是velocity-inlet条件。当抗力矩达到渐近值,计算了。

在图10绝对的切向速度的等高线图,节线的无量纲速度,显示参考几何仿真。如何旋转流场发生在整个域可以看到,它的特点是切向速度大约90%的节线的速度在该地区的套管和齿轮之间的土地。

在高速传输,抗扭矩由于偏差效应变得非常密集,报道在道森的作品14,15]。风阻损失的计算不是本研究的目标,但它是受到模拟和计算将其添加到抗扭矩将油喷射润滑。负压条件导致空气密度的显著减少;因此风阻扭矩减少对润滑扭矩;事实上风阻损失与空气密度成正比,随着新提出的et al。16]。合成风阻转矩将减去从受到的扭矩计算模拟,以评估只有贡献将油喷射润滑。

产生的风阻扭矩单相模拟简化表和参考几何图形3。nondimensionalised的值价值和有关整个齿轮的38个牙齿。

4.2。敏感性分析

一个广泛的敏感性进行了研究,评价下面列出的计算参数的影响:(我)卤参数赖,(2)卤NWR的参数,(3)几何简化(对称条件)。

lubricant-gear交互的一个更好的描述将在本文的下一节报道,而造型的主要影响参数对抵抗扭矩计算现在。的模拟进行了报道在表4。平均转矩值,解决数值计算(8),间隔对应的无量纲时间间隔。第一个峰没有被认为是在平均转矩的计算 结果比较耐无量纲平均转矩,获得条形图在图表示11。

的最大和最小值+监控在每一个时间步:墙上润滑剂在场,+值维持在一个范围在每个模拟,而均值一直在范围之内。减少25%的上限+ 37%,平均值是实现模拟NWR细化激活。

细化的水平壁附近地区的参数主要影响抗扭矩。1没有墙附近的细化,跑2卤等于3。在这两种情况下很少有平均转矩而变化。事实上的平均转矩运行1和运行2 0维模型值的99.5%。与卤固定4(3)运行转矩对减少约11.5%价值。没有明显的抗扭矩的变化是通过进一步提高水平的细化;事实上,转矩下降只有0.2%从卤卤5的4。这些结果的解释可以获得研究数据12,13,14。

1和跑3的结果与第二个影响比较而言,转矩的趋势(图12)和液体表面速度等高线图(数字13和14)。相对应的分阶段中表示数据的快照13和14显示在图12转矩的趋势,为了与主要特征的影响时间历史的物理进化现象。

从数据分析,liquid-gear互动可以分为四个阶段,总结在表5,相应的无量纲时间间隔:喷油孔的齿面(阶段),然后通过前区(b阶段)和齿轮的后区土地(c)阶段和最后的油膜,形成的影响后,牙齿表面移动(d阶段),曲线趋势主要在不同阶段,c和d,量化这些差异,平均转矩相关计算每个交互阶段,总结如表6。

跑3 11.4%的平均转矩大于1值阶段和运行阶段c和d低约70%;最后一个不同之处是主要因素导致运行的总体平均转矩高估1;事实上阶段c和d代表一起总油齿轮相互作用时间的75.4%。转矩差异记录在阶段c和d已经研究比较这些时期的石油流场。如图13(c),在d阶段的石油覆盖牙嵴1仿真运行,虽然没有石油这样的地区运行中观察到3(图14(c))。

这种行为可以解释通过研究等高块体积分数场对称平面,如图15。1,跑2喷油孔影响着牙嵴,形成的油膜沿径向膨胀,与齿轮表面交换动量。卤设置为4时,有大量的计算细胞内边界层区然后强劲的速度梯度,由于固液相互作用,更好的复制。在这种情况下,喷油孔不影响牙嵴但形式悬浮油膜。当飞机经过齿轮上的土地,石油质量流量到达飞机基本不影响齿轮表面但提要的液膜破裂成韧带和小水滴。这是没有参与的石油量齿轮润滑过程和总油量与齿轮的交流动力减少,导致抗扭矩减少。当卤参数对近壁区设置为5(4)运行,类似暂停电影。

评估对称边界条件对扭矩的影响计算,运行5中一个新的网格。它加倍网格生成用于其他运行的对称平面。对称平面边界条件不明显影响结果;事实上跑3 1.14%的平均抗扭矩大于4的值运行。

4.3。参考几何结果

两个参考几何进行了模拟,利用敏感性分析得到的数值设置。仿真参数表7。

在灵敏度分析,赖的细化程度的影响抗扭矩没有评估。这种敏感性评估在本节中,比较耐平均力矩产生的模拟,总结如表7。平均抗扭矩导出了3 d2的只有3.8%低于跑3 d 1值,而网格节点数大约是两倍。精致的最高水平的主要影响赖区域是一个大的石油分手后韧带与齿轮的影响。下面跑3 d2的获得的结果进行了讨论。

一个可视化的抵抗力矩曲线如图16:曲线如何繁殖周期的性质可以看到喷射润滑。瞬时转矩达到最大值约12倍高于平均值。

lubricant-gear交互的一个更好的描述可以专注于实现第二个影响:抗扭矩的趋势和相应的累积扭矩曲线描述的数据17和18,分别。在这两个图表,一些特征流*突出显示,为了与转矩的历史报告的等值面图19。

喷油孔砸到齿腹(1):动量转移发生在很短的时间内,导致抗扭矩峰值。这个时候的牙齿已经转移到液体百分之三十总动量交换。齿腹,喷射形成一层油膜,与高速齿轮轴。

当喷油孔通过齿轮上的土地,润滑剂不影响齿轮但形成液膜,飞过牙(数字19 (b)和19 (c))。这时,到达飞机的润滑剂基础饲料暂停电影优惠到韧带和小水滴。这是没有参与的石油量齿轮冷却过程,和总油量与齿轮的交流动力减少,导致减少平均转矩对零维模型的价值。飞机仍然连接到齿腹上的油通过电影:飞机拖油韧带接近牙嵴,直到油膜不分手,可见,如图19日(d)。分离石油韧带远离齿径向方向,在轴向方向上蔓延。当喷油孔通过牙嵴(点3)齿轮有百分之九十的总动量传输。

为了分析压力和剪切力的相对贡献的抗扭矩计算,归一化累积转矩曲线,产生的力量,都在图20.。这些数据块相关的第二个影响。如何剪切力的贡献可以观察到很低;特别是,它至少是两个数量级低于压力数据。这个结果证明机制主要有助于抗扭矩产生的压力分布在齿侧面喷油孔的影响,而剪切力的贡献可以忽略不计。

5。结论

全面的数值研究一个石油沿径向射流撞击一个高速齿轮使用受到方法进行了。适应网格功能,实现在商业软件ANSYS流畅,已经使用,开发混合动力的适应函数来适应特定的域区域限制。

全球网格适应策略和模型参数的敏感性分析。水平的优化采用近壁区是主要影响仿真结果的参数,而其他计算参数的影响并不显著。因此一个健壮的数值设置被定义。

这项研究使得抗扭矩的评价由于油喷射冷却,油齿轮的发展更深入的理解互动现象。特别是,一个好的协议的平均转矩得到了一个简单的计算基于石油的动量变化和计算扭矩被发现。CFD结果表明喷油孔不影响齿轮土地但是形成悬浮油膜破坏成韧带和小水滴。这是没有参与的石油量齿轮润滑过程和总油量与齿轮的交流动力减少,导致减少的平均转矩对零维模型的价值。

最后,事实证明,主要导致耐药的机制扭矩产生的压力分布在齿侧面喷油孔的影响,而剪切力的贡献可以忽略不计。

命名法

下标

大街:	平均财产
:	套管的财产
:	齿面
:	轴向间隙
小鬼:	影响
:	距属性
:	飞机属性
:	轴属性
:	正切值
:	零值。

首字母缩略词

CFD:	计算流体动力学
赖:	液态空气界面
不要生气:	水平的改进
NWR:	近壁区
巨蜥:	雷诺平均纳维斯托克斯
受到:	液体的体积。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢通用电气株式会社srl的出版许可。

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