本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔通風(fēng)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：
航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)由供油系統(tǒng)、回油系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)組成。其中，通風(fēng)系統(tǒng)包括主軸密封裝置、通風(fēng)管路、離心通風(fēng)器、高空活門(mén)等，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)飛行包線內(nèi)軸承腔腔壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。隨著飛機(jī)要求完成任務(wù)的飛行高度日益提高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)采用節(jié)流通風(fēng)結(jié)構(gòu)方式已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。節(jié)流通風(fēng)是篦齒密封結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔的最常用通風(fēng)方法，其目的是當(dāng)軸承腔采用篦齒封嚴(yán)時(shí)，高壓差狀態(tài)下空氣泄漏量較大，需要用軸承腔增壓來(lái)減少密封壓差，從而減少軸承腔的通風(fēng)量。節(jié)流通風(fēng)的方法是在軸承腔的通風(fēng)管路上設(shè)置節(jié)流嘴，該節(jié)流嘴可使軸承腔腔壓升高，通風(fēng)量減少。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔節(jié)流通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要與空氣系統(tǒng)、附件機(jī)匣通風(fēng)等進(jìn)行聯(lián)算，但聯(lián)算的基礎(chǔ)是首先是軸承腔壓力本身的計(jì)算方法正確、精度高。由于節(jié)流通風(fēng)的發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔通風(fēng)氣體流動(dòng)的可壓縮性質(zhì)，節(jié)流嘴處氣體流動(dòng)涉及堵塞狀態(tài)，并且，軸承腔內(nèi)還伴有生熱、換熱等過(guò)程，使得其腔壓計(jì)算就變得相對(duì)復(fù)雜。這種類(lèi)型的通風(fēng)方式，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅憑工程經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有相應(yīng)計(jì)算方法，常常事先加工一系列大小孔徑的節(jié)流孔，在發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車(chē)后，分析試車(chē)腔壓數(shù)據(jù)，如果軸承腔腔壓值大，則需要更換孔徑小些的節(jié)流孔，否則更換孔徑大些的節(jié)流孔，然后再通過(guò)試車(chē)后的腔壓數(shù)據(jù)判定是否合適。選取節(jié)流孔具體結(jié)構(gòu)的過(guò)程反復(fù)，大大增加了試車(chē)、人力成本。同時(shí)，僅能在地面試車(chē)布置發(fā)動(dòng)機(jī)腔壓測(cè)點(diǎn)，在高空臺(tái)試車(chē)，由于測(cè)點(diǎn)有限，不具備測(cè)量軸承腔腔壓的條件，因此無(wú)法通過(guò)試車(chē)手段獲得發(fā)動(dòng)機(jī)高空各狀態(tài)點(diǎn)的軸承腔腔壓數(shù)據(jù)。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔腔壓計(jì)算，僅進(jìn)行過(guò)自由通風(fēng)發(fā)動(dòng)機(jī)的腔壓計(jì)算，通過(guò)反壓的方法計(jì)算，用各狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?、離心通風(fēng)器阻力和主要結(jié)構(gòu)阻力降之和得到，而節(jié)流通風(fēng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔腔壓計(jì)算尚處于空白，缺少相應(yīng)的方法。由此，節(jié)流通風(fēng)的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的軸承腔腔壓，不能在設(shè)計(jì)之初通過(guò)計(jì)算獲得，僅能通過(guò)地面試車(chē)得到地面狀態(tài)點(diǎn)數(shù)據(jù)，不能通過(guò)試車(chē)或計(jì)算得到高空狀態(tài)任何狀態(tài)點(diǎn)數(shù)據(jù)。更無(wú)法獲得發(fā)動(dòng)機(jī)主軸封嚴(yán)在飛行包線內(nèi)封嚴(yán)是否反向等重要數(shù)據(jù)，嚴(yán)重制約了發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)、主軸承腔封嚴(yán)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了掌握發(fā)動(dòng)機(jī)飛行包線內(nèi)各軸承腔封嚴(yán)情況，并確定采用的節(jié)流孔結(jié)構(gòu)是否合理，特提供了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔通風(fēng)設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明提供了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔通風(fēng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述的一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔通風(fēng)設(shè)計(jì)方法，涉及節(jié)流通風(fēng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔基本假設(shè)、節(jié)流孔的壓力與流量計(jì)算方法、腔壓計(jì)算流程。首先得到軸承腔的邊界參數(shù)，軸承腔腔壓計(jì)算是空氣系統(tǒng)和附件機(jī)匣腔壓多次迭代聯(lián)算得到。在飛行高度對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)下，計(jì)算空氣系統(tǒng)得到的各封嚴(yán)前壓力、溫度、流量，由當(dāng)?shù)卮髿鈮?、高空活門(mén)、離心通風(fēng)器等反推附件機(jī)匣腔壓、腔溫，分別作為軸承腔封嚴(yán)入口和節(jié)流孔出口的邊界參數(shù)。其次對(duì)其進(jìn)行基本假設(shè)，根據(jù)具體發(fā)動(dòng)機(jī)分析其軸承腔的封嚴(yán)形式和回油泵對(duì)腔壓影響，一般的，軸承腔氣體流動(dòng)可做如下假設(shè)：a)計(jì)算僅針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況。b)假設(shè)軸承腔穩(wěn)態(tài)時(shí)的總壓為滯止壓力，腔總溫為滯止溫度。由于軸承腔空間很大，假設(shè)軸承腔內(nèi)的氣流v＝0，即氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為氣體內(nèi)能；假設(shè)軸承腔內(nèi)氣體流動(dòng)為定常等熵流動(dòng)，由于采用節(jié)流通風(fēng)結(jié)構(gòu)，大大降低了軸承腔的通風(fēng)量，又氣體的熱容量很小，因此可忽略通風(fēng)帶走的氣體熱量以及氣體與腔壁、軸承、滑油的熱交換過(guò)程。c)假設(shè)氣流由軸承腔通過(guò)節(jié)流孔的流動(dòng)過(guò)程是絕能等熵過(guò)程。氣體在節(jié)流孔中流速很快，且氣體與管壁換熱系數(shù)小，因此工程計(jì)算上可忽略節(jié)流孔內(nèi)氣體流動(dòng)的能量損失。另外，軸承腔的回油泵對(duì)腔壓影響一般可忽略。再次對(duì)節(jié)流通風(fēng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔求解。計(jì)算時(shí)，先根據(jù)假設(shè)的軸承腔腔壓初值P0，再分別計(jì)算軸承腔進(jìn)出口氣體質(zhì)量流量，其中在計(jì)算節(jié)流孔通風(fēng)量時(shí)需先判斷節(jié)流孔是否堵塞。之后，按質(zhì)量守恒原理，進(jìn)出口質(zhì)量流量應(yīng)相等，但在工程計(jì)算中進(jìn)出口質(zhì)量流量差值應(yīng)滿足一定的工程精度要求時(shí)，即可認(rèn)為達(dá)到質(zhì)量守恒。所以，在計(jì)算的軸承腔進(jìn)出口流量的差值與設(shè)定的工程精度δ比較過(guò)程中，如果滿足質(zhì)量守恒，則認(rèn)為假設(shè)成立，即假設(shè)的軸承腔腔壓初值P0為軸承腔腔壓Pq；如果不滿足質(zhì)量守恒，則應(yīng)重新賦腔壓初值進(jìn)行迭代，直到滿足質(zhì)量守恒要求為止，輸出軸承腔腔壓。計(jì)算方法對(duì)于氣體，其密度是隨壓強(qiáng)和溫度變化的。流體力學(xué)中，當(dāng)氣體在流場(chǎng)中各點(diǎn)的速度，用v表示，相對(duì)于當(dāng)?shù)芈曀俸苄?，用c表示，且流動(dòng)中沒(méi)有功和熱交換時(shí)，其密度的相對(duì)變化也不大，此時(shí)可把氣體作為不可壓縮流體來(lái)處理，不會(huì)引起大的誤差。按照自由流馬赫數(shù)，Ma≤0.3的流動(dòng)分類(lèi)為低速流動(dòng)，工程上，通常在此狀態(tài)時(shí)將氣體按不可壓流體處理。對(duì)于不可壓流沿變截面管道流動(dòng)，截面積增大，流體運(yùn)動(dòng)速度減小，截面積減小，流體運(yùn)動(dòng)速度增大。而對(duì)于可壓縮流體在變截面管道中運(yùn)動(dòng)，氣流速度與面積之間關(guān)系可用一維定常流動(dòng)動(dòng)量方程的微分形式表示：當(dāng)Ma＜1，亞聲速流動(dòng)，截面與流速變化關(guān)系特點(diǎn)與不可壓流動(dòng)相似；當(dāng)Ma＞1，超聲速流動(dòng)，截面與流速變化關(guān)系特點(diǎn)與不可壓流動(dòng)相反；當(dāng)Ma＝1，則dA＝0，且只可能為最小截面，即聲速截面必是流管極值截面，此截面積稱(chēng)為臨界截面，用Acr表示。實(shí)際流道的最小截面上，流速如達(dá)到聲速M(fèi)a＝1，其截面積Amin就是Acr，此時(shí)流過(guò)的流量為最大Gmax，又稱(chēng)為堵塞流量。Gmax是流道中可能通過(guò)的最大流量。對(duì)于節(jié)流通風(fēng)軸承腔，氣流從軸承腔進(jìn)入通風(fēng)管內(nèi)節(jié)流孔流出，此過(guò)程中，節(jié)流孔截面為實(shí)際流道中最小截面A，流速如達(dá)到聲速M(fèi)a＝1,氣流截面Amin就是Acr，此時(shí)流量最大。軸承腔穩(wěn)態(tài)工作時(shí)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的平衡，在此過(guò)程時(shí)當(dāng)進(jìn)氣量增加時(shí)腔壓增大，篦齒密封兩端壓降減小，篦齒進(jìn)氣量減小，而節(jié)流孔兩側(cè)壓降由于腔壓增大而增大，當(dāng)增大到一定值時(shí)，軸承腔進(jìn)出口氣體質(zhì)量流量平衡，但由于腔內(nèi)氣體還具有一定速度，依靠慣性作用，腔壓略增大，直到軸承腔內(nèi)的氣流流速v＝0，達(dá)到滯止?fàn)顟B(tài)時(shí)，軸承腔達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)軸承腔內(nèi)壓力為滯止壓力，腔溫為滯止溫度。當(dāng)節(jié)流孔中Ma＜1時(shí)，節(jié)流孔兩側(cè)壓降增大，流通量增大，若此時(shí)軸承腔進(jìn)出口氣體質(zhì)量流量平衡，節(jié)流孔未堵塞；當(dāng)節(jié)流孔中氣體流速增大到當(dāng)?shù)芈曀偌碝a＝1，節(jié)流孔氣體流通面積為Amin，流通量達(dá)到最大Gmax，即軸承腔通風(fēng)量達(dá)到最大等于Gmax，則此時(shí)節(jié)流孔剛好堵塞，堵塞流量等于Gmax；若軸承腔進(jìn)出口氣體質(zhì)量流量未達(dá)到平衡，則軸承腔腔壓繼續(xù)升高，節(jié)流孔兩側(cè)壓降增大，此時(shí)節(jié)流孔氣體流速大于當(dāng)?shù)芈曀偌碝a＞1，節(jié)流孔的流通量不變等于在節(jié)流孔氣體流通面積為Amin的流通量Gmax，軸承腔的通風(fēng)量最大等于Gmax，隨著軸承腔壓力的升高，篦齒泄漏量降低，直到軸承腔進(jìn)出口氣體質(zhì)量流量平衡，節(jié)流孔一直處于堵塞狀態(tài)。根據(jù)軸承腔節(jié)流孔的以上特性，對(duì)節(jié)流通風(fēng)的軸承腔穩(wěn)態(tài)腔壓計(jì)算過(guò)程進(jìn)行推導(dǎo)：設(shè)節(jié)流通風(fēng)軸承腔結(jié)構(gòu)參數(shù)、篦齒進(jìn)口壓力Pb和溫度Tb、軸承腔密封進(jìn)口壓力Ps和溫度Ts、節(jié)流孔出口壓力Pj和溫度Tj為已知參數(shù)。求解過(guò)程：a.賦腔壓初值并計(jì)算腔溫設(shè)腔壓Pq的初始?jí)毫χ禐镻0，即：Pq＝P0由于軸承腔穩(wěn)態(tài)時(shí)為滯止?fàn)顟B(tài)，有：——軸承腔滯止壓力，Pa；——軸承腔滯止溫度，K；假設(shè)氣流從軸承腔通過(guò)節(jié)流孔流動(dòng)是絕能等熵過(guò)程，即軸承腔滯止壓力等于節(jié)流孔后滯止壓力軸承腔滯止溫度等于節(jié)流孔后滯止溫度又，等熵關(guān)系式[4]有k——?dú)饬鳉怏w絕熱指數(shù)；P，T——某結(jié)構(gòu)處的氣體總壓和總溫，K；P*，T*——某結(jié)構(gòu)處的氣體滯止壓力和滯止溫度，Pa；節(jié)流孔后等熵關(guān)系式(7)可表示為：將式(2)～(6)帶入式(8)有：b.計(jì)算軸承腔密封(篦齒、石墨等)及節(jié)流孔的通風(fēng)量對(duì)于密封(篦齒、石墨等)的泄漏量，已有相關(guān)計(jì)算方法[2、3、4]，在這里不再贅述。僅就節(jié)流孔通氣量計(jì)算做詳細(xì)說(shuō)明。當(dāng)軸承腔的氣體通過(guò)節(jié)流孔的流動(dòng)過(guò)程為絕能等熵時(shí)，可表述為變截面流道中質(zhì)量流量公式[1]：G——?dú)饬髻|(zhì)量流量，kg/s；R——?dú)怏w常數(shù)；Acr——某一流道截面上的氣流臨界面積，m2。軸承腔內(nèi)的氣流的絕熱指數(shù)、氣體常數(shù)可取[5]：k＝1.4，R＝287J/(kg·K)對(duì)于軸承腔的通風(fēng)節(jié)流孔截面上的質(zhì)量流量可表示為：整理得：又等熵公式：整理得：等熵流動(dòng)的某截面上臨界面積和馬赫數(shù)的關(guān)系式：則節(jié)流孔截面上臨界面積和馬赫數(shù)得關(guān)系式有：整理得：在已知腔壓和節(jié)流孔出口壓力溫度，則可計(jì)算得到節(jié)流孔的質(zhì)量流量。如前所述，由于氣體的可壓縮性，Ma＞1時(shí)，流道內(nèi)的質(zhì)量流量等于Ma＝1時(shí)的質(zhì)量流量。節(jié)流孔作為流道中最小截面，當(dāng)流速達(dá)到聲速，即Ma＝1，氣流截面Amin就是Acr，此時(shí)流量最大，即為節(jié)流孔堵塞流量。將Ma＝1帶入式：得到節(jié)流孔的堵塞流量：c.根據(jù)軸承腔氣體流動(dòng)的質(zhì)量流量守恒原理，進(jìn)行迭代計(jì)算當(dāng)軸承腔達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，質(zhì)量流量守恒，可表述為：∑Gin＝∑Gout∑Gin——軸承腔的進(jìn)氣總量，kg/s；∑Gout——軸承腔的出氣總量，kg/s。即：ΣGin-∑Gout＝0工程計(jì)算時(shí)，僅需滿足∑Gin-∑Gout≤δ即可。進(jìn)氣總量∑Gin是所有封嚴(yán)包括篦齒、石墨等的泄漏量之和；出氣總量，鑒于前期假設(shè)和簡(jiǎn)化，等于節(jié)流孔通風(fēng)量：∑Gout＝Gj。在計(jì)算節(jié)流孔通風(fēng)量時(shí)，需先判斷節(jié)流孔是否堵塞。當(dāng)節(jié)流孔Ma≥1時(shí)，節(jié)流孔堵塞，出氣總量即節(jié)流孔通風(fēng)量等于節(jié)流孔的堵塞流量Gmax：∑Gout＝Gmax當(dāng)節(jié)流孔Ma＜1時(shí)，節(jié)流孔未堵塞，出氣總量即節(jié)流孔通風(fēng)量：∑Gout＝Gj。計(jì)算時(shí)，先根據(jù)假設(shè)的軸承腔腔壓初值P0，再分別計(jì)算軸承腔進(jìn)出口氣體質(zhì)量流量，其中在計(jì)算節(jié)流孔通風(fēng)量時(shí)需先判斷節(jié)流孔是否堵塞。之后，按質(zhì)量守恒原理，...