气液共相非稳态混合润滑的超高速重载螺旋锥齿轮啮合行为与实验研究

This project will investigate the meshing behavior of complicated spacial meshing surface under air/oil multiphase mixed lubrication by using the meshing theory, friction and lubrication theory, hydrodynamics, heat transfer theory and numerical analysis, while it focus on the ultra-high speed and load spiral gears on aeroengine. The project will found the numerical working condition considering the spray lubrication state and process. The three-dimension CFD model of the meshing space will be founded by regarding it as a variational involuted pipeline with time order. Then study the dynamic characteristic of spiral gears, analyse the gear deformation and contact load, establish the EHL equation with different air-to-oil ratio. The boundary condition of spray lubrication, the input heat flux and heat tranfer coefficient of the gear face will be computed. The size of contact region and the thickness, pressure, temperature of the oil film will be analysed. Then hope to find out the coupling influence function of spray parameter and gear meshing performance. Finally, the test-bed of high speed and load spiral gear in spray lubrication will be built to testify the analyse results. The results of this project will establish the foundation in the meshing and lubrication design theory, and will play a significant role in the development of transmission technique of aeroengine.

以航空发动机中超高速重载螺旋锥齿轮为研究对象，利用啮合原理、摩擦与润滑理论、流体力学、传热学、数值分析等理论，研究喷油过程中高速重载空间复杂曲面气液共相混合润滑啮合行为，建立反映齿轮喷油润滑状态的数值工况，将齿轮啮合空间简化为一系列按时序变化的复杂异形管道，建立螺旋锥齿轮啮合区及附近动态三维流场CFD模型；研究螺旋锥齿轮动力学特性，确定轮齿变形、载荷大小，建立点接触曲面不同含气率非稳态弹流润滑方程；分析瞬时啮合点润滑边界条件，计算轮齿啮合过程发热量与传热系数，分析瞬时接触区大小、油膜厚度、压力、温度变化，研究喷油特性参数与轮齿啮合性能耦合关系；搭建高速重载螺旋锥齿轮喷油润滑相似试验台，模拟轮齿啮合过程油膜厚度、压力、温度变化，揭示出喷油气液混合润滑下空间曲面接触啮合行为。项目研究可为超高速重载空间复杂曲面啮合理论和摩擦润滑设计理论奠定基础，对航空发动机动力机械高端传动技术发展具有重要意义。

项目对喷油气液多相流形成机理、气液多相流润滑机理以及喷油润滑下螺旋锥齿轮的啮合特性等问题开展了研究。项目针对相啮合的螺旋锥齿轮的齿面复杂流域，基于计算流体动力学（CFD）理论与技术，模拟螺旋锥齿轮啮合区周围的复杂三维流场，建立了反映喷油条件与齿轮工况的CFD模型，计算得到流体的速度、压力、温度等参数以及气液多相流状态，研究了喷油特性参数（喷油位置、喷油方向、喷油距离、喷油速度、喷油流量等）与齿轮工况参数（速度、载荷等）对所形成的气液多相流的耦合影响关系与规律；引入油气率概念，用以反映气液多相流中气相与液相所占比例的大小，综合研究了不同油气率与含气率的气液多相流的润滑特性参数；建立了螺旋锥齿轮喷油润滑全过程的啮合点参数与气液多相流计算模型，计算得到啮合齿面上每一个啮合点的润滑油入口边界条件，建立了螺旋锥齿轮点接触非稳态流体润滑模型，通过数值计算得到润滑特征量，在此基础上计算了齿轮啮合发热量以及传热系数，对齿轮进行热分析，综合研究了喷油润滑工况下螺旋锥齿轮的啮合性能；基于相似理论搭建了超高速重载螺旋锥齿轮喷油润滑试验平台进行试验，通过试验结果和相似设计量间的关系验证理论，形成了超高速重载空间啮合曲面气液多相喷油润滑的论体系。项目研究成果可为超高速重载空间复杂曲面啮合理论和摩擦润滑设计理论奠定基础，对航空发动机动力机械高端传动技术发展具有重要意义。