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1、 2004级专科毕业设计论文第 2页 共 42 页毕业设计（论文）摘要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。系统采用当今世界CAD的优秀代表Pro/Engineer软件作为支撑软件，采用Windows XP作为操作系统，以目前广泛流行的Microsoft Visual C+6.0作为设计计算程序的开发工具。作者首先对可获得的有限资料进行仔细的研究，逐步地归纳总结，最后形成离心通风器的常规设计的总体步骤：通过对离心通风器的设计计算的推导，得出可以用于离心通风器的计算公式，并且将设计的全过程程序化；综合考虑离心通风器各个部件的结构和功能确定出各自的参数化设
2、计的主参数；通过Pro/Engineer软件的强大的参数化设计功能，实现了零件的参数化设计；运用Pro/Engineer软件的二次开发模块，实现离心通风器的计算机辅助参数化设计功能，建立了离心通风器的参数化设计系统。关键词 离心通风器 设计计算 参数化设计 Pro/Engineer二次开发 1 绪论1.1 课题来源、背景和意义航空发动机是知识密集、技术密集、资金密集的产品，其研制属于技术高、风险大、周期长和投资多的工程。航空发动机的发展虽然已各大部件的技术进步为代表，但也要求传动与润滑技术与之相适应。先进发动机高的涡轮进口温度，高的主轴转速及严格的空间限制，要求传动及润滑系统在高温、高速、高负
3、荷、轻质量、激烈的状态变化、紧凑的空间限制、长寿命和高可靠性下发挥其功能。传动及润滑系统给发动机设计与研制带来了大量不同于一般的机械的技术难题，是影响发动机可靠性、安全性、寿命和效率的重要研究领域，也是制约发动机发展的关键技术。我国航空发动机的机械传动及润滑系统的研制还处于低水平状态，但已经从仿制走向了自行研制的道路，随着各个型号发动机的研制的需求和预先研究有了较大的发展。沈阳发动机设计研究所是我国成立最早的航空发动机研究单位之一。在2002年7月由该所总设计的昆仑发动机，被国家军工产品定型委员会正式批准设计定型，是我国第一台拥有自主知识产权的军用发动机。它的研制成功使我国成为继美、俄、英、法
4、之后世界上第五个能够独立研制航空发动机的国家，标志着我国航空发动机从只能测绘仿制、改进改型跨入了自行研制的新阶段。1.2 课题研究领域的发展和现状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
5、、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。1.3 计算机辅助设计技术的发展现状简介CAD（Computer Aided Design）指使用计算机系统进行设计的全过程，包括资料检索、方按构思、零件造型、工程分析、工程制图和文档编制等。在设计的各个阶段计算机都能发挥它的辅助作用，因此CAD概念一产生，就成为了一门新兴的学科，引起了工程界的关注和支
6、持，迅速地得到了发展并日益完善起来。目前，CAD技术日益完善，许多发达国家相继推出成熟的CAD/CAE/CAM软件集成化的商品软件。在设计理论、设计方法、设计环境、设计工具等各个方面出现了许多较为成熟的现代化现代化设计软件。现代CAD技术一方面向标准化、集成化、智能化、并行化、网络化的方向发展，另一方面由二维工程图形软件向三维实体图形软件转化。三维设计已成为今后机械设计的主流方向。14 参数化设计简介141 参数化设计的提出与现状当今各个公司都面临着市场全球化、制造国际化和品种需求多样化的挑战，他们围绕着时间、质量和成本的竞争越来越激烈。参数化技术是CAD技术在实际应用中提出的课题。现在参数化
7、设计已经成为CAD技术应用领域的一个重要研究方向。利用参数化设计开发专用产品设计系统可使设计人员从大量烦琐的绘图工作中解脱出来，大大提高了设计速度，并减少了信息的存储量。自美国的PTC公司于1983年推出参数化系统Pro/Engineer以来，全球多数CAD软件公司均在自己产品中实现了参数化设计功能，以图在激烈的竞争中取得优势。具有代表性的产品有Pro/Engieer、UG、CATIA及SolidWorks等，可以根据实际情况进行选用。1.4.2 参数化设计的特点参数化设计是由编程者预先设置一些几何图形约束，供设计者在建模时使用。与一个几何图形相关联的所有尺寸参数可以用来产生其它几何图形。参数
8、化设计的主要技术特点有：（1）基于特征。将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调用参数，进而形成实体，以次为基础进行更为复杂的几何模型的构造。（2）全尺寸约束。将形状和尺寸联系起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。建模时必须以完整的尺寸参数为出发点，不能漏注尺寸，也不能多注尺寸。（3）尺寸驱动设计。通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。（4）全数据相关。尺寸参数的修改将导致其他相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。1.5 课题研究的主要内容以航空发动机离心通风器和油气分离器设计规范为基础，研究、归纳、整理通风器的设计、计算，实现其设计计算的程序化，借助VC+的强大开
9、发功能和优秀的Por/Engineer软件完成专用于航空发动机润滑油系统通风器设计的参数化CAD系统。具体地包括：完成离心通风器的设计、计算归纳、总结，形成一套较为完整的设计体系，并将其程序化；完成基于Pro/Engineer的离心通风器三维模型建立及参数化设计；通过对Pro/Engineer的二次开发，实现软件的本地化、客户化；利用AutoCAD完成离心通风器的零件工程图及装配图。2 离心通风器的常规设计2.1 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
10、，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
11、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。2.2 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。2.3 离心通风器的工作
12、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。3 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
13、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。3.1 转子主要结构尺寸计算3.1.1 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
14、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
15、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3.1。 图3.1 油珠运动分析简图程序界面如图3.2图3.2程序主对话框3.1.2 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3.3所示。图3.3油珠受力分析简图 1. 离心力 （3.1）式中： 油珠所受的离心力，N； 油
