《Machines》：Thermal Characteristics and Dynamic Performance Analysis of Aero-Engine Bearings Based on a Thermal–Fluid–Solid Coupling Model with Frictional Power Consumption
编辑推荐：
现代航空发动机轴承在高转速和高热条件下运行，对热行为的不准确预测以及对传热机制的不完全理解可能增加热失效风险。本研究开发了一种热-流-固耦合（thermal-fluid-solid coupling）方法来研究航空发动机轴承中的生热和传热过程。摩擦功耗分析评估
现代航空发动机轴承在高转速和高热条件下运行，对热行为的不准确预测以及对传热机制的不完全理解可能增加热失效风险。本研究开发了一种热-流-固耦合（thermal-fluid-solid coupling）方法来研究航空发动机轴承中的生热和传热过程。摩擦功耗分析评估了滚动摩擦、滑动摩擦、密封摩擦和搅油功耗。在共轭热-流计算中，仅将与接触相关的滚动和滑动摩擦贡献通过规定的热通量边界条件传递到滚道表面。研究人员引入了热弹流润滑（thermo-elastohydrodynamic lubrication, TEHL）理论来描述轴承接触条件、润滑油膜行为和热效应之间的物理关系，而非作为一个独立求解的全场TEHL模型。提出了一种混合热通量密度分布模型，该模型在接触区采用高斯分布（Gaussian distribution），在油膜区采用指数衰减（exponential decay）。将规定的滚道热载荷纳入三维共轭热-流模型中，以研究轴承温度和润滑剂流动响应。通过为内、外滚道规定参考热通量密度幅值，该模型描述了它们各自不同的空间分布，其中内滚道上局部集中更强。进行了数值模拟和轴承温升试验，以评估模型预测的热响应。所规定的内、外滚道热载荷产生了不同的局部热响应，内滚道上热通量局部集中更强，且周围润滑剂流场中的传热特性也不同。数值结果表明，热响应和动态响应随供油率呈非单调变化，表明其对润滑剂分布和局部传热条件具有很强的依赖性。在所研究的条件下，主刚度（principal stiffness）和主阻尼（principal damping）在供油率为0.6 L/min时达到最大值。所提出的框架捕捉了轴承的主要热响应趋势，并为润滑参数优化和轴承热管理提供了理论基础。
1. 研究背景与现存问题
现代航空发动机主轴轴承长期处于高转速、高温和重载的极端工况下，其滚道与滚动体接触界面的局部温度可超过180°C，极易引发热变形和应力集中等热致失效问题，严重威胁飞行安全。因此，精确分析轴承热特性对于保障其正常运行性能和服役寿命至关重要。然而，现有的轴承热分析方法存在两个主要不足：一是对不同摩擦生热机制及其空间非均匀累积特性的处理缺乏统一性；二是对轴承腔内空间非均匀热载荷与润滑剂介导的热输运之间的相互作用表征尚不充分。此外，直接针对航空发动机轴承空间热通量密度分布的实验验证仍然有限。为解决上述问题，本研究基于热-流-固耦合模型，旨在建立一个介于接触分辨级热弹流润滑（TEHL）分析与集总热网络计算之间的工程尺度建模框架，以弥合接触级润滑机理与轴承级热行为之间的鸿沟。
2. 主要研究方法
研究人员采用了以下关键技术方法：
- •
摩擦功耗分析框架：分别考虑滚动摩擦、滑动摩擦、密封摩擦和搅油功耗四种摩擦损失分量，其中仅与接触相关的滚动和滑动摩擦分量作为局部滚道热载荷的基础。
- •
混合热通量密度分布模型：提出了一个结合接触区高斯分布与油膜区指数衰减的模型，用于描述内、外滚道上不同的空间热载荷特征。
- •
三维共轭热-流数值模拟：将规定的滚道热源描述纳入ANSYS Fluent 2023软件建立的三维共轭热-流模型中，采用SST k-ω湍流模型和混合物多相流模型，并使用多重参考系（MRF）方法处理旋转效应。研究对象为SKF 61810深沟球轴承，润滑剂为Krytox? GPL 103 PFPE油。
- •
实验验证：通过不同转速下的轴承温升试验，对所提模型预测的热响应趋势进行定性实验评估。
3. 研究结果
3.1 摩擦功耗动态变化特性
基于摩擦功耗计算公式，分析了转速、径向载荷、温度和润滑剂粘度对四种摩擦功耗分量的影响。结果表明，各分量的相对贡献随工况变化：搅油功耗随转速增加显著增大；滑动摩擦功耗在固定转速下随径向载荷增大而增大；密封摩擦功耗占比较小，且在固定转速下与径向载荷、温度和润滑剂粘度无关。
3.2 热通量密度空间分布特征
通过建立的热通量密度分布方程，揭示了内、外滚道不同的空间热特性。在所采用的参数集下，内滚道呈现调制的高斯分布，峰值约为10.7 MW/m2，局部集中更强；外滚道呈现近对称的抛物线分布，峰值约为6.0 MW/m2。这表明内滚道是主要的热防护区域。
3.3 转速对轴承温升的影响
数值模拟显示，随着转速从0.5×10? r/min增至2.0×10? r/min，内圈和外圈温度均升高，但内圈温升更显著，内外圈温差增大。最大计算内圈温度为108.0°C，低于所采用SN级轴承钢的尺寸稳定性极限120°C。温升归因于热通量密度增长率超过了散热能力的增强，同时离心力加剧了摩擦功耗。
3.4 供油率对轴承温升的影响
研究发现，轴承的热响应和动态响应随供油率呈非单调变化，强烈依赖于润滑剂分布和局部传热条件。在所研究的条件下，主刚度和主阻尼在供油率为0.6 L/min时达到最大值。
4. 讨论与结论
所提出的框架成功捕捉了轴承的主要热响应趋势。研究结论指出，内、外滚道的不同热载荷会产生差异化的局部热响应，内滚道具有更强的热通量局部集中和不同的周围润滑剂流场传热特性。数值结果揭示了热和动态响应对供油率的非单调依赖性。该研究为润滑参数优化和轴承热管理提供了理论基础，所建立的工程尺度热-流-固耦合框架填补了接触级润滑机理与轴承级热行为之间的建模空白。
