润滑系统承担了保证航空发动机机械系统稳定运转的重要任务，在传动工作过程中，航空发动机主轴承密封系统需要一定压力的空气进行封严，其中部分空气进入轴承腔内部，与轴承腔中的滑油掺混形成油气混合物，如果直接将油气混合物排出，将会造成滑油的大量损失，这直接威胁了发动机机械性能的可靠性[1]。通风器的作用就是将滑油从油气混合物中分离出来，减少滑油消耗量。
为了适应某型发动机附件机匣一体化设计，通风器需要与加力燃油泵和电机共轴，这就导致通风器转速超出以往设计的转速，转速高达30000转/分。以往使用的离心通风器无法在这样高转速状态下工作。为了能在高转速状态下获得高的油气分离率，且通风阻力满足要求，保证密封的可靠性，首次开展研究了全新的离心通风器设计，即导向叶轮+金属海面组合式超高转速离心通风器的研究。
1 轴流式离心通风器工作原理
轴流式离心通风器主要分为两部分：导向叶轮和过滤滑油介质。超高速轴流式离心通风器结构，见图1。
工作过后的油气混合物经过导向叶轮增压进入离心通风器内。油气混合物中一部分体积较大的滑油颗粒由于速度低于导向叶轮的转速，与离心通风器的导向叶轮壁面发生碰撞，形成油膜，在离心力的作用下直接被甩回到轴承腔内，完成初次过滤；另一部分夹带更小油滴的油气混合气被导向叶轮压缩进入到滤油介质中，在滤油介质的阻力作用下，小尺寸油滴在滤油介质中保存下来，经过滤油介质安装套管的外壁面的小孔回到轴承腔内，为第二次过滤。经过两次过滤后的气体，则通过轴流式通风器的中心轴空腔排出轴承腔。
离心通风器的另一个作用就是通风作用，通风作用主要是平衡滑油系统的腔压，减少滑油损失。但离心通风器的通风作用又与油气分离效率相反。通风器出口的高阻力可以提高油气分离率，但是这会使轴承腔内腔压升高，通风性减弱，可能在发动机下拉状态下出现油气回流[3]。所以保证轴承腔压不超限，也是轴流式离心通风器设计的难点之一。 高油气分离率，低阻力是离心通风器导向叶轮设计的目标。
2叶轮设计关键参数研究
在轴流式离心通风器的设计中，导向叶轮设计起着至关重要的作用。首先，油气混合物进入到离心通风器中是由于导向叶轮的压缩作用，导向叶轮的轴流增压作用，可以提高油气混合物进入到离心通风器滤油介质的进口压力，从而降低整个通风器的通风阻力；其次，导向叶轮还对油气混合物具有导流作用，合理的引导方向，可以使油气混合物与过滤介质有更大的接触面积，相同的轴向速度可以大幅降低油气混合物进入过滤介质的阻力，提高油气分离效率。同时从工程应用角度考虑，导向叶轮设计必须具有高效率的特性。
超高转速离心通风器导向叶轮的增压作用对两次油气过滤都起着重要的作用，均决定了油气混合物的分离效率的高低。但对于这种新型的离心通风器，针对导向叶轮合理的设计压比在以前的设计中并没有相关的经验。根据本文的导向叶轮设计过程，总结出导向叶轮设计压比的计算过程。
根据压比公式：
(1)
(2)
(3)
其中：
＝1.4；
为负荷系数；
为等熵效率；
为导向叶轮叶尖速度；
为进口温度。
计算合理的导向叶轮设计压比，需要假设
取亚音速设计时负荷系数的上限0.4，效率
在通风器中的不会太高，可取0.3～0.4。在转速确定的条件下，压比大小由导向叶轮的径向高度所决定。根据结构设计的布局尺寸就可以获得轴流式离心通风器的设计压比值。
离心通风器的第二次油气分离主要是依靠过滤介质完成，过滤介质是多层具有高阻力的物质，油气混合物很难进入其内部。这就需要轴流离心通风器的导向叶轮对油气混合物进行加压处理，并保证带有一定轴向速度的油气进入到过滤介质中。经过对过滤介质结构的研究分析，只有油气混合物垂直进入过滤介质，油气混合物才能受到最小的阻力和最大的接触面积，才能获得较高的油气分离效率。所以需要对导向叶轮出口气流角进行限制，必须保证导向叶轮出口气流角为90º，以达到高油气分离的设计目的。
该轴流式离心通风器的设计转速为30000转/分，但由于结构限制，导向叶轮直径较小，进口马赫数仅为0.3左右，为亚音速来流，进口相对马赫数沿径向分布见图3。
所以选择导向叶轮叶型厚度分布时，选择了亚音速叶型。本文选择的叶型为NACA-30叶型和NACA-40叶型，NACA-30叶型为低速叶型，适用于导流叶片和低速静子叶片；NACA-40叶型为亚音速叶型，适用于导流叶片和亚音速静子叶片。
为了保证叶型选择的合理性，在结构限定导向叶轮叶片弦长后，导向叶轮叶片造型的叶型弯角、叶厚、叶片前尾缘小圆等设计参数保持一致，并保证导向叶轮出口气流角为90 º。通过计算导向叶轮的压比和效率指标，确定导向叶轮叶型。
计算结果显示： NACA-30叶型的方案压比高于NACA-40叶型，效率提升了0.5个百分点，裕度略大。排除了其他设计参数对性能的影响，确定采用NACA-30叶型作为轴流式离心通风器导向叶轮的叶型。
2.4 效率
离心通风器由于体积小，主要作用是油气分离和通气，对功的消耗非常小，所以导向叶轮效率往往被人所忽视。但超高速轴流式离心通风器未来面临的转速可能还会继续提升，所用的功也会不断增加，所以高效率也应当受到重视。本文对于轴流式离心通风器导向叶轮的设计在最初就将高效率考虑在内，力求设计方案在能够满足其他设计要求的同时，效率也能达到最优值。
叶型弯角决定了叶型的弯曲程度，是确定叶片几何形状的重要参数之一。在确定选取NACA-30叶型厚度分布后，给出4个不同叶型弯角方案进行计算分析。方案号所对应的叶型弯角值，见表1。
表1不同方案的叶型弯角
方案号 | 叶型弯角（单位：º） |
1 | 27 |
2 | 47 |
3 | 48 |
4 | 57 |
表中每种方案叶型弯角分布从尖到根选取并不相同，按照相同的曲线规律沿径向分布。
对上述4种方案进行数值计算，设置进出口为总压进口和静压出口，转速相同，计算结果如图3。
从计算结果可知，压比随着叶型弯角的增大而减小。叶型弯角越大，压比越低，效率越高。除了方案2之外，其它3种方案均是压比达到最大值时效率也为最大值。
叶片数量对油气的有效扭转、实现加功量具有重要作用。为减少加工难度和生产成本，仅在较少的叶片数量范围内研究对导向叶轮性能的影响。计算结果说明同流量时随着叶片数的提高，压比随之提高，做功能力越强，效率也随之提高，但导向叶轮稳定工作范围却随之缩小。因此设计导向叶轮选取了工作范围宽，压升能力强，且效率较高的叶片数量，即3片叶片。
本文采用NUMECA系列软件开展三维数值研究。进口采用轴向进气，给定总温总压（标准大气压101325Pa和288.15K），出口给定静压。
根据设计要求，对重要的2个工作状态进行计算。油气混合物中滑油占比较小，因此设定空气为计算介质。通风器工作环境温度变化较小，叶尖马赫数较小，设置为不可压缩流进行计算。
根据高转速轴流离心通风器导向叶轮关键参数研究结果，最终选择了2套方案进行对比分析，以高压比作为设计目标。图5的计算结果表明，方案1和方案2都具有较高的压比，最高压比值相当。在慢车状态下，方案1工作状态压比和效率高于方案2。结合最大状态和慢车状态导向叶轮性能，最终确定方案2为导向叶轮的最终方案。
图5 慢车状态特性图
结论
本文经过对超高转速轴流式离心通风导向叶轮气动设计的研究和分析，得出以下结论：
1）超高速轴流式离心通风器主要作用分为增压和导流，即增加油气混合气进入过滤介质的压力，减小油气混合器进入过滤介质的阻力，提高油气分离效率，降低轴承腔压力，保证封严有效性。
2）为增加油气混合气与过滤介质接触的有效面积，减小油气进入过滤介质带来的阻力，超高转速离心通风器导向叶轮出口气流角尽量保持在90°左右。
3）同转速下，随着气流弯角的增大，离心通风器导向叶轮的效率逐渐提高，但离心通风器导向叶轮的压比逐渐降低。在选取方案时，应选取压比较高、效率相对高的方案。
该通风器经过试验验证器适用于超高转速的工作环境，可以在高转速下取得较高的油气分离效率。
1 邵长浩，基于CFD的航空发动机离心通风器的优化设计研究.沈阳航空工业学院.2014.
2 韩金在，陈聪慧，徐让书.超高转速离心通风器压力损失仿真分析[A].第十四届推进系统气动热力学专业学术交流会及第一届航空发动机气动稳定性学术研讨会(期)：272～277.
3 刘长福，邓明.航空发动机结构分析[M].西安：西北工业大学，2006，345～346.
4 毛宏图，陈聪慧，胡兴海.航空发动机轴心通风装置结构优化及试验研究[A].中国航空学会.中国航空学会第十三届机械动力传输学术会议论文集[C]： 337～342.
5 舒士甄，朱力，柯玄龄.导向叶轮机械原理[M].北京：清华大学，2007，189～190.
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