航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

李新 周麗 丁秀萍

摘 要：滑油系統(tǒng)是保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)正常工作必不可少的部分，隨著中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，滑油系統(tǒng)的研究也不斷深入，在元部件設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)整合和健康監(jiān)視方面的自行研制上都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分類(lèi)總結(jié)，并闡述了未來(lái)先進(jìn)滑油系統(tǒng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：滑油系統(tǒng)；在線(xiàn)監(jiān)視；健康管理；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

Abstract：Oil system is essential to guarantee the aeroengine mechanical transmission system to work properly. With the development of the aeroengine of China， the research of oil system becomes more effective. The progress in self-developed components design， subsystem design， system integration and health monitoring has been considerable. In this paper the present developing situation and the future trend of aeroengine oil system is conducted.

Key words：oil system；on-line monitoring；health management；aeroengine

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，其工作條件十分苛刻，需要經(jīng)受高轉(zhuǎn)速、高溫、高壓的考驗(yàn)。由于軸承轉(zhuǎn)速高，并處于發(fā)動(dòng)機(jī)中心，結(jié)構(gòu)緊湊，潤(rùn)滑與隔熱、散熱條件較差，出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)、磨損、積炭和支承座裂紋等故障的幾率較高，需要滑油系統(tǒng)潤(rùn)滑和冷卻航空發(fā)動(dòng)機(jī)各承力和傳動(dòng)部件，所以滑油系統(tǒng)的性能和工作的可靠性直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和可靠性[ 1 ]。

長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的研究主要偏重壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪這三大部件，忽視了對(duì)滑油系統(tǒng)的研究工作，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難以滿(mǎn)足現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，已成為限制高性能發(fā)動(dòng)機(jī)研制與發(fā)展的瓶頸。

近年來(lái)，隨著中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面的發(fā)展，中國(guó)學(xué)者對(duì)滑油系統(tǒng)的研究也越來(lái)越深入，從元部件的設(shè)計(jì)[ 2 ]、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)整合和在線(xiàn)監(jiān)視等方面進(jìn)行了深入研究，滑油系統(tǒng)的研制得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

1 滑油系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.1 對(duì)元部件的研究

航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的關(guān)鍵元部件包括供/回油泵、燃滑油散熱器、油氣分離機(jī)構(gòu)等。

1.1.1供/回油泵

主要功能為發(fā)動(dòng)機(jī)軸承和傳動(dòng)部分潤(rùn)滑油的輸送和抽回，一般為容積式齒輪泵，目前常采用的為外嚙合齒輪泵或內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子泵。

一般的研究方法為理論分析及CFD數(shù)值計(jì)算，通過(guò)已知供、回油系統(tǒng)邊界條件來(lái)計(jì)算泵的性能，主要著眼的問(wèn)題為齒輪泵的汽蝕現(xiàn)象和高空性能等。

1.1.2燃滑油散熱器

主要功能是冷卻滑油，使滑油溫度保持在正常范圍，同時(shí)加熱燃油。目前普遍采用管殼式散熱器。一般的換熱性能計(jì)算方法有效率-傳熱單元法、平均溫差法、單位溫差換熱量性能曲線(xiàn)簇法和基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的改進(jìn)方法等。

文獻(xiàn)[3]采用無(wú)量綱關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行了管殼式燃滑油散熱器換熱特性的計(jì)算，能較好吻合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)管殼式燃滑油散熱器的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證提供了新方法。

1.1.3油氣分離機(jī)構(gòu)

主要功能是把工作過(guò)的滑油中的氣體分離出來(lái)，降低滑油中的氣體含量，保證滑油系統(tǒng)安全可靠地工作，目前常用的為離心式油氣分離器。一般的研究方法為特性試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬，研究重點(diǎn)為分離機(jī)構(gòu)的油氣分離效率和流阻特性。

1.2 對(duì)系統(tǒng)的研究

滑油系統(tǒng)按不同分類(lèi)方法可分為多種類(lèi)別，適用于不同需求：

1.2.1按滑油循環(huán)方式使用分類(lèi)

可分為開(kāi)式系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)，其中循環(huán)系統(tǒng)又可分為單回路系統(tǒng)、雙回路系統(tǒng)和短循環(huán)系統(tǒng)，相較于單回路系統(tǒng)，雙回路系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于大部分滑油在主回路循環(huán)，加速滑油預(yù)熱，減小啟動(dòng)阻力，同時(shí)可以提高增壓泵前壓力，提升系統(tǒng)高空性能，而短循環(huán)系統(tǒng)不僅具有雙回路系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并且由于帶氣泡的回油不經(jīng)滑油箱，有利于滑油箱的小型化。

1.2.2按滑油散熱器的安裝位置分類(lèi)

可分為正向循環(huán)系統(tǒng)和反向循環(huán)系統(tǒng)。正向循環(huán)時(shí)散熱器安裝在回油路中，通常要求散熱器前有性能良好的油氣分離器，反向循環(huán)時(shí)散熱器安裝在供油路中，此時(shí)滑油箱為熱油箱設(shè)計(jì)[4]，有利于油氣分離。

1.2.3按滑油流量是否可調(diào)節(jié)分類(lèi)

可分為調(diào)壓式系統(tǒng)和全流式系統(tǒng)，二者區(qū)別在于是否安裝有調(diào)壓活門(mén)，調(diào)壓式系統(tǒng)中供油壓力被調(diào)壓活門(mén)限制在一定范圍內(nèi)，全流式系統(tǒng)能在不用減壓活門(mén)的情況下在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達(dá)到要求的滑油流量。

1.2.4組合式

組合式滑油系統(tǒng)一般為開(kāi)式與循環(huán)式相結(jié)合，工作在高溫負(fù)荷的摩擦組件采用開(kāi)式潤(rùn)滑，工作過(guò)的高溫變質(zhì)滑油直接排出機(jī)外。

此外，滑油系統(tǒng)由通風(fēng)、供油和回油三個(gè)子系統(tǒng)組成，各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同工作也是研究的重點(diǎn)，主要目標(biāo)是通過(guò)降低通風(fēng)量、降低供油量，從而減輕機(jī)械系統(tǒng)重量。

1.3 對(duì)高溫潤(rùn)滑劑的研究

高溫潤(rùn)滑劑能夠有效避免熱區(qū)軸承腔內(nèi)的滑油結(jié)焦與著火，熱區(qū)軸承腔、軸承、支座等的熱防護(hù)和隔熱可以精簡(jiǎn)，有利于減少冷卻空氣量、減少滑油流量、減輕整體機(jī)械系統(tǒng)重量，所以高溫潤(rùn)滑劑也是滑油系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。

美國(guó)IHPTET計(jì)劃中對(duì)高性能潤(rùn)滑劑的研究作了明確規(guī)劃，制定了高溫潤(rùn)滑油規(guī)范MIL-L-27502和MIL-L-87100，制定了新型潤(rùn)滑劑主要熱性能指標(biāo)：主體滑油氧化溫度330℃，熱安定性510℃，自燃溫度649℃，并成功研制出了符合MIL-PRE-7808L標(biāo)準(zhǔn)的第三級(jí)和第四級(jí)滑油，能承受較高溫度和不結(jié)焦，已在推重比10發(fā)動(dòng)機(jī)F119上應(yīng)用。

我國(guó)對(duì)高溫潤(rùn)滑劑是在俄羅斯BT301的基礎(chǔ)上開(kāi)始研制，其基礎(chǔ)為氟硅油，抗高溫潤(rùn)滑劑為含鐵元素添加劑，鐵含量約為0.017～0.022%，此外還有抗泡劑、抗磨劑等添加劑，針對(duì)高性能滑油的研究，中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所立項(xiàng)，歷經(jīng)8年研究的KXY-31的Ⅲ型潤(rùn)滑油主體溫度達(dá)到250～260℃，各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)全面達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平。

1.4 對(duì)健康監(jiān)視的研究

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)的發(fā)展，滑油系統(tǒng)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方面的作用越來(lái)越大，并作為整機(jī)健康監(jiān)測(cè)的重要組成部分得到深入研究。

滑油健康監(jiān)視系統(tǒng)（ODMS）分為地面和機(jī)載兩部分，上世紀(jì)末英國(guó)、意大利、西班牙和德國(guó)在EuroFighter Ground Support System研究項(xiàng)目中以EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)為背景開(kāi)發(fā)了地面和機(jī)載監(jiān)視系統(tǒng)并取得了成功，近年來(lái)又開(kāi)展了一系列針對(duì)滑油系統(tǒng)的攻關(guān)計(jì)劃，如2001-2011年歐洲開(kāi)展的ATOS（Advanced Transmission and Oil System）計(jì)劃和2011年至今開(kāi)展的ELUBSYS（Engine Lubrication System Technology）計(jì)劃，這些計(jì)劃旨在獲得更佳性能的滑油系統(tǒng)以及滑油健康監(jiān)視系統(tǒng)。

機(jī)載健康監(jiān)視需建立在滑油系統(tǒng)建模仿真的基礎(chǔ)上。國(guó)外先后研制并開(kāi)發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)軟件和分析軟件，如美國(guó)NASA的SSME，GFSSP和FloModl等。

國(guó)內(nèi)也有相關(guān)學(xué)者針對(duì)滑油系統(tǒng)仿真分析作了研究，文獻(xiàn)[5]介紹了劉振俠等開(kāi)發(fā)的滑油系統(tǒng)通用分析軟件，采用流動(dòng)換熱的網(wǎng)格算法建立了供油、回油系統(tǒng)模型。

文獻(xiàn)[6]介紹了郁麗等給出的滑油系統(tǒng)軸承腔壓的計(jì)算方法，為通風(fēng)系統(tǒng)的仿真計(jì)算提供了參考。

文獻(xiàn)[7]介紹了朱鵬飛等建立的滑油系統(tǒng)流動(dòng)與換熱仿真平臺(tái)，為供油、回油系統(tǒng)的仿真計(jì)算提供了參考。

2 滑油系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展方向

2.1 緊湊式設(shè)計(jì)

滑油系統(tǒng)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括大量的功能部件、管路和向各功能附件提供動(dòng)力的附件傳動(dòng)系統(tǒng)，為了適應(yīng)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)不斷提高的推重比要求，滑油系統(tǒng)需要降低自身復(fù)雜度、減輕重量并提高工作可靠性。

2.1.1緊湊型滑油散熱器

通過(guò)改進(jìn)換熱面材料從而提高換熱效率以及緊湊化設(shè)計(jì)制造，能有效減小散熱器的體積和重量，有利于滑油系統(tǒng)減重。

2.1.2超高轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)部件

超高轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)部件主要為超高轉(zhuǎn)速的滑油泵、油氣分離器和通風(fēng)器，通過(guò)提高這些旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速，能夠減小這類(lèi)部件的體積和重量，有利于滑油系統(tǒng)的減重。

2.1.3小型部件及附件機(jī)匣的一體化設(shè)計(jì)

該型設(shè)計(jì)可以節(jié)省空間將滑油箱等附件安排在附件機(jī)匣側(cè)面，減少各附件間的連接管路，避免了復(fù)雜的管路連接，增強(qiáng)滑油系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性。

2.1.4多功能部件設(shè)計(jì)

將功能具有相關(guān)性的部件進(jìn)行集成，如帶油氣分離裝置的高速滑油泵、油濾堵塞機(jī)械和電信號(hào)復(fù)合式指示器、溫度和壓力復(fù)合式傳感器等，能夠減少部件數(shù)量，有利于滑油系統(tǒng)的減重。

2.2 高溫潤(rùn)滑油

先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)需采用冷空氣環(huán)繞軸承腔、熱區(qū)熱防護(hù)與隔熱等措施來(lái)改善熱區(qū)過(guò)熱的問(wèn)題，但這樣增加了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的重量和冷卻空氣量[ 8 ]，同時(shí)滑油流量也很大，加大了滑油系統(tǒng)組件的重量，而采用了高溫潤(rùn)滑油，則可以使得滑油溫度容限提高、循環(huán)量減小，有利于改善以上問(wèn)題，且滑油循環(huán)量的減小有利于滑油組件的緊湊、輕量化設(shè)計(jì)。美國(guó)IHPTET計(jì)劃的第Ⅲ階段任務(wù)要求研制出能夠承受360℃的液體潤(rùn)滑劑。

2.3 精確的數(shù)值仿真

精確的數(shù)值仿真既是緊湊式滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是健康監(jiān)視的基礎(chǔ)。

精確的數(shù)值仿真能夠從系統(tǒng)整體的角度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到滑油系統(tǒng)緊湊化、輕量化的目的。在確保軸承及齒輪可靠潤(rùn)滑和冷卻的前提下，盡可能減小滑油循環(huán)量，從而降低相關(guān)系統(tǒng)部件的性能要求，從而達(dá)到緊湊化設(shè)計(jì)的目的。

滑油系統(tǒng)軸承、齒輪生熱的精確建模計(jì)算以及軸承腔氣液兩相流流動(dòng)與換熱的精確計(jì)算，能夠改善軸承腔隔熱措施不合理的情況，進(jìn)而避免滑油的焦化與著火，同時(shí)也能減小密封空氣量。此外在精確數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上開(kāi)展系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)也可以一定程度減小系統(tǒng)重量。

精確的數(shù)值仿真能夠得到各類(lèi)工況下滑油系統(tǒng)各類(lèi)測(cè)點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算值作為健康監(jiān)視的依據(jù)，在線(xiàn)監(jiān)視系統(tǒng)能夠通過(guò)傳感器實(shí)際測(cè)得的滑油溫度、壓力和碎屑[ 9 ]等情況來(lái)判斷滑油系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、軸承的工作狀態(tài)，有助于及時(shí)、迅速地檢測(cè)到轉(zhuǎn)子軸承故障和滑油系統(tǒng)故障的發(fā)生[ 10 ]；診斷系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷故障部位和嚴(yán)重程度，進(jìn)而有效地對(duì)故障進(jìn)行隔離，避免故障進(jìn)一步惡化及其帶來(lái)的損失，同時(shí)對(duì)簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)維修步驟，縮短查找維修時(shí)間，能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)維修、維護(hù)成本，具有較大的工程意義和價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)查閱大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，對(duì)國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，闡述了其未來(lái)的發(fā)展方向，主要?dú)w納為以下3點(diǎn)：

1）進(jìn)行部件緊湊化設(shè)計(jì)的研究，通過(guò)減輕部件重量、減小部件體積來(lái)適應(yīng)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高推重比要求；

2）進(jìn)行高溫潤(rùn)滑油的研究，為部件的緊湊化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)；

3）進(jìn)行精確數(shù)值仿真的研究，提高滑油系統(tǒng)的效用，為其健康監(jiān)視及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的健康監(jiān)視奠定基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：李新（1981-），女，漢族，山東鄄城人，博士研究生，工程師，主要研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)。