某型發(fā)動機潤滑供油系統(tǒng)流量仿真分析

蘇媛媛，毛福榮，路　彬

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所航空發(fā)動機動力傳輸航空科技重點實驗室，沈陽110015）

某型發(fā)動機潤滑供油系統(tǒng)流量仿真分析

蘇媛媛，毛福榮，路彬

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所航空發(fā)動機動力傳輸航空科技重點實驗室，沈陽110015）

為加快某型發(fā)動機的研制進度，保證其可靠工作，以現(xiàn)有發(fā)動機成熟潤滑系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行潤滑系統(tǒng)改進設(shè)計。為評估供油系統(tǒng)工作情況，利用英國流體系統(tǒng)仿真軟件Flow master對供油系統(tǒng)進行部件級和系統(tǒng)級流量仿真分析。重點對系統(tǒng)中調(diào)壓活門和調(diào)壓差活門的溢流特性、壓力與流量的關(guān)系進行仿真分析，得到滿足系統(tǒng)循環(huán)量要求的調(diào)節(jié)量，根據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)各處噴嘴和節(jié)流嘴尺寸提出改進建議，包括調(diào)整前軸承腔8處噴嘴尺寸和附件機匣節(jié)流嘴尺寸等。

供油系統(tǒng)；潤滑系統(tǒng)；壓力差；流量；仿真分析；溢流特性；活門；航空發(fā)動機

0　引言

潤滑系統(tǒng)的主要功能是向航空發(fā)動機主軸軸承、接觸式密封裝置、中央傳動齒輪、轉(zhuǎn)接齒輪箱和附件傳動機匣的齒輪及軸承提供用于潤滑及冷卻的滑油［1-3］。隨著航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展和研制進度的需要，采用網(wǎng)格計算法，將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和腔室分解成有相應(yīng)原件和節(jié)點組成的網(wǎng)格，用有限的元件和不同的流動介質(zhì)類型描述各種結(jié)構(gòu)的潤滑系統(tǒng)，得出潤滑系統(tǒng)在發(fā)動機各飛行狀態(tài)下的溫度、壓力分布及各噴嘴的滑油流量分配比例等參數(shù)［4］。這種方法不僅取代了部分試驗調(diào)試工作，縮短了研制周期，減少了研制費用，而且得到了詳細的流體系統(tǒng)信息，對滑油系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。

為加快某型發(fā)動機的研制進度，保證其可靠工作，以現(xiàn)有發(fā)動機成熟潤滑系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行改進設(shè)計，選用現(xiàn)有的滑油泵組，因其供油流量大于系統(tǒng)循環(huán)量。故在潤滑系統(tǒng)供油流路中設(shè)置調(diào)壓活門，使多余滑油通過調(diào)壓活門溢流回滑油箱。為確定調(diào)壓活門溢流特性與供油系統(tǒng)各處流量和壓力是否滿足要求，需對供油系統(tǒng)進行流量仿真分析［5-8］。

英國流體系統(tǒng)仿真軟件Flowmaster是當(dāng)今全球最為著名的熱流體系統(tǒng)仿真軟件，以其高效的計算效率、精確的求解能力、便捷快速的建模方法而廣泛應(yīng)用［9］。南昌航空大學(xué)李靜等利用Flowmaster軟件對航空發(fā)動機內(nèi)部的供油潤滑冷卻系統(tǒng)的流量分配和壓力分布問題進行計算［10］，吉林大學(xué)楊純輝等對4G6發(fā)機潤滑系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)建立了潤滑系統(tǒng)1維仿真計算分析模型［11］。

本文利用Flowmaster軟件對某型發(fā)動機潤滑供油系統(tǒng)進行了部件級和系統(tǒng)級仿真分析。重點對系統(tǒng)中調(diào)壓活門和調(diào)壓差活門的溢流特性、壓力與流量的關(guān)系進行仿真分析。通過計算，對供油系統(tǒng)工作進行評估，對滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出改進建議，為設(shè)計、調(diào)試和試驗提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1　供油系統(tǒng)概述

潤滑供油系統(tǒng)如圖1所示。供油系統(tǒng)基本流程為：滑油箱→滑油泵組增壓級→燃滑油散熱器→滑油濾→噴嘴（節(jié)流嘴）→冷卻和潤滑部位。由于滑油泵組供油能力大于驗證機所需油量，需從供油路引出1條溢流路與總回油路匯合后通入油箱。溢流量由設(shè)置在溢流管路的調(diào)壓活門調(diào)節(jié)，確保供油能力與需求油量平衡。

圖1　供油系統(tǒng)

2　計算方法和步驟

本文采用Flowmaster軟件開展供油系統(tǒng)流量仿真分析。首先模擬部件級試驗的壓力和流量，根據(jù)處于設(shè)計狀態(tài)下的各部位滑油流量的需求調(diào)整各滑油噴嘴結(jié)構(gòu)。用得到的各部件結(jié)構(gòu)合并建模，模擬滑油供油系統(tǒng)的系統(tǒng)級試驗過程，進而得到發(fā)動機整機試車過程或關(guān)注的工作狀態(tài)下滑油供油系統(tǒng)的供油特性［12～15］。仿真計算過程如圖2所示。

3　建模

Flowmaster軟件建模的算法特點是將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與腔室分解成由相應(yīng)元件和節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，用有限的元件和不同的流動介質(zhì)類型描述各種結(jié)構(gòu)的內(nèi)流系統(tǒng)。將滑油系統(tǒng)中的真實元件（如各種管、突擴、突縮、漸擴、漸縮、彎頭、3通和閥門等）直接轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)元件，組成了Flowmaster網(wǎng)絡(luò)模型。

圖2　仿真計算過程

3.1部件級試驗?zāi)Ｐ?/p>

為滿足軸承腔各處供油量需求，建立前軸承腔、后軸承腔供油油路試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3、4所示，模型中包括軸承腔供油管路、節(jié)流嘴和噴嘴等元件，根據(jù)軸承腔滑油噴嘴流量試驗要求，各軸承腔供油壓力為250 kPa，因此采用恒壓源供油，噴嘴出口壓力為軸承腔壓力。

圖3　前腔滑油供油油路試驗?zāi)Ｐ?/p>

圖4　后腔滑油供油油路試驗?zāi)Ｐ?/p>

3.2系統(tǒng)級試驗?zāi)Ｐ?/p>

以部件級試驗?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，建立系統(tǒng)級試驗?zāi)Ｐ腿鐖D5所示，補充從滑油泵組、調(diào)壓差活門、調(diào)壓活門、附件機匣和轉(zhuǎn)接齒輪箱處節(jié)流嘴、以及各處連接管路的相關(guān)模型?；捅媒M模型采用恒流源，噴嘴出口壓力為各腔腔壓。

圖5　供油系統(tǒng)流量模型

4　計算結(jié)果及分析

4.1部件級仿真結(jié)果分析

按照滑油噴嘴流量檢查要求，為滿足前腔各處供油量需求，建立前腔供油油路試驗?zāi)Ｐ?，根?jù)設(shè)計尺寸計算得出各處噴嘴流量不滿足要求的情況，對各處噴嘴尺寸進行修改和仿真計算，計算結(jié)果及改進建議見表1。

表1　前腔各噴嘴改進尺寸流阻特性計算

按照滑油噴嘴流量檢查說明，為滿足后腔供油量8～9 L/min的要求，建立后腔供油油路試驗?zāi)Ｐ停玫胶筝S承腔節(jié)流嘴K、后軸承腔H、I2處噴嘴的孔徑及仿真流量值，見表2。

表2　后腔節(jié)流孔及噴嘴尺寸及流量計算值

4.2系統(tǒng)級仿真結(jié)果分析

某型發(fā)動機潤滑系統(tǒng)循環(huán)量在發(fā)動機地面設(shè)計點狀態(tài)的需求為33.3～39.9 L/min，供油壓差要求為0.23～0.35 MPa。

在調(diào)壓活門和調(diào)壓差活門調(diào)節(jié)量不同的情況下，總供油路壓力和流量，調(diào)壓活門和調(diào)壓差活門的溢流量見表3。調(diào)壓活門和調(diào)壓差活門的溢流特性、總供油壓力及流量的關(guān)系分別如圖6、7所示。從表3和圖6、7中可見，調(diào)壓活門對系統(tǒng)供油流量和供油壓力影響較大，而調(diào)壓差活門的影響較小。通過調(diào)整調(diào)壓活門和調(diào)壓差活門，系統(tǒng)供油流量和供油壓力可以滿足使用要求。

表3　活門溢流特性及總供油流量和壓力

為保證系統(tǒng)各處供油量需求，某型發(fā)動機潤滑系統(tǒng)共設(shè)置6處節(jié)流嘴，按照發(fā)動機不同的試驗狀態(tài)，分析潤滑系統(tǒng)仿真結(jié)果，得到總供油路供油壓力、調(diào)壓活門溢流量和各處供油流量，根據(jù)各處供油流量需求和計算結(jié)果，對節(jié)流嘴尺寸進行修正。保證供油系統(tǒng)滿足發(fā)動機試驗要求。

圖6　調(diào)壓活門特性

圖7　調(diào)壓差活門特性

在調(diào)壓活門和調(diào)壓差活門均外擰8扣的情況下，總供油路流量與系統(tǒng)循環(huán)量相當(dāng)，供油壓力為0.32 MPa，供油壓差為0.25 MPa，在該狀態(tài)下，各處供油流量及供油壓力見表4。

表4　各處供油流量及供油壓力

從表中可見，在該狀態(tài)下，除附件機匣供油量偏少外，其余各部分供油量均滿足要求。因此對附件機匣供油節(jié)流嘴進行修改，計算結(jié)果見表5。

表5　改進節(jié)流嘴后各處供油流量及供油壓力

5　總結(jié)

利用英國流體系統(tǒng)仿真軟件FLOWMASTER對某型發(fā)動機潤滑供油系統(tǒng)進行了部件級和系統(tǒng)級仿真分析。通過計算，對滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出改進建議。

（1）前軸承腔共有8處噴嘴需調(diào)整，其中主軸承和后密封3處噴嘴需擴孔0.15 mm，主軸承彈支1處噴嘴需縮孔1 mm，中央傳動齒輪2處噴嘴需擴孔0.4 mm，中央傳動軸承2處噴嘴需擴孔1 mm；

（2）得到后軸承腔噴嘴和節(jié)流嘴尺寸，以及流量值；

（3）附件機匣節(jié)流嘴尺寸需調(diào)整，擴孔0.5 mm。

進行供油系統(tǒng)仿真計算，對供油系統(tǒng)工作情況進行評估。通過調(diào)整調(diào)壓活門和調(diào)壓差活門，系統(tǒng)總供油量和供油壓力滿足要求，通過調(diào)整各處節(jié)流嘴尺寸，前軸承腔、后軸承腔、附件機匣、轉(zhuǎn)接齒輪箱等各處供油流量和供油壓力滿足使用要求。

［1］《航空發(fā)動機設(shè)計手冊》總編委會.航空發(fā)動機設(shè)計手冊：第5冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2002：399-538. Aeroengine Design Manual Editorial Board.Aeroengine design manual：5th ablum［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2002：399-538.（in Chinese）

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（編輯：栗樞）

Analysis of Flow Simulation on an Aeroengine Lubrication System

SU Yuan-yuan，MAO Fu-rong，LU Bin
（Key Laboratory for Power Transmission Technology of Aeroengine，AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

In order to accelerate aeroengine development and ensure reliable operation，the lubrication system is improved based on the existing engine lubrication system.In order to evaluate working conditions of fuel supply system using Flowmaster software，the flow simulation analysis of fuel supply system on componment level and system level was performed.The simulation analysis of overflow and pressure-flow relationship about pressure regulating valve and differential pressure valve was performed.The amount of regulation to meet requirements of the system cycle was obtained.According to simulation results，the suggestion for improvement of nozzle and orifice size was put forward，including eight nozzle sizes on forward bearing cavity and orifice sizes on accessory gearbox.

fuel supply system；lubrication system；pressure differential；flux；simulation anaylsis；overflow characteristic；valve；aeroengine

V 228.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.01.014

2015-06-12

蘇媛媛（1984），女，工程師，從事航空發(fā)動機機械系統(tǒng)設(shè)計工作；E-mail：ianleelj@qq.com。

引用格式：蘇媛媛，毛福榮，路彬.某型發(fā)動機潤滑供油系統(tǒng)流量仿真分析［J］.航空發(fā)動機，2016，42（1）：70-74.SU Yuanyuan，MAO Furong，LU Bin.Analysis offlowsimulation on an aeroengine lubrication［J］.2016，42（1）：70-74.