某渦軸發(fā)動機軸承環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)試驗研究

覃經(jīng)文,2 曾廣樂 郭 暉 周 琳 馬壬聯(lián)

(1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所 湖南株洲 412002;2.中南大學(xué)機電工程學(xué)院 湖南長沙 410083)

航空發(fā)動機主軸軸承的常用潤滑方式有噴射潤滑、環(huán)下潤滑和噴管潤滑[1]，其中噴管潤滑主要用于軸間軸承潤滑。隨著現(xiàn)代航空發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，主軸軸承DN值(軸承內(nèi)徑與轉(zhuǎn)速的乘積)不斷提高[2]，在采用傳統(tǒng)的噴射潤滑方式下，潤滑油在離心力的作用下，難以進入軸承內(nèi)部，使?jié)櫥屠鋮s效果不佳[3]。為適應(yīng)高DN值軸承潤滑冷卻的需要，現(xiàn)代先進航空發(fā)動機的主軸軸承常采用環(huán)下潤滑方式。該方式從軸承內(nèi)圈下部向軸承供油，能極大地改善軸承的潤滑和冷卻效果，從而延長軸承的使用壽命[4]。

對于環(huán)下潤滑方式，噴嘴噴射的潤滑油，需要經(jīng)過收油結(jié)構(gòu)進行收集，然后供往軸承內(nèi)圈。根據(jù)收油方式的不同，可分軸向收油和徑向收油2種結(jié)構(gòu)形式。軸向收油是指噴嘴噴射的潤滑油，通過軸向設(shè)置的擋油壩收集，如圖1所示。徑向收油常指潤滑油經(jīng)過噴嘴后，沿與主軸垂直的平面噴出，再通過徑向集油環(huán)收集[5-6]，如圖2所示。采用軸向收油方式的環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)簡稱為軸向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)，采用徑向收油方式的環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)簡稱為徑向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)。

受環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)和空間的限制，噴嘴噴射的潤滑油不可能完全供往軸承內(nèi)圈，總有一部分飛濺、反射和流失[1]。在環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)中，將供往軸承內(nèi)圈的油量與噴嘴供油量的百分比，稱為供油效率。一般而言，軸向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)的供油效率大于90%，甚至接近100%；而徑向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)的供油效率則與徑向集油環(huán)的結(jié)構(gòu)、噴嘴孔徑和布置、供油壓力以及供油溫度等密切相關(guān),從相關(guān)文獻資料來看，供油效率一般在50%～70%[7-10]?？偟膩碇v，軸向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)的供油效率通常高于徑向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)，且其收油結(jié)構(gòu)更為簡單。

圖1 軸向收油結(jié)構(gòu)

圖2 徑向收油結(jié)構(gòu)

某型渦軸發(fā)動機的主軸軸承采用了軸向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)，系國內(nèi)研制渦軸發(fā)動機上首次采用該結(jié)構(gòu)，具有高轉(zhuǎn)速、高DN值、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。為驗證其軸向收油以及輸油結(jié)構(gòu)的有效性，需要針對軸承的環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)，開展供油效率試驗研究。本文作者針對某型渦軸發(fā)動機滾子軸承(以下簡稱某滾子軸承)的環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)，通過試驗研究了轉(zhuǎn)速、供油壓力、噴嘴與鎖緊螺母軸向距離等對供油效率的影響，驗證其軸向收油以及輸油結(jié)構(gòu)的有效性。

1 環(huán)下潤滑試驗件

某滾子軸承環(huán)下潤滑試驗件的轉(zhuǎn)子部分如圖3所示，主要由內(nèi)襯套轉(zhuǎn)接軸、鎖緊墊圈、軸承內(nèi)圈以及帶擋油壩的鎖緊螺母等組成。內(nèi)襯套轉(zhuǎn)接軸為軸承內(nèi)圈等提供安裝位置，同時與試驗轉(zhuǎn)接段驅(qū)動軸連接，為試驗件提供轉(zhuǎn)速；鎖緊螺母與鎖緊墊圈組成的結(jié)構(gòu)，將軸承內(nèi)圈壓緊，同時起到防松的作用。試驗件的環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)以及輸油流道尺寸參考發(fā)動機結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，軸向收油由帶擋油壩的鎖緊螺母實現(xiàn)，同時在內(nèi)襯套轉(zhuǎn)接軸以及軸承內(nèi)圈設(shè)置有輸油通道。

圖3 環(huán)下潤滑試驗件

如圖3所示，鎖緊螺母右側(cè)收油鉤子處直徑小于流道外徑，形成擋油壩結(jié)構(gòu)；噴嘴噴射的潤滑油流柱，通過內(nèi)襯套轉(zhuǎn)接軸與鎖緊螺母之間的環(huán)形縫隙進入擋油壩。試驗件高速運轉(zhuǎn)時，擋油壩內(nèi)的潤滑油受慣性離心力作用，由于擋油壩內(nèi)徑小于整個輸油通道的外徑，擋油壩處的離心勢能低，輸油通道處的離心勢能高，潤滑油優(yōu)先從離心勢能高的輸油通道結(jié)構(gòu)處流出。輸油通道內(nèi)的潤滑油繼續(xù)在離心力的作用下進入軸承內(nèi)圈，依次經(jīng)過滾子軸承內(nèi)圈上的軸向槽和徑向孔后從滾道表面甩出，從而實現(xiàn)由軸承內(nèi)圈下部向軸承供油[11]。

2 試驗方案

2.1 試驗原理

某滾子軸承環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)的供油效率試驗原理如圖4所示，試驗器為試驗件提供規(guī)定壓力pw、溫度tw和流量Q供的潤滑油，并提供可調(diào)的驅(qū)動轉(zhuǎn)速。通過在試驗件潤滑油進口處安裝齒輪流量計，測量供油流量Q供，并測量進入軸承滾道內(nèi)的潤滑油，從而得到環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)的供油效率。

圖4 試驗原理圖

試驗件的安裝、驅(qū)動、潤滑油流路以及測量示意如圖5所示。環(huán)下潤滑試驗件通過螺釘安裝到轉(zhuǎn)接段驅(qū)動軸上，試驗器動力源與轉(zhuǎn)接段驅(qū)動軸通過膜盤聯(lián)軸器連接，為試驗件提供轉(zhuǎn)速驅(qū)動，試驗件的旋轉(zhuǎn)方向與發(fā)動機上該滾子軸承的旋轉(zhuǎn)方向保持一致。試驗轉(zhuǎn)接段上設(shè)置有隔油板，將從軸承內(nèi)圈甩出的潤滑油與未收集的潤滑油分離開，隔油板與軸承內(nèi)圈間采用間隙配合防止碰磨。

圖5 潤滑油流路及測量示意圖

文中試驗測量的是未進入軸承的潤滑油流量Q1，再根據(jù)齒輪流量計測得供油流量Q供，得到進入軸承的潤滑油流量(Q供-Q1)，并根據(jù)公式(1)計算出整個環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)的供油效率η。

(1)

2.2 潤滑油的收集與測量

在供油效率試驗中，考慮到試驗件轉(zhuǎn)速高、需要計量的潤滑油溫度高，采用人工接油的方式存在安全隱患，因此研制了一套潤滑油自動收集與測量裝置。該裝置主要由電磁閥、儲油筒、高精度稱量模塊、潤滑油箱、電氣以及控制系統(tǒng)等組成，如圖6所示。儲油筒頂部和底部分別設(shè)置有電磁閥，控制潤滑油的進入與排放；高精度稱量模塊設(shè)置在儲油筒底部，通過上、下位機通訊能實時獲取儲油筒內(nèi)潤滑油的質(zhì)量，從而得到單位時間內(nèi)入口處潤滑油的質(zhì)量流量。經(jīng)校準(zhǔn)，該裝置的質(zhì)量檢測精度為±2 g。

使用該裝置對未進入軸承的潤滑油流量Q1進行收集與測量，既解決了安全隱患，又具有較高的試驗精度，能夠滿足供油效率試驗的要求。

圖6 潤滑油自動收集與測量裝置

2.3 試驗方案

根據(jù)相關(guān)文獻資料和研制經(jīng)驗來看，環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)的供油效率與轉(zhuǎn)速、滑油供油參數(shù)、噴嘴結(jié)構(gòu)以及布置情況等密切相關(guān)[8-10]。其中，滑油供油參數(shù)包括供油壓力、供油溫度和供油流量，噴嘴結(jié)構(gòu)包括噴嘴孔徑、長徑比等，噴嘴的布置情況包括噴嘴數(shù)目、噴射角度、軸向和徑向位置等。

由于轉(zhuǎn)速和潤滑油供油參數(shù)與發(fā)動機的狀態(tài)相關(guān)，在發(fā)動機正常工作條件下，潤滑油供油溫度范圍一般為80～130 ℃，對于常用的潤滑油而言，在上述供油溫度范圍內(nèi)噴嘴的供油流量隨溫度的變化較小。對于給定的噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸，噴嘴的供油流量與供油壓力正相關(guān)。受發(fā)動機軸承腔結(jié)構(gòu)的影響，環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)對于噴嘴的軸向位置比較敏感，噴嘴相對于擋油壩的軸向位置直接影響噴嘴噴射的潤滑油進入擋油壩結(jié)構(gòu)?？紤]到發(fā)動機冷態(tài)下尺寸鏈的公差累積影響，以及熱態(tài)下轉(zhuǎn)子軸向竄動的影響，噴嘴相對于擋油壩的軸向位置與理論設(shè)計值的差異較大。

綜上，基于給定的噴嘴結(jié)構(gòu)和噴嘴布置，文中試驗主要研究發(fā)動機典型工況下的轉(zhuǎn)速、供油壓力對供油效率的影響，以及噴嘴軸向位置對供油效率的影響。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 轉(zhuǎn)速、供油壓力對效率的影響

為獲得某滾子軸承環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)在發(fā)動機典型工況下的供油效率，在不同的工作轉(zhuǎn)速、供油壓力、供油流量條件下進行試驗。試驗件轉(zhuǎn)速采用發(fā)動機燃氣渦輪轉(zhuǎn)子典型工況下的轉(zhuǎn)速，保持供油溫度tw為(90±5)℃不變，調(diào)節(jié)噴嘴的供油壓力pw分別為(0.14±0.02)、(0.3±0.02)、(0.5±0.02) MPa，獲得供油壓力下的試驗件供油流量Q供。通過試驗測量得到未進入軸承的潤滑油流量Q1，并根據(jù)公式(1)計算相應(yīng)的供油效率。為保證試驗精度，要在每個狀態(tài)穩(wěn)定運行2 min后測量潤滑油流量。

試驗中，觀察圖7測量油路中儲油筒上方的電磁閥出口潤滑油流動狀況，在轉(zhuǎn)速從0逐步上升到典型工況轉(zhuǎn)速的45%的過程中，進入儲油筒內(nèi)的潤滑油逐漸減少，說明隨著轉(zhuǎn)速的上升，離心力增大，從軸承內(nèi)圈甩出的潤滑油增多，未進入軸承的潤滑油減少，供油效率逐步上升。

圖7 試驗裝置

不同轉(zhuǎn)速及供油壓力下的供油效率試驗結(jié)果如圖8所示，試驗件在不同轉(zhuǎn)速、供油壓力下的供油效率均大于95%，最高供油效率接近99%。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于典型工況轉(zhuǎn)速的45%時，供油效率隨轉(zhuǎn)速的變化較小。

圖8 不同轉(zhuǎn)速及供油壓力下試驗件的供油效率

供油壓力0.5 MPa時，各轉(zhuǎn)速下的供油效率低于供油壓力0.14、0.3 MPa時的供油效率，供油效率差值為3%左右。這是因為，隨著供油壓力的升高，潤滑油流速增加，潤滑油流柱的發(fā)散也越嚴(yán)重，進入擋油壩內(nèi)的潤滑油減少，因而供油效率下降。

3.2 噴嘴軸向位置對效率的影響

航空發(fā)動機在冷態(tài)條件下，受零件公差累積影響，噴嘴與帶擋油壩的鎖緊螺母間的軸向距離，與設(shè)計狀態(tài)的理論值存在偏差。航空發(fā)動機在熱態(tài)工作狀態(tài)下，受熱態(tài)變形的影響，噴嘴與鎖緊螺母間的軸向距離也會隨之發(fā)生變化。綜合考慮冷態(tài)和熱態(tài)工作狀態(tài)，某滾子軸承噴嘴與鎖緊螺母之間的軸向距離與理論值可能會存在2 mm的上偏差。

為驗證軸向距離對某滾子軸承環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)供油效率的影響，通過增加供油盤與供油管之間的調(diào)整墊(如圖5所示)，改變噴嘴與鎖緊螺母間的軸向距離，從而實現(xiàn)入射點位置的調(diào)整。

如表1所示，試驗件狀態(tài)一表示設(shè)計狀態(tài)的理論位置，入射點位于擋油壩內(nèi)側(cè)；狀態(tài)二在狀態(tài)一基礎(chǔ)上，軸向距離增加了2 mm，入射點位于擋油壩處；狀態(tài)三在狀態(tài)一基礎(chǔ)上，軸向距離增加了3.5 mm，入射點位于擋油壩外側(cè)。3種狀態(tài)的試驗件，在不同轉(zhuǎn)速、供油壓力下的供油效率試驗結(jié)果分別如圖9—11所示。

表1 試驗件狀態(tài)

圖9 不同轉(zhuǎn)速下3種試驗件狀態(tài)的效率(0.14 MPa)

圖10 不同轉(zhuǎn)速下3種試驗件狀態(tài)的效率(0.3 MPa)

圖11 不同轉(zhuǎn)速下3種試驗件狀態(tài)的效率(0.5 MPa)

從圖9—11可以看出，3種狀態(tài)的試驗件在發(fā)動機典型工作轉(zhuǎn)速、供油壓力下，供油效率都在90%以上，且供油效率隨供油壓力的升高而降低，隨轉(zhuǎn)速的變化則較小。試驗件狀態(tài)一的供油效率最高，試驗件狀態(tài)二次之，試驗件狀態(tài)三的供油效率明顯低于狀態(tài)一和狀態(tài)二。潤滑油流柱與內(nèi)襯套轉(zhuǎn)接軸碰撞的入射點位置由擋油壩內(nèi)側(cè)向外側(cè)移動時，試驗件的供油效率呈現(xiàn)出降低的趨勢，這主要是由于入射點位于擋油壩外側(cè)，一部分潤滑油在與轉(zhuǎn)接軸碰撞后在離心力作用下飛濺甩出，并未進入擋油壩內(nèi)側(cè)，從而導(dǎo)致整個環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)的供油效率下降。

4 結(jié)論

通過在不同轉(zhuǎn)速、供油壓力、噴嘴軸向位置狀態(tài)下，對某型機主軸軸承環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)開展供油效率試驗研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)軸向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)的供油效率隨供油壓力的增加而降低；

(2)在進行軸向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡量保證發(fā)動機工作狀態(tài)下的入射點位置位于擋油壩內(nèi)側(cè)；

(3)在發(fā)動機設(shè)計要求的轉(zhuǎn)速、供油壓力下，研究的某滾子軸承環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)的供油效率均大于90%，最高供油效率大于95%，滿足設(shè)計要求。