某型發(fā)動機滑油通風節(jié)流嘴流量-阻力特性試驗研究

田文正，李國權，杜紅軍，邢俊

（1.沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015；2.中國人民解放軍65181部隊，沈陽112611）

1 引言

某型發(fā)動機后軸承腔在軸間采用了2處篦齒密封，在高壓差狀態(tài)下，該密封的空氣泄漏量較大，常需要對軸承腔增壓來減少密封壓差，以減少壓差的方法來減少軸承腔的通風量，為此后軸承腔采用節(jié)流通風的設計[1]，即：將后軸承腔由密封漏入的氣體通過渦輪后機匣的支板引出，并與前、中腔的通風管匯合，在匯合前設置節(jié)流嘴，以便對后軸承腔增壓，以減少后軸承腔密封的壓差，進而達到減少后腔通風量的目的。為此，在發(fā)動機驗證機試車前，需確定不同通徑尺寸節(jié)流嘴在不同通風量下的阻力特性，以便確定發(fā)動機首次上臺時合適的節(jié)流嘴尺寸，并為發(fā)動機試車后的調試提供試驗依據(jù)，保證發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的正常工作。合適的節(jié)流嘴尺寸可通過計算獲得，但傳統(tǒng)的空氣動力學理論僅能計算純空氣工況條件下的阻力特性，而軸承腔油氣混合條件下的節(jié)流嘴阻力特性需通過試驗獲得。

本文對該型發(fā)動機可能使用的8種尺寸的節(jié)流嘴進行了流量-阻力特性試驗。在試驗中，對試車狀態(tài)下軸承腔中的流體介質進行了模擬，并與常溫及高溫下的干空氣介質進行了試驗比較；還根據(jù)空氣動力學原理，給出了估算發(fā)動機通風腔節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)下質量流量和體積流量的公式，并據(jù)此給出了在工程計算中初步估算所需節(jié)流嘴通徑的方法。

2 氣流壅塞理論

根據(jù)氣體動力學理論，節(jié)流通風系統(tǒng)可近似為1維定常可壓縮的變截面管流。當氣流處于臨界和超臨界狀態(tài)時，節(jié)流管路截面上的氣流Ma=1，通過節(jié)流管路截面的氣流速度等于聲速，通過節(jié)流嘴的質量流量達到最大值，此時的狀態(tài)即為壅塞狀態(tài)。氣流壅塞原理如圖1所示，在圖中，P*為節(jié)流嘴進口氣流總壓，T*為總溫，P0為出口的背壓，近似為大氣壓力。不考慮氣體的黏性和與外界的熱交換，節(jié)流管路中的流動為理想的絕能等熵流動。在這種情況下，流路截面面積變化是引起流動參數(shù)變化的主要原因。亞聲速氣流在收縮管路中速度最大只能達到當?shù)芈曀伲闯隹诮孛嫔系臍饬鱉a最大只能達到1，此時流量達到最大值。根據(jù)空氣系統(tǒng)的計算結果，選擇合適尺寸的節(jié)流嘴，達到軸承腔增壓的目的，同時減少后腔的通風量。

根據(jù)壅塞狀態(tài)下氣流的總溫、總壓、通流面積以及氣流的相關物性即可計算出相應質量流量。壅塞狀態(tài)下的質量流量為

其中

對于空氣：

壅塞狀態(tài)下的體積流量可按式（6）進行計算。測得氣流的溫度即可計算得到當?shù)芈曀伲鶕?jù)通流面積計算出相應體積流量。

3 試驗件及試驗設備

3.1 試驗件

試驗中的節(jié)流嘴結構形式與驗證機的一致，其直徑分別為6、7、8、9、10、11、12、13mm，共8種試驗件。

3.2 試驗設備

為滿足試驗要求，對滑油系統(tǒng)附件試驗器進行了系統(tǒng)改造，試驗方案如圖2所示。該系統(tǒng)包括可加溫空氣系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)以及節(jié)流通風管路系統(tǒng)。整個系統(tǒng)為全封閉結構，通過流量計后的空氣僅有1個出口，即通風腔節(jié)流嘴。

3.2.1 空氣系統(tǒng)

空氣系統(tǒng)流路為：氣源→試驗室進氣接口→流量計→空氣加溫器→摻混箱。

空氣由氣源經(jīng)試驗室接口管路進入系統(tǒng)，為本試驗管路系統(tǒng)空氣的惟一來源；在空氣加溫前設置2個渦街流量計，可以測量整個系統(tǒng)的空氣流量。通過手動調節(jié)安裝在渦街流量計入口前的閥門，調節(jié)空氣系統(tǒng)的流量。

空氣加溫器采用1組不銹鋼管作為加熱電阻，空氣流經(jīng)高溫不銹鋼管被加熱，同時空氣帶走不銹鋼管的熱量，維持其長時間的空氣加溫能力。根據(jù)以往使用情況反饋，該加溫器結構簡單，功率可以滿足試驗空氣加熱任務；當空氣流量過低時，熱量不能及時散失，不銹鋼管不易熔斷。針對加溫器的加溫特點，試驗時可以采用先通空氣后加溫的方法，加溫幅度不宜過大。

3.2.2 滑油系統(tǒng)

滑油系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，耐壓油箱→截止閥→供油泵→摻混箱→回油泵→耐壓油箱。

耐壓油箱是試驗用油的儲藏容器，考慮本試驗在高壓狀態(tài)下進行，對此采用壓力容器設計。

供油泵與回油泵為1電機帶動的泵組。

3.2.3 油氣混合系統(tǒng)

油氣混合系統(tǒng)的主要部件是摻混箱（模擬軸承腔）。摻混箱是空氣與滑油的交匯處，是試驗中油霧發(fā)生器，其工作原理如圖3所示，其實物外形如圖4所示。

油氣混合氣體流路：摻混箱→試驗節(jié)流管路→大氣。

耐壓油箱內的滑油在滑油泵組增壓泵的壓力作用下，從滑油噴嘴噴入摻混箱，與來自空氣加溫器的高溫空氣進行摻混后形成油氣混合氣體。為了使油霧霧化充分，可以調節(jié)滑油油路的旁路閥門以及摻混箱上設置的氣體分配閥門，使之符合試驗所需油霧的標準，同時記錄旁路壓力表讀數(shù)。在各項試驗中均保持該讀數(shù)，這樣可保持每次試驗的油霧狀況一致，使試驗具有可比性，在摻混箱中未形成的油霧的大顆粒滑油經(jīng)回油泵抽回至滑油箱。

4 試驗結果分析

共對8種試驗件分別進行了3種狀態(tài)下的試驗，試驗介質分別是室溫干空氣、加溫空氣（空氣加溫度至200℃）、油氣摻混混合氣體（空氣加溫至200℃，滑油系統(tǒng)供回油比1∶4）。本次試驗所用流量計因溫度使用限制設在了空氣加溫器前，所測流量為未加溫壓縮氣體體積流量，將經(jīng)過加溫器和摻混箱的過程近似為1個加溫過程，氣體流動過程中略有壓力損失，試驗中測量了摻混箱中的壓力。可利用氣體狀態(tài)方程式（7）將未加溫壓縮氣體體積流量換算為摻混箱中的狀態(tài)所對應的體積流量。根據(jù)式（6）計算得到各節(jié)流嘴在各狀態(tài)下壅塞流量的體積流量理論值（計算結果見表1）。3種試驗狀態(tài)下的各節(jié)流嘴特性曲線如圖5～7所示。

分析本次試驗數(shù)據(jù)得出以下規(guī)律。

（1）在室溫空氣介質狀態(tài)下，尺寸較小的φ6、φ7節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)試驗測得流量與理論值相當；尺寸較大的φ8～φ 13節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)流量較理論值偏小；并且隨通徑越大，較理論值偏小量越大。

（2）在加溫空氣和油氣摻混2種介質狀態(tài)下，尺寸較小的φ6、φ7、φ9節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)試驗測得流量較理論值偏大；φ9～φ11節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)流量與理論值相當；尺寸較大的φ12、φ13節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)流量較理論值偏小。

（3）各通徑節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)下對應的摻混箱壓力隨節(jié)流嘴通徑的增大而降低。

表1 各通徑節(jié)流嘴不同介質壅塞狀態(tài)理論流量

（4）油氣摻混工況下與同等溫度的干空氣工況下各節(jié)流嘴壅塞特性相差不大，可以采用理論公式進行節(jié)流嘴壅塞流量的估算。

（5）利用泄漏量軟件可得到發(fā)動機臺架狀態(tài)下理論泄漏量，可換算為相應狀態(tài)下的體積流量；根據(jù)各節(jié)流嘴壅塞特性曲線，選擇相應體積流量下達到壅塞狀態(tài)的節(jié)流嘴作為發(fā)動機驗證機首次試車前選擇安裝的節(jié)流嘴，并根據(jù)發(fā)動機試車情況調整更換其它通徑的節(jié)流嘴。

（6）可根據(jù)空氣系統(tǒng)計算得到的發(fā)動機各狀態(tài)下軸承腔密封壓力、氣流溫度，利用空氣系統(tǒng)泄漏量計算軟件計算得理論泄漏量為q，根據(jù)式（8）估算所需節(jié)流嘴的

通徑

例如：某型發(fā)動機在臺架狀態(tài)下，后軸承腔密封壓力P*，氣流溫度T*，利用泄漏量計算軟件計算得理論泄漏量為q。將各參數(shù)代入上式可計算節(jié)流嘴的通徑。估算結果與試驗所得結論吻合。

5 結論

（1）在油氣摻混工況下與同等溫度的干空氣情況下各節(jié)流嘴壅塞特性相差不大，可以采用理論公式進行節(jié)流嘴壅塞流量的估算；工程估算時發(fā)動機節(jié)流通風系統(tǒng)節(jié)流嘴壅塞狀態(tài)質量流量可按式（1）進行計算，壅塞狀態(tài)體積流量可按式（6）進行計算。

（2）根據(jù)空氣系統(tǒng)計算得到的軸承腔封嚴壓力、氣流溫度以及理論泄漏量，可以采用式（8）估算所需節(jié)流嘴的通徑。

[1] 航空發(fā)動機設計手冊編委會.航空發(fā)動機設計手冊（第12分冊）：傳動及潤滑系統(tǒng)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.