航空發動機滑油泵氣塞的預防措施

李國權，黃 健

（1.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015；2.西北工業大學能源與動力學院，西安 710072）

1 引言

當滑油泵入口管路存在空氣時，滑油泵可能發生氣塞并導致不供油，進而造成航空發動機起動失敗。滑油泵產生氣塞的原因是在泵的入口有空氣且難以排出，泵出口阻力大，端面或徑向間隙過大而導致泵的效率低等。為此，在發動機滑油系統設計中，深入系統地了解滑油泵氣塞形成的原理及其預防措施是十分必要的。

2 滑油泵氣塞形成的原理

航空發動機滑油泵的功能簡單地說就是將滑油從油箱（或油池）抽出并送到各潤滑點（或油箱）。航空發動機的滑油泵一般都是容積式的，常用的有齒輪泵和轉子泵。容積式泵的特點是在泵前抽真空，在泵后將流體強制送出，當進口條件相同時，泵出口性能（流量）基本保持不變，泵后壓力取決于泵后阻力。滑油泵的性能，不但與滑油泵本身有關，還與其所處的系統有關。因此，需將滑油泵放在系統中來研究。滑油泵及其所處系統的簡化模型如圖1所示。當泵轉動時，泵進口的滑油或空氣被抽出至出口，在泵前形成負壓，油箱（或油池）內的滑油在壓力作用下，被送至泵的入口處，再經泵擠壓至出口，完成泵送過程。

但在發動機起動過程中（尤其是首次上臺運轉，滑油泵內間隙中無滑油或滑油很少），由于油箱液位較泵入口低，泵進口管路中存在空氣，也就是說，泵在起動過程中的工作介質是空氣（圖1），當泵起動后，泵前空氣被泵從入口送到出口，P2升高，P1降低，前者推動泵出口的氣體由當量噴嘴排出（設流量為Q1），后者使P0與P1之間形成壓差，使油池的油位沿管路上升補充入口管路被排出的部分體積（設補充流量為Q2），而P2與P1之間也形成壓差，使泵后空氣通過油泵間隙（徑向間隙、端面間隙、嚙合間隙）向泵前泄漏（設泄漏流量為Q3）,設泵的理論流量為Q，則

當泵后阻力小于P2時，P2就推動泵出口的空氣排出，Q1≠0,Q2≠0，泵前管路內的空氣被不斷排出，直至全部排出，這樣就完成了起動且未發生氣塞。

當泵后阻力大于P2時，P2就無法推動泵出口的空氣排出，Q1=0,此時有

也即泵的排量等于泵的泄漏量，泵的效率為0，空氣在泵內循環，氣塞形成。

從以上氣塞形成的原理可作如下分析。

滑油泵的氣塞形成與泵的泄漏流量Q3關系很大，而該泄漏都是通過泵的間隙（端面、徑向、嚙合間隙）形成，通常可歸結為縫隙流動。對該縫隙流動，吉林工程技術師范學院的陳英等人以齒輪泵為研究對象，對端面、徑向、嚙合間隙進行了深入研究，建立了齒輪泵的內泄漏模型，根據他們所建立的模型，對于端面泄漏量，與泵前、后壓差成正比，與流動介質的的動力黏度成反比，與端面間隙的3次方成正比，與轉速的平方成反比；而齒輪的徑向間隙泄漏量則與壓差、徑向間隙、齒寬、齒頂線速度有關，其中，壓差、徑向間隙、齒寬越大，泄漏量越大；線速度越大，泄漏量越小。當泵在進行滑油泵送時，由于泵內介質為滑油，滑油的黏度較大，泄漏量Q3相對較小，泵送過程可以正常進行；而當在起動初期，滑油泵泵送的是空氣，空氣黏度小，相對轉速較低，這些條件使泄漏量Q3相對較大，容易形成氣塞。

滑油泵氣塞的原理，還可通過數值模擬的方法加以證明。在本文第3節中，通過對某齒輪泵性能進行數值模擬，可以更清楚地看出，在特定條件下，滑油泵的出口流量為0，證明了氣塞的存在。

3 滑油泵氣塞的數值模擬

3.1 計算方法

計算使用商業軟件fluent，控制方程采用3維非定常N-S方程，湍流模型采用標準S-A一方程，壁面附近用標準壁面函數，基本方程求解用基于密度的求解方法，求解器用有限體積法。計算網格采用3棱柱非結構網格，根據齒輪泵的工作特點，泵體計算網格采用動網格技術來處理計算域隨時間變化問題，齒輪轉速通過自定義文件給定，泵體網格質量通過2個齒輪的嚙合過程不斷重構保證。

在給定進口總溫、進口總壓、進口速度方向與出口反壓的邊界條件下，通過改變出口反壓計算得到整個特性線。計算收斂條件為：進口和出口流量隨時間步呈現有規律的周期性變化。某點的收斂曲線如圖2所示。

在計算中，假定泵入口氣體為可壓縮的理想氣體。

3.2 計算對象

計算以某一普通齒輪泵為對象，計算模型外形如圖3所示，齒輪泵主要參數見表1。

表1 簡化齒輪泵主要參數

3.3 計算結果及分析

在計算中，設定流出控制體的流量為負值，流入控制體的流量為正值。在模擬出氣塞現象之后，分析齒寬和轉速對齒輪泵氣塞特性的影響。

不同齒寬的齒輪泵的氣塞特性如圖4所示，2條氣塞特性線分別是在2500 r/min轉速下模型1和模型2的計算結果。從圖中可見，對于不同齒寬的齒輪泵，隨著出口壓力的提高，出口截面的氣體流量逐漸減小，直至最后均出現倒流。當齒寬d=50 mm、流量為0時，出口壓力為113～114 kPa；當齒寬d=20 mm、流量為0時，出口壓力約為111 kPa。數據表明，隨著齒寬的增大，齒輪泵氣塞點的背壓變大。這說明在其他條件相同時，齒寬越大，越不易發生氣塞。這是因為泵的泄漏是通過端面、徑向和嚙合間隙而產生的，齒寬越大，泄漏量占整個性能的比例越小，越不容易發生氣塞。

不同轉速對齒輪泵氣塞特性的影響如圖5所示。采用模型2進行計算，轉速分別為2500、3500 r/min。結果表明，對于同一個齒輪泵，當轉速提高時，氣塞點的背壓顯著增大，這說明轉速越高，越不容易發生氣塞。

4 滑油泵氣塞的影響因素分析

通過對滑油泵氣塞的形成原理進行分析不難發現，氣塞形成的影響因素可從泵前、泵后及泵本身3方面總結：

（1）泵前管路中有空氣（形成氣塞的必要條件），且阻力較大；

（2）泵后阻力大，如泵后有單向活門、油濾、散熱器等附件或泵后管路過長等；

（3）油泵間隙（徑向、端面、嚙合間隙）較大，使泵的泄漏量Q3相對較大。

在航空發動機滑油系統中，氣塞通常發生在供油系統中，這是因為滑油箱位置通常比滑油泵的低，入口管路中存在空氣，即使滑油箱位置比滑油泵的高，為防止滑油箱中滑油的流出，吸油管通常也是向上彎曲，也即吸油管內在起動時肯定存在空氣，該部分空氣越多，管路阻力越大，形成氣塞的可能性越大；另外，在供油泵出口，通常有供油濾、單向活門等阻力元件，對于反向循環的滑油系統，還有阻力較大的散熱器存在，因此在供油路設計時，必須考慮氣塞的問題。對于回油系統，在反向循環的回油系統中，盡管入口管內同樣存在空氣，但一般回油泵出口阻力都很小，氣塞不易形成，在正向循環的回油系統中，由于回油泵后有散熱器存在，就不能不考慮此問題，某型發動機就設置了噴油桿，采取了由增壓泵向各級回油泵出口少量噴油的方法，如圖6所示。

5 結論

綜上所述，在發動機滑油系統設計中，通常可采取以下措施來防止氣塞的發生。

采用液位高于供油泵入口的高位油箱，可以保證滑油充滿滑油泵入口管，從而從根本上杜絕氣塞的發生。但是，在使用高位油箱時，需設計閥門以防止不工作時油箱內滑油流出。該措施一般用于地面燃氣輪機滑油系統設計。

對于滑油供油泵出口至噴嘴的流路中有單向活門等阻力元件的情況，可以采用泵出口放氣的措施，預防當泵進口有空氣發生氣塞的可能性。另外，對于起動次數較少的地面設備(燃氣輪機、試驗器等)，還可以通過在泵后人工放氣來解決在起動過程中的氣塞問題。

在起動前向泵內灌油和在起動初期向油泵入口噴油，使油泵間隙充滿滑油，增大泵內空氣泄漏阻力，從而減少空氣泄漏量。

在某些燃氣輪機的設計中，由于有輔助泵的存在，可以采用在在起動初期利用輔助泵向供油泵入口噴油的方法解決氣塞問題。由于滑油黏度較大，當滑油充滿油泵的內部泄漏間隙時，通過這些間隙回流的氣體大大減少，從而消除氣塞。

[1]蒲志理.航空油泵設計[M].北京：國防工業出版社，1983.

[2]陳英.外嚙合齒輪泵內泄漏理論模型的建立及參數優化[J].機床與液壓，2007,35(10):108-110.