航空發(fā)動機(jī)主軸軸承潤滑與冷卻技術(shù)研究

王振嶺，葛泉江，林國昌

（1.海軍駐沈陽導(dǎo)彈專業(yè)軍事代表室，沈陽110015；2.中國人民解放軍駐哈軸集團(tuán)公司軍事代表室，哈爾濱150036；3.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)主軸軸承一般為超輕或特輕型單列向心滾動軸承，轉(zhuǎn)速或DN值較高，發(fā)熱量較大，為了確保滾動軸承能在較長時(shí)間內(nèi)可靠工作，必須對其進(jìn)行合理地潤滑（以油潤滑為主）與冷卻。

潤滑與冷卻是2個(gè)相互聯(lián)系的不同概念。潤滑可使具有相對運(yùn)動（包括滾動和滑動）的2個(gè)接觸固體表面之間形成薄膜，能防止表面磨損并減小摩擦系數(shù)、減少發(fā)熱量，是延長軸承壽命的必要保障措施。冷卻可以確保軸承在較低溫度條件下工作，控制軸承溫度場狀態(tài)，防止軸承卡死，同樣起到使軸承壽命延長和可靠性提高的作用。對于轉(zhuǎn)速較低、發(fā)熱量較少的軸承，可以只進(jìn)行潤滑不進(jìn)行冷卻；對于轉(zhuǎn)速較高、發(fā)熱量或外端傳入熱量較多的軸承，在進(jìn)行潤滑的同時(shí)還要進(jìn)行冷卻。所以，潤滑是確保軸承可靠工作的必要條件，冷卻則是延長軸承壽命和提高軸承可靠性的重要手段。

本文從航空發(fā)動機(jī)主軸軸承潤滑油的選用、供油方式、供油壓力和潤滑油流量的確定、噴嘴及潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面來研究潤滑與冷卻的技術(shù)問題。

1 潤滑油的選用

航空發(fā)動機(jī)使用的滑油分為2大類：石油基潤滑油（簡稱礦物油）和合成基潤滑油（簡稱合成油）。礦物油是以碳?xì)浠衔餅橹饕煞值木哂卸喾N不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的烴類混合物，為早期的發(fā)動機(jī)和活塞式發(fā)動機(jī)使用。合成油的基礎(chǔ)油是單一的純物質(zhì)或同系混合物，其分子結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比礦物油中的烴類具有更大程度的適應(yīng)性，所以具有特殊的使用功能，其氧化安定型、耐熱安定性及抗結(jié)焦沉積性等均遠(yuǎn)好于一般礦物油的。隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，合成油得到了越來越廣泛地應(yīng)用。

在98.9℃時(shí)，合成油的運(yùn)動黏度分為3、4、5、7.5 mm2/s等。合成油按使用溫度分為Ⅰ型油（-54～165℃，國內(nèi)已發(fā)展了改良Ⅰ型油，-54～177℃；Ⅰ1/2～Ⅱ型油，-50～205℃）；Ⅱ型油（-40～220℃）；Ⅲ型油（-18～260℃）（國內(nèi)正研制Ⅱ1/2～Ⅲ型油，-40～260℃）；Ⅳ型油（16～315℃）。

發(fā)動機(jī)選用哪種型號的潤滑油主要根據(jù)正常潤滑工作狀態(tài)渦輪支點(diǎn)軸承可控制的溫度上限確定。滑油黏度越大，軸承的壽命越長，但高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)熱量也越大、冷卻效果也越差；此外，潤滑油自身的各種性能與軸承工作條件也存在是否更加匹配的問題，所以主軸軸承轉(zhuǎn)速、載荷等其他工作條件也是潤滑油選用時(shí)要考慮的重要因素。

2 供油方式和壓力的確定

航空發(fā)動機(jī)主軸軸承的潤滑方式主要有噴射供油、環(huán)下供油、噴管供油和葉輪供油等。常用的供油方式是噴射和環(huán)下供油。

噴射供油是將滑油噴嘴對準(zhǔn)軸承套圈（或擋邊）與保持架內(nèi)徑（如圖1所示）或外徑表面之間的徑向間隙，以一定的噴射速度向軸承內(nèi)腔噴油。噴射供油效率較低，對軸承內(nèi)圈潤滑冷卻不利，但實(shí)施結(jié)構(gòu)簡單，在早期的發(fā)動機(jī)和俄羅斯發(fā)動機(jī)中應(yīng)用較為普遍；環(huán)下供油效率較高，對軸承各件潤滑冷卻均勻，但實(shí)施結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在近期美、英發(fā)動機(jī)中應(yīng)用更為普遍。由于二者特點(diǎn)不同，孰優(yōu)孰劣都是相對的，使用哪種供油方式要根據(jù)發(fā)動機(jī)實(shí)際情況確定。一般而言，前者主要適用于轉(zhuǎn)速較低、主軸傳入熱量較少的軸承；后者主要適用于轉(zhuǎn)速較高、主軸傳入熱量較多且軸承腔空間較充裕的軸承。在結(jié)構(gòu)空間允許的情況下優(yōu)先采用環(huán)下潤滑，當(dāng)DN≥2.5×106時(shí)，必須采用環(huán)下潤滑。

噴射供油需要克服轉(zhuǎn)動套圈和保持架、滾動體旋轉(zhuǎn)時(shí)帶起的渦流油氣團(tuán)阻力才能將滑油供入軸承內(nèi)腔，所以其供油壓力不能低于一定數(shù)值。隨著轉(zhuǎn)速的提高，供油壓力也應(yīng)相應(yīng)增大。軸承DN＝106mm·（r/min）時(shí)，最小供油壓力約為0.25 MPa，對應(yīng)的滑油噴射速度約為18 m/s。

環(huán)下供油是指滑油由噴嘴噴出，由集油套收集（有時(shí)還需輸油槽輸送），通過軸承內(nèi)圈上的徑向孔，靠離心力甩入軸承內(nèi)腔。環(huán)下供油是靠離心力將滑油甩入軸承內(nèi)腔的，只要軸承轉(zhuǎn)速不低于某一數(shù)值（DN＝0.3×106mm·（r/min）），進(jìn)入集油套的滑油就能全部進(jìn)入軸承內(nèi)腔。環(huán)下供油對供油壓力沒有明確要求，但對集油套和軸承內(nèi)圈供油孔的尺寸和數(shù)量有一定要求。通常情況下，軸承內(nèi)圈供油孔截面面積之和不小于噴嘴噴孔面積的5倍；集油套供油孔截面面積之和不小于噴嘴噴孔面積的6～8倍。如圖2所示。

噴管供油是指滑油先經(jīng)噴嘴噴射到集油套等再通過細(xì)小的管子流入軸承，或直接通過細(xì)小的管子流入軸承。噴管供油僅適用于對轉(zhuǎn)速較低的主軸軸承或附件傳動軸承供油，對滑油壓力要求不高，只要保證流量即可，如圖3所示。葉輪供油是指滑油由噴嘴沿與主軸垂直的平面噴出，被與主軸同心的徑向葉輪收油裝置收集，再沿軸向輸送到軸承內(nèi)圈環(huán)下進(jìn)入軸承內(nèi)腔。葉輪供油是將噴射和環(huán)下供油相結(jié)合的供油方式，滑油以一定速度和角度從噴嘴中噴出射入收油環(huán)葉輪之間的縫隙，葉輪沿收縮方向轉(zhuǎn)動將滑油收入葉根部位，再由軸向油槽將滑油輸入到軸承一端，滑油從開槽的軸承內(nèi)圈被甩入軸承內(nèi)腔。其優(yōu)點(diǎn)是能對軸承腔空間不夠充裕的軸承進(jìn)行環(huán)下供油，并能減小軸承內(nèi)圈尺寸，但其對葉輪的葉片葉型設(shè)計(jì)要求較高，一般供油效率較低。葉輪供油的供油壓力和噴嘴設(shè)計(jì)要求與噴射供油的相同，其收油裝置的流道和供油孔設(shè)計(jì)要求與環(huán)下供油設(shè)計(jì)相近，如圖4所示。

3 滑油流量的確定

航空發(fā)動機(jī)主軸軸承的工作特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、DN值大、載荷多變和溫度環(huán)境復(fù)雜，所以各支點(diǎn)軸承發(fā)熱量普遍較多，應(yīng)使用潤滑油對軸承進(jìn)行冷卻和調(diào)節(jié)軸承溫度場。

確定滑油流量時(shí)，首先假定軸承自身發(fā)熱量全部被滑油帶走。軸承發(fā)熱量可采用軸承熱分析軟件計(jì)算，也可按式（1）估算，軸承發(fā)熱量引起滑油溫度升高值按式（2）計(jì)算

式中：Q1為軸承發(fā)熱量，W；D為軸承內(nèi)徑，mm；N為軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速，r/min；C為軸承額定動負(fù)荷，N；η為滑油動力黏度，Pa·s；F為軸承當(dāng)量負(fù)荷，N；ΔT為溫度升高值，℃；ρ為滑油密度，kg/L；Q為滑油流量，L/min；CP為滑油定壓比熱容，J/(kg·℃)。

計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)軸承尺寸、轉(zhuǎn)速、承載能力、滑油黏度和假定的流量、當(dāng)量負(fù)荷用式（1）估算Q1，再用式（2）計(jì)算ΔT。將ΔT與預(yù)期的滑油溫度升高值對比；重新假定滑油流量，計(jì)算Q1和ΔT。如此循環(huán)迭代計(jì)算，直至前后2次計(jì)算的ΔT差值滿足精度要求。

由于預(yù)期的滑油溫度升高值通常為1個(gè)區(qū)間值（如20～30℃），一般只需要迭代2～3次就可以確定滑油流量。由于軸承所在支點(diǎn)位置不同，則外端傳入的熱量就不同，從發(fā)動機(jī)進(jìn)氣端到排氣端各支點(diǎn)軸承所需的滑油流量應(yīng)在上述計(jì)算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分別乘以1～5倍的系數(shù)，具體系數(shù)取值應(yīng)根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)和試車效果確定。此外，如果軸承內(nèi)、外圈溫度差較大，需要對溫度較高的套圈進(jìn)行單獨(dú)冷卻，這部分滑油流量不在上述計(jì)算的流量之內(nèi)，其數(shù)值主要根據(jù)試車效果確定。

4 噴嘴和潤滑冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 噴射供油

噴嘴流量確定后，噴孔直徑為

式中：d為噴孔直徑，cm；γ為滑油密度，g/cm3；Δp為供油壓力，N/cm2；μ為流量系數(shù)，一般μ=0.60～0.73。

每個(gè)噴孔直徑不應(yīng)小于0.8 mm，但也不宜過大。當(dāng)需要大流量時(shí)，可設(shè)置多個(gè)噴孔。為保證滑油噴出后不發(fā)散，噴孔長徑比不小于3，噴孔柱面粗糙度不大于，出口邊緣應(yīng)保持銳邊。

航空發(fā)動機(jī)主軸冷端軸承可在一側(cè)設(shè)置1個(gè)噴嘴，熱端軸承應(yīng)在兩側(cè)分別設(shè)置1個(gè)或多個(gè)噴嘴。在結(jié)構(gòu)空間允許時(shí)，噴孔軸線應(yīng)對準(zhǔn)軸承套圈（擋邊）與保持架內(nèi)徑或外徑表面的間隙中間，且與套圈軸線成5°～10°的夾角。單噴嘴應(yīng)安裝在相對垂直中心線與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)相反方向一側(cè)30°～45°的位置。

4.2 環(huán)下供油

環(huán)下供油結(jié)構(gòu)包括噴嘴、集油套、輸油槽及軸承內(nèi)圈上的徑向孔，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使收油效率最高。

對于設(shè)置在軸端的軸承，當(dāng)集油套空間允許時(shí)，盡量將噴嘴置入集油套腔內(nèi)，并在噴嘴內(nèi)部流道內(nèi)設(shè)置控制滑油流量的節(jié)流孔，而將噴孔設(shè)計(jì)成較大截面的卸壓孔，以便降低滑油噴射速度，避免滑油反射飛濺。這樣可使收油效率達(dá)到100%。如果1個(gè)噴嘴同時(shí)給多個(gè)軸承供油，由內(nèi)部流道內(nèi)的節(jié)流孔控制總滑油流量，各軸承流量的分配比例通過改變卸壓噴孔的大小調(diào)整。

對于設(shè)置在軸中間的軸承，或雖設(shè)置在軸端但集油套空間較小時(shí)，軸承的環(huán)下供油往往借助集油套實(shí)現(xiàn)，此時(shí)的噴嘴設(shè)計(jì)方法與噴射供油的噴嘴設(shè)計(jì)方法相似，但對噴孔要求不嚴(yán)。流量較大時(shí)噴嘴應(yīng)設(shè)計(jì)成沿圓弧分布的多噴孔，以減小滑油損失。噴嘴噴孔應(yīng)對準(zhǔn)集油套與主軸的間隙中間，并與主軸中心線成10°～15°的夾角，以防止滑油反射出集油套間隙。噴嘴位置應(yīng)使噴孔與集油套端面距離保持在10 mm左右。

集油套的設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮：（1）擋油是防止滑油在工作狀態(tài)下沿軸向溢出；（2）分油能精準(zhǔn)地將各軸承所需的滑油分配給各軸承；（3）排油能及時(shí)地將分配給各軸承的滑油全部供到軸承內(nèi)腔；（4）與主軸同步旋轉(zhuǎn)，與主軸剛性連接在一起；（5）內(nèi)部應(yīng)設(shè)置油泥沉淀區(qū)和集油錐角；（6）輸油槽的通道截面應(yīng)設(shè)計(jì)成圓弧型，滑油通道應(yīng)暢通、光滑、無節(jié)流，表面粗糙度應(yīng)不大于

軸承內(nèi)圈徑向孔可設(shè)置在內(nèi)圈滾道與擋邊的拐角處，也可設(shè)置在擋邊引導(dǎo)面上，或者2處同時(shí)開孔。軸承轉(zhuǎn)速較高時(shí)，內(nèi)圈滾道與擋邊的拐角處必須設(shè)置油孔；軸承轉(zhuǎn)速較低時(shí)，可以只在擋邊引導(dǎo)面上開孔；內(nèi)外圈同時(shí)旋轉(zhuǎn)的軸間軸承采用環(huán)下供油時(shí)，最好在上述2處同時(shí)開孔，開孔數(shù)量比例根據(jù)套圈相對轉(zhuǎn)向確定，同向旋轉(zhuǎn)可按1∶1，反向旋轉(zhuǎn)可按2∶1。內(nèi)圈油孔大小和數(shù)量根據(jù)滑油流量和內(nèi)圈轉(zhuǎn)速確定。

4.3 葉輪供油

根據(jù)滑油流量要求和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，初步設(shè)計(jì)葉輪式徑向收油裝置的葉片葉型、傾斜與扭轉(zhuǎn)角度、尺寸大小（內(nèi)徑、外徑）、葉片數(shù)量、工作面粗糙度等葉輪結(jié)構(gòu)和軸向輸油槽、輸出縫隙和軸承內(nèi)圈油槽的結(jié)構(gòu)，再結(jié)合Fluent軟件平臺建立可行的葉輪式徑向收油裝置分析模型，施加相應(yīng)的初始條件和邊界條件，形成CFD計(jì)算模型，分別計(jì)算在各種條件下的葉輪收油效率、軸向油槽輸油效率、輸出縫隙和軸承油槽的阻力等性能參數(shù)，并綜合上述因素進(jìn)行耦合分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果計(jì)算結(jié)果不夠理想，調(diào)整上述設(shè)計(jì)參數(shù)重新計(jì)算，直至設(shè)計(jì)參數(shù)滿足供油效率的理論要求。

采用葉輪供油方式時(shí)，對噴嘴的噴射速度、油流發(fā)散角度等都有一定要求，該種噴嘴與噴射供油的設(shè)計(jì)相同。

葉輪式徑向收油裝置設(shè)計(jì)加工完畢后，還應(yīng)進(jìn)行供油效率試驗(yàn)。如果試驗(yàn)結(jié)果合理，則確定設(shè)計(jì)方案；如果試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相差較大，則要調(diào)整設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

4.4 噴流供油

噴流供油對滑油壓力和流速都沒有嚴(yán)格要求，也不受噴射方向和發(fā)散度的限制，所以，該方式設(shè)計(jì)簡單，只需根據(jù)滑油流量要求確定噴管的直徑和數(shù)量，再根據(jù)供油位置確定噴管位置和長度、走向等。

5 結(jié)束語

綜上所述，潤滑油的選用是主軸軸承潤滑冷卻技術(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要根據(jù)軸承工作溫度范圍確定；供油方式的選用和潤滑冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確保主軸軸承溫度場變化趨于穩(wěn)定的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)主要根據(jù)發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求和軸承工作條件確定；滑油流量和供油壓力與軸承溫度環(huán)境、供油方式有關(guān)，是控制軸承溫度上限的有效手段，同時(shí)也要考慮潤滑系統(tǒng)供油能力和軸承DN值的影響；噴嘴設(shè)計(jì)主要根據(jù)滑油流量和供油方式進(jìn)行。航空發(fā)動機(jī)主軸軸承潤滑冷卻技術(shù)設(shè)計(jì)的上述問題，是主軸軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須注意的幾個(gè)相互依存的技術(shù)環(huán)節(jié)，是確保主軸軸承合理應(yīng)用的必要技術(shù)手段，也是保證主軸軸承最大限度地發(fā)揮作用的必要條件。

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