大涵道比渦扇發動機滑油流量中斷工作要求與試驗方法分析

雷友鋒，王 海，宣建光

（復雜航空系統仿真重點實驗室，北京 100076）

大涵道比渦扇發動機滑油流量中斷工作要求與試驗方法分析

雷友鋒，王 海，宣建光

（復雜航空系統仿真重點實驗室，北京 100076）

基于G JB 241A-2010、JSSG-2007B等國內外軍用標準規范，分析了航空發動機滑油流量中斷工作能力通用要求以及試驗驗證通用要求。針對大涵道比渦扇發動機，分析指出其使用特點與戰斗機發動機有明顯差異，其滑油流量中斷工作能力要求不能直接照搬軍用標準的相關規定。根據運輸機發動機的使用特點分析，借鑒國外航空發動機的相關技術經驗，提出了大涵道比渦扇發動機的滑油流量中斷工作能力要求以及滑油流量中斷試驗的程序與方法。

航空發動機；大涵道比渦扇發動機；滑油流量中斷

0 引言

滑油系統是航空發動機不可缺少的關鍵系統，它直接實現對發動機高速旋轉部件軸承的潤滑散熱。滑油系統的性能直接影響發動機的安全性、可靠性、維修性和使用成本。由于滑油系統的復雜性以及發動機使用環境的復雜性，要求滑油系統工作絕對可靠是不現實的。飛機可能由于損壞、機動飛行、格斗損傷或不正確的維護而出現滑油流量中斷的問題。因此，要求航空發動機在滑油流量中斷期間以及中斷之后還應具有一定的工作能力，并且在新型航空發動機研制中需要對此進行試驗驗證。中國的GJB 241A-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》、美國的JSSG-2007B《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發動機聯合使用規范指南》等標準中都對發動機滑油流量中斷的工作能力和試驗驗證提出了明確要求。但是，在具體發動機型號應用時仍存在一定問題，尤其是對于大涵道比渦扇發動機，因其使用特點與戰斗機發動機相比有明顯差別。例如，在某型大涵道比渦扇發動機研制中，先后開展了2次滑油流量中斷試驗，由于試驗要求、程序不當，致使2次試驗均告失敗，并且造成2臺發動機損壞，影響和損失重大。

本文針對大涵道比渦扇發動機滑油流量中斷工作要求和試驗方法進行分析研究。

1 航空發動機滑油流量中斷的工作要求

1.1 發動機滑油流量中斷工作要求的內容

GJB 241A-2010中對“發動機滑油流量中斷”的具體要求：在不向滑油泵進口供油情況下，發動機能以中間推力工作30 s，在此滑油中斷期間及以后的工作期間，對發動機無有害影響。并能在無潤滑油情況下，在30%中間推力狀態下附加工作5～30 min，且沒有抱軸現象。其中，第1句是針對瞬時斷油情況的要求，第2句是針對永久斷油情況的要求。

1.2 發動機滑油流量中斷工作要求提出的依據

GJB 241A-2010中對“滑油流量中斷”的要求是參考美國標準MIL-E-5007E《航空渦噴渦扇發動機通用規范》（1983年發布）、JSSG-2007B（2007年發布）提出的。其中MIL-E-5007E中只有上述第1句的要求，JSSG-2007B中補充了第 2句的要求，但JSSG-2007B中是在附錄的指導性內容中給出的。另外，根據JSSG-2007B中的指導性說明，上述要求只針對固定翼飛機發動機，對于直升機發動機，第2句要求變為“對于渦軸發動機，發動機應能在75%最大連續功率狀態下，失去所有供到軸承油池的滑油時，至少工作6 min，隨后恢復潤滑后在75%最大連續功率狀態下工作30 min。”

1.3 發動機滑油流量中斷工作要求提出的原因

根據JSSG-2007B中的說明，在戰場環境中，給飛行員脫離任何受威脅的境地和進入更有生存力的環境是最主要的目標之一。飛機可能由于損壞、機動飛行、格斗損傷或不正確的維護而出現滑油流量中斷情況，所以必須規定滑油流量中斷期間的工作能力。在為了跑出敵區、開始將發動機停下來或做任何其他必需動作等所規定的時間期間，發動機必須在沒有滑油的情況下滿意地工作。大多數戰斗機發動機還應具有多次瞬時滑油流量中斷而不損壞的能力。因此，需要對發動機提出滑油流量中斷期間的工作能力要求。

從上述要求可見，發動機滑油流量中斷工作要求包括2項內容：（1）要求發動機能夠經受瞬時的滑油流量中斷，滑油流量中斷期間以及恢復供油后，對發動機的正常工作不產生有害影響；（2）在滑油流量中斷不再恢復供油或滑油完全耗盡情況下，發動機還能夠在30%中間推力狀態下工作5～30 min，而不發生抱軸現象。

第1項要求是因為，飛機機動飛行時可能會出現短暫的滑油流量中斷，例如，機動飛行中經歷瞬間的零、負過載時，就有可能中斷滑油供給。飛機正常機動飛行出現滑油流量中斷的時間極短，隨后即恢復供油。大多數戰斗機發動機應能承受多次這樣的瞬時滑油流量中斷，而不會產生有害影響。

第2項要求是因為，由于損壞、格斗損傷或不正確的維護可能會造成滑油流量中斷，所以需要規定發動機在滑油流量中斷情況下的持續工作能力，以便給飛行員提供最大自救能力的各種機會。在無潤滑情況下，應允許發動機繼續工作以維持飛機繼續飛行，否則飛機就會毀壞。滑油流量中斷后，在30%中間推力狀態下附加工作5～30 min而不發生抱軸的要求，是為了使飛機能飛出格斗損傷可能再現的重防區，或者使飛行員有必要的時間和飛行空間采取適當措施。

1.4 對發動機滑油流量中斷工作要求的分析

1.4.1 發動機滑油流量瞬時中斷工作要求

滑油流量瞬時中斷時間30 s應理解為是1個推薦值，主要適用于戰斗機/攻擊機用發動機，對于運輸機、轟炸機用發動機可根據使用任務載荷重新確定可能引起滑油流量瞬時中斷的時間。GJB/Z 216A 《GJB241A-2010航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范使用指南》中就給出這樣的說明。另外，前蘇聯研制并在世界范圍廣泛使用的АЛ-31Ф系列發動機滑油流量瞬時中斷時間規定值不超過15 s。

根據JSSG-2007B的說明，滑油流量瞬時中斷后恢復供油的隨后發動機工作能力評價，應在中間狀態工作3 min，總工作時間達到30 min。在中間狀態下工作3 min對飛機恢復到繼續交戰的高度和速度是足夠的，對于戰斗機，在滑油流量瞬時中斷又重新恢復之后要求仍能夠繼續投入戰斗。而30 min工作時間通常對從可能發生戰斗損壞的惡劣區域撤離是足夠的。

1.4.2 發動機滑油流量永久中斷工作要求

滑油流量永久中斷后，能在30%中間推力狀態下工作5～30 min而不發生抱軸現象，這是適度的范圍要求，其中5 min是給飛行員采取必要措施的時間（發動機外部輸送易燃液體管路、接頭和附件的耐火時間5 min也是出于這種考慮），30 min通常可以使飛機從可能發生戰斗損壞的惡劣區域撤出。發動機無滑油工作的能力越強，飛行員和飛機獲救的可能性就越大，但過長的時間要求又會帶來發動機潤滑系統設計上的技術難度和成本增加。“30%中間推力”的中間推力是指海平面的中間狀態推力。對發動機來說，30%海平面中間推力，溫度和轉子推力載荷較低，能夠使軸承工作較長時間，并且典型的戰斗機/攻擊機能在中等高度以低于30%海平面中間推力維持飛行。

上述30%中間推力狀態以及5～30 min的時間要求也應理解為是推薦值。例如，美國F119發動機的相應要求為“在空中慢車狀態下工作5 min”，英國斯貝MK202發動機的相應要求是“在空中慢車狀態下工作30 min”；再如，JSSG-2007B中背景材料指出，某海軍直升機用渦軸發動機在滑油中斷供給后在75%最大連續功率狀態下工作4.5 min發生軸承損壞，不能滿足“渦軸發動機應能在75%最大連續功率狀態下失去所有供到軸承油池的滑油時至少工作6 min”的要求，為此將發動機型號規范進行了修改。

對此，GJB/Z 216A中說明，“對于具體的發動機，在其型號規范中可根據其實際應用規定發動機的推力狀態和附加工作時間。”

2 發動機滑油流量中斷的試驗要求

在GJB 241A-2010中將發動機滑油流量中斷試驗作為初始飛行前規定試驗和設計定型試驗的項目之一，具體要求規定如下：在與初始飛行前規定試驗（或設計定型試驗）持久試車發動機零件目錄和結構相同的發動機上，按照相關詳細規范規定的方法和程序進行滑油流量中斷試驗，以驗證滑油流量中斷的要求。試驗方法和程序應在試驗前資料中規定。試驗中僅向滑油泵進口供氣，發動機在中間推力狀態下工作30 s。在滑油中斷期間和隨后恢復正常潤滑的30 min內，發動機能正常工作而無損壞。試驗后分解并檢查發動機，以證實無損壞。

3 適航規章對發動機潤滑系統的相關要求

CCAR-33R2《航空發動機適航規定》中對滑油系統的要求主要包括防火、油濾旁通、防止污物，以及滑油箱的膨脹空間、口蓋密封、頂部通氣、油量指示等。

從CCAR-33R2條款看，沒有針對民航發動機滑油流量中斷的工作要求，也沒有對滑油流量中斷試驗的要求。分析認為，對于民航發動機，滑油流量中斷并不會產生危害性后果，不會危及飛行安全。民機沒有作戰環境，發生滑油流量中斷后，不需要發動機繼續

保持一定的工作能力來完成作戰任務或脫離戰場區域。一旦發生滑油流量中斷后，滑油壓力、油量等傳感器可以及時給出指示告警，機組可以將發動機關閉。CCAR-33R2中說明，1臺發動機失效如果其后果僅是喪失推力，則這種失效應認為是輕微影響。例如，在2003年6月4日，1架波音777飛機（配裝PW4077發動機）在爬升過程中由于1臺發動機的1根滑油管破裂，發出滑油壓力低和滑油油量低（滑油量為零）告警，由此機組關閉故障發動機后順利返航，安全著陸。

鑒于滑油流量中斷對民航發動機不會產生危害性后果，因此，在CCAR-33R2中并沒有對發動機滑油流量中斷的工作能力提出要求，但是有對滑油流量中斷后風車持續轉動的要求。CCAR33.74條中規定，發動機停車后，如果沒有轉子鎖定裝置，則要求發動機在最長的飛行周期內和在預期該發動機不工作的飛行條件下持續轉動，不得導致發生危害發動機的后果。例如，CFM56系列發動機，可在無滑油的風車狀態下運轉3 h而不會產生危害性后果。

4 大涵道比渦扇發動機滑油流量中斷工作要求及試驗方法分析

4.1 發動機滑油流量中斷工作能力要求

大涵道比渦扇發動機通常用作大、中型軍民用運輸機的動力裝置，其使用條件與戰斗機發動機相比有明顯差別，由于在飛行中沒有劇烈的機動動作，發動機沒有劇烈的遭遇加減速過程，最大負荷狀態通常是在地面的起飛狀態等，因此其滑油流量中斷工作能力要求不能直接照搬GJB 241A-2010中的規定。

運輸機在飛行中也會遇到瞬時零、負過載情況，尤其是遭遇突風時。另外還有一些特殊的飛行狀態，據報道，2011年6月21日，幾名法國科學家在法國1架特制的空客A300飛機艙內體驗到了約20 s的失重飛行；2013年3月15日，40位參加 “體驗太空失重飛行”的乘客在法國乘坐空客A300飛機，飛機在空中作適當的飛行動作，使乘客共經歷了15次、每次約20 s的失重體驗。因此，對于大涵道比渦扇發動機，也應要求具有在瞬時斷油情況下的工作能力。但是，在運輸機飛行過程中，發動機工作狀態最大僅達到“最大連續狀態”。

另外，根據CCAR-25R4《運輸類飛機適航標準》第25.943條“負加速度”的要求，必須按預計的負加速度最長持續時間予以驗證。咨詢通報AC25-7A《運輸類飛機合格審定飛行試驗指南》（1998.3.31）中相關規定是，飛機試飛時，發動機以最大連續狀態運轉，飛機在包線內作過載為0～-1g的飛行，每次試驗持續時間不少于7 s，累計負過載試驗時間不少于20 s。

綜上分析，作為運輸機動力裝置的大涵道比渦扇發動機，其滑油流量瞬時中斷工作能力宜要求為：在不向滑油泵進口供油的情況下，發動機能在最大連續狀態下工作20 s，在此滑油中斷期間及以后的工作期間，對發動機無有害影響。

關于永久斷油后的工作能力，如果大涵道比渦扇發動機用作民用運輸機動力裝置，則可以不作明確要求（斷油后的風車旋轉能力另行規定）。但如果大涵道比渦扇發動機用作軍用運輸機動力裝置，就存在戰場環境使用條件，有滑油流量中斷后飛機飛離作戰區域的需求，同時借鑒英國斯貝MK202發動機、美國F119發動機的相關規定，以及考慮到潤滑系統的設計復雜性，其永久斷油后的工作能力可以規定為“在空中慢車狀態下工作5～30 min”。

4.2 發動機滑油流量中斷試驗程序與方法

發動機滑油流量中斷試驗具有一定的風險性，需要采取科學、合理的程序和方法。

首先，為降低整機的試驗風險，應先在試驗器上進行相關試驗。由于推力軸承往往對滑油流量中斷最敏感，通常在整機滑油流量中斷試驗前，先在1個或2個推力軸承上進行多次滑油流量中斷的試驗器試驗。主軸承允許重復滑油流量中斷的工作能力可用20次10 s中斷供油和10次20 s中斷供油的軸承試驗來評定。

其次，發動機滑油流量瞬時中斷工作能力驗證和滑油流量永久中斷工作能力驗證應分別進行，因為二者的試驗結果要求不同。前者要求發動機經歷多次的瞬時滑油流量中斷試驗而無不利影響，不會對發動機產生異常損傷，也不會影響發動機的正常工作，且不需要對發動機采取特殊檢查或修理措施；后者只要求發動機工作到規定時間后不發生抱軸即可，發動機允許產生異常損傷，允許采取特殊檢查或修理措施。

大涵道比渦扇發動機的滑油流量中斷試驗程序如下：

（1）發動機滑油流量瞬時中斷工作能力驗證。

a.主軸軸承滑油瞬時中斷試驗器試驗

選取1～2個工作載荷相對較重的推力軸承，按發動機最大連續狀態進行試驗加載，每個主軸承先后進行20次10 s中斷供油和10次20 s中斷供油的試驗。試驗完成后檢查軸承磨損情況，軸承應沒有明顯磨損跡象，軸承狀況應與試驗前基本相當。

b.發動機滑油流量瞬時中斷試驗

發動機起動并進入穩定狀態運轉后，先在慢車狀態或巡航狀態下進行中斷滑油供給的調試，然后在最大連續狀態下進行滑油流量中斷的正式試驗考核。發動機在最大連續狀態下運轉3～5 min后，中斷滑油供給20 s然后恢復供油，這期間發動機一直保持在最大連續狀態，恢復供油后發動機繼續在最大連續狀態下工作3～5 min，之后發動機繼續工作30 min，在這30 min內允許發動機以不高于最大連續狀態下的各種穩態以及過渡態下運轉。上述滑油中斷試驗考核過程重復3～5次，之后發動機停車。試驗完成后分解檢查發動機，主軸承、傳動齒輪等部件應沒有明顯磨損跡象，狀況應與試驗前基本相當。

（2）發動機滑油流量永久中斷工作能力驗證

a.主軸軸承滑油永久中斷試驗器試驗

選取1～2個工作載荷相對較重的推力軸承，在發動機空中慢車狀態下進行試驗加載，每個主軸承進行5～30 min的滑油中斷供油試驗。在試驗過程中不得發生抱軸現象。

b.發動機滑油流量永久中斷試驗

發動機起動并進入穩定狀態運轉后，在空中慢車狀態下工作，中斷滑油供給，發動機繼續工作到預定時間 （經軸承試驗器試驗驗證的時間，5～30 min范圍內的時間值），試驗過程中不得發生抱軸現象。

5 結論

（1）大涵道比渦扇發動機的滑油流量中斷工作能力要求在不向滑油泵進口供油的情況下，發動機能在最大連續狀態下工作20 s，在此滑油流量中斷期間及以后的工作期間，對發動機無有害影響；并且發動機能在無潤滑油情況下，在空中慢車狀態下工作5～30 min而不發生抱軸現象。

（2）進行發動機滑油流量中斷試驗之前，應先在試驗器上進行主軸軸承斷油試驗。主軸承允許重復滑油流量中斷的工作能力可用20次10 s中斷供油和10次20 s中斷供油的軸承試驗來評定。

（3）發動機滑油流量瞬時中斷試驗和發動機滑油流量永久中斷試驗應分別進行。發動機滑油流量瞬時中斷試驗過程中，應進行多次滑油流量中斷，試驗完成后分解檢查發動機，主軸承、傳動齒輪等部件應沒有明顯磨損跡象，狀況與試驗前基本相當。發動機滑油流量永久中斷試驗后，發動機不發生抱軸即可。

[1]程衛華，楊士杰，魏德明，等.國家軍用標準GJB 241A-2010航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范[S].北京：總裝備部軍標出版發行部，2010：45. CHENG Weihua，YANG Shijie，WEI Deming，et al.National military standard,GJB 241A-2010 general specification for aircraft turbojet and turbofan engine [S].Beijing：The General Armaments Department Military Standard Publication and Distribution Department,2010：45. （in Chinese）

[2]中國民用航空局.CCAR-33R2航空發動機適航規定[S].北京：中國民用航空局，2011：38-39. Civil Aviation Administration of PRC.CCAR-33R2 airworthiness regulation for aircraft engine[S].Beijing:Civil Aviation Administration of PRC，2011：38-39. （in Chinese）

[3]中國民用航空局.CCAR-25R4運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2011：117. Civil Aviation Administration of PRC.CCAR-25R4 Airworthiness standard for transport category airplanes[S]. Beijing:Civil Aviation Administration of PRC，2011：117. （in Chinese）

[4]李國權.航空發動機滑油系統的現狀及未來發展 [J].航空發動機，2011，37（6）:49-52. LI Guoquan.Present and future of aeroengine oil system [J].Aeroengine，2011，37（6）：49-52.（in Chinese）

[5]蘇壯，李國權.航空發動機滑油系統斷油時主推力球軸承的瞬態熱分析[J].航空發動機，2009，35（2）：24-27. SU Zhuang，LI Guoquan.Transient thermal analysis of main thrust ball bearing during fuel cut off for aeroengine oil system [J].Aeroengine，2009，35 （2）：24-27.（in Chinese）

[6]林基恕.高性能渦輪發動機潤滑系統設計 [J].燃氣渦輪試驗與研究，2003，16（1）:7-10. LIN Jishu.Design of high performance turbineoengine lubrication systems[J].Gas Turbine Experiment and Research，2003，16（1）：7-10.（in Chinese）

[7]陳炳貽.燃氣渦輪發動機用潤滑系統的發展 [J].航空科學技術，1999，11（3）:23-25. CHEN Bingyi,Development of lubricating system in gas turbine engine [J].Aeronautical Science and Technology，1999，11（3）：23-25.（in Chinese）

[8]U.S.Department of the Navy.MIL-E-5007E general specifications for aircraft turbojet and turbofan aircraft engine [S].New York：Department of the Navy，1983：

Analysis of Working Requirements and Test Methods for High Bypass Ratio Turbofan Engine during Oil Flow Interruption

LEI You-feng,WANG Hai,XUAN Jian-guang
（Science and Technology on Complex Aviation Systems Simulation Laboratory,Beijing 100076,China）

The general working capacities and test requirements of aeroengine during oil flow interruption were analyzed based on GJB241A-2010 and JSSG-2007B etc.Aiming at the high bypass ratio turbofan engine,its working capacities during oil flow interruption can not be copied from the military specifications because its features are different from the fighter engine＇s.After analysing the features of high bypass ratio turbofan and referring to the technology experiences of foreign engines,the working capacities and test methods of high bypass ratio turbofan engine during oil flow interruption were put up.

aeroengine；high bypass ratio turbofan engine；oil flow interruption

雷友鋒（1972），男，博士，高級工程師，主要從事航空發動機結構完整性試驗與研究工作。

2013-05-01