航空發動機滑油系統的現狀與發展

李新 周麗 丁秀萍

摘 要：滑油系統是保證航空發動機機械傳動系統正常工作必不可少的部分，隨著中國航空發動機技術的發展進步，滑油系統的研究也不斷深入，在元部件設計、子系統設計、系統整合和健康監視方面的自行研制上都有了長足的進步。本文對發動機滑油系統的現狀進行了分類總結，并闡述了未來先進滑油系統的發展方向。

關鍵詞：滑油系統；在線監視；健康管理；航空發動機

Abstract：Oil system is essential to guarantee the aeroengine mechanical transmission system to work properly. With the development of the aeroengine of China， the research of oil system becomes more effective. The progress in self-developed components design， subsystem design， system integration and health monitoring has been considerable. In this paper the present developing situation and the future trend of aeroengine oil system is conducted.

Key words：oil system；on-line monitoring；health management；aeroengine

航空發動機是一種高度復雜和精密的熱力機械，其工作條件十分苛刻，需要經受高轉速、高溫、高壓的考驗。由于軸承轉速高，并處于發動機中心，結構緊湊，潤滑與隔熱、散熱條件較差，出現滑轉、磨損、積炭和支承座裂紋等故障的幾率較高，需要滑油系統潤滑和冷卻航空發動機各承力和傳動部件，所以滑油系統的性能和工作的可靠性直接關系到發動機的工作性能和可靠性[ 1 ]。

長期以來我國航空發動機相關領域的研究主要偏重壓氣機、燃燒室、渦輪這三大部件，忽視了對滑油系統的研究工作，導致發動機滑油系統的設計難以滿足現代高性能航空發動機的需要，已成為限制高性能發動機研制與發展的瓶頸。

近年來，隨著中國航空發動機方面的發展，中國學者對滑油系統的研究也越來越深入，從元部件的設計[ 2 ]、子系統設計、系統整合和在線監視等方面進行了深入研究，滑油系統的研制得到了長足的發展。

1 滑油系統的研究現狀

1.1 對元部件的研究

航空發動機滑油系統的關鍵元部件包括供/回油泵、燃滑油散熱器、油氣分離機構等。

1.1.1供/回油泵

主要功能為發動機軸承和傳動部分潤滑油的輸送和抽回，一般為容積式齒輪泵，目前常采用的為外嚙合齒輪泵或內嚙合轉子泵。

一般的研究方法為理論分析及CFD數值計算，通過已知供、回油系統邊界條件來計算泵的性能，主要著眼的問題為齒輪泵的汽蝕現象和高空性能等。

1.1.2燃滑油散熱器

主要功能是冷卻滑油，使滑油溫度保持在正常范圍，同時加熱燃油。目前普遍采用管殼式散熱器。一般的換熱性能計算方法有效率-傳熱單元法、平均溫差法、單位溫差換熱量性能曲線簇法和基于實驗數據的改進方法等。

文獻[3]采用無量綱關系曲線進行了管殼式燃滑油散熱器換熱特性的計算，能較好吻合試驗數據，為航空發動機管殼式燃滑油散熱器的設計及驗證提供了新方法。

1.1.3油氣分離機構

主要功能是把工作過的滑油中的氣體分離出來，降低滑油中的氣體含量，保證滑油系統安全可靠地工作，目前常用的為離心式油氣分離器。一般的研究方法為特性試驗和CFD數值模擬，研究重點為分離機構的油氣分離效率和流阻特性。

1.2 對系統的研究

滑油系統按不同分類方法可分為多種類別，適用于不同需求：

1.2.1按滑油循環方式使用分類

可分為開式系統和循環系統，其中循環系統又可分為單回路系統、雙回路系統和短循環系統，相較于單回路系統，雙回路系統的優點在于大部分滑油在主回路循環，加速滑油預熱，減小啟動阻力，同時可以提高增壓泵前壓力，提升系統高空性能，而短循環系統不僅具有雙回路系統的優點，并且由于帶氣泡的回油不經滑油箱，有利于滑油箱的小型化。

1.2.2按滑油散熱器的安裝位置分類

可分為正向循環系統和反向循環系統。正向循環時散熱器安裝在回油路中，通常要求散熱器前有性能良好的油氣分離器，反向循環時散熱器安裝在供油路中，此時滑油箱為熱油箱設計[4]，有利于油氣分離。

1.2.3按滑油流量是否可調節分類

可分為調壓式系統和全流式系統，二者區別在于是否安裝有調壓活門，調壓式系統中供油壓力被調壓活門限制在一定范圍內，全流式系統能在不用減壓活門的情況下在發動機的轉速范圍內達到要求的滑油流量。

1.2.4組合式

組合式滑油系統一般為開式與循環式相結合，工作在高溫負荷的摩擦組件采用開式潤滑，工作過的高溫變質滑油直接排出機外。

此外，滑油系統由通風、供油和回油三個子系統組成，各個子系統的協同工作也是研究的重點，主要目標是通過降低通風量、降低供油量，從而減輕機械系統重量。

1.3 對高溫潤滑劑的研究

高溫潤滑劑能夠有效避免熱區軸承腔內的滑油結焦與著火，熱區軸承腔、軸承、支座等的熱防護和隔熱可以精簡，有利于減少冷卻空氣量、減少滑油流量、減輕整體機械系統重量，所以高溫潤滑劑也是滑油系統研究的重點。

美國IHPTET計劃中對高性能潤滑劑的研究作了明確規劃，制定了高溫潤滑油規范MIL-L-27502和MIL-L-87100，制定了新型潤滑劑主要熱性能指標：主體滑油氧化溫度330℃，熱安定性510℃，自燃溫度649℃，并成功研制出了符合MIL-PRE-7808L標準的第三級和第四級滑油，能承受較高溫度和不結焦，已在推重比10發動機F119上應用。

我國對高溫潤滑劑是在俄羅斯BT301的基礎上開始研制，其基礎為氟硅油，抗高溫潤滑劑為含鐵元素添加劑，鐵含量約為0.017～0.022%，此外還有抗泡劑、抗磨劑等添加劑，針對高性能滑油的研究，中國科學院上海有機化學研究所立項，歷經8年研究的KXY-31的Ⅲ型潤滑油主體溫度達到250～260℃，各項指標已經全面達到國外同類產品的水平。

1.4 對健康監視的研究

隨著航空發動機健康管理技術的發展，滑油系統在狀態監測和故障診斷方面的作用越來越大，并作為整機健康監測的重要組成部分得到深入研究。

滑油健康監視系統（ODMS）分為地面和機載兩部分，上世紀末英國、意大利、西班牙和德國在EuroFighter Ground Support System研究項目中以EJ200發動機為背景開發了地面和機載監視系統并取得了成功，近年來又開展了一系列針對滑油系統的攻關計劃，如2001-2011年歐洲開展的ATOS（Advanced Transmission and Oil System）計劃和2011年至今開展的ELUBSYS（Engine Lubrication System Technology）計劃，這些計劃旨在獲得更佳性能的滑油系統以及滑油健康監視系統。

機載健康監視需建立在滑油系統建模仿真的基礎上。國外先后研制并開發了發動機滑油系統仿真設計軟件和分析軟件，如美國NASA的SSME，GFSSP和FloModl等。

國內也有相關學者針對滑油系統仿真分析作了研究，文獻[5]介紹了劉振俠等開發的滑油系統通用分析軟件，采用流動換熱的網格算法建立了供油、回油系統模型。

文獻[6]介紹了郁麗等給出的滑油系統軸承腔壓的計算方法，為通風系統的仿真計算提供了參考。

文獻[7]介紹了朱鵬飛等建立的滑油系統流動與換熱仿真平臺，為供油、回油系統的仿真計算提供了參考。

2 滑油系統未來發展方向

2.1 緊湊式設計

滑油系統較為復雜的結構，包括大量的功能部件、管路和向各功能附件提供動力的附件傳動系統，為了適應先進發動機不斷提高的推重比要求，滑油系統需要降低自身復雜度、減輕重量并提高工作可靠性。

2.1.1緊湊型滑油散熱器

通過改進換熱面材料從而提高換熱效率以及緊湊化設計制造，能有效減小散熱器的體積和重量，有利于滑油系統減重。

2.1.2超高轉速的系統部件

超高轉速的系統部件主要為超高轉速的滑油泵、油氣分離器和通風器，通過提高這些旋轉部件的轉速，能夠減小這類部件的體積和重量，有利于滑油系統的減重。

2.1.3小型部件及附件機匣的一體化設計

該型設計可以節省空間將滑油箱等附件安排在附件機匣側面，減少各附件間的連接管路，避免了復雜的管路連接，增強滑油系統的可維護性和可靠性。

2.1.4多功能部件設計

將功能具有相關性的部件進行集成，如帶油氣分離裝置的高速滑油泵、油濾堵塞機械和電信號復合式指示器、溫度和壓力復合式傳感器等，能夠減少部件數量，有利于滑油系統的減重。

2.2 高溫潤滑油

先進發動機的設計需采用冷空氣環繞軸承腔、熱區熱防護與隔熱等措施來改善熱區過熱的問題，但這樣增加了發動機結構的重量和冷卻空氣量[ 8 ]，同時滑油流量也很大，加大了滑油系統組件的重量，而采用了高溫潤滑油，則可以使得滑油溫度容限提高、循環量減小，有利于改善以上問題，且滑油循環量的減小有利于滑油組件的緊湊、輕量化設計。美國IHPTET計劃的第Ⅲ階段任務要求研制出能夠承受360℃的液體潤滑劑。

2.3 精確的數值仿真

精確的數值仿真既是緊湊式滑油系統設計的基礎，也是健康監視的基礎。

精確的數值仿真能夠從系統整體的角度進行結構優化，達到滑油系統緊湊化、輕量化的目的。在確保軸承及齒輪可靠潤滑和冷卻的前提下，盡可能減小滑油循環量，從而降低相關系統部件的性能要求，從而達到緊湊化設計的目的。

滑油系統軸承、齒輪生熱的精確建模計算以及軸承腔氣液兩相流流動與換熱的精確計算，能夠改善軸承腔隔熱措施不合理的情況，進而避免滑油的焦化與著火，同時也能減小密封空氣量。此外在精確數值仿真的基礎上開展系統管路結構的整體優化設計也可以一定程度減小系統重量。

精確的數值仿真能夠得到各類工況下滑油系統各類測點參數的計算值作為健康監視的依據，在線監視系統能夠通過傳感器實際測得的滑油溫度、壓力和碎屑[ 9 ]等情況來判斷滑油系統以及轉子系統、軸承的工作狀態，有助于及時、迅速地檢測到轉子軸承故障和滑油系統故障的發生[ 10 ]；診斷系統能準確判斷故障部位和嚴重程度，進而有效地對故障進行隔離，避免故障進一步惡化及其帶來的損失，同時對簡化發動機系統維修步驟，縮短查找維修時間，能有效降低發動機維修、維護成本，具有較大的工程意義和價值。

3 結語

通過查閱大量國內外相關資料，對國內外航空發動機滑油系統的發展現狀進行了描述，闡述了其未來的發展方向，主要歸納為以下3點：

1）進行部件緊湊化設計的研究，通過減輕部件重量、減小部件體積來適應先進發動機的高推重比要求；

2）進行高溫潤滑油的研究，為部件的緊湊化設計提供基礎；

3）進行精確數值仿真的研究，提高滑油系統的效用，為其健康監視及發動機整機的健康監視奠定基礎。

參考文獻：

[1] 林基.航空發動機設計手冊：傳動及潤滑系統.第12冊[M].航空工業出版社，2002.

[2] 黎林林，謝光華.某型號渦噴發動機滑油系統設計[J].推進技術，2001（06）：493-495.

[3] 呂亞國，劉振俠.航空發動機管殼式燃-滑油散熱器換熱特性計算[J].航空動力學報，2014，29（12）：2830-2835.

[4] 楊春信，張麗娜，郭暉.發動機滑油散熱系統性能研究[J].航空動力學報，2003，18（6）：813-818.

[5] 劉振俠等.航空發動機潤滑系統通用分析軟件開發[J].航空動力學報，2007（01）：12-17.

[6] 郁麗，李國權.節流通風的航空發動機軸承腔腔壓計算方法[J].航空動力學報，2012（11）：2616-2621.

[7] 朱鵬飛等.航空發動機管路系統流動與換熱的仿真平臺[J].推進技術，2014（11）：1523-1529.

[8] 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（06）：49-52，62.

[9] 馬壯，程禮，吳博.一種利用滑油中金屬磨粒含量判定磨損部件的方法[J].航空計算技術，2004（03）：111-112，115.

[10] 陳志英.航空發動機滑油監視與診斷系統軟件研制[J].推進技術，1998（05）：53-56.

作者簡介：李新（1981-），女，漢族，山東鄄城人，博士研究生，工程師，主要研究航空發動機。