某渦軸發動機軸承環下潤滑結構試驗研究

覃經文,2 曾廣樂 郭 暉 周 琳 馬壬聯

(1.中國航發湖南動力機械研究所 湖南株洲 412002;2.中南大學機電工程學院 湖南長沙 410083)

航空發動機主軸軸承的常用潤滑方式有噴射潤滑、環下潤滑和噴管潤滑[1]，其中噴管潤滑主要用于軸間軸承潤滑。隨著現代航空發動機技術的發展，主軸軸承DN值(軸承內徑與轉速的乘積)不斷提高[2]，在采用傳統的噴射潤滑方式下，潤滑油在離心力的作用下，難以進入軸承內部，使潤滑和冷卻效果不佳[3]。為適應高DN值軸承潤滑冷卻的需要，現代先進航空發動機的主軸軸承常采用環下潤滑方式。該方式從軸承內圈下部向軸承供油，能極大地改善軸承的潤滑和冷卻效果，從而延長軸承的使用壽命[4]。

對于環下潤滑方式，噴嘴噴射的潤滑油，需要經過收油結構進行收集，然后供往軸承內圈。根據收油方式的不同，可分軸向收油和徑向收油2種結構形式。軸向收油是指噴嘴噴射的潤滑油，通過軸向設置的擋油壩收集，如圖1所示。徑向收油常指潤滑油經過噴嘴后，沿與主軸垂直的平面噴出，再通過徑向集油環收集[5-6]，如圖2所示。采用軸向收油方式的環下潤滑結構簡稱為軸向環下潤滑結構，采用徑向收油方式的環下潤滑結構簡稱為徑向環下潤滑結構。

受環下潤滑結構和空間的限制，噴嘴噴射的潤滑油不可能完全供往軸承內圈，總有一部分飛濺、反射和流失[1]。在環下潤滑結構中，將供往軸承內圈的油量與噴嘴供油量的百分比，稱為供油效率。一般而言，軸向環下潤滑結構的供油效率大于90%，甚至接近100%；而徑向環下潤滑結構的供油效率則與徑向集油環的結構、噴嘴孔徑和布置、供油壓力以及供油溫度等密切相關,從相關文獻資料來看，供油效率一般在50%～70%[7-10]。總的來講，軸向環下潤滑結構的供油效率通常高于徑向環下潤滑結構，且其收油結構更為簡單。

圖1 軸向收油結構

圖2 徑向收油結構

某型渦軸發動機的主軸軸承采用了軸向環下潤滑結構，系國內研制渦軸發動機上首次采用該結構，具有高轉速、高DN值、結構緊湊等特點。為驗證其軸向收油以及輸油結構的有效性，需要針對軸承的環下潤滑結構，開展供油效率試驗研究。本文作者針對某型渦軸發動機滾子軸承(以下簡稱某滾子軸承)的環下潤滑結構，通過試驗研究了轉速、供油壓力、噴嘴與鎖緊螺母軸向距離等對供油效率的影響，驗證其軸向收油以及輸油結構的有效性。

1 環下潤滑試驗件

某滾子軸承環下潤滑試驗件的轉子部分如圖3所示，主要由內襯套轉接軸、鎖緊墊圈、軸承內圈以及帶擋油壩的鎖緊螺母等組成。內襯套轉接軸為軸承內圈等提供安裝位置，同時與試驗轉接段驅動軸連接，為試驗件提供轉速；鎖緊螺母與鎖緊墊圈組成的結構，將軸承內圈壓緊，同時起到防松的作用。試驗件的環下潤滑結構以及輸油流道尺寸參考發動機結構進行設計，軸向收油由帶擋油壩的鎖緊螺母實現，同時在內襯套轉接軸以及軸承內圈設置有輸油通道。

圖3 環下潤滑試驗件

如圖3所示，鎖緊螺母右側收油鉤子處直徑小于流道外徑，形成擋油壩結構；噴嘴噴射的潤滑油流柱，通過內襯套轉接軸與鎖緊螺母之間的環形縫隙進入擋油壩。試驗件高速運轉時，擋油壩內的潤滑油受慣性離心力作用，由于擋油壩內徑小于整個輸油通道的外徑，擋油壩處的離心勢能低，輸油通道處的離心勢能高，潤滑油優先從離心勢能高的輸油通道結構處流出。輸油通道內的潤滑油繼續在離心力的作用下進入軸承內圈，依次經過滾子軸承內圈上的軸向槽和徑向孔后從滾道表面甩出，從而實現由軸承內圈下部向軸承供油[11]。

2 試驗方案

2.1 試驗原理

某滾子軸承環下潤滑結構的供油效率試驗原理如圖4所示，試驗器為試驗件提供規定壓力pw、溫度tw和流量Q供的潤滑油，并提供可調的驅動轉速。通過在試驗件潤滑油進口處安裝齒輪流量計，測量供油流量Q供，并測量進入軸承滾道內的潤滑油，從而得到環下潤滑結構的供油效率。

圖4 試驗原理圖

試驗件的安裝、驅動、潤滑油流路以及測量示意如圖5所示。環下潤滑試驗件通過螺釘安裝到轉接段驅動軸上，試驗器動力源與轉接段驅動軸通過膜盤聯軸器連接，為試驗件提供轉速驅動，試驗件的旋轉方向與發動機上該滾子軸承的旋轉方向保持一致。試驗轉接段上設置有隔油板，將從軸承內圈甩出的潤滑油與未收集的潤滑油分離開，隔油板與軸承內圈間采用間隙配合防止碰磨。

圖5 潤滑油流路及測量示意圖

文中試驗測量的是未進入軸承的潤滑油流量Q1，再根據齒輪流量計測得供油流量Q供，得到進入軸承的潤滑油流量(Q供-Q1)，并根據公式(1)計算出整個環下潤滑結構的供油效率η。

(1)

2.2 潤滑油的收集與測量

在供油效率試驗中，考慮到試驗件轉速高、需要計量的潤滑油溫度高，采用人工接油的方式存在安全隱患，因此研制了一套潤滑油自動收集與測量裝置。該裝置主要由電磁閥、儲油筒、高精度稱量模塊、潤滑油箱、電氣以及控制系統等組成，如圖6所示。儲油筒頂部和底部分別設置有電磁閥，控制潤滑油的進入與排放；高精度稱量模塊設置在儲油筒底部，通過上、下位機通訊能實時獲取儲油筒內潤滑油的質量，從而得到單位時間內入口處潤滑油的質量流量。經校準，該裝置的質量檢測精度為±2 g。

使用該裝置對未進入軸承的潤滑油流量Q1進行收集與測量，既解決了安全隱患，又具有較高的試驗精度，能夠滿足供油效率試驗的要求。

圖6 潤滑油自動收集與測量裝置

2.3 試驗方案

根據相關文獻資料和研制經驗來看，環下潤滑結構的供油效率與轉速、滑油供油參數、噴嘴結構以及布置情況等密切相關[8-10]。其中，滑油供油參數包括供油壓力、供油溫度和供油流量，噴嘴結構包括噴嘴孔徑、長徑比等，噴嘴的布置情況包括噴嘴數目、噴射角度、軸向和徑向位置等。

由于轉速和潤滑油供油參數與發動機的狀態相關，在發動機正常工作條件下，潤滑油供油溫度范圍一般為80～130 ℃，對于常用的潤滑油而言，在上述供油溫度范圍內噴嘴的供油流量隨溫度的變化較小。對于給定的噴嘴結構尺寸，噴嘴的供油流量與供油壓力正相關。受發動機軸承腔結構的影響，環下潤滑結構對于噴嘴的軸向位置比較敏感，噴嘴相對于擋油壩的軸向位置直接影響噴嘴噴射的潤滑油進入擋油壩結構。考慮到發動機冷態下尺寸鏈的公差累積影響，以及熱態下轉子軸向竄動的影響，噴嘴相對于擋油壩的軸向位置與理論設計值的差異較大。

綜上，基于給定的噴嘴結構和噴嘴布置，文中試驗主要研究發動機典型工況下的轉速、供油壓力對供油效率的影響，以及噴嘴軸向位置對供油效率的影響。

3 試驗結果及分析

3.1 轉速、供油壓力對效率的影響

為獲得某滾子軸承環下潤滑結構在發動機典型工況下的供油效率，在不同的工作轉速、供油壓力、供油流量條件下進行試驗。試驗件轉速采用發動機燃氣渦輪轉子典型工況下的轉速，保持供油溫度tw為(90±5)℃不變，調節噴嘴的供油壓力pw分別為(0.14±0.02)、(0.3±0.02)、(0.5±0.02) MPa，獲得供油壓力下的試驗件供油流量Q供。通過試驗測量得到未進入軸承的潤滑油流量Q1，并根據公式(1)計算相應的供油效率。為保證試驗精度，要在每個狀態穩定運行2 min后測量潤滑油流量。

試驗中，觀察圖7測量油路中儲油筒上方的電磁閥出口潤滑油流動狀況，在轉速從0逐步上升到典型工況轉速的45%的過程中，進入儲油筒內的潤滑油逐漸減少，說明隨著轉速的上升，離心力增大，從軸承內圈甩出的潤滑油增多，未進入軸承的潤滑油減少，供油效率逐步上升。

圖7 試驗裝置

不同轉速及供油壓力下的供油效率試驗結果如圖8所示，試驗件在不同轉速、供油壓力下的供油效率均大于95%，最高供油效率接近99%。當轉速大于典型工況轉速的45%時，供油效率隨轉速的變化較小。

圖8 不同轉速及供油壓力下試驗件的供油效率

供油壓力0.5 MPa時，各轉速下的供油效率低于供油壓力0.14、0.3 MPa時的供油效率，供油效率差值為3%左右。這是因為，隨著供油壓力的升高，潤滑油流速增加，潤滑油流柱的發散也越嚴重，進入擋油壩內的潤滑油減少，因而供油效率下降。

3.2 噴嘴軸向位置對效率的影響

航空發動機在冷態條件下，受零件公差累積影響，噴嘴與帶擋油壩的鎖緊螺母間的軸向距離，與設計狀態的理論值存在偏差。航空發動機在熱態工作狀態下，受熱態變形的影響，噴嘴與鎖緊螺母間的軸向距離也會隨之發生變化。綜合考慮冷態和熱態工作狀態，某滾子軸承噴嘴與鎖緊螺母之間的軸向距離與理論值可能會存在2 mm的上偏差。

為驗證軸向距離對某滾子軸承環下潤滑結構供油效率的影響，通過增加供油盤與供油管之間的調整墊(如圖5所示)，改變噴嘴與鎖緊螺母間的軸向距離，從而實現入射點位置的調整。

如表1所示，試驗件狀態一表示設計狀態的理論位置，入射點位于擋油壩內側；狀態二在狀態一基礎上，軸向距離增加了2 mm，入射點位于擋油壩處；狀態三在狀態一基礎上，軸向距離增加了3.5 mm，入射點位于擋油壩外側。3種狀態的試驗件，在不同轉速、供油壓力下的供油效率試驗結果分別如圖9—11所示。

表1 試驗件狀態

圖9 不同轉速下3種試驗件狀態的效率(0.14 MPa)

圖10 不同轉速下3種試驗件狀態的效率(0.3 MPa)

圖11 不同轉速下3種試驗件狀態的效率(0.5 MPa)

從圖9—11可以看出，3種狀態的試驗件在發動機典型工作轉速、供油壓力下，供油效率都在90%以上，且供油效率隨供油壓力的升高而降低，隨轉速的變化則較小。試驗件狀態一的供油效率最高，試驗件狀態二次之，試驗件狀態三的供油效率明顯低于狀態一和狀態二。潤滑油流柱與內襯套轉接軸碰撞的入射點位置由擋油壩內側向外側移動時，試驗件的供油效率呈現出降低的趨勢，這主要是由于入射點位于擋油壩外側，一部分潤滑油在與轉接軸碰撞后在離心力作用下飛濺甩出，并未進入擋油壩內側，從而導致整個環下潤滑結構的供油效率下降。

4 結論

通過在不同轉速、供油壓力、噴嘴軸向位置狀態下，對某型機主軸軸承環下潤滑結構開展供油效率試驗研究，可以得出以下結論：

(1)軸向環下潤滑結構的供油效率隨供油壓力的增加而降低；

(2)在進行軸向環下潤滑結構設計時，應盡量保證發動機工作狀態下的入射點位置位于擋油壩內側；

(3)在發動機設計要求的轉速、供油壓力下，研究的某滾子軸承環下潤滑結構的供油效率均大于90%，最高供油效率大于95%，滿足設計要求。